渭河平原地下水質演化規律及評價研究

陶 虹，丁 佳， 鄭苗苗,3，李文莉,3，賀旭波

(1.礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054； 2.陜西省地質環境監測總站， 陜西 西安 710054； 3.長安大學，陜西 西安 710054)

1 研究背景

渭河平原位于我國西北部黃河流域中上游，是絲綢之路經濟帶的起點所在地[1-3]，地下水在城市供水及工農業生產用水中發揮著重要作用。長期超量開采使渭河平原區域地下水位、水質發生波動變化，對渭河平原地質環境、生態環境均產生較大影響[4-5]。因此有必要加強地下水水質研究，以促進當地經濟社會的可持續發展和提高居民的生活水平[6-7]。

前人對渭河平原地下水質的研究，主要針對含水介質對地下水質的影響以及地下水水化學特征、主要離子的空間分布特征等。2001年楊曉婷等[8]進行了渭河平原含水層脆弱性評價；2011年段磊等[9-10]對氮、氟等單個因素對渭河平原地下水質的影響進行了研究；2013、2014年孫一博等[11-12]提出了渭河平原淺層地下水中主要離子分布特征。Wu Jianhua等[13]對華縣地下水硝酸鹽污染及其導致的人體健康風險進行了評估，Li Peiyue等[14-15]采用水化學和同位素技術，對華縣地區地下水水化學特征進行了系統性研究，并對地下水與污染地表水的水力聯系進行了研究，研究成果為化縣地區污染地表水的治理和淺層地下水的保護提供了科學依據。有關地下水質的研究很多，前人提出了多種地下水水質評價方法，如有水質指數法[16-17]、集對分析法[18]、物元可拓法[19-20]、模糊綜合評價法[21-22]、TOPSIS法[23-27]、密切值法[28]等。

前人的研究為渭河平原地下水合理開發利用與水質保護提供了科學支撐。但這些研究僅依靠一次水質數據進行分析，無法對渭河平原水質隨時間的變化進行分析。基于此，本文以近20年監測數據為基礎，分析渭河平原地下水主要超標物質及其時空變化規律，提出水質變化主要影響因素，采用綜合評價法進行水質評價，開展地下水質量綜合評價分區。對掌握渭河平原區域地下水質動態，有針對性地提出污染防治對策，科學取水用水有較大意義。

2 研究區概況

2.1 地質地貌

渭河平原是一個典型的新生代斷陷式盆地，上覆近千米厚的第四系松散層，為地下水存貯和運移提供了良好的空間。盆地南北兩側山脈向中心地形呈階梯級降落，依次為山前洪積平原、黃土臺塬、河谷階地。

2.2 水文地質條件

地下水按埋藏條件分為沖積平原松散層孔隙水、黃土臺塬裂隙孔隙水、山前沖洪積扇孔隙水，如圖1所示。

圖1 渭河平原水文地質剖面圖

2.2.1 沖積平原松散層孔隙水 沖積平原松散層孔隙水含水介質由第四紀沖積相砂、砂礫石組成。300 m深度內，大致以70～90 m之間的黏性土為界劃分為上部潛水和下部承壓水。潛水水位埋深一般小于10 m，單井出水量大，一般3 000～5 000 m3/d，尤其是傍河地帶含水介質粒度粗，利于河水激發補給，是建立大型或特大型水源地的理想地帶。

2.2.2 黃土臺塬原孔隙裂隙水 主要分布在較大的黃土臺塬區，上部均為風積黃土潛水，屬孔隙-裂隙含水介質，地下水水位埋深一般大于50 m。單井出水量一般介于400～1 000 m3/d之間。但在較小塬區地形破碎、溝谷深切，地下水資源極度貧乏。

2.2.3 山前沖洪積扇孔隙水 山前沖洪積扇孔隙水含水介質由第四紀洪積相砂礫石、卵礫石組成，與沖積砂礫石層呈犬牙交錯狀接觸，水力聯系較密切。水位埋深一般10～60 m，單井出水量1 000～3 000 m3/d。

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源

渭河平原自20世紀70-80年代開始地下水質長期監測，監測點主要位于城市集中供水水源地，城市之間的區域性監測點分布較為分散(圖2)。監測點共77個(以2015年計),其中潛水監測點34個,承壓水監測點43個。每年8-10月集中采樣一次。監測項目選擇對地下水質量影響較大的鈉離子、鉀離子、鈣離子、鎂離子、重碳酸根、碳酸根、pH值、總硬度、三氮(硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮)、揮發酚、COD、硫酸鹽、氯化物、氟化物、六價鉻、錳、鐵等。

