黑水縣地下水的水化學特征及水質評價

康武略，李 曉，陽 暢，陳 思

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黑水縣地下水的水化學特征及水質評價

康武略1,2，李 曉1，陽 暢2，陳 思2

（1.成都理工大學，成都 610081；2.重慶地質礦產研究院，重慶 610081）

為了查明黑水縣地下水的化學特征及水質，通過描述性統計方法，對比評價了黑水縣地下水水質。黑水縣地下水各元素的變異系數基本上都在30%～100%之間，呈現中等變異性；水化學類型由西北至東南呈HCO3-Ca·Mg型水→HCO3-Na·Ca型水→HCO3·SO4-Na·Ca型水，由于斷層深層水交換，存在SO4-Na·K型水；由于下層含油地層較淺，生成了高pH低礦化度的地下水。經取樣和水質評價，居民飲用地下水的水質多為III類水、IV類水，經過處理以后，可以供當地居民飲用。

地下水；水化學特征；水質評價；黑水縣

黑水縣是四川省阿壩藏族羌族自治州下轄縣（圖1），縣域地勢由西北向東南傾斜，地形地貌主要為V型峽谷地貌，高程由 1 500m～4 000m。境內主要有黑水河、毛兒蓋河、小黑水河三條岷江支流。

黑水縣屬季風高原型氣候，旱、雨季分明，日照充足，氣溫年差較小，日差較大，并隨海拔高度不同差別較大，高山與河谷年均氣溫差值達20℃，平均氣溫9.5℃，多年平均氣溫最高在7月為20.4℃，最低在1月為-0.6℃。境內降雨分布不均，夏季集中，秋季陰雨連綿，年平均降雨量835.8mm。

研究區的地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙-孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水三類。松散巖類孔隙水分布在河流溝谷周圍，碳酸鹽巖類巖溶水在黑水縣內零星分布，區內大部分地區分布著基巖裂隙-孔隙水。

圖2 黑水縣取樣點分布圖

1 樣品的采集與測試

1.1 樣品的采集

采集樣品為40組，取樣點均為黑水縣居民所飲用的民井。且由于黑水縣特有的高山峽谷區地貌，居民最主要地下飲用水均沿河流分布，取樣深度為1.9m～27m間，所取到的水樣主要為基巖裂隙水，存在部分巖溶裂隙水和第四系孔隙水，取樣點分布如圖2所示。

1.2 樣品的測試

水質共檢測了29項水質指標，其中Se、Cd、Hg、As、Zn、Pb、Cu、Cr6+、Al、NH4+、NO2-、CO32-等14項水質參數含量未檢出或低于水質檢測設備最低檢出限，進行水化學分析及水質評價時所用指標為其余15項指標。

2 成果與分析

2.1 地下水水化學特征

本次對取樣的結果進行了水化學參數的描述性分析（表1）。

表1 黑水縣水質水化學參數描述性統計特征值

可以看出，pH在7.2～9之間，部分pH值大于國家飲用水標準，變異系數為6.1%，差異性較大。

NO3-、偏硅酸、總硬度、TDS、游離CO2、耗氧量、Fe3+、F、Fe2+等元素的變異系數為30%～100%之間，為中等變異，證明在調查區范圍內，數值存在著一定的差異，但是差異性不大。NO3的值為0.02～8.95mg/L之間；調查區NO3主要來自于人為污染。可以看出此次所取40組水樣，受到人為污染較小。TDS值在156～666.5mg/L之間，為淡水，符合居民飲用水標準，總硬度在15～196.3mg/L之間，基本上為軟水。

Mn離子含量的變異系數大于100%，為重度變異，調查區整體上差異系較大，且Fe、Mn的平均值均大于地下水評價標準，部分地區存在Fe、Mn富集區。

K+NA、Ca、Mg、HCO3、SO4、Cl變異系數均大于30%～116％，變異性中等，說明取樣點間存在一定差異，根據七大主離子含量所生成的piper圖3。

圖3中可以看到，陽離子集中在陽離子三角形下方，Mg+含量較少，而陰離子主要為HCO3-與SO4-，結合菱形的類型點分布情況，我們可以看出黑水縣的地下水水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Na·Ca、SO4-Na·K型水。

圖3 七大主離子含量piper圖

圖4 研究區水化學特征分布圖

通過計算各水樣上述離子的摩爾/升的百分比，可以看出黑水縣的水化學類型在整體上主要受地形地貌的影響，在西北角的水化學類型以HCO3-Ca·Mg為主，向東南過渡至知木林區水化學類型變為HCO3-Na·Ca，再繼續向南則地下水水化學類型變為HCO3·SO4-Na·Ca，在校場有部分地區地下水化學類型為SO4-Na·K。研究區水化學特征分布圖如圖4所示。

