兰州新区五道岘地区无压与承压地下水水化学特征、形成机制及饮用-灌溉适宜性评价

《Toxics》：Hydrochemical Characteristics and Groundwater Quality Assessment in the Wudaoxian Area of Lanzhou New Area, China

　　

在干旱与半干旱地区，地下水是主要的居民生活用水和农业灌溉水源，支撑区域水安全与农业发展。在持续人类干扰下，兰州新区五道岘地区地下水污染加剧。本研究分析了44组地下水样品（13组无压地下水样品和31组承压地下水样品）。采用Piper三线图、Gibbs图、离子比值分析、相关分析和因子分析等多种方法，揭示地下水水化学特征与形成机制，并区分自然过程与人为活动的影响。进一步采用水质指数（Water Quality Index, WQI）、美国盐碱实验室（United States Salinity Laboratory, USSL）图和Wilcox图评价地下水饮用与灌溉适宜性。水化学结果表明，当地地下水呈弱碱性，无压地下水与承压地下水具有相似的Na-Cl主导水化学类型。岩石风化、蒸发浓缩和离子交换共同控制地下水化学，而农业施肥和农药施用造成含水层N污染。WQI结果表明，81.82%的地下水适合饮用。然而，基于钠吸附比（Sodium Adsorption Ratio, SAR）和钠百分比（Sodium Percentage, %Na）的灌溉评价表明，92.31%的无压地下水和64.51%的承压地下水不适宜灌溉，其中6.45%仅边际可用于耐盐作物。研究人员建议推广节水灌溉以遏制水质退化。本研究为地下水合理利用和针对性保护提供参考。

研究背景方面，干旱半干旱区地下水是生活与农业灌溉的重要水源，关系区域水安全与农业发展。兰州新区五道岘地区在持续人为干扰下地下水污染加剧；已有研究多集中于基本水质特征、氟迁移、硝酸盐污染及盐碱化趋势，尚缺乏对无压地下水（unconfined groundwater）与承压地下水（confined groundwater）水化学演化规律、饮用水评价及碱害程度的系统分析。因此，研究人员开展该区地下水水化学特征、形成机制及饮用与灌溉适宜性研究，以识别自然过程与人为活动影响，为地下水合理利用和针对性保护提供依据。

关键技术方法方面，研究人员于2016年9月在五道岘地区采集44组地下水样品（13组无压地下水、31组承压地下水），井深40—365 m；采用Piper三线图、Gibbs图、离子比值、饱和指数（saturation index, SI）、相关分析和因子分析（factor analysis）解析水化学特征与机制，并以水质指数（Water Quality Index, WQI）及SAR、%Na、电导率（electrical conductivity, EC）、渗透性指数（Permeability Index, PI）、残余碳酸钠（Residual Sodium Carbonate, RSC）、USSL图和Wilcox图评价水质与灌溉适宜性，辅以普通克里金空间分布分析。

