銀川地區潛水環境背景值研究

孫玉芳，金曉媚，薛忠歧

（1.中國地質大學（北京）水資源與環境學院，北京100083；2.寧夏回族自治區水文環境地質勘察院，銀川750026）

隨著工農業的快速發展，引起的地下水污染已經引起了相關部門的高度關注，進行地下水污染評價必須基于一定的參考值，地下水環境背景值就作為地下水污染評價的基礎［1］，直接影響到評價結果的科學性和合理性。“環境背景值”概念從1975年由康納［2］提出至今，就一直存在爭議［1，3］，爭議主要在于它是否能代表研究區的天然狀態，而未受到人類活動的影響。20世紀80年代初，“地下水環境背景值”概念被正式提出，較為認可的闡述是：地下水環境背景值指研究區域內相對清潔區（人類活動影響相對較小的地區）化學元素的含量［1］，指出因地下水含水巖組特征、補徑排條件及各種水文地球化學作用的影響，環境背景值應為一個范圍值，而不是一個固定的數值［3-5］，并且具有時間特性和空間特性［5］。隨著人類活動對自然環境的改造和影響，清潔區越來越少，學界也認識到地下水環境背景值是地下水在天然狀態下疊加人類正常活動影響所形成的各水化學組分特征含量、變化范圍、比例關系等，它反映了地下水中各水化學要素隨自然環境及人類正常活動影響條件下演化和發展的過程及特征［6-8］，并指出地貌、水文地質條件等因素控制地下水環境背景值的空間分布［9］，盡可能獲取人類活動影響相對較小時期的化學組分含量可作為一個地區的環境背景值。環境背景值研究常用的方法有類比法、歷時曲線法、數理統計法等［10］，應用最廣泛的是數理統計法，即在綜合分析區域水文地質條件的基礎上劃分水文地質單元，利用統計學方法處理和分析水質結果，得出研究區的環境背景值［11-13］，這種表示方法，既有利于觀察統計數據的離散、變異程度，又便于刻畫背景值的集中趨勢，也能確定其取值區間［14］。

銀川地區的地質環境條件為山前洪積-沖洪積-河湖積平原型，是我國城市所在地質環境的主要類型，有著廣泛的代表性。水文地質條件復雜，潛水水化學類型繁多，其水文地球化學特征呈現著相應的變異特征和分布規律。開展銀川地區潛水環境背景值研究，為確定地下水的污染程度和污染狀況提供對比依據，是評價環境質量的不可缺少的。本文利用的銀川市枯水期的潛水水質分析資料，運用數理統計法，對銀川地區環境背景值進行計算，分析其空間分布規律及其控制因素，可為研究銀川地區地下水水質演化，水質評價提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于銀川平原的中段，屬于干旱—半干旱氣候帶，日照充足、蒸發強烈，多年平均年降雨量185 mm，多年平均蒸發量1 800 mm，蒸發量接近降水量的10 倍之多。研究區東臨黃河、西依賀蘭山，南至永寧縣勝利鄉，北抵賀蘭縣立崗鎮，地勢開闊平坦，由西南向東北傾斜；地貌自西向東分別為山前洪積傾斜平原、沖洪積傾斜平原、河湖積平原及河漫灘，自西向東地形坡度變緩。包氣帶厚度由山前向河漫灘，總體上呈逐漸變薄的趨勢［見圖1（a）］。山前洪積傾斜平原包氣帶厚度在10～200 m 之間，沖洪積傾斜平原、河湖積平原包氣帶厚度相對均一，一般在1～3 m，局部小于1 m 或大于3 m。包氣帶巖性在不同地貌單元有較大差異，洪積傾斜平原以阻水性極差的砂礫石為主；沖洪積平原巖性主要為細砂，沿西干渠北段有一條寬約3 km 的黏砂土細粒帶，厚約3 m，向南巖性為細砂，滲水性能增強。河湖積平原在賀蘭縣東北、望遠鎮和良田渠以南有部分黏砂土，其他均為砂黏土，該地區的潛水具有微承壓性。

圖1 研究區位置及采樣點Fig.1 Location of study area and distribution of sampling sites

2 研究方法

本次潛水環境背景值研究選用數理統計法，主要步驟為：①劃分水文地質單元→②選取統計樣點及水質化驗結果→③數據檢驗→④統計處理→⑤確定背景值［1］，運用數理統計中的集中值（均值、中位數等）、標準差、變異系數等指標，獲得地下水中各組分的環境背景值范圍［15，16］。

