高寒区典型流域地下水化学特征、影响因素及健康风险

沈回归，饶文波，谭红兵，郭宏业，温 川，张西营，拓万全

(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100； 2.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海 西宁 810008；3.青海省水文水资源测报中心格尔木分中心，青海 格尔木 816099；4.中国科学院青海盐湖研究所，青海 西宁 810008； 5.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000)

过去几十年，随着经济的高速发展，工矿企业大量的废水排放、不合理的农业活动(施肥、杀虫等)及混乱的生活污水倾倒等现象日益加剧，中国地下水水质明显下降[1]。近年来，随着“一带一路”倡仪的实施和西部大开发进程的推进，这一问题在中国高寒的西北地区逐渐显现[2]。地下水是中国西北地区水资源的关键组成部分，绝大部分居民饮水、工业用水、农业灌溉及生态需水都依赖于地下水[3-6]。由于降水少、蒸发大，西北地区干旱缺水，其地下水水质的下降甚至恶化使得该地区的用水形势更加严峻。同时，地下水水质下降对人体健康和生态环境构成了潜在风险[7-9]。因此，开展高寒缺水地区的地下水水质研究十分必要且极为紧迫。

图1 格尔木河流域及地下水取样点分布Fig.1 Map of Golmud River Watershed and groundwater sampling locations

迄今为止，对地下水水质的研究已取得了大量成果[10-13]。如：刘江涛等[10]利用Piper图、Schoeller图等图解法开展沁河冲洪积扇地区地下水化学特征研究，认为矿物风化、离子交换和蒸发作用是其重要的控制因素；方运海等[12]利用模糊综合优化模型开展青岛市大沽河地区地下水水质评价，发现水源地南部地区地下水水质较差；张勇等[7]利用健康风险评估模型开展荞麦地流域地下水对人体健康的风险评估，指出当地Cr的健康风险最高。这些研究成果大大提高了对地下水水质演变规律及影响机制的认识，但高寒区相关研究还比较薄弱[11-12]。

1 研究区概况

格尔木河流域位于中国青藏高原柴达木盆地南缘(92°30′E～96°57′E，34°59′N～37°42′N)，流域面积约45 000 km2[17]，海拔2 442～6 212 m，地势由南向北逐渐降低(图1)。该流域气候干旱少雨、蒸发强烈，年均降水量约42.47 mm，约70%集中在6—8月，年平均蒸发量为1 540.95 mm[14]。格尔木河是柴达木盆地内的第二大河流，发源于东昆仑北坡，其上游主要由西支昆仑河和东支雪水河构成，由南向北进入格尔木市区后分为东、西两支，最终注入达布逊湖(图1)。

格尔木河流域地下水系统呈环带状结构[18]，从上游至达布逊湖依据地貌差异可划分为几个子区域：山区、冲洪积扇带、细土平原溢出带、湖积平原带(图1)。冲洪积扇带存在巨厚的砾卵石层，为强富水淡-微咸水潜水深藏带。细土平原溢出带含水层以多层状砂砾石为主，为中等富水淡-微咸潜水、半承压水-自流水交叠带。湖积平原带含水层厚度薄，岩性以粉砂、砾岩为主，盐类富集，为微咸潜水及半承压咸-卤水潜埋带[16]。

流域人口主要集中在格尔木市(图1)。格尔木市是柴达木盆地的新兴石化、盐化工业重镇，2019年人口总数约13.8万人。该市工农业较发达，2019年GDP为398.07亿元，农业主要分布在河东、河西农场，工业园坐落于格尔木市区的东南部[19]。该流域多年平均地下水资源量为6.35亿m3，可开采量为1.46亿 m3/a，约占水资源总量的23%，为工农业及居民生活等用水提供了重要支撑[19]。

2 研 究 方 法

2.1 样品采集与测试方法

分别于2019年融雪期(4月)、丰水期(7月)和枯水期(12月)在格尔木河流域采集地下水样品，其中潜水50组，承压水44组。取样前洗井，电导率(EC)保持稳定后采样。样品运回实验室经0.45 μm滤膜过滤后倒入清洗好的500 mL高密度聚乙烯瓶，采用分子生化级封口膜对瓶口密封，贴好标签。样品采集后保存于4℃的冰箱内。

2.2 数据处理

采用Excel 2019软件统计地下水化学数据。采用Surfer13软件绘制不同季节主要化学和水质指标的空间变化图。采用Origin2021b绘制Gibbs图和离子比值图。

2.3 熵权水质指数

熵权水质指数评价方法是将信息熵引入水质指标中的一种定量评价方法，可以避免主观因素的影响，相较于传统评价方法，其获得的结果更合理[20]。熵权水质指数X的计算公式为

(1)

式中：m为地下水样品数量；Wj为利用公式客观分配的第j个评估参数权重，能反映每个参数对人体健康的重要性和影响，具体计算公式见文献[20]；Cj为第j个评估参数浓度；sj为第j个评估参数在GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》中的标准值；qj为水化学指标定量分级尺度。根据X值将水质分为5类：优秀(X≤50)、良好(50200)[20]。

2.4 人类健康风险评估

美国环境保护局提出的健康风险评估数学(HHRA)模型考虑了不同的人群和暴露途径，可客观识别污染物风险，已被广泛应用于地下水潜在风险评估[4]。HHRA模型采用以下公式计算健康风险：

