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(huán)境監(jiān)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(jīng)濟帶的起點所在地[1-3]，地下水在城市供水及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水中發(fā)揮著重要作用。長期超量開采使渭河平原區(qū)域地下水位、水質發(fā)生波動變化，對渭河平原地質環(huán)境、生態(tài)環(huán)境均產(chǎn)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?shù)亟?jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)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(qū)地下水水化學特征進行了系統(tǒng)性研究，并對地下水與污染地表水的水力聯(lián)系進行了研究，研究成果為化縣地區(qū)污染地表水的治理和淺層地下水的保護提供了科學依據(jù)。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(shù)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(fā)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(shù)據(jù)進行分析，無法對渭河平原水質隨時間的變化進行分析?；诖?，本文以近20年監(jiān)測數(shù)據(jù)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(guī)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(qū)。對掌握渭河平原區(qū)域地下水質動態(tài)，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(qū)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(nèi)，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(fā)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(qū)，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(qū)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(lián)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(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

渭河平原自20世紀70-80年代開始地下水質長期監(jiān)測，監(jiān)測點主要位于城市集中供水水源地，城市之間的區(qū)域性監(jiān)測點分布較為分散(圖2)。監(jiān)測點共77個(以2015年計),其中潛水監(jiān)測點34個,承壓水監(jiān)測點43個。每年8-10月集中采樣一次。監(jiān)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(fā)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(jiān)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(jù)《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(jù)綜合評價分值(F)進行地下水質量分區(qū)。根據(jù)《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)，Ⅲ類水以人體健康基準值為依據(jù)，適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)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(jù)多年監(jiān)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(qū) 根據(jù)近年監(jiān)測資料，采用綜合指數(shù)評價方法對渭河平原潛水、承壓水進行綜合評價分區(qū)。

(1)單項組分評價。根據(jù)《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(jiān)測點地下水質量級別。根據(jù)F值劃分地下水質量級別(表3)。

4 結果與討論

4.1 區(qū)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(qū)，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(qū)，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(qū)，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(fā)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(qū)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(qū)為重碳酸型水，但在西安、咸陽等城市附近或黃土洼地區(qū)，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(tài)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(yè)污染物排放量較大，農(nóng)田實行污灌，使?jié)撍毡槭艿轿廴?。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(qū)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(nèi)下降了3～4倍(圖4)，平均測值小于450 mg/L，大部地區(qū)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(wěn)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(jiān)測井資料顯示，部分地區(qū)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(qū)

近年監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，渭河平原地下水質量總體尚好。渭河南岸水質明顯優(yōu)于渭河北岸水質，承壓水水質明顯優(yōu)于潛水水質。根據(jù)《地下水質量標準(GB/T14848-93)》，采用綜合指數(shù)法，利用2015年地下水監(jiān)測成果，將渭河平原地下水分為優(yōu)良、良好、較差、極差四級區(qū)，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(qū)總面積83.98%；不適宜飲用水面積占評價區(qū)總面積16.02%，主要分布在渭北鹵泊灘區(qū)、乾縣-禮泉局部黃土塬區(qū)、興平市局部區(qū)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(qū)的絕大部分地區(qū)，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(qū)，占評價作區(qū)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(jiān)測井硫酸根、硝酸根、總硬度含量多年動態(tài)曲線圖5典型潛水監(jiān)測井氨氮、氟離子、COD含量多年動態(tài)曲線

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

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

4.3.1 潛水

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

(2)良好區(qū)(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(qū)21.28%。

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

(4)極差區(qū)(F≥7.20)：2015年關中盆地潛水極差區(qū)集中分布在渭北鹵泊灘區(qū)、乾縣-禮泉局部黃土塬區(qū)、興平市局部區(qū)域。渭北鹵泊灘區(qū)地勢較為平坦、徑流緩慢，地下水水位淺，易于蒸發(fā)，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(qū)，是氟化物原生污染超標是原因之一，同時由于黃土塬區(qū)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(yè)發(fā)達，區(qū)內(nèi)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(qū)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(xiàn)出多年穩(wěn)定，略微波動的狀態(tài)。

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

(2)良好區(qū)(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(qū)28.84%。

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

(4)極差區(qū)(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(qū)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(chǎn)生一定程度影響[1, 25]。渭河平原是陜西乃至西北地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展中心，人口密集，農(nóng)業(yè)發(fā)達，工業(yè)與生活污水不規(guī)范排放對地下水補給產(chǎn)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(jiān)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(qū)內(nèi)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(qū)超標4～5倍；90年代中期以后，盆地內(nèi)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(jiān)測數(shù)據(jù)，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(shù)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(nóng)田灌溉及工業(yè)排污的影響 渭河盆地是我國主要糧棉生產(chǎn)基地之一，農(nóng)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(nèi)氨氮背景值為0～0.06 m/L，而目前部分地區(qū)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(wěn)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(huán)境的影響 原生地質環(huán)境對地下水的影響主要體現(xiàn)在地下水對含水介質的溶濾作用上。在黃土塬區(qū)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(huán)境中富集并趨于穩(wěn)定，使得渭河平原黃土塬區(qū)氟離子普遍超標，某些地段氟離子超過飲用水標準數(shù)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(fā)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(qū)。

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(qū)，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(qū)，多為氯化物、硫酸型水，礦化度3～10 g/L，鹵泊灘大片地區(qū)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(shù)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(qū)適宜飲用，部分地區(qū)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(qū)、乾縣-禮泉局部黃土塬干旱區(qū)、興平市工業(yè)污染區(qū)，面積約3 255.7 km2，占總評價區(qū)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(qū)，面積483.13 km2，占總評價區(qū)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(huán)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。