圖2 關中盆地地下水監測點分布示意圖

3.2 研究方法

3.2.1主要組分超標值的確定 本文采用綜合評價法進行水質評價，首先根據《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)[29]為單項組分打分，再計算綜合評價分值(F)，根據綜合評價分值(F)進行地下水質量分區。根據《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)，Ⅲ類水以人體健康基準值為依據，適用于集中式生活飲用水水源及工、農業用水。故以Ⅲ類水取值范圍為標準值判定地下水化學組份是否超標。根據多年監測資料分析，渭河平原地下水超標物質以總硬度、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氟離子、氨氮、錳離子、鐵離子等為主(表1)。

表1 地下水部分組分超標值范圍 mg/L

3.2.2 水質綜合評價分區 根據近年監測資料，采用綜合指數評價方法對渭河平原潛水、承壓水進行綜合評價分區。

(1)單項組分評價。根據《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)[29]，進行各單項組分評價，劃分組分所屬質量類別。

(2)確定單項評價分值Fi。確定各單項組分的評價分值Fi,見表2。

(3)計算綜合評價分值。按式(1)和式(2)計算綜合評價分值F。

(1)

(2)

(4)確定監測點地下水質量級別。根據F值劃分地下水質量級別(表3)。

4 結果與討論

4.1 區域地下水化學特征

渭河平原的地下水化學特征與地形地貌特征緊密相連，由山前向盆地中心，由渭河上游向下游，礦化度逐漸增高，水化學類型逐漸復雜。山前洪積扇地帶及渭河上游地段，是地下水補給區，水力坡度較大，含水層多為沖洪積相砂、砂礫卵石，滲透性好，地下水徑流通暢，以溶濾作用為主，多形成小于1 g/L低礦化度的重碳酸型水，水化學類型主要為重碳酸-鈣鈉(鈣鎂)型(圖3)；咸陽、西安、渭南等城市位于地下水徑流區，水化學類型重碳酸-硫酸、氯化物-鈣鈉型，礦化度一般大于1 g/L；涇河以東渭河以北地區，地勢相對平緩，含水層為湖沼相粉細砂，含石膏的淤泥質黏性土，滲透性差，地下水徑流滯緩，以垂直蒸發排泄為主，濃縮作用強，礦化度高，形成氯化物、硫酸型水，水化學類型較復雜，礦化度3～10 g/L。大荔—固市一線以北至鹽池洼、鹵泊灘大片地區礦化度大于10 g/L。

承壓水水化學類型主要受含水介質影響，不易受人為污染影響。大部分地區為重碳酸型水，但在西安、咸陽等城市附近或黃土洼地區，有較復雜的重碳酸-硫酸、重碳酸-氯型水。

表2 不同水質類別單項組分評價分值Fi

表3 不同水質類別綜合評價分值F的范圍

4.2 水質多年動態特征

4.2.1 潛水 渭河平原潛水主要接受降水入滲、灌溉及河流入滲補給，人工開采是主要排泄方式之一。20世紀70-80年代，由于工業污染物排放量較大，農田實行污灌，使潛水普遍受到污染。主要超標項有總硬度、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、COD、氟離子等，部分地區亞硝酸鹽最高含量一度達1.85 mg/l，超標7.08倍[31]。90年代中期至今，水質逐漸轉好，各項超標物質呈波動減少趨勢，總硬度20年內下降了3～4倍(圖4)，平均測值小于450 mg/L，大部地區已達到正常標準；硫酸鹽、硝酸鹽含量也有較大幅度下降。但近年氟離子、氨氮含量有逐年增加的趨勢(圖5)，氟離子平均測值超過標準值，達到1.0～1.3 mg/L。

圖3 渭河平原水化學類型三線圖

4.2.2 承壓水 承壓含水層頂部由于有天然的隔

水層作為保護層，水質較為穩定，主要超標項與潛水基本一致，主要有氟離子、COD、總硬度、硫酸鹽、氨氮等，但超標率與各超標項含量均較潛水有較大幅度減少。2000至2014年，承壓水硫酸根、氟離子、COD含量均有不同程度降低，硝酸根含量基本保持不變，而氨氮含量有所升高。典型監測井資料顯示，部分地區各項超標組分含量已回落至超標值以下(圖6、7)，承壓水質總體情況有逐年變好的趨勢。

