畢節(jié)地區(qū)巖溶地下水水化學(xué)特征與水質(zhì)評價

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴陽 550025)

1 研究背景

貴州省是巖溶地貌分布面積最大、巖溶類型最齊全的省份，其獨特的地質(zhì)構(gòu)造和地貌地形使其地下水系統(tǒng)化學(xué)特征具有復(fù)雜性和多變性[1]。畢節(jié)地區(qū)位于貴州省西北部，東與貴陽市相鄰，西與云南省接壤，南與安順市交界，北臨四川省，轄大方縣、七星關(guān)區(qū)、織金縣、黔西縣、納雍縣等七縣二區(qū)，總面積約27 000 km2。區(qū)內(nèi)出露的地層有震旦系、寒武系、奧陶系、二疊系、三疊系等，其中二疊系、三疊系地層是本區(qū)主要地層，巖性為碳酸鹽巖。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地形切割較深，地表水向溝谷深部徑流，使得地表水資源難以充分利用，造成該區(qū)缺水[2]，但巖溶地下水資源豐富，為了合理地開發(fā)地下水資源，提出本文的研究。

查閱文獻(xiàn)可知，前人對該區(qū)的研究較少。莫世江等[3]采用SPSS軟件對該區(qū)2個水庫水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，并對水體水質(zhì)污染現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合評價；孫丹等[4]對烏江上游畢節(jié)段層臺鎮(zhèn)玉龍村巖溶地下水水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了評價；黃開文[5]對畢節(jié)地區(qū)煤礦開采引起的地下水資源問題及其保護(hù)進(jìn)行了研究；曹振東和譚廷靜[6]對畢節(jié)地區(qū)13口井的抽水資料進(jìn)行計算，分析了其產(chǎn)生誤差的原因，同時對巖溶區(qū)水資源的評價方法提出建議；袁建飛等[7]通過分析常規(guī)水化學(xué)組分和氫氧同位素，分析了該地區(qū)巖溶水的補(bǔ)給特征，研究了巖溶水主要組分的物質(zhì)來源和判斷發(fā)生的水巖相互作用過程；陳俊武[8]分析了畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)地下水的飲水現(xiàn)狀，對其污染源類型進(jìn)行了分析研究，但未對地下水的質(zhì)量進(jìn)行評價。從以上研究可以看出，對于該地區(qū)巖溶地下水質(zhì)量評價的研究較少。

模糊綜合評價法考慮到了地下水水質(zhì)分類中存在的模糊問題，用隸屬度表征地下水對各類水的隸屬程度，符合水質(zhì)污染級別劃分中存在的模糊性，能客觀地反映地下水水質(zhì)的真實狀況。故本次采用該方法進(jìn)行水質(zhì)綜合評價。模糊綜合評價法根據(jù)水樣的檢測數(shù)據(jù)確定各評價指標(biāo)對各類型水的隸屬度矩陣，確定指標(biāo)的權(quán)重集，然后將權(quán)重集與隸屬度矩陣相乘，得到綜合評判集，表明水體對各類型水的隸屬程度，其中值最大的元素所對應(yīng)的類別即為水體評價類別[9]。本文通過舒卡列夫分類法和Piper三線圖分類法分析該區(qū)域巖溶地下水化學(xué)特征，同時運用單因子評價和模糊綜合評價法2種方法對該地區(qū)巖溶地下水質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析評價，是對前人研究的很好補(bǔ)充，具有很強(qiáng)的參考價值和現(xiàn)實意義。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)以巖溶地貌為主，其發(fā)育和分布特征受斷裂構(gòu)造和地層巖性控制。出露地層以碳酸鹽巖地層為主，主要巖性為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、鈣質(zhì)白云巖和泥質(zhì)白云巖[6]。

研究區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造位置分跨畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)、貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)、威寧北西向構(gòu)造變形區(qū)以及普安旋鈕構(gòu)造變形區(qū)4個四級構(gòu)造單元。這種構(gòu)造組合對區(qū)內(nèi)含水巖組的出露狀態(tài)、巖溶地下水的補(bǔ)徑排條件及地下水的富集起到了重要的制約控制作用[2]。

