沈回歸,饒文波,譚紅兵,郭宏業(yè),溫 川,張西營,拓萬全
(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100; 2.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院,青海 西寧 810008;3.青海省水文水資源測報(bào)中心格爾木分中心,青海 格爾木 816099;4.中國科學(xué)院青海鹽湖研究所,青海 西寧 810008; 5.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000)
過去幾十年,隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,工礦企業(yè)大量的廢水排放、不合理的農(nóng)業(yè)活動(dòng)(施肥、殺蟲等)及混亂的生活污水傾倒等現(xiàn)象日益加劇,中國地下水水質(zhì)明顯下降[1]。近年來,隨著“一帶一路”倡儀的實(shí)施和西部大開發(fā)進(jìn)程的推進(jìn),這一問題在中國高寒的西北地區(qū)逐漸顯現(xiàn)[2]。地下水是中國西北地區(qū)水資源的關(guān)鍵組成部分,絕大部分居民飲水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉及生態(tài)需水都依賴于地下水[3-6]。由于降水少、蒸發(fā)大,西北地區(qū)干旱缺水,其地下水水質(zhì)的下降甚至惡化使得該地區(qū)的用水形勢更加嚴(yán)峻。同時(shí),地下水水質(zhì)下降對人體健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了潛在風(fēng)險(xiǎn)[7-9]。因此,開展高寒缺水地區(qū)的地下水水質(zhì)研究十分必要且極為緊迫。
圖1 格爾木河流域及地下水取樣點(diǎn)分布Fig.1 Map of Golmud River Watershed and groundwater sampling locations
迄今為止,對地下水水質(zhì)的研究已取得了大量成果[10-13]。如:劉江濤等[10]利用Piper圖、Schoeller圖等圖解法開展沁河沖洪積扇地區(qū)地下水化學(xué)特征研究,認(rèn)為礦物風(fēng)化、離子交換和蒸發(fā)作用是其重要的控制因素;方運(yùn)海等[12]利用模糊綜合優(yōu)化模型開展青島市大沽河地區(qū)地下水水質(zhì)評價(jià),發(fā)現(xiàn)水源地南部地區(qū)地下水水質(zhì)較差;張勇等[7]利用健康風(fēng)險(xiǎn)評估模型開展蕎麥地流域地下水對人體健康的風(fēng)險(xiǎn)評估,指出當(dāng)?shù)谻r的健康風(fēng)險(xiǎn)最高。這些研究成果大大提高了對地下水水質(zhì)演變規(guī)律及影響機(jī)制的認(rèn)識,但高寒區(qū)相關(guān)研究還比較薄弱[11-12]。
格爾木河流域位于中國青藏高原柴達(dá)木盆地南緣(92°30′E~96°57′E,34°59′N~37°42′N),流域面積約45 000 km2[17],海拔2 442~6 212 m,地勢由南向北逐漸降低(圖1)。該流域氣候干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈,年均降水量約42.47 mm,約70%集中在6—8月,年平均蒸發(fā)量為1 540.95 mm[14]。格爾木河是柴達(dá)木盆地內(nèi)的第二大河流,發(fā)源于東昆侖北坡,其上游主要由西支昆侖河和東支雪水河構(gòu)成,由南向北進(jìn)入格爾木市區(qū)后分為東、西兩支,最終注入達(dá)布遜湖(圖1)。
格爾木河流域地下水系統(tǒng)呈環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)[18],從上游至達(dá)布遜湖依據(jù)地貌差異可劃分為幾個(gè)子區(qū)域:山區(qū)、沖洪積扇帶、細(xì)土平原溢出帶、湖積平原帶(圖1)。沖洪積扇帶存在巨厚的礫卵石層,為強(qiáng)富水淡-微咸水潛水深藏帶。細(xì)土平原溢出帶含水層以多層狀砂礫石為主,為中等富水淡-微咸潛水、半承壓水-自流水交疊帶。湖積平原帶含水層厚度薄,巖性以粉砂、礫巖為主,鹽類富集,為微咸潛水及半承壓咸-鹵水潛埋帶[16]。