3 背景值計算

3.1 水文地質條件概述及地下水環境單元的劃分

銀川地區潛水水化學成分主要來自地層，又受地質地貌、水動力條件、地下水賦存條件、地下水動態及補徑排條件的影響而隨時空變化，在不同環境中，形成不同的水文地球化學分區。研究區由西部山前洪積傾斜平原單一潛水區向東部平原潛水承壓水多層含水層結構過渡［見圖1（b）、表1］。根據地貌類型、含水層結構，并結合補、徑、排條件、水化學特征及富水性，將研究區潛水自西向東劃分為4 個區（見圖1），分別是：山前洪積傾斜平原單一潛水區、沖洪積平原潛水區、河湖積平原潛水區、河漫灘單一潛水區（見表1）。

表1 銀川地區潛水環境單元分區說明表Tab.1 Zone descriptions of phreatic water in Yinchuan area

3.2 樣點的選取

根據水文地球化學的時空分布，考慮其復雜程度，既要滿足環境背景值取樣的基本要求又要滿足統計方法的要求。本次地下水環境背景值研究充分利用研究區1987-1989年《寧夏回族自治區銀川地區潛水主要化學成分調查》項目的枯水期潛水水質分析資料，該資料是研究區最早開展的水化學調查資料。統計樣點選取以環境單元為主要依據，同時，為了剔除受到污染影響的非背景點，在選擇統計樣點時遠離和避開了工業區、城鎮等污染源，選擇不受人為污染的井點為統計樣本。自然狀態下，NO3-是地下水污染的敏感指標，通過對潛水化學成分與NO3-的相關性分析，可以確定潛水化學成分受到污染物影響的起始值［17］，為選擇統計樣點提供依據。為了分析NO3-的含量達到多少時對潛水化學組分產生明顯影響，并引起其他組分的上升，故將NO3-分成不同的數值段，計算其與各組分之間的相關系數，相關系數檢驗時給定信度α=0.05，計算結果見表2。結果顯示當NO3-小于10 mg/L 時，其與其他化學組分相關系數低，對地下水其他化學組分產生影響小，當NO3-含量大于10 mg/L 時，其與其他化學組分相關性顯著增加，與Ca2+、K+、SO42-、Cl-、TDS 的相關性最大，因此在選擇背景值統計樣點時將NO3-含量大于10 mg/L 的樣點排除在統計之外。綜合考慮環境單元、非背景樣點剔除和統計精度，并盡量保持統計樣本在地域分布上的均勻性，最終確定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ單元的統計樣本數分別為12個、30個、49個、8個，共計99個。

表2 銀川地區潛水中NO3-與其他化學組分相關系數統計表 mg/LTab.2 Correlation Coefficient between NO3-and other chemical components of phreatic water in Yinchuan area

3.3 數理統計檢驗

在確定背景值之前，經過分析樣本數據和剔除異常值，按單元進行顯著性差異檢驗后，再進行樣本數據的分布類型檢驗，以確定組分含量的分布類型，為背景值參數的計算奠定基礎。

（1）異常值的判定和剔除。Grubbs 法檢驗的嚴格程度適中，檢驗精度較高［16］，本次檢驗數據樣本數服從Grubbs 準則的計算范圍，因此異常值剔除采用Grubbs準則。

（2）離子含量分布類型檢驗。應用SPSS軟件中的Kolmogorov-Smirnov 法和Shapiro-Wilk 法（W 檢驗）對各統計單元內各組分含量概率分布類型進行綜合判定（信度α=0.05）。宏量組分在各環境單元分布類型為正態或對數正態分布，整個研究區Ca2+、Na+、K+、HCO3-服從正態分布，F-服從對數正態分布，其他均按偏態分布。

3.4 背景值確定

根據不同單元內水化學組分的分布類型，采用不同的統計計算方法。當樣本服正態分布時，采用算術平均值法，當樣本服從對數正態分布時，采用幾何平均數法［14］，對Na+、Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-、F-、pH 值和溶解性總固體（TDS）常規指標進行地下水環境背景值計算與分析。計算方法見表3。

表3 運用數理統計確定地下水環境背景值的方法Tab.3 Mathematical statistics methods for determining environmental background levels of groundwater

最終確定的銀川地區潛水環境背景值見表4，各單元環境背景值見表5。背景值計算包括中位數、平均數、標準差、變異系數和背景值域。

表4 研究區潛水環境背景值及特征值Tab.4 Background value and characteristic value of phreatic water in Yinchuan area

表5 不同地下水環境分區的潛水環境背景值及特征值一覽表Tab.5 Background values and their characteristics of phreatic water in different environmental zones in Yinchuan area