2.2 水化學特征的形成機理

黑水縣的地下水水化學特征較為復雜，其在整體上主要還是受地下水補給、徑流、排泄條件的影響，沿地形自西北至東南其礦化度逐漸升高，從水化學參數和水化學類型空間特征的分析可以看出，形成研究區淺中層地下水化學特征的主要驅動力是溶濾作用，黑水縣地層巖性主要為深灰色薄層鈣質石英細砂巖，粉砂巖和深灰色絹云母板巖、千枚狀板巖、砂板巖1∶1間互層為主，傾向小于30°，在西北高山峽谷地區其坡度較陡，地下水由大氣降雨補給，徑流時間較短，因此地下水類型是以HCO3-Ca·Mg為主的低礦化度水，向東南隨著地面高程的降低，其河流兩岸的坡度降低，徑流速度減緩，徑流時間更長，溶濾作用時間延長，水化學類型逐漸變為以HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Na·Ca的相對較高礦化度的水。

在校場附近由于受到地層構造的影響，在校場區域存在校場山字型構造帶的校場沖壓性斷裂，傾向190°傾角72°。地下水由較遠的地層降雨補給下滲，經過深循環長徑流在地下進行溶濾作用，在斷層處經過斷層到達近地面，再與地面下滲的低礦化度的地下水進行混合作用，于是形成在校場區形成了礦化度相對較高的SO4-Na·K型水。

2.3 pH異常的原因探究

在此次調查的40組樣中，存在13組樣的pH值大于8.3，其中有兩組樣檢測的pH值達到9.0，且檢測出pH異常的點，其地下水礦化度是只有為200～300mg/L的低礦化度水，本次所取樣的pH值用克里金插值法插值結果如圖5。可以看出pH異常點主要聚集在沙石多鄉的森工奶子轉運站，其余地區相對比較正常。

經過對比，pH異常的13組樣其Cl離子含量較低，Na、Ka離子含量相對較高，且在當地已探明地下存在油田氣資源。因此此處的產生高pH低礦化度地下水的原因是下層含油地層較淺較易受地表水影響，加之地層壓力、溫度相對較低，且地層水濃縮時間相對較短，因此地層水礦化度較低。硫酸鹽容易溶于與之接觸的低礦化度的地層水。此外，地表水滲入地層還可引起硫酸鹽的溶解，使地層水中有較多含量的硫酸鹽。在封閉的還原環境條件下，硫酸鹽就會在有機質或烴參與的情況下發生生物化學作用而還原生成含HS、pH值較高的地下水[1]。

3 水質評價

3.1 選用的評價方法

目前國家最常使用的最差因子評價法、主成分分析評價及改進后的分層構造主成分分析評價這三種方法對黑水所取水樣進行對比性分析評價。評價所使用的標準為《地下水環境質量標準》（GB/T 14848-93）[2]和《生活飲用水衛生標準》（GB5749－2006）[3]。

圖5 研究區pH值分布圖

3.1.1最差因子評價法

是指分別對單個指標進行分析評價，反映地下水中某一單一污染物的情況，其單一污染物的最低評價，為此水樣的最終評價結果。

3.1.2主成分分析評價法

是把原來多個變量化為少數幾個綜合指標的一種統計分析的降維方法。此方法除了可以減少大量指標選擇的工作量，還可以消除評價指標間的相互影響，且在綜合評價函數中，各主成分的權數為其貢獻率，這樣確定權數是客觀的、合理的，它克服了某些評價方法中認為確定權數的缺陷。本次主因子評價所使用的方法為文獻[4]中的方法。

3.1.3改進后的分層構權主成分分析評價法

由于黑水縣存在有數個指標大大超過飲用水衛生標準要求，原主成分分析法在處理此類數據時存在模糊性和區分度低的問題。因此此處又采用改進后的分層構權主成分分析評價法[5]，改進后的主成分分析評價法的評價步驟如下：

1）先將不同因子進行標準化轉換，將標準化轉換后的數據列為一個標準化矩陣。

2）將標準化矩陣使用SPSS進行因子分析，按照方差貢獻率大于85%的原則，選取m個主因子，相應的劃分為m個子系統，每個子系統中包括p個指標；

3）各子系統重要性賦權權重計算公式為：

式中ωi為各子系統重要性賦權權重；j為指標個數；βij為各因子得分系數；ei為方差貢獻率；

4）各子系統分別進行主成分分析，并根據相應的賦權權重進行加權合成得其指標系數。

5）使用標準化后的指標乘上各指標系數，再用標準里的每一級標準值作為特殊水質節點將其標準化，然后加權平均后當成每一級的評價標準，便可看出各水樣的水質評價結果。

3.2 評價的結果

通過主成分分析的方法，總共分析出6個主離子，其得分系數矩陣加權平均后的綜合指數如表2：

根據主成分分析所得出的6個主離子，可分為6個子系統，各子系統的重要性賦權分別為-15.99%、67.04%、25.48%、12.17%、4.68%、6.61%。其綜合指標如表3：

