0 引言

地下水在世界上各个地区的饮用水、灌溉水和工业用水供应系统中发挥着重要的作用。最近的研究表明，世界上的地下水约 65% 用于饮用，20% 用于灌溉，15% 用于工业 （Adimalla and Venkatayogi，2018；Adimalla et al.，2018）。20 世纪时用水量的增长速度是人口增长速度的2～3倍，以致水资源短缺成为 21 世纪人类社会面临的最紧迫挑战之一（Programme，2006^①）。同时，地下水受到农业生产、海洋入侵及工业发展等自然或人为因素影响，地下水的质量严重下降（Zammouri et al.， 2013），而水质量与人类健康密切相关（Ricolfi et al.，2020），特别是地下水在人类生产活动中发挥着重要的资源禀赋（杨建锋等，2023）。因此，地下水质量评价研究工作在国内外已广泛地开展（Barbieri et al.，2019；Su et al.，2019）。对于水质评价方法，众多学者普遍认为单一参数的水质评价不能反映整体水质状况，随着数理统计等理论以及人工神经网络的发展，基于多参数的模糊综合评价、主成分分析方法、人工神经网络、水质指数法等众多方法应运而生（Maiti et al.，2013； Li et al.，2019）。WQI 水质指数法是使用各种水质参数评估水质的有效工具（Abbasi and Abbasi，2012），该方法应用于地下水水质评价取得了众多研究成果，李建华等（2023） 运用 WQI 水质指数法对定边县山前平原地下水进行了评价，评价结果显示该地区硝酸盐是污染较为严重的指标；Zhang et al.（2020）运用改进的 WQI水质指数法对关中盆地地下水进行了评价，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。

伊洛河盆地（以下简称“研究区”）是河南省重要的工、农业基地之一，生活及工农业用水主要为地下水及地表水，地下水是重要的饮用水水源，掌握该地区浅层地下水水质和水化学特征，对优化水资源配置意义重大。研究区以往地下水水质调查工作未能对水化学成因机理进行研究或研究范围集中在洛阳市主城区及以东地区的洛阳盆地（杨利国等，2015；李政葵等，2019）。本文利用研究区浅层地下水水化学数据，对伊洛河盆地的地下水水化学特征进行分析，并开展人类健康风险评估，研究成果以期对地下水开发利用及地下水管理工作提供参考。

1 研究区概况

研究区处于河南省西北部，地理坐标 112° 13'00″E～112°58'00″E，34°24'00″N～34°52'00″N，东西长约179 km，南北宽84 km，包括巩义市、义马市、渑池县、偃师市、孟津县、伊川县、新安县、洛宁县、宜阳县9个县级单元。

研究区构造上位于华北地台南部，洛南—栾川断裂以南（图1a），地势西高东低，南北高中间低，地貌上属黄河冲积扇顶部与黄土高原的过渡地带，东侧为冲积平原，西北以东南侧分布有大片的丘陵，西北向义马市北侧为低山。第四系在研究区广泛分布且沉积较为完整，厚度达 527 m（许文峰等， 2007）。全新统 Qh冲积层分布于黄河、洛河、伊河、涧河的洪流平地、一级阶地、河床及漫滩，下段 Qh^1al 二元结构明显，上部为淡黄色粉质黏土、粉土，下部为卵石层及砂层，上段 Qh^2al岩性主要为卵石及砂层；上更新统 Qp^3pl洪积层分布于偃师南缑氏、大口、寇店等地山前洪积扇的前缘，为棕黄、浅黄色含钙质结核的黄土状粉质黏土夹薄层或透镜体状砂砾石，与下伏中更新统呈不整合接触，Qp^3al冲积层分布于洛河、伊河、涧河两岸二级阶地，具二元结构，上部为灰黄、棕黄色含钙质结核的黄土状粉质黏土； 下部为卵石或卵石夹砂、粉质黏土薄层。全新统及上更新统的卵砾石及砂层为研究区浅层地下水的主要含水层，浅层地下水类型为松散岩类孔隙水 （图1b）。