(2)

表1 人类健康风险评估中涉及的暴露参数

3 结果与分析

3.1 地下水化学特征

格尔木河流域地下水pH值在8.09～10.79之间，呈弱碱至强碱性，见表2。TDS在融雪期、丰水期和枯水期的质量浓度变化都较大，其范围分别为254～963 mg/L、244～2 200 mg/L和238～2 165 mg/L，随沿程增加而增大。这与王宇航[11]的研究结果类似；TH质量浓度在24.9～727.3 mg/L之间，值得注意的是融雪期、丰水期和枯水期样品的TH质量浓度超均过我国饮用水标准。

表2 格尔木河流域地下水化学参数统计

图2 格尔木河流域地下水化学Durov图Fig.2 Durov diagram of groundwater chemistry in Golmud River Watershed

3.2 地下水主要离子的空间与季节特征

图3 不同时期格尔木河流域地下水主要离子质量浓度的空间变化(单位：mg/L)Fig.3 Spatial variation of major ion concentrations of groundwater in Golmud River Watershed during different periods (unit: mg/L)

3.3 地下水化学影响因素

3.3.1 自然因素

如图4所示，融雪期、丰水期和枯水期样品点落在水岩作用和蒸发-结晶作用区域，表明流域地下水化学特征主要受水岩作用和蒸发-结晶作用的影响[11，16]。山区潜水样品落在图4中部，受水岩作用影响。冲洪积扇带潜水大部分在水岩作用区域，少数在蒸发-结晶作用范围，表明其主导因素由水岩作用向蒸发-结晶作用过渡。细土平原溢出带潜水样品多数落在蒸发-结晶作用范围，这与该区域潜水埋深浅、蒸发-结晶作用强有关。细土平原溢出带和湖积平原带承压水样品基本在图4中部，表明承压水化学特征仅与水岩作用有关[11]。落在虚线外的样品点可能受人为因素的影响。

图4 格尔木河流域地下水化学Gibbs图Fig.4 Gibbs diagram of groundwater chemistry in Golmud River Watershed

离子比值有助于加深了解地下水地球化学过程[25]。如图5(a)所示，从上游至下游大部分样品在硅酸盐端元附近，这与格尔木河流域基岩以花岗岩、辉绿岩为主的地质岩性相吻合[17]。冲洪积扇带和细土平原溢出带少部分潜水样品靠近蒸发盐端元，受蒸发或蒸发盐影响[11]。多数样品沿Na+与Cl-浓度的1∶1线下方分布(图5(b))，表明过量Na+与硅酸盐风化有关[25]。

如图5(c)所示，多数地下水样品沿1∶1线分布，表明阳离子交换过程对地下水化学性质有影响。氯碱指数(CAI-1和 CAI-2)已被证明可作为确定阳离子交换的方式[26]。研究区大部分样品CAI值为正(图5(d))，表明地下水系统中正向阳离子交换反应的存在[27]。

图5 格尔木河流域地下水中主要离子之间关系Fig.5 Relationship between major ions in the groundwater of Golmud River Watershed

3.3.2 人为因素

3.4 水质评价

根据盐度危害和钠吸附比进行灌溉水水质评价，结果见图6(a)。由图6(a)可见，灌溉水盐分过高会影响土壤结构，使农作物难以生长，甚至会危害人体健康[11]。应用美国盐度实验图(USSL)的分类方法对格尔木河流域地下水水质进行评价。融雪期、丰水期和枯水期地下水钠吸附比值分别在5.0～117.6、8.0～118.7和8.0～121.3之间。65%的承压水样品在C2S2区域，水质良好，适合灌溉半耐盐植物[3]。其余承压水样品落在C2S3(49.4%)、C2S4(8.9%)和C3S4(6.7%)高碱度或高盐度危险区，不适合灌溉。

图6 地下水水质评价结果Fig.6 Eva luation results of groundwater quality

根据TH和TDS对地下水进行饮用水水质评价，结果见图6(b)。由图6(b)可见，潜水水质明显劣于承压水，一部分山区潜水样品在C2S1和C2S2区，水质中等良好，84%的潜水具有高盐度甚至极高盐度危害，不适合作为灌溉水源。值得注意的是，潜水水质从上游至下游逐渐变差，与中下游区域农业活动密集有关。

高寒流域，地下水除了用于灌溉，更重要的是为当地居民提供饮用水。根据TH和TDS对地下水水质进行评估，结果(图7)表明：融雪期，10.3%的地下水为软淡水，62.1%为微硬淡水；丰水期，15.2%的地下水为软淡水，51.5%的为微硬淡水；枯水期，81.3%的地下水为软淡水，15.2%为微硬淡水；融雪期、丰水期和枯水期27.6%、33.3%和6.1%的地下水为硬至极硬的微咸水，主要为细土平原溢出带潜水。

图7 不同时期格尔木河流域地下水水质指标的空间变化Fig.7 Spatial variations of groundwater quality index in Golmud River Watershed during different periods

3.5 人类健康风险评估

表3 人类健康风险评估结果

4 结 论

c.流域大部分潜水不适合灌溉，细土平原溢出带的少数潜水不适合饮用。总体上，潜水水质枯水期比丰水期差，融雪期最佳，上游优于下游，差于承压水。