表2 主成分分析綜合指數表（10-2）

表3 分層構權主成分分析綜合指數表（10-2）

對比以上三種水質評價的結果可以看出主成分分析評價相對比較樂觀，在黑水縣的水質主要受鐵錳離子含量及pH值超標的影響，其余水質指標較好，最差因子評價法又過于悲觀，通過使用改進后的分層構權主成分分析評價法判斷出來的水質情況與實際水質的情況相符，因此將改進后的分層構權主成分分析評價法所評價的結果，做為本次黑水水質評價的最終結果。

表4 水質評價結果表

從以上水質評價除14號水樣與28號水樣水質較差外，其余居民飲用地下水的水質多為III類水、IV類水，經過處理以后，可以供當地居民飲用。

本次使用的改進后的分層構權主成分分析的方法，所使用的評價對比方法是以國家所規定的地下水評價標準為特殊點進行對比，其結果比之前作者[5]的分層構權主成分分析的方法更具準確性與說服力。

通過以上三個水質評價的方法，評價的結果如表4。

4 結論

通過取樣分析，并使用了描述性統計的方法，根據黑水縣的地形地貌、地質構造，研究了黑水縣的地下水水化學特征，并分析了黑水縣森工奶子轉運站產生高pH值低礦化度地下水的成因，且運用三種不同的水質評價方法對比評價了黑水縣的地下水水質情況，得到以下結論：

1）黑水縣地下水的鐵錳含量部分地方聚集，pH值較高。黑水縣的各指標變異系數基本上都在30%～100%之間，呈中等變異性。

2）黑水縣的地下水化學類型空間上由西北至東南分別為HCO3-Mg·Ca型水、HCO3-Na·Ca型水、HCO3·SO4-Na·Ca型水，在校場附近由于存在斷層，深處地下水上涌，產生了SO4-Na·K型水。

3）在黑水縣森工奶子轉運站附近，由于受下層含油地層的影響，出現了pH值異常的現象。

4）三種水質分析方法對比，改進后的分層構權主成分分析評價法判斷出來的水質情況與實際水質的情況相符。研究區居民飲用地下水的總體水質一般，經過處理以后，可以供居民飲用。

[1] 沈立成.中國西南地區深部脫氣（地質）作用與碳循環研究.重慶:西南大學,2007

[2] 國家技術監督局; 地下水質量標準（GB/T 14848-93）,1994-10-01

[3] 衛生部; 生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）,2007-7-01

[4] Y Ouyang; EVALUATION of river water quality monitoring stations by principal component analysis [J]; 《Water Research》, 2005,39（12）:2621-35

[5] 李連香，許迪，程先軍,等.基于分層構權主成分分析的皖北地下水質評價研究;資源科學;2015;37（1）:61-67

[6] 王建平，謝洪毅.阿壩壤塘縣大骨節病區環境水文地質調查;資源環境工程;2006;20（1）:48-51

[7] 安樂生，趙全升，劉貫群，等.代表性水質評價方法的比較研究;中國環境監測;2010;26（5）:47-50

[8] Chapagain S K，Pandey V P，Shrestha S，etal. Assessment of deep groundwater quality in kathmandu valley using multivariate statistical techniques. Water，Air & Soil Pollution;2010;210（1-4）:277-288.

[9]Nosrati K，Van Den Eeckhaut M. Assessment of groundwater quality using multivariate statistical techniques in Hashtgerd Plain，Iran. Environmental Earth Sciences;2012;65（1）:331-344.

[10] 黃浩，陳林，岳芯，等. 四川黑木卡龍溝鈣華形成影響因素[J]. 四川地質學報，2017，37（4）：639-642.

Hydrochemistry and Water Quality Evaluation of Groundwater in Heishui County

KANG Wu-lue1，2LI Xiao1YANG Chang2CHEN Si2

（1-Chengdu University of Technology, Chengdu 610059；2-Chongqing Institute of Geology & Mineral Resources，Chongqing 401120）

The study results are as follows: variation coefficients of various chemical elements in groundwater in Heishui County range from 30% to 100%, showing moderate variability. Hydrochemical types vary from HCO3-Ca·Mg type through HCO3-Na·CA type to HCO3·SO4-Na·Ca type from the northwest to the southeast. A SO4-Na·K type water results from deep water exchange in the Jiaochang. A pH-high and salinity-low groundwater is formed due to the buried shallow lower oil-bearing beds. Water quality of the underground water is mostly II type and IV type. After treatment, this underground water can be used as drinking water.

underground water; hydrochemical characteristics; water quality evaluation; Heishui County

2017-12-26

康武略（1991-），男，廣西桂林人，技術員，地下水水環境的相關研究

P641.3

A

1006-0995（2018）04-0613-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.018