定边县山前平原地下水水化学特征分析及水质评价.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:中央高校基本科研业务费专项()作者简介:李建华(),男(侗族),湖南怀化人,硕士研究生,研究方向为地下水 通信作者:王玮(),男,河南郑州人,教授,博士,主要从事地下水科学与工程专业领域的教学与科研工作:【水环境与水生态】定边县山前平原地下水水化学特征分析及水质评价李建华,徐向东,刘 鹏,王 玮,(长安大学 水利与环境学院,陕西 西安;长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西 西安)摘 要:为掌握定边县山前平原地下水水化学特征和水质情况,针对采集的 个地下水水样,使用 水质指数法、人类健康风险评价模型、离子比值法、三线图和 图等对地下水水质、水化学特征以及硝
2、酸盐引起的人类健康风险进行评估。结果表明:研究区地下水水化学成分主要受蒸发结晶、溶滤作用和阳离子交替吸附作用的影响;研究区水质整体较差,主要受地质条件和人类活动的影响,其中 污染较为严重,水质由南向北、由山区向平原逐渐变好;地下水中的硝酸盐污染会对人体健康产生危害,儿童因硝酸盐产生的健康风险高于成年人。关键词:地下水;水化学特征;水质评价;健康风险评价;定边县山前平原中图分类号:文献标志码:引用格式:李建华,徐向东,刘鹏,等定边县山前平原地下水水化学特征分析及水质评价人民黄河,():,(,;,):,:;地下水资源是人类饮用水、灌溉用水和工业用水的重要来源,尤其是在水源稀缺且分布不均的干旱半干旱
3、地区。随着人口的快速增长和工农业开发规模的不断扩大,地下水污染已成为许多国家和地区面临的环境问题,地下水水质对整个社会的发展显得越来越重要。世界各地学者普遍认为基于单一参数的水质评价不能反映整体水质,由此提出了基于多参数的机器学习法、主成分分析评价法、模糊评价法、灰色系统法和 水质指数法等方法,其中 水质指数法被很多学者用于咸水入侵区域和干旱半干旱地区等水质复杂区域的水质评价,取得了良好效果。等使用 水质指数法和模糊评价法对珠江三角洲多个河口和入海口水质进行了评价,结果显示 水质指数法评价效果良好。利用 水质指数法、三线图和 图对 地区用于生活用途和农业用途的地下水水质和水化学特征进行了分析,
4、发现当地雨季地下水比旱季更适合用于灌溉和饮用。等利用 水质指数法和人类健康风险评价模型对陕西省渭南地区的地下水水质进行了评价,并对地下水中各项致癌和非致癌因子进行了健康风险评估。等利用 水质指数法、离子比值法对 年加沙地区 省因海水入侵引起的地下水水化学特征变化进行了研究,结果表明 内当地地下水和海水混合比增加了,海水第 卷第 期 人 民 黄 河 ,年 月 ,入侵范围逐渐向内陆地区扩展。定边县是中国重要的畜牧业基地县之一,定边平原地区的生活用水和工农业用水的主要水源为地下水,因此掌握研究区地下水水质和水化学特征,对指导当地合理利用地下水资源具有十分重要的意义。但是目前有关定边地区地下水水质和水
5、化学特征的研究较少,仅叶阳等从鄂尔多斯盆地的大地构造、岩性和古沉积环境等方面对盐池至定边地区的水化学场的形成机理进行了分析。本文利用研究区内第四系和白垩系地下水水化学数据,对定边县山前平原地下水水化学特征进行分析,对研究区地下水水质和硝酸盐健康风险进行评估,以期对研究区地下水资源的可持续利用以及促进当地经济和环境和谐提供参考。研究区概况研究区为定边县北部山前平原地区,位于陕西省榆林市西部,是黄土高原与内蒙古鄂尔多斯荒漠草原过渡地带,区域内耕地较多,研究区位置见图。图 研究区位置研究区属温带半干旱大陆性季风气候区,昼夜温差大,年平均气温。多年平均水面蒸发量 ,多年平均降水量 ,全年降雨主要集中在
