朱 亮, 刘景涛,2, 杨明楠,2, 刘春燕,2， 周 冰,3, 解 飞, 李 备

〔1.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061; 2.中国地质调查局/河北省地下水污染机理与修复重点实验室, 河北 石家庄 050061; 3.中国地质大学(北京), 北京 100083〕

地下水是中国水资源的重要组成部分。据统计中国20%左右的供水水源来自于地下水，地下水水质状况对保障供水安全、促进生态文明建设具有重要意义[1-2]。通过2005—2015年开展的全国地下水污染调查评价工作，基本掌握了东北平原、华北平原、长三角、珠三角、东南地区、西南地区、西北地区和西藏地区等主要平原盆地区的地下水水质及污染状况，根据近3万组浅层地下水水质评价的统计结果，大部分区域地下水样品超标率较大，其中，西北地区、东北地区的超标率都在80%以上[3]。2019年，全国10 168个国家级地下水水质监测点中，Ⅰ—Ⅲ类水所占比例仅为14.4%[4]。以上水质评价结果显示中国区域地下水水质超标率高，这与我们普遍认为的地下水水质相对较好，可作为优良的供水水源的大众认知相悖，这可能与评价方法的选取有关。不同评价方法的评价结果之间存在着一定程度的差异。从最直观的单因子污染指数法[5]，到较为复杂的数学表达和计算步骤的神经网络法[6]、模糊综合评价法[7]、物元可拓法[8]、主成分分析法及综合污染指数法等[9]，再到《区域地下水污染调查评价规范(DZT0288-2015)》推荐的层级阶梯评价方法[10]，随着水质评价方法不断改进，对单个采样点的水质评价结果也更加科学，尤其是层级阶梯评价方法，区分了人为污染和天然背景对水质的影响作用，成为科学评价单点水质及污染状况的有效方法[11-12]。以上各种方法基本是针对单个采样点水质评价结果的改进，而在区域地下水水质状况评价上，仍是简单地基于单个采样点水质分类结果的数学统计。这种基于样品点数量的统计结果，其问题在于只是将地下水样品作为一个单纯的环境要素，而忽略了不同样品点的资源属性，因此，不能从量的角度表达可用于供水的地下水水质状况。事实上，受水文地质条件限制，一个区域内水量丰富且水质优良的地下水分布面积往往不大，比如，在北方地区多集中分布在山前冲洪积扇的后缘或第四系厚度较大的河谷平原内，在统一的采样精度控制下，这些优质富水地带的采样点数量在整个区域内采样点数量中的比例非常小，因此，单纯基于样品点数量的统计结果就弱化了优质地下水富水带在区域地下水水质中的比重，这是导致目前区域地下水水质评价结果中超标率过高的关键。

本文结合“湟水河流域水文地质调查”项目中的地下水化学测试数据，在流域地下水水化学特征和水化学成因分析的基础上探讨劣质地下水的分布和成因，进一步结合单个地下水采样点的水质分类，提出基于富水性分区的区域地下水水质表达方法，并在北川河流域地下水水质评价中进行检验，旨在提高区域地下水水质评价结果表达的科学性和应对社会大众对目前地下水超标率过高的舆情具有理论和现实意义。

1 研究区概况

北川河位于青海省东部青藏高原与黄土高原的接壤地带，是湟水河一级支流，黄河二级支流，全长149 km，流域总面积3 371 km2，地形上从西北向东南呈C字形，气候上属大陆性半干旱气候，且具有典型的垂直分带性。地貌类型上可分为基岩山区、黄土丘陵区和河谷平原区3种地貌单元。基岩山区大气降水入渗补给地下水后沿构造断裂、裂隙运移，大部分以泉的形式排泄于冲沟中，少部分以地下潜流的形式补给干流河谷潜水；黄土丘陵区地下水主要接受基岩裂隙水的侧向补给及少量大气降水入渗补给，一部分以沟间分水岭为界，向两侧冲沟流泄，一部分顺坡降向干流河谷平原区排泄，但由于径流量较小，因此对干流河谷潜水无实际补给意义；河谷区潜水主要接受上游地下水径流补给、河水渗漏补给、大气降水入渗补给以及农田灌溉水入渗补给，受基地起伏的影响，河谷潜水与河水互为补给和排泄，转换频繁，关系密切。

流域地下水资源量为4.60×108m3/a，其中河谷区面积占流域总面积的18.1%，而地下水资源量占流域地下水资源总量的50%左右。地下水水量极丰富和丰富的地段主要分布于大通县以北至城关镇及黄家寨至二十里铺一带的河漫滩和Ⅰ，Ⅱ级阶地内，含水层岩性均为第四系砂砾卵石层，地下水主要接受河水和地下径流补给，多个地下水水源地均分布在该区域内，供水量可达到2.00×105m3/d。