4.3 水質評價分區

近年監測數據表明，渭河平原地下水質量總體尚好。渭河南岸水質明顯優于渭河北岸水質，承壓水水質明顯優于潛水水質。根據《地下水質量標準(GB/T14848-93)》，采用綜合指數法，利用2015年地下水監測成果，將渭河平原地下水分為優良、良好、較差、極差四級區，水質評價質量為較差或較差以上等級是適宜飲用水，評價等級極差為不適宜飲用水。

潛水適宜飲用水面積占評價區總面積83.98%；不適宜飲用水面積占評價區總面積16.02%，主要分布在渭北鹵泊灘區、乾縣-禮泉局部黃土塬區、興平市局部區域。超標物質有總硬度、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、COD、氟離子等(圖8)。

承壓水由于有隔水頂板的天然保護作用，水質較潛水好，適宜飲用水占評價區的絕大部分地區，為97.62%，不適宜飲用水主要分布渭河北岸乾縣-高陵一帶黃土塬區，占評價作區2.38%。主要超標物質除氟離子外其它與潛水基本一致，但在整體的平均含量上明顯低于潛水(圖9)。

圖4典型潛水監測井硫酸根、硝酸根、總硬度含量多年動態曲線圖5典型潛水監測井氨氮、氟離子、COD含量多年動態曲線

圖6典型承壓水監測井硫酸根、硝酸根、鈣離子含量多年動態曲線圖7典型承壓水監測井氨氮、氟離子、COD含量多年動態曲線

圖8渭河平原潛水水質綜合評價分區圖(2015年)圖9渭河平原承壓水水質綜合評價分區圖(2015年)

4.3.1 潛水

(1)優良區(F<0.8)：零星分布秦嶺山前洪積扇地下水補給區，地形坡度大，徑流條件好，該區域人類活動相對較弱。面積74.10 km2，占研究區0.36%。

(2)良好區(0.8≤F<2.50)：主要分布在渭河南岸，總面積4 324.43 km2，由占研究區21.28%。

(3)較差區(4.25≤F<7.20)：區內廣泛分布。以渭北黃土塬區、渭河主要分布在沿渭河主要城市及周邊地區面積12 666.39 km2，占研究區62.33%。

(4)極差區(F≥7.20)：2015年關中盆地潛水極差區集中分布在渭北鹵泊灘區、乾縣-禮泉局部黃土塬區、興平市局部區域。渭北鹵泊灘區地勢較為平坦、徑流緩慢，地下水水位淺，易于蒸發，使得鹽分滯留，導致硬度、礦化度較高，水質較差；乾縣、禮泉局部的黃土塬區，是氟化物原生污染超標是原因之一，同時由于黃土塬區地下水徑流時間長，導致總硬度、TDS、硝酸根普遍超標；興平市是化工企業發達，區內總硬度、TDS、硝酸鹽及氨氮普遍超標。面積約3 255.7 km2，占研究區16.02%。

4.3.2 承壓水 承壓含水層頂部由于有天然的隔水層作為保護層，水質狀況相對潛水較好，關中盆地承壓水水質呈現出多年穩定，略微波動的狀態。

(1)優良區(F<0.8)：分布在秦嶺山前及渭河上游地區，面積 113.89 km2，占研究區0.56%。

(2)良好區(0.8≤F<2.50)：分布在渭河中上游及秦嶺山前至渭河一帶。面積5861.1 km2，占研究區28.84%。

(3)較差區(4.25≤F<7.20)：分布渭河以北以及沿渭河高漫灘及低階地區、西安、咸陽主要開采區、二華地區等。面積13 862.51 km2，占研究區68.22%。

(4)極差區(F≥7.20)：分布渭北旱腰帶乾縣-富平一帶，面積約483.13 km2，占研究區2.38%。主要超標物質是氟化物、總硬度等，污染原因與地層巖性、地質構造密切相關。