6、夏季,月降水量占全年降水量的 左右。地势总体南高北低,南部为高山丘陵地带,北部为盆地地形的高平原,平原地区多咸水湖、无河流。地层主要为上覆第四系全新统风积砂和下伏白垩系下统环河组、洛河组地层,其中白垩系地层是古沉积中心地层,含盐量相对较高,这是当地高矿化度地下水形成的原因之一。研究区内潜水含水层以第四系松散岩层孔隙潜水含水层为主,主要分布在平原地区,山前梁岗区分布有白垩系环河组基岩裂隙潜水含水层,主要赋存于基岩风化壳中,受风化壳发育条件控制。研究区地下水等水位线见图,潜水流向总体与地形倾向一致,平原地区潜水流动十分缓慢,局部地区地下水会向地形低洼处汇集,以蒸发的形式排泄。除人工开采外,蒸发是研
7、究区地下水的主要排泄方式。研究区地下水主要受降水入渗补给,其次受灌溉回归水入渗补给和沙丘凝结水补给等。研究区地表水资源匮乏,地下水资源是当地居民生活饮用水的主要来源。定边县地下水资源总开采量为 ,到 年地下水资源开采量占可开采量的,其中水质适宜的地下水开采量占比已经达到。综上所述,研究区主要面临地表水资源少、地下水资源水质复杂、地下水资源可持续开采难度大等问题。图 研究区地下水等水位线(单位:)采样与研究方法 采样水样采样点分布见图,采样过程参照地下水环境监测技术规范()。采样时间主要为 年 月,共取地下水水样 个,其中:第四系地下水水样 个,白垩系地下水水样 个。将水样送至陕西省水土检测中心
8、进行检测,水样检测指标有总硬度()、溶解性总固体()、值、等。研究方法 水质指数法 水质指数法是使用各种水质指标评估水质的有效方法,通常根据各指标对水质的重要性进行加权,但是权重的微小变化会影响总体水质评价结果。各国学者对于权重的分配并不一致,为了克服这一问题,本文采用 提出的基于指标相关性的指标权重确定法()计算权重,该方法是一种客观的权重分配方法,避免了人为分配权重的主观性。法的基本思想是引入对比强度来反映同一指标在各个级别的数值差距,以标准差的形式人 民 黄 河 年第 期图 水样采样点分布来表现,标准差越大各级别的数值差距越大;用相关系数来反映指标之间的冲突性,如 个指标之间具有较强的正
9、相关性,说明 个指标的冲突性较低,反之,冲突性较高。水质指数的计算公式为 ()()()()式中:为第 个指标的信息量;为第 个指标的标准差;为选取的参与评价的指标个数;为指标、间的相关系数;为第 个指标的权重值,所有权重值之和等于;为第 个样本中第 个指标的质量。由式()和式()可知,指标的权重取决于指标的标准差 和相关系数,指标的标准差越大相关系数越小,其包含的信息量越大,被分配的权重也越大。计算 和 时应将各指标数值进行归一化处理,消除不同量纲造成的影响。各参数的计算方法如下:()()()()()()(,)()()()式中:为第 个样本中第 个指标的实测值;、分别为第 个指标的最小值、最大
10、值;为各指标归一化值;为第 个指标的均值;为由 构成的标准矩阵;(,)为标准矩阵 中第、行的协方差;、分别为标准矩阵 中第、行的标准差;为第 个指标在纯水中的理想值,纯水中各离子含量为,。根据 指数将水质分为 个等级,见表。表 地下水水质分级等级水质优秀良好中等差极差 人类健康风险评价模型美国环境保护局()建立的人类健康风险评价模型()是一种被广泛用于评估地下水污染物可能对儿童和成年人健康造成有害影响的方法,是计算不同年龄人群有非致癌风险的最有效工具。包括非致癌风险评价和致癌风险评价,由于 属于非致癌物,因此选择非致癌风险评价模型如下:()()式中:为慢性每日摄入量;为地下水硝酸盐浓度;为摄入
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