2 评价方法与评价数据

2.1 评价方法

假设一个区域内的地下水采样点数量为n个，其中，根据单个样品点水质的评价结果，第K(K=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)类水的数量为m个，目前所用的区域水质表达方法中，第K类水所占比例即为m和n的比值。基于富水性分级的区域地下水水质表达方法中，依据富水性特征对单个样品点的水质类型赋予不同的系数，用地下水富水系数来表征不同样品点所代表的地下水的供水能力，则第K类水的所占比例计算公式为：

(1)

式中：P为该区域K类水的比例(%)；γj为第j个K类水样品点处地下水的富水系数；γi为第i个样品点处地下水的富水系数；m为第K类水的数量；n为采样点数量。

根据公式(1)计算的K类水的统计结果已经不再是简单的样品点数量的比值，而是样品点所代表的地下水供水能力的比值，该结果强化了优质地下水富水区在区域地下水水质中所占的比重，能够更好地从水量的角度表达区域地下水作为供水水源的水质状况。

2.2 评价数据

2019年在北川河流域开展水文地质调查的基础上，综合考虑流域水文地质条件、地下水开发利用状况及主要污染源分布等，以满足区域地下水水质控制、兼顾主要污染源及重要地下水水源地的原则布设地下水采样点，取样点类型包括居民分散开采井、集中供水水源井、地下水环境监测井和天然出露的泉水。其中，地下水环境监测井采样时，提前一天进行抽水洗井，第二天待水位恢复后再进行取样，其他采样点则直接采样。本次共采集地下水样品189组，其中，丘陵山区96组，多以泉水的形式在沟谷坡脚及沟脑处出露，地下水类型包括基岩裂隙水、黄土底砾石潜水和碎屑岩类裂隙孔隙水；河谷平原区93组，地下水类型以砂卵砾石潜水为主，井深多在30 m以内，地下水位埋深小于10 m。重金属指标加入0.1%体积的1∶1硝酸作为保护剂，挥发性有机指标加入0.25%体积的1∶1盐酸作为保护剂。有机测试样品采集后放入保温箱冷藏保存，并在7 d之内送至实验室完成前处理。所有样品由自然资源部地下水矿泉水与环境检测中心测试完成，测试指标共66项，包括无机28项、微量有机38项。

3 结果与分析

3.1 地下水化学特征

表1 北川河流域主要地下水化学组分统计结果

图1 北川河流域地下水化学Piper图

3.1.2 水化学成因及主要离子的来源分析 Gibbs图通过TDS与Na+，Ca2+的摩尔比值{ρ(Na+)/〔ρ(Na+)+ρ(Ca2+)〕}的关系可以指示大气降水、蒸发浓缩及岩石风化溶解作用对水化学过程的控制作用[16]。

从本次地下水Gibbs图中可以看出(图2)，总体上流域内的地下水样品点主要集中在模型的中部，其次是中上部，这一分布特征表明，研究区地下水水化学特征主要受岩石风化作用控制，其次是蒸发浓缩作用控制，其中，丘陵山区与河谷平原区地下水ρ(Na+)/ρ(Na+)+ρ(Ca2+)>0.5的样品比例分别为9.3%和27.5%，说明蒸发浓缩作用对河谷平原区地下水的控制作用明显大于丘陵山区，这与河谷区地下水埋深浅、蒸发强度大等因素相关。

图2 北川河流域地下水化学Gibbs图

图3 北川河流域地下水化学端元比值

3.2 地下水质量空间分布

依据《地下水质量标准(GB/T14848-2017)》中的水化学指标分类标准，采用单指标评价方法对189个地下水中样品进行水质分类，结果显示(图5)，全区未超标的地下水样品点109组，主要分布在外围的基岩山区和干流上游及各大支流河谷区，这些地区降水充分，地下水接受大气降水补给后以泉水的形式排泄，地下水径流路径短、循环周期快，不利于矿物元素在地下水中的富集；另外，在中下游的石家庄水源地、塔尔水源地等傍河水源地开采段，第四系松散沉积层厚度大，河水大量入渗形成了地下水最主要的补给源，由于河水水质优良且河谷阶地上无明显的污染源分布，因此，在这些区段河谷区形成了水量丰富的优质地下水水源。

图4 北川河流域地下水主要离子的比值关系

全区共有超标样品点80个，其中，丘陵山区和河谷平原区超标点数量分别为26个和54个，超标点主要分布在中下游河谷区、两岸的黄土丘陵地区以及上游支流宝库河、黑林河两岸的基岩山区(图5)。