2 材料与方法

2.1 样品采集与测定

本研究选取 2015 年 8 月采集的 68 组浅层地下水样品，其中包括7组下降泉水样，采样点分布图见图1b。采用清洁的塑料瓶作为容器，采样前使用纯净水对样瓶进行清洗，然后用待测水洗涤样品瓶 3～4 次，取样后用防水胶带进行密封防止外漏，并及时送至实验室完成检测。采样井以农用灌溉井及生活用水井为主，最大井深 80 m；根据检测结果选取 Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、Cl^-、NO₃^-、SO₄ ^2-、HCO₃^-、溶解性总固体（TDS）、总硬度（TH）、F^-、pH共12种指标进行分析研究。样品测试由河南省地质环境监测院试验测试中心完成。

2.2 研究方法

（1）WQI水质评价步骤

①测试值归一化处理

式（1）中Z_mn为第n个样品中第m个指标归一化处理后的数值；z_mn为第 n 个样品中第 m 个指标的测试值；z_mmax为所有样品中第 m 个指标的最大值、z_mmin 所有样品中第m个指标的最小值。

②求解测试指标质量

式（2）中 Q_mn为第 n 个样品中第 m 个指标的质量；I_k为地下水中各测试指标标准值，本研究取《地下水质量标准》（GB14848-2017）中 III类水标准值； Z_k为纯水中各指标的理想值，当评价指标为 pH 时， Z_k=7，其余情况取Z_k=0（Zhang et al.，2020）。

③权重的确定

权重法即为对评价指标对水质的重要性进行加权，该数值的轻微变化就会引起评价结果不同 （李建华等，2023）。目前权重的确定方法有主成分赋权法、污染超标赋权法、层次分析赋权法（代雪静和田卫，2011）、熵权法、Critic 法、组合权重法等（杨洋，2023）。Critic 权重法以对比强度表示同一指标在级别的数值差距，与不同样品同一指标数值的标准差与不同指标间的相关系数有关，标准差越大数据差异越大，相关系数越大不同指标间的冲突性越小；熵权法通过计算熵值判定某个指标的离散程度，指标的离散程度越大，该指标对综合评价的重要性越大（吴波等，2021）。Critic权重和熵权法均为客观的权重分配方法，避免了人为权重赋值的主观性。组合权重即为在 Critic 权重和熵权法基础上综合考虑而确定。

式（3）~式（5）中 S_m为所有样品的第 m个指标的标准差，可用 excel 中 Stdevp 函数求解；C_m为第 m 个指标的信息量；r_ij为第 i 个指标和第 j 个指标的相关系数，可用 excel 中 Correl 函数求解；G_mn为计算样本权重；e_m为第m个指标的信息熵；d_m为第m个指标的差异系数；w_i1和 w_i2分别为由 Critic 法和熵权法计算的第i个指标的权重。

④WQI

（2）健康风险评价模型

人类健康风险评价通常选用美国环保局建立的评价模型，可以评价地下水中某个污染物对人体健康的危害程度。本研究选取硝酸盐指标来评价，该指标属于非致癌因子（赵娟等，2013），因此选中非致癌风险评价模型。

式（7）中 CDI 为每日摄入量（mg/kg·d）；C 为地下水中硝酸盐含量（mg/L）；IR为摄入率，成人为1.5 L/d，儿童为0.7 L/d；ED为暴露时间，成年人为30 a，儿童为 12 a；EF 为暴露频率，取 365 d；BW 为体重 （kg），成年人为 60 kg，儿童为 15 kg；AT 为平均接触时间，成年人为10950 d/a，儿童为4380 d/a；RfD为美国环保局健康风险评价模型中硝酸盐的参考值， 1.6 mg/kg·d；当 HQ≥1，表示对人类健康不利，HQ<1 表示风险可接受（Wu and Sun，2016；邓博和杨玮， 2024）。