4 結果與討論

4.1 潛水環境背景值分布特征

地下水化學組分含量差異受到地下水埋藏、徑流條件和水文地球化學作用的影響。依據環境單元的劃分，分單元分析各組分的背景值特征。

山前洪積傾斜平原單一潛水區（Ⅰ），因靠近賀蘭山，地形坡度大，是地下水物質成分的流失區，潛水埋藏深度大，受蒸發影響小，包氣帶及含水層以粗顆粒的砂礫石為主，透水性良好，地下水處于氧化環境，偏堿性（pH平均值8.000）（見表5）。水力坡度大，潛水流動迅速，水交替作用和溶解作用強烈，利于潛水中各組分的運移，遷移能力較強的Na+、SO42-、Cl-易溶鹽組分隨著水交替而迅速遷移，被較充分的淋出。Na+、SO42-、Cl-被溶濾掉，平均值分別僅為22.233、46.361、26.393 mg/L，遷移能力弱的Ca2+、HCO3-相對富集，其平均值分別為44.768、220.132 mg/L。各組分變異系數均小于0.500，背景值域分布寬度均較窄，平均值均較低，水化學類型簡單，形成了以HCO3-Ca·Mg型為主的淡水區（TDS 平均值421.833 mg/L），成為研究區內的低背景單元（圖2）。

沖洪積平原潛水區（Ⅱ），地形坡度變緩，包氣帶巖性以細砂為主，潛水賦存的巖性顆粒變細，黏性土增多，含水層巖性為中砂、細砂及粉砂，地形平緩，地下水徑流急劇減緩，水交替減弱，蒸發濃縮作用和交替吸附作用增強，水化學組分開始富集，潛水趨向濃縮，是由徑流流失向濃縮累積的過渡帶。Na+、Ca2+、Mg2+、K+的平均值分別增加至98.350、53.362、43.151、5.918 mg/L（見表4），HCO3-、SO42-、Cl-平均值分別增加至331.220、151.831、75.162 mg/L，形成了以HCO3·SO4-Na·Mg、HCO3·Cl-Na·Mg型為主的中等復雜的弱堿性（pH 平均值7.910）淡水區（TDS 平均值823.021 mg/L）。潛水水化學組分的背景值域寬度和各組分平均值均有所增加，除pH 值外，各組分的標準差均增大，變異系數增大，說明該區水化學類型增多、水質復雜。

河湖積平原潛水區（III），潛水埋藏淺，大部分地帶為1～3 m，水力坡度小，水交替緩慢，溶濾作用不發育，潛水蒸發濃縮作用強烈，含水層巖性顆粒細小，為細砂、粉砂、粉細砂，并夾有黏土薄層，阻礙了水化學組分的遷移，含水層中易溶鹽保存較多，為潛水化學組分濃縮累積區，潛水水化學組分的環境背景值分布寬度和各組分平均值均達到最大，水化學類型最復雜。其中F-、SO42-、HCO3-、Na+、Ca2+、Mg2+繼續富集，均為研究區最高值（見表5），Cl-為次高值（112.132 mg/L），標準差和變異系數均較高，形成了本單元以HCO3·Cl-Na·Mg、HCO3·SO4-Na·Mg 型為主的中等復雜的中性（pH 平均值7.791）微咸水（TDS 平均值1 228.690 mg/L）。致使本單元的TDS和易溶組分都居于研究區各單元的最高水平，成為研究區的高背景單元。

河漫灘單一潛水區（IV）為潛水化學組分濃縮富集區，因靠近黃河并與其產生一定的水力聯系，黃河側向補給的沖淡作用使潛水水化學組分的環境背景值分布寬度和各組分平均值均有所下降。該區地形平緩，潛水埋藏淺，一般小于2 m，含水層以細砂、粉砂為主，夾薄層黏土透鏡體，蒸發濃縮作用強烈。地下水化學組分的含量均超過或略低于研究區的平均水平，其中易于遷移的Cl-為全研究區最高值，平均值達116.724 mg/L（見表5），HCO3-為各單元次高值（451.632 mg/L），標準差和變異系數顯著降低，在地下水化學背景分區中，屬于水化學組分含量中等的中性（pH 平均值7.672）HCO3·Cl-Na·Mg 和SO4·Cl-Na·Mg 型微咸水區（TDS 平均值1 026.182 mg/L），該單元成為全研究區的次高背景單元。

為了研究銀川地區潛水環境背景的區域分布情況，選用整個研究區的潛水環境背景值區間的分級范圍（±S）作為評價參數，并定義當背景值＜-S為低背景，背景值介于-S～+S為一般背景，背景值＞+S為高背景，繪制研究區水化學組分的環境背景值分布圖（見圖2）。

圖2 銀川地區潛水環境背景值分布圖Fig.2 Distribution of phreatic environmental background values in Yinchuan