图5 北川河流域地下水水质等级分布

超标指标包括铝、铁、总硬度、硫酸根、溶解性总固体、钠、锰、氯离子、耗氧量等9项无机常规指标，硼、氟、铅、砷、硝酸根、铵根、六价铬等7项无机毒理指标和氯乙烯、四氯化碳、苯并(a)芘等3项微量有机质标，从各指标的超标贡献率(图6)可以看出，铝、铁、总硬度、硼、硫酸根、溶解性总固体等的超标贡献率远大于其他指标，这些指标一般来源于地层中矿物成分的溶解、富集，说明天然背景值是决定北川河流域地下水质量超标程度的主要指标；各指标在河谷区的超标贡献率远大于丘陵山区，这一方面是由于河谷区地下水矿物元素随径流路径的增加而富集，另一方面，河谷区的人类活动污染物排放加剧了地下水水质恶化，尤其是在大通县城以南的河谷区内，由于阶地中后缘分布着众多的化工、冶金等重污染企业，且在基底抬升的作用下上游河谷区地下水开始溢出补给河水，水位埋深变浅，在径流过程中极易受地表污染物入渗影响，导致整个河谷区地下水出现不同程度的污染，河谷区地下水中铅、四氯化碳、硝酸根、氯乙烯等典型污染指标的超标贡献率明显大于丘陵山区，且这些污染指标与周边的主要污染源类型相一致，这也是人类活动加剧河谷区地下水水质恶化的直接证据。

图6 北川河流域不同地貌单元水化学指标超标贡献率

3.3 基于资源属性的水质评价

按照目前基于样品点数量进行区域水质评价的统计方法，北川河流域丘陵山区和河谷平原区地下水超标率为分别为27.1%，57.0%。这一评价结果表示的是不同地貌单元上超标地下水的分布状况，其问题在于仅将地下水作为一个单一的环境要素来看待，未能从水量层面上反映地下水的资源属性，而基于地下水富水性分级的区域水质评价方法则能够解决上述问题。

公式(1)中，地下水富水系数γ是根据地下水富水性分级进行赋值的。由于在地下水富水性分区图上,河谷平原区和丘陵山区地下水富水性分级的计量单位不同且无法进行统一,所以,不同区域采用不同的富水系数赋值体系。河谷平原区单井涌水量<100,100～1 000,1 000～5 000,>5 000 m3/d的水井采样点数量所占比例分别为51.6%,30.1%,12.9%和5.4%,结合收集的钻孔抽水试验资料,按照不同富水性等级内的单井涌水量特征值的大小,将河谷区平原区不同地下水富水性分级的富水系数分别赋值为1,10,50,120;泉水采样点中,流量<0.1,0.1～1,>1 L/s的泉点所占比例分别为11.5%,73.9%和14.6%,其中流量>1 L/s的泉多为黄土底砾石大泉或泉群,流量多大于3 L/s。例如，三角镇山前泉群流量为11.6 L/s,结合泉流量大小,将丘陵山区地下水富水系数分别赋值为1,5和30,并对各富水分区内的样品点进行逐一筛选统计(表2)。

表2 研究区地下水富水系数赋值

在使用单指标评价方法评价得到的各地下水样品点水质分类结果的基础上，采用目前常用的基于样品点数量统计的方法计算得到河谷平原区和丘陵山区地下水超标率分别为57.4%和26.3%，全区地下水超标率为41.8%。根据本文提出的基于地下水富水性分区的改进方法计算得到河谷平原区和丘陵山区地下水超标率分别为29.4%和12.0%。按照河谷平原区和丘陵山区地下水资源数量基本相当的比例换算，全区地下水超标率仅为20.7%(表3)。从数值上来看，使用该方法的地下水质评价结果中超标率基本是常规方法计算结果的1/2，而且结合富水性分级的评价结果突出了地下水的资源属性。

表3 不同计算方法的区域水质超标率对比

4 结 论

(1) 北川河流域地下水化学受天然背景和人为因素控制，具有明显的空间分布特征。中上游的丘陵山区和河谷平原区广泛分布HCO3-Ca型淡水，下游红层丘陵区和河谷平原区受含石膏地层及污染物排放的影响，出现SO4·Cl-Na型的微咸水、咸水及水Cl-Na型淡水；丘陵山区地下水化学组分主要以硅酸盐岩风化溶解为主，河谷平原区受硅酸盐岩和碳酸盐岩风化溶解共同控制，局部区域在蒸发浓缩作用下富集。

(2) 北川河流域超标地下水分布范围较广，但重要地下水水源地均符合Ⅲ类水标准，水质优良。水质超标的主要影响指标为铝、铁、总硬度、氟、硼等天然背景指标，铅、四氯化碳、硝酸根等人为污染指标集中在城镇及工矿企业周边，局部呈重金属、有机物等多指标的复合污染态势。

(3) 本文提出的基于地下水富水性分区的区域地下水水质表达方法实现了水质评价和水量的结合。与目前单纯基于样品点数量的超标率统计结果相比，一方面，该方法依据富水性特征对单个样品点的水质类型赋予不同的系数，据此得到的地下水水质统计结果所表达的意义更加符合地下水资源属性。另一方面，该方法突出了大型优质地下水水源地在区域地下水资源评价中的比重，降低了区域地下水水质超标率的统计数值，有效解决了目前评价结果中超标率普遍较高的问题，可以作为区域地下水水质评价的一种参考方法。