4.4 水質變化成因分析

含水介質的理化性質、地下水的補給特征、排泄特征等均對地下水質產生一定程度影響[1, 25]。渭河平原是陜西乃至西北地區的經濟發展中心，人口密集，農業發達，工業與生活污水不規范排放對地下水補給產生較大影響。而地下水的高強度開采使得含水層中水量迅速減小，受控于含水介質及人為污染的各種物質濃度迅速增加，導致部分組分超標。

4.4.1 地下水開采的影響 地下水開采是影響地下水質量的重要原因之一。多年監測資料表明，超標物質含量隨水位上升而減少。20世紀70-80年代至90年代中期，是渭河平原地下水開采量最大的時期，亦是區內地下水超標嚴重的時期，開采量增大使得地下水各項組分濃度增大，硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物等超標項含量達到了歷史最高值，部分地區超標4～5倍；90年代中期以后，盆地內限制開采地下水，近年開采量僅為最大開采量時期的1/3，水位隨之大幅度上升，部分集中供水水源地升幅近百米，地下水質隨之逐年好轉，各指標項檢測值明顯降低。綜合分析1996-2014年開采量、地下水位及水質監測數據，可以看出，硫酸根離子、硝酸根離子、氯化物含量與水位埋深呈高度正相關(圖10)，相關系數最高可達0.75，反映出地下水開采與水質的密切關系。

4.4.2 農田灌溉及工業排污的影響 渭河盆地是我國主要糧棉生產基地之一，農藥化肥使用面積較大，潛水水質易于受到污染而導致三氮含量較大、礦化度及總硬度增高等。盆地內氨氮背景值為0～0.06 m/L，而目前部分地區含量已超過0.2 m/L，超過《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)Ⅲ類水標準0.02 m/L。承壓水主要依靠潛水下滲補給和徑流補給，在某些地段潛水和承壓水之間無穩定隔水層，部分開采井采用混合開采方式，均造成了潛水含水層和承壓水含水層有一定的連通性，在承壓水嚴重超采的條件下，承壓水水頭大幅度降低，增大了水頭差，加速了潛水對承壓水的補給。故潛水水質可直接影響承壓水水質。

圖10 地下水位埋深與氯化物等組分含量歷時曲線

4.4.3 原生地質環境的影響 原生地質環境對地下水的影響主要體現在地下水對含水介質的溶濾作用上。在黃土塬區由于黃土本身具有含氟礦物，溶濾作用使礦物中的氟轉化到地下水中，在渭河流域偏堿性的地下水化學環境中富集并趨于穩定，使得渭河平原黃土塬區氟離子普遍超標，某些地段氟離子超過飲用水標準數倍。近年由于西安等城市集中供水水源地限制開采量，潛水水位上升，加大了對黃土的溶濾作用，使得潛水氟化物含量又有較大幅度增長(圖4)。在渭北大荔鹵泊灘一帶，潛水水位埋深較淺，徑流緩慢，蒸發濃縮作用強烈，礦化度超過10mg/l，成為渭河平原礦化度最大的地區。

5 結 論

(1)渭河平原的地下水水化學類型較為復雜。山前洪積扇地帶及涇河、灞河以西的地區，多為小于1g/L低礦化度的重碳酸型水，水化學類型主要為HCO3(SO)-CaNa(CaMg)型。涇河以東渭河以北地區，多為氯化物、硫酸型水，礦化度3～10 g/L，鹵泊灘大片地區礦化度大于10 g/L。

(2)近年隨著開采量的減小，渭河平原地下水質逐漸向好，主要超標項如總硬度、硫酸鹽、氯化物、三氮、COD含量等較上世紀80年代有較大幅度下降，部分超標項已接近達標水平，顯示出開采量的變化對水質的顯著影響。

(3)采用綜合指數法對2015年地下水質評價表明：渭河平原地下水水質總體較好，大部分地區適宜飲用，部分地區有一定程度污染。不宜飲用的潛水主要分布在渭北東部渭北鹵泊灘區、乾縣-禮泉局部黃土塬干旱區、興平市工業污染區，面積約3 255.7 km2，占總評價區面積16.02%；不宜飲用的承壓水主要為渭北乾縣-富平旱塬地區，面積483.13 km2，占總評價區面積的2.38%。

(4)影響渭河平原地下水質的主要因素有地下水開采量、原生地質環境、人為污染、降水量等。其中人工開采對地下水質影響較大，各項超標物質含量隨地下水位上升而減少，硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物含量與水位埋深呈高度正相關。