3 结果与讨论

3.1 水化学基本特征

研究区阳离子含量排序为 Ca²⁺ >Na⁺ >Mg²⁺ >K⁺， Ca²⁺ 和 Na⁺ 为地下水中的优势阳离子，均值分别为 136.72mg/L 和 50.38 mg/L 表1；阴离子含量排序为 HCO₃^- >SO₄ ^2- >Cl^- >NO₃^-，HCO₃^- 为优势阴离子，其均值为 357.66 mg/L。地下水 pH 均值为 7.69 表1，整体上呈弱碱性，变异系数为 1. 05，说明研究区地下水空间差异性较大。TDS 的变化范围为 220.76～1240.25 mg/L，均值为676.47 mg/L表1，根据溶解性总固体划分淡咸水的标准（张人权等，2011），17.65% 的地下水为微咸水，82.35% 为淡水。NO₃^-均值为 55.94 mg/L 表1，最大值达 194.9 mg/L，有 79.4% 的水样超过国家地下水质量标准值Ⅲ类标准，研究区地下水存在一定程度的硝酸盐污染。

Piper 三线图的阴离子分布图中（图2），II 类水和 III 类水明显靠近 HCO₃轴，其所占比例在 80% 左右，Ⅳ类水和 V 类水中 HCO₃离子明显减少；阳离子分布图中，各水样均分布在左下角，即靠近 Ca 轴。按舒卡列夫法对水化学类型进行分类（图3），研究区浅层地下水水化学类型共有 16种，以 HCO₃·SO₄-Ca 型水为主，其次为 HCO₃-Ca 型水，所占比重分别为27.94%和26.47%。

3.2 水化学成因分析

Gibbs 图基于水样中溶解性总固体 TDS 与 Cl/ （Cl+HCO₃ ）及Na/（Na+Ca）的关系把水化学过程分为蒸发结晶、岩石风化和大气降水，从而被广泛用于水化学演变规律的探究（Gibbs，1970）。研究区浅层地下水除 1 组Ⅴ类水样品 Cl/（Cl+HCO₃）大于 0.5 之外，其余样品均小于0.5，Na/（Na+Ca）均小于0.6，岩石风化作用对研究区浅层地下水水化学组成的影响占主导作用（图4）。

a—（Na+K）/Cl比率；b—（Ca+Mg）/（HCO₃+SO₄）比率；c—（SO₄+Cl）/HCO₃比率；d—（Na-Cl）/（Ca+Mg-HCO₃-SO₄）比率；e—氯碱指数

地下水中各离子毫克当量浓度之间的关系能够揭示地下水水化学成因（沈照理，1983），研究区地下水样（Na+K）/Cl的值大多大于1，I类水、Ⅱ类水和Ⅲ类水集中分布在图形左下角，且位于 y=x 的上部，说明Na+K的含量大于Cl的含量，其原因是含钠钾的硅酸盐矿物溶解或阳离子交替吸附作用；位于 y=x以下的样点Na+K的含量小于Cl的含量，其原因是 Na 和 K 受阳离子交换作用较弱而含量减少或 Cl 受矿物溶解或人类活动而含量增加（童辉等，2021） （图5a）。

根据（Ca²⁺ +Mg²⁺）与（HCO₃+SO₄ ^2-）的关系（图5b），Ⅲ类水、Ⅳ类水和Ⅴ类水样点大多分布在 y=x 线以上区域，表明其 Ca 和 Mg 来源于碳酸盐岩的风化溶解，I类水和Ⅱ类水样点大多分布在y=x线以下区域，表明其 Ca 和 Mg 与硅酸岩或蒸发岩的风化溶解有关（安乐生等，2012）。

从图5c 中看出，I 类水、Ⅱ类水、大部分Ⅲ类水样和Ⅳ类水样点分布在 y=x 以下区域，表明其 Cl和 SO₄主要来源于碳酸盐岩的溶解（童辉等，2021）；y=x 上部区域的样点，表明其 Cl 和 SO₄主要来源于蒸发岩的溶解。

