北洛河流域(关中平原段)地下水环境特征及其演化机制

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地下水资源作为重要的淡水资源,在人类生产生活和社会发展中极具战略性意义,在水资源短缺的北方地区,优质的地下水则更为可贵。然而,人类大量开采、回灌、施肥等活动均会影响甚至污染浅层地下水。近年来,在全面建设绿色美丽的生态环境的大背景下,地下水质量的优劣逐渐受到了公众的重视。本研究以位于关中平原段的北洛河下游流域为研究对象,通过野外采样、水样测试、室内分析等手段,分析了区域内地下水的水化学特性;通过Grubbs法计算了地下水环境背景值,在此基础上,利用熵权水质指数(EWQI)模型评价了地下水环境质量;利用全子集回归模型和地理探测器分别揭示了影响地下水质量变化的水化学指标以及外界因素;运用PHREEQC软件对地下水环境的演化过程进行反向模拟。研究结果表明:(1)研究区内水环境呈弱碱性,优势阳离子为Na+,优势阴离子SO42-。研究区内地下水水化学类型多元化,受多重影响因素影响。由上游到下游(西北向东南向)的变化趋势为 SO4·Cl-Ca·Mg型→SO4·Cl-Na型→HCCO3-Na型→HCO3-Ca·Mg 型,以SO4·Cl-Na型为主。交斜-官池-韦林镇一带的地下水化学组分主要受控于岩石风化,椿林乡-龙阳镇地下水受蒸发结晶作用,其余地下水样阳离子交替吸附作用和人类活动影响。(2)通过 Grubbs法,确定了研究区地下水中 Na++K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-、NO3-、F-、As、TDS的环境背景值,结果发现研究区内各水化学指标浓度的累积曲线存在阶跃点,说明存在人为输入,而且几乎所有指标的背景值浓度均超过《地下水质量标准》中Ⅲ类水标准浓度,因此使用环境背景值作为阈值对地下水环境质量进行评价将更接近实际情况。基于环境背景值的地下水环境质量评价结果表明,研究区内地下水环境质量等级为Ⅱ~Ⅴ类,有73.68%(14个)地下水样品达到Ⅲ类水标准及以上,其中,包括26.32%(5个)的Ⅱ类水样和47.37%(9个)的Ⅲ类水样。Ⅳ、Ⅴ类(不适合饮用)地下水样品分别占总数的15.79%(3个)和10.53%(2个)。另外,地下水基本适于灌溉,但是部分地区地下水盐度较高,直接使用地下水灌溉容易导致农田盐碱化。(3)利用全子集回归模型揭示了地下水环境质量的主要影响指标为Ca2+、Mg2+、Cl-、NO3-、F-和TDS共6项,说明地下水环境质量整体受控于水岩作用、蒸发富集作用等。地理探测器模型的定量计算结果显示,自然因素中地貌类型是EWQI值、Ca2+、Mg2+、Cl-、TDS的主要驱动因子,NO3-、F-的主要驱动因子是土壤类型。在人为因素中,除了NO3-受土地利用类型影响相对较大,其余因变量受人口密度的影响更大。同时,自然因素与人为因素会产生协同效应,加剧对地下水环境的改造。(4)运用PHREEQC软件计算得到地下水中可能矿物的饱和指数(SI),并在北洛河东西两岸各选取了1条模拟路径进行反向模拟。结果表明,模拟起始点和终点处,硬石膏、萤石、石膏未饱和,文石相和方解石相的CaCO3、白云石达到过饱和的状态。同时,反向模拟结果表明,北洛河两岸地下水演化规律存在差异,北洛河东侧的路径1上地下水中组分主要来源于白云石碳酸岩、石膏等硫酸盐溶解和阳离子交换作用。北洛河西侧的路径2上,地下水中组分主要来源于钠长石、钾盐等硅酸盐矿物溶解和阳离子交换作用。进一步证明了水岩作用和阳离子交换是地下水中离子浓度变化的主要原因。
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