研究區(qū)屬低緯度高海拔區(qū)，暖溫帶季風(fēng)濕潤氣候。降雨主要集中在5—9月份，氣候變化較大，洪澇、冰雹等災(zāi)害性天氣時有發(fā)生[7]。地形起伏較大，石漠化嚴(yán)重，極端降水極易引起地質(zhì)和洪澇災(zāi)害[10]。區(qū)內(nèi)地下水類型主要有松散巖層孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水3種類型，其中巖溶水含水層分布面積最廣，出露面積約17 777 km2[11]。

圖1 研究區(qū)位置與水樣采樣點分布Fig.1 Map of the study area and sampling points

3 水樣采集與測試方法

表1 舒卡列夫分類法分類結(jié)果
Table 1 Result of Shoka Lev’s classification

超過25%毫克當(dāng)量的離子HCO-3HCO-3+SO2-4HCO-3+SO2-4+Cl-HCO-3+Cl-SO2-4SO2-4+Cl-Cl-Ca2+181522293643Ca2++ Mg2+291623303744Mg2+3101724313845Na++ Ca2+4111825323946Na++ Ca2++ Mg2+5121926334047Na++ Mg2+6132027344148Na+7142128354249

表2 研究區(qū)地下水常規(guī)離子統(tǒng)計Table 2 Statistics of conventional ions of groundwater in the study area

4 巖溶地下水特征分析

4.1 水化學(xué)類型及空間分布

研究區(qū)巖溶地下水水化學(xué)類型特征與含水層巖性和地下水動力特征密切相關(guān)，因此地下水的水化學(xué)特征通常能夠反映地下含水層發(fā)育的巖性、徑流等特征[12]。我國常用的水化學(xué)分類法是舒卡列夫分類法，分類結(jié)果見表1(數(shù)字為類別代號)。根據(jù)各指標(biāo)檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。

從表2可知，研究區(qū)的地下水化學(xué)類型大體上可分為5類，分別為HCO3-Ca型水、HCO3-Ca·Mg型水、HCO3·SO4-Ca型水、HCO3·SO4-Ca·Mg型水、SO4·Cl-Na·Ca型水,分別占全部水樣的13.6%，54.5%，13.6%，13.6%，4.6%。其中HCO3-Ca型水主要分布在研究區(qū)北部鳳山彝族蒙古族鄉(xiāng)-核桃彝族白族鄉(xiāng)一帶，馬場鎮(zhèn)一帶也有分布；HCO3-Ca·Mg型水主要分布在研究區(qū)的西部和南部，畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)朱昌鎮(zhèn)-織金縣八步鎮(zhèn)沿線以南地帶居多；HCO3·SO4-Ca型水主要分布在研究區(qū)中部大方縣理化苗族彝族鄉(xiāng)-黃泥塘鎮(zhèn)一帶；HCO3·SO4-Ca·Mg型水主要分布在研究區(qū)北部大方縣核桃鄉(xiāng)-沙廠鄉(xiāng)一帶，研究區(qū)的南部零星分布；畢節(jié)市大方縣核桃鄉(xiāng)石艷村石艷組水樣檢測結(jié)果顯示，該水樣類別代號達(dá)到39，屬SO4·Cl-Na·Ca型水。從整體上看，研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)北部區(qū)域較南部區(qū)域良好。按照TDS劃分，所取水樣礦化度均<1.5 g/L，因此按照該標(biāo)準(zhǔn)，所有水樣都屬于A類水。該分類方法的分類指標(biāo)較少，適用于研究區(qū)水質(zhì)的初步分析，為后續(xù)進(jìn)一步的分析評價打下基礎(chǔ)。

該分析方法優(yōu)勢明顯，但是以25%毫克當(dāng)量為劃分水化學(xué)類型的依據(jù)在一定程度上帶有人為主觀性。對于>25%毫克當(dāng)量的離子也未反映其相對大小，因此反映水質(zhì)變化不夠靈敏。為彌補(bǔ)該不足，除舒卡列夫分類外還進(jìn)行了Piper三線圖水化學(xué)分類。