從各化學組分的背景值分布來看，研究區潛水水化學背景受其賦存環境和水動力條件的影響，造成遠離山前，水化學成分相對富集的變化特征。各組分的低背景區在山前地帶連片分布，在黃河西岸也有零星分布；一般背景區在山前地帶以東至黃河西岸大面積分布；高背景區則多在一般背景區內呈片狀、島狀和條帶狀分布，主要分布于Ⅱ、Ⅲ單元地勢低平地段。對比銀川地區潛水環境背景值分級結果（圖2）及環境單元劃分圖［圖1（a）］，環境背景值的分布受到環境單元的影響，但其分級界線不完全與環境單元界線重合，尤其在Ⅱ、Ⅲ單元內受到微地貌及包氣帶巖性分布的影響，高背景區呈片狀、島狀和帶狀的不連續分布于地勢低平的黏性土分布地段。

4.2 潛水環境背景值空間變化規律

研究區潛水總體背景值計算結果顯示（見表4），Na+、Ca2+、HCO3-、SO42-的平均值和標準差較大，表明其在潛水中的絕對含量較大，分布范圍大，是主要水化學成分。Na+、SO42-、Cl-、pH、TDS、F-的變異系數均大于0.5，Mg2+和K+的變異系數接近0.5，說明其在潛水中的含量變化相對較大，遷移能力較強，而Ca2+、HCO3-的變異系數較小，說明其遷移能力弱，含量相對穩定。

pH 值反映氧化還原條件，pH 增大，氧化環境增強，反之還原環境增強。研究區的pH 值分布于7.440～8.400 之間，各單元平均值Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅳ，TDS 含量范圍在318.904～1 994.601 mg/L之間，其各單元平均值Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ。

從主要陽離子和主要陰離子在各環境單元內的背景值平均值對比曲線（圖3）可以看出，各種離子的背景值分布規律基本一致，總體上，陽離子平均值Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，陰離子平均值HCO3-＞SO42-＞Cl-。

圖3 各單元水化學組分的對比曲線Fig.3 Comparison curves of the hydrochemical components of different zones

區域比率為地下水環境單元的水化學組分環境背景值與研究區的環境背景值的比值，反映了該單元地下水化學組分環境背景值在全研究區的相對大小。各環境單元區域比率結果顯示（表6），銀川地區潛水環境背景值在地質地貌、水文地質條件和水文地球化學作用的影響下存在空間差異，平均值Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ。對比表5中各單元的背景值，自西向東，由山前洪積傾斜平原單一潛水區→沖洪積平原潛水區→河湖積平原潛水區→河漫灘單一潛水區，pH不斷下降，由偏堿性向中性過渡；離子組分中除Ca2+的平均值不斷增加外，其他組分和TDS 的平均值均先升高后降低，山前洪積傾斜平原區離子平均值最低，在河湖積平原潛水區各種離子平均值最高，至河湖積平原以東黃河沿岸一帶離子含量降低，表明銀川地區潛水化學組分從上游的補給源向下游排泄匯，潛水徑流變緩，水動力條件變差，潛水水化學組分由溶濾淋失轉為吸附累積，在河漫灘地帶受黃河水倒灌淡化作用影響，水質變好。體現了由山前相對虧缺到沖洪積平原區相對平衡，再到過剩的狀態。標準差和變異系數在山前最小，在沖洪積平原區最大，顯示山前地帶潛水埋藏深度大，徑流條件好，潛水水質穩定，沖洪積平原區處于溶濾作用和蒸發濃縮的交替帶，潛水又受灌溉的影響，水質呈多元化。

表6 銀川地區各單元潛水水化學組分的區域比率統計表Tab.6 Regional ratios of hydrochemical components of phreatic water of different zones in Yinchuan area

5 結 語

（1）本文以綜合水文地質條件劃分環境水文地質單元的方法，經過對統計樣本的質量控制分析，統計樣本的機械隨機抽樣以及樣本異常值的判定和剔除，水化學組分含量分布類型檢驗等技術方法；用平均值、標準差、變異系數和含量范圍等特征值，對研究區潛水環境背景值進行描述，給出4個環境單元及研究區的10個項目的環境背景值。

（2）I 單元為地下水物質成分的流失區，潛水環境背景值分布寬度最窄，各組分背景值均較低，水化學類型簡單；II 單元為由徑流流失向濃縮累積的過渡帶，潛水環境背景值分布寬度和各組分背景值均有所增加，水化學類型復雜；III 單元為潛水化學組分濃縮累積區，潛水環境背景值分布寬度和各組分背景值均達到最大，水化學類型最復雜。IV 區仍為濃縮富集區，因靠近黃河并與其產生一定的水力聯系，潛水環境背景值分布寬度和各組分背景值均有所下降。

（3）研究區潛水環境值在河湖積平原區最高，河漫灘和沖洪積平原區次之，洪積傾斜平原區最低，反映了地下水流的水文地球化學作用分帶特征，符合潛水演化的規律特征。各水化學組分低背景區主要分布于地下水徑流條件好、包氣帶阻水能力差的山前地帶，高背景區呈片狀、島狀和條帶狀分布于地下水徑流條件差、包氣帶阻水能力較好的黏砂土、砂黏土分布區。