流域人口主要集中在格爾木市(圖1)。格爾木市是柴達(dá)木盆地的新興石化、鹽化工業(yè)重鎮(zhèn),2019年人口總數(shù)約13.8萬人。該市工農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá),2019年GDP為398.07億元,農(nóng)業(yè)主要分布在河?xùn)|、河西農(nóng)場,工業(yè)園坐落于格爾木市區(qū)的東南部[19]。該流域多年平均地下水資源量為6.35億m3,可開采量為1.46億 m3/a,約占水資源總量的23%,為工農(nóng)業(yè)及居民生活等用水提供了重要支撐[19]。
分別于2019年融雪期(4月)、豐水期(7月)和枯水期(12月)在格爾木河流域采集地下水樣品,其中潛水50組,承壓水44組。取樣前洗井,電導(dǎo)率(EC)保持穩(wěn)定后采樣。樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后倒入清洗好的500 mL高密度聚乙烯瓶,采用分子生化級封口膜對瓶口密封,貼好標(biāo)簽。樣品采集后保存于4℃的冰箱內(nèi)。
采用Excel 2019軟件統(tǒng)計(jì)地下水化學(xué)數(shù)據(jù)。采用Surfer13軟件繪制不同季節(jié)主要化學(xué)和水質(zhì)指標(biāo)的空間變化圖。采用Origin2021b繪制Gibbs圖和離子比值圖。
熵權(quán)水質(zhì)指數(shù)評價(jià)方法是將信息熵引入水質(zhì)指標(biāo)中的一種定量評價(jià)方法,可以避免主觀因素的影響,相較于傳統(tǒng)評價(jià)方法,其獲得的結(jié)果更合理[20]。熵權(quán)水質(zhì)指數(shù)X的計(jì)算公式為
(1)
式中:m為地下水樣品數(shù)量;Wj為利用公式客觀分配的第j個(gè)評估參數(shù)權(quán)重,能反映每個(gè)參數(shù)對人體健康的重要性和影響,具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)[20];Cj為第j個(gè)評估參數(shù)濃度;sj為第j個(gè)評估參數(shù)在GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)值;qj為水化學(xué)指標(biāo)定量分級尺度。根據(jù)X值將水質(zhì)分為5類:優(yōu)秀(X≤50)、良好(50
美國環(huán)境保護(hù)局提出的健康風(fēng)險(xiǎn)評估數(shù)學(xué)(HHRA)模型考慮了不同的人群和暴露途徑,可客觀識別污染物風(fēng)險(xiǎn),已被廣泛應(yīng)用于地下水潛在風(fēng)險(xiǎn)評估[4]。HHRA模型采用以下公式計(jì)算健康風(fēng)險(xiǎn):
(2)
表1 人類健康風(fēng)險(xiǎn)評估中涉及的暴露參數(shù)
格爾木河流域地下水pH值在8.09~10.79之間,呈弱堿至強(qiáng)堿性,見表2。TDS在融雪期、豐水期和枯水期的質(zhì)量濃度變化都較大,其范圍分別為254~963 mg/L、244~2 200 mg/L和238~2 165 mg/L,隨沿程增加而增大。這與王宇航[11]的研究結(jié)果類似;TH質(zhì)量濃度在24.9~727.3 mg/L之間,值得注意的是融雪期、豐水期和枯水期樣品的TH質(zhì)量濃度超均過我國飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
表2 格爾木河流域地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)
圖2 格爾木河流域地下水化學(xué)Durov圖Fig.2 Durov diagram of groundwater chemistry in Golmud River Watershed
圖3 不同時(shí)期格爾木河流域地下水主要離子質(zhì)量濃度的空間變化(單位:mg/L)Fig.3 Spatial variation of major ion concentrations of groundwater in Golmud River Watershed during different periods (unit: mg/L)
3.3.1 自然因素