4.2 Piper三線圖水化學(xué)分類

Piper三線圖是1944年派帕(A.M.Piper)提出的，他把菱形分成9個區(qū)域，不同區(qū)域的水樣具有不同的水化學(xué)特征[13]。Piper三線圖最大的優(yōu)點是能將大量水樣點呈現(xiàn)在圖上，可根據(jù)不同水樣在圖上的分布特征分析解釋出采樣區(qū)水化學(xué)特征。

根據(jù)水樣相關(guān)指標(biāo)參數(shù)測定結(jié)果，利用水化學(xué)軟件AqQA繪制了Piper三線圖(圖2)，系統(tǒng)地分析了研究區(qū)的地下水化學(xué)特征，揭示了研究區(qū)的地下水水化學(xué)特征時空變化規(guī)律。

圖2 Piper三線圖Fig.2 Piper’s plot

5 巖溶地下水水質(zhì)評價

5.1 單因子評價

單因子評價法是在地下水水質(zhì)調(diào)查分析資料的基礎(chǔ)上，按照評價指標(biāo)含量所在區(qū)間來確定地下水質(zhì)量類別的方法[14]。通過分別對水樣單個指標(biāo)進(jìn)行分析評價，確定該水樣在各指標(biāo)下的水質(zhì)類別，在所有水質(zhì)類別中選取水質(zhì)最差類別作為水樣的最終水質(zhì)類別[15]。根據(jù)《區(qū)域地下水污染調(diào)查評價規(guī)范》(DZ/T 0288—2015)、《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)，通過對22組水樣的20項指標(biāo)進(jìn)行檢測，確定了本次所取22組水樣的水質(zhì)類別。

圖3 采樣點水質(zhì)類型單因子評價結(jié)果Fig.3 Result of water quality grades by singlefactor evaluation

按照以上評價標(biāo)準(zhǔn)和方法，得到研究區(qū)采樣點水質(zhì)類型及分布(圖3)。通過分類統(tǒng)計，結(jié)果(圖4)表明在22組水樣中，沒有符合Ⅰ類水的水樣點；符合Ⅱ類水的水樣點有4個，占總水樣點的18.2%；符合Ⅲ類水的水樣點有9個，占總水樣點的40.9%；符合Ⅳ類水的水樣點有5個，占總水樣點的22.7%；符合Ⅴ類水的水樣點有4個，占總水樣點的18.2%。從人類飲用水的最低標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水來看，符合人類生活用水的比例為59.1%。因此，從單指標(biāo)評價的角度看，研究區(qū)的地下水化學(xué)指標(biāo)超標(biāo)較為嚴(yán)重。

圖4 采樣點水質(zhì)類型單因子評價結(jié)果Fig.4 Pie chart of water quality grades by singlefactor evaluation

單因子評價法計算方式相對比較簡單，考慮了單一影響因子對水質(zhì)狀況的影響，但忽略了多重影響因素對水質(zhì)的綜合影響，對水質(zhì)分級界限的模糊性也缺乏考慮。因此為避免單因子評價的結(jié)果不能全面地反映地下水質(zhì)量的整體狀況，產(chǎn)生較大的偏差，故本次研究同時采用了模糊數(shù)學(xué)綜合評價法。

5.2 綜合評價

5.2.1 模糊關(guān)系矩陣的確定

設(shè)地下水水質(zhì)的評價指標(biāo)有m個，用隸屬度劃分各個評價因子分屬級別的界限。設(shè)rij表示第i個評價因子屬于第j個評價等級的程度，從而構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R。

i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

式中n為地下水級別，n=5。在本文中，rij的隸屬度函數(shù)采用降半梯形法計算,見表3。

表3 隸屬度計算Table 3 Calculation result of membership degree

注：Xi表示水樣中離子含量，Si表示對應(yīng)離子水質(zhì)分類離子界限含量

采用降半梯形法確定隸屬函數(shù)，根據(jù)以上計算方法，計算得①號水樣點模糊關(guān)系矩陣為

(1)