研究结果如下。4.1 地下水总体特征：地下水呈弱碱性，pH为7.12—8.26；无压与承压地下水中阳离子中位数顺序为Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺，阴离子为Cl^?>SO₄^2?>HCO₃^?，无压地下水主要离子中位数高于承压地下水；总溶解固体（total dissolved solids, TDS）为678—8980 mg/L，84.09%样品超过1000 mg/L，总硬度（total hardness, TH）68.18%超过450 mg/L，SO₄^2?、Cl^?分别有88.64%、79.55%超标；NH₄-N在无压地下水中较高，NO₃-N在承压地下水中较高，N组分变异系数大，呈点源污染特征，指示农业施肥、畜禽废弃物及生活污水等输入。4.2 水化学特征：Piper图显示无压与承压地下水均以Na-Cl型为主，TDS较高，反映矿物溶解与强蒸发浓缩作用；两者水化学类型和TDS范围相似，提示局部存在弱—中等水力联系，但泥岩隔水层总体分隔两系统。4.3.1 Gibbs图：地下水主要受蒸发浓缩控制并受长期岩石风化影响，阳离子由Ca²⁺主导向Na⁺主导变化，指示阳离子交换；部分样品不落入模型分区，且Gibbs图对地下水解释存在局限，需结合其他证据。4.3.2 离子比值：Na⁺与Cl^?多接近1:1，岩盐溶解为主，偏离者与离子交换和长石类硅酸盐风化有关；Ca²⁺与HCO₃^?、Ca²⁺+Mg²⁺与HCO₃^?多高于1:1，指示方解石、白云石及石膏等溶解贡献；Ca²⁺与SO₄^2?呈线性但多低于1:1，反映石膏溶解及阳离子交换等；Cl^?+SO₄^2?与HCO₃^?比值较大，指示强蒸发浓缩。4.3.3 水–岩相互作用（water–rock interaction）：岩盐和石膏饱和指数均小于0，呈不饱和溶解状态；方解石和白云石多饱和或过饱和，说明含水层含相应矿物，石膏溶解可驱动其过饱和；部分样品方解石、白云石饱和指数为负，反映溶解及阳离子交换等过程。4.3.4 相关性分析（correlation analysis）：无压地下水中TDS、TH、EC与Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^?、SO₄^2?高度正相关，为主要矿化与硬度组分；Na⁺与Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^?、SO₄^2?高相关，除岩盐外还受芒硝和硅酸盐溶解影响；SO₄^2?与Cl^?高度正相关（r=0.88，p<0.01），可能与岩盐、硫酸盐溶解或农业污染有关；NH₄-N与K⁺高度正相关（r=0.74，p<0.01），N污染以NH₄-N为主，指示生活污水和畜禽粪污入渗；COD_Mn与K⁺正相关，指示有机污染与钾盐输入同源。承压地下水中Na⁺与TDS、EC显著正相关，Ca²⁺、Mg²⁺与TH相关系数均大于0.85，矿化与硬度受岩盐、石膏和碳酸盐共同控制；SO₄^2?与Cl^?、Na⁺显著正相关（r=0.953/0.951，p<0.01），指示共同地球化学来源；HCO₃^?与主要离子相关性弱，碳酸盐溶解贡献有限；NO₃-N与F^?正相关；COD_Mn与NO₂-N显著相关，可能由有机污染耗氧形成弱还原环境、抑制硝化并造成NO₂-N积累。4.3.5 因子分析：承压地下水KMO=0.734，Bartlett球度检验χ²=371.943（df=66，p<0.001），提取4个公因子，解释86.07%信息；因子1贡献57.74%，反映蒸发岩溶解与人类活动综合影响；因子2贡献11.95%，反映降水、岩石风化及人类活动；因子3贡献10.12%，代表有机与氮污染；因子4贡献6.25%，反映酸碱环境、CaF₂溶解-沉淀及农业活动。4.4.1 饮用适宜性评价：依据GB 5749-2022等标准，TH、TDS超标率分别为68.18%、84.09%，Na⁺、Cl^?、SO₄^2?、NO₃-N超标率分别为86.36%、79.55%、88.64%、54.55%；NO₃^?超过10 mg/L的样品占54.55%，存在健康风险；WQI评价显示81.82%样品从健康风险角度适宜饮用，但高TDS、SO₄^2?、Cl^?、Na⁺影响适口性；水质较差样点与Na⁺、Cl^?、SO₄^2?、As超标空间分布相似，部分样点受NO₃-N、F^?、Se、Fe、HCO₃^?、NH₄-N等影响；长期农业灌溉导致地下水位上升和蒸发浓缩，促使离子升高、水质退化。4.4.2 灌溉适宜性评价：SAR为3.53—12.91，均值6.82，全部为良好灌溉水源；%Na为49.76%—81.01%，均值68.27%，81.82%地下水不适宜灌溉；EC为1198.16—11098.47 μS·cm^?1，均值5012.03 μS·cm^?1，65.91%存在盐害风险；PI为44.30%—82.36%，均值65.08%，可接受；RSC均小于1.25，适宜灌溉；USSL图显示92.31%无压地下水和58.06%承压地下水属高盐区，Wilcox图显示92.31%无压地下水和64.51%承压地下水不适宜灌溉，仅6.45%处于边际利用范围且仅适合耐盐碱植物。4.5 不确定性分析：WQI参数权重来自经验，具主观性；样品主要来自机井，数量有限且空间不均；仅单期采样、无连续监测，不能阐明水质时间演化；在采样约束下仍需开展人体健康风险评估。

讨论总结认为，五道岘地区地下水化学主要受蒸发岩溶解、碳酸盐平衡、阳离子交换和蒸发浓缩控制，农业施肥、畜禽废弃物及生活污水造成N污染；承压地下水受隔水层保护、滞留时间较长，水–岩作用持续而人为输入受限，无压地下水更易受污染；高盐度是灌溉利用的主要限制因素。该研究提供了五道岘地区综合水化学基线，为地下水保护、合理开发利用及农业可持续发展提供科学依据。

研究结论翻译：本研究通过综合水化学分析、地球化学模拟、多元统计和水质评价，全面刻画了五道岘地区地下水水化学特征，并识别了控制水质的主要自然和人为过程。主要发现：（1）地下水呈弱碱性（pH 7.12—8.26），盐度较高（TDS 678—8980 mg/L，中位数2490 mg/L）；无压与承压含水层均以Na-Cl水型为主；超过84%样品超过TDS限值，88.64%超过SO₄^2?限值，79.55%超过Cl^?限值；无压地下水空间变异更大，主要离子浓度高于承压地下水。（2）蒸发岩溶解是主导自然过程，由饱和指数、离子比值及Na⁺、Cl^?、SO₄^2?、Ca²⁺强相关证实；碳酸盐矿物达到平衡或过饱和；阳离子交换和蒸发浓缩也影响地下水演化；因子分析将蒸发岩溶解和人类活动识别为因子1（57.74%方差）。（3）N污染影响54.55%样品，可能来源于农业肥料、畜禽废弃物和生活污水；灌溉出口附近高NH₄-N与K⁺相关，指示农业来源；因子3（10.12%方差）代表有机和氮污染；无压地下水因隔水层保护较弱而更易污染。（4）WQI分析表明81.82%样品从健康风险角度适宜饮用，但许多样品超过TDS、SO₄^2?、Cl^?、Na⁺适口性限值；灌溉方面高盐度是主要限制因素；USSL和Wilcox分类显示92.31%无压地下水和64.51%承压地下水因高盐害不适宜灌溉，尽管SAR值良好。本研究首次提供五道岘地区综合水化学基线，为地下水保护、合理开发利用和可持续农业发展提供科学依据。