如圖4所示,融雪期、豐水期和枯水期樣品點(diǎn)落在水巖作用和蒸發(fā)-結(jié)晶作用區(qū)域,表明流域地下水化學(xué)特征主要受水巖作用和蒸發(fā)-結(jié)晶作用的影響[11,16]。山區(qū)潛水樣品落在圖4中部,受水巖作用影響。沖洪積扇帶潛水大部分在水巖作用區(qū)域,少數(shù)在蒸發(fā)-結(jié)晶作用范圍,表明其主導(dǎo)因素由水巖作用向蒸發(fā)-結(jié)晶作用過渡。細(xì)土平原溢出帶潛水樣品多數(shù)落在蒸發(fā)-結(jié)晶作用范圍,這與該區(qū)域潛水埋深淺、蒸發(fā)-結(jié)晶作用強(qiáng)有關(guān)。細(xì)土平原溢出帶和湖積平原帶承壓水樣品基本在圖4中部,表明承壓水化學(xué)特征僅與水巖作用有關(guān)[11]。落在虛線外的樣品點(diǎn)可能受人為因素的影響。
圖4 格爾木河流域地下水化學(xué)Gibbs圖Fig.4 Gibbs diagram of groundwater chemistry in Golmud River Watershed
離子比值有助于加深了解地下水地球化學(xué)過程[25]。如圖5(a)所示,從上游至下游大部分樣品在硅酸鹽端元附近,這與格爾木河流域基巖以花崗巖、輝綠巖為主的地質(zhì)巖性相吻合[17]。沖洪積扇帶和細(xì)土平原溢出帶少部分潛水樣品靠近蒸發(fā)鹽端元,受蒸發(fā)或蒸發(fā)鹽影響[11]。多數(shù)樣品沿Na+與Cl-濃度的1∶1線下方分布(圖5(b)),表明過量Na+與硅酸鹽風(fēng)化有關(guān)[25]。
如圖5(c)所示,多數(shù)地下水樣品沿1∶1線分布,表明陽離子交換過程對地下水化學(xué)性質(zhì)有影響。氯堿指數(shù)(CAI-1和 CAI-2)已被證明可作為確定陽離子交換的方式[26]。研究區(qū)大部分樣品CAI值為正(圖5(d)),表明地下水系統(tǒng)中正向陽離子交換反應(yīng)的存在[27]。
圖5 格爾木河流域地下水中主要離子之間關(guān)系Fig.5 Relationship between major ions in the groundwater of Golmud River Watershed
3.3.2 人為因素
根據(jù)鹽度危害和鈉吸附比進(jìn)行灌溉水水質(zhì)評價(jià),結(jié)果見圖6(a)。由圖6(a)可見,灌溉水鹽分過高會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu),使農(nóng)作物難以生長,甚至?xí):θ梭w健康[11]。應(yīng)用美國鹽度實(shí)驗(yàn)圖(USSL)的分類方法對格爾木河流域地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。融雪期、豐水期和枯水期地下水鈉吸附比值分別在5.0~117.6、8.0~118.7和8.0~121.3之間。65%的承壓水樣品在C2S2區(qū)域,水質(zhì)良好,適合灌溉半耐鹽植物[3]。其余承壓水樣品落在C2S3(49.4%)、C2S4(8.9%)和C3S4(6.7%)高堿度或高鹽度危險(xiǎn)區(qū),不適合灌溉。
圖6 地下水水質(zhì)評價(jià)結(jié)果Fig.6 Eva luation results of groundwater quality
根據(jù)TH和TDS對地下水進(jìn)行飲用水水質(zhì)評價(jià),結(jié)果見圖6(b)。由圖6(b)可見,潛水水質(zhì)明顯劣于承壓水,一部分山區(qū)潛水樣品在C2S1和C2S2區(qū),水質(zhì)中等良好,84%的潛水具有高鹽度甚至極高鹽度危害,不適合作為灌溉水源。值得注意的是,潛水水質(zhì)從上游至下游逐漸變差,與中下游區(qū)域農(nóng)業(yè)活動(dòng)密集有關(guān)。
高寒流域,地下水除了用于灌溉,更重要的是為當(dāng)?shù)鼐用裉峁╋嬘盟8鶕?jù)TH和TDS對地下水水質(zhì)進(jìn)行評估,結(jié)果(圖7)表明:融雪期,10.3%的地下水為軟淡水,62.1%為微硬淡水;豐水期,15.2%的地下水為軟淡水,51.5%的為微硬淡水;枯水期,81.3%的地下水為軟淡水,15.2%為微硬淡水;融雪期、豐水期和枯水期27.6%、33.3%和6.1%的地下水為硬至極硬的微咸水,主要為細(xì)土平原溢出帶潛水。
圖7 不同時(shí)期格爾木河流域地下水水質(zhì)指標(biāo)的空間變化Fig.7 Spatial variations of groundwater quality index in Golmud River Watershed during different periods
表3 人類健康風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果
c.流域大部分潛水不適合灌溉,細(xì)土平原溢出帶的少數(shù)潛水不適合飲用。總體上,潛水水質(zhì)枯水期比豐水期差,融雪期最佳,上游優(yōu)于下游,差于承壓水。