同理計算出矩陣R2至矩陣R22。

5.2.2 權(quán)重的計算

評價因子的權(quán)重采用歸一化權(quán)重計算公式確定，計算公式為

(2)

計算得①號水樣點權(quán)重W1=(0.173 5，0.311 3，0.070 2，0.005 1，0.096 4，0.343 1，0.000 4)。

對評價指標(biāo)的權(quán)重矩陣W與模糊關(guān)系矩陣R進(jìn)行復(fù)合運算，可得到水樣點隸屬于各評價等級的隸屬度矩陣B。根據(jù)最大隸屬度原則，矩陣B中元素的最大值對應(yīng)的水質(zhì)等級即為該水樣點等級。

5.2.3 模糊綜合評價結(jié)果

①號水樣點的隸屬度矩陣B1=W1R1=(0.367 9,0.289 0,0.266 9,0.076 2,0)，同理計算出B2至B22。

由綜合評價模型B=WR得各水樣的水質(zhì)類別評價結(jié)果，見表4。

表4列出了各水樣對各等級水的隸屬度，選取各水樣最高隸屬度對應(yīng)的水質(zhì)等級作為該水樣的最終水質(zhì)類別。運用該方式統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在22組水樣中，符合Ⅰ類水的水樣點有5個，占總水樣點的22.7%；符合Ⅱ類水的水樣點有9個，占總水樣點的40.9%；符合Ⅲ類水的水樣點有4個，占總水樣點的18.2%；沒有符合Ⅳ類水的水樣點；符合Ⅴ類水的水樣點有4個，占總水樣點的18.2%。符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的水樣比例為81.8%。因此，綜合評價的結(jié)果相比較單因子評價結(jié)果，研究區(qū)的地下水水質(zhì)狀況較為良好。這主要是因為單因子評價水質(zhì)類別的確定是選取水質(zhì)最差類別作為水體的水質(zhì)類別，某單一因子的超標(biāo)就會導(dǎo)致水質(zhì)的劃分產(chǎn)生很大的差距。

表4 各水樣對各類水的隸屬度及水質(zhì)類別Table 4 Membership degree of water samples of all grades

5.3 結(jié)果與討論

從單因子評價和綜合評價結(jié)果來看，研究區(qū)大部分區(qū)域巖溶地下水水質(zhì)能夠滿足人類飲用水標(biāo)準(zhǔn)，只有少部分區(qū)域不能滿足。不能滿足的區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部的③號、⑥號、○12號、○14號水樣，其中③號、○12號、○14號水樣所在的區(qū)域硫酸根離子超標(biāo)，⑥號采樣點所在的區(qū)域鋅離子嚴(yán)重超標(biāo)，主要是由于該區(qū)域化工廠廢水隨意排放導(dǎo)致，筆者認(rèn)為該地區(qū)結(jié)石患者數(shù)量較多與水中硫酸鹽含量過高有著密不可分的關(guān)系。

6 結(jié) 論

(2)單因子評價結(jié)果為：沒有符合Ⅰ類水的水樣點；符合Ⅱ類水的水樣點占總水樣點的18.2%；符合Ⅲ類水的水樣點占總水樣點的40.9%；符合Ⅳ類水的水樣點占總水樣點的22.7%；符合Ⅴ類水的水樣點占總水樣點的18.2%。從人類飲用水的最低標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水來看，符合人類生活用水的比例為59.1%，因此，從單指標(biāo)評價的結(jié)果看，研究區(qū)大部分區(qū)域地下水質(zhì)量滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

(3)模糊綜合評價結(jié)果為：符合Ⅰ類水的水樣點占總水樣點的22.7%；符合Ⅱ類水的水樣點占總水樣點的40.9%；符合Ⅲ類水的水樣點占總水樣點的18.2%；沒有符合Ⅳ類水的水樣點；符合Ⅴ類水的水樣點占總水樣點的18.2%。從人類飲用水的最低標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水來看，符合人類生活用水的比例為81.8%。因此，從綜合評價的結(jié)果看，研究區(qū)大部分區(qū)域地下水質(zhì)量滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)。