根据图5d，Ⅰ类水、Ⅱ类水和Ⅲ类水样点紧邻 y=-x，表明存在较强的阳离子交换作用，而Ⅳ类水和Ⅴ类水样点远离y=-x，表明地下水中阳离子交换作用较弱（童辉等，2021）。

氯碱指数 CAI-1=（Cl-Na-K）/Cl，CAI-2=（ClNa-K）/（SO₄+HCO₃+CO₃+NO₃），当CAI-1和CAI-2均大于 0，表明地下水中 Ca 和 Mg 与含水介质中的 Na 和K发生阳离子交换作用，地下水中的Na和K含量增加，当 CAI-1 和 CAI-2 均小于 0 时表明地下水中的 Na 和 K 与含水介质中的 Ca 和 Mg 发生阳离子作用，地下水中的Na和K含量减少（田大永等，2023）。研究区大部分水样的 CAI-1 和 CAI-2 均小于 0（图5e），仅有少量的Ⅲ类水、Ⅳ类水和 V 类水样点大于 0，表明研究区的阳离子交换作用导致地下水中 Na 和K含量增加，而Ca和Mg的含量降低。

Ⅳ类水和 V 类水较为分散，Na+K 及 Cl 的毫克当量浓度变化范围较大。研究区地下水中的 Na 和 K以岩盐溶解为主。

3.3 质量评价

本研究质量评价选用 Na、K、Cl、NO₃、SO₄、溶解性总固体、总硬度及F共8种因子，其中Na和K采用两个指标的含量总和。

（1）权重的确定

不同的计算方法得到的权重值不同（表2，图6），而不同的权重值会导致评价结果发生变化，对于 Na、Cl、NO₃和 SO₄熵权法计算的权重值明显大于 Critic 权重值，而 TDS、TH 和 F 则恰好相反。对于组合权重值除硝酸盐权重值大于 Critic 权重值和熵权法权重值外，其余指标均介于两种方法计算的权重值之间。3种方法对于硝酸盐指标所赋的权重值极为相近。综上考虑，组合权重把 Critic 权重和熵权法两种结果结合在一起，克服了仅用数据而致使权重不合理的问题（邓博和杨玮，2024），本研究采用组合权重值。

（2）评价结果

研究区 68 组浅层地下水按 WQI 水质指数法评价结果图见图7和图8，Ⅴ类水占比最大，为32.4%，Ⅲ类水次之，为 29.4%，Ⅳ类水为 19.1%，Ⅰ类水和 Ⅱ类水分别为 1.5% 和 17.6%。按水质等级Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类分别对应优秀、良好、中等、差、极差 （Zhang et al.，2020），研究区中等及以上的水样所占比重为 48.5%。Ⅳ类水主要分布在洛阳市城区及渑池县西南，Ⅴ类水呈条带状分布在研究区北侧渑池县、义马市、新安县、洛阳市北、偃师市东（图8）。水质指标除 Na 外，硝酸盐指标点的权重值最大，是影响研究区水质的关键指标。

3.4 人类健康风险评价

根据质量评价结果，选取硝酸盐为人类健康风险评价因子。研究区浅层地下水中非致癌风险因子硝酸盐成年人和儿童健康风险评价结果见图9。儿童健康风险值HQ为0. 0216～5.685，成年人健康风险值 HQ 为 0. 0116～3. 045。总体看来，I 类水和 Ⅱ类水 HQ 均小于 1，其风险处于可接受的水平，Ⅲ 类水对于成年人可接受，对于儿童45%的样品不可接受，Ⅳ类水和Ⅴ类水对于儿童和成年人几乎均为不可接受的风险，个别样品处于可接受则是受除硝酸盐之外的其他因子的影响。

研究区内 30.9% 的浅层地下水会对成年人的健康产生危害，57.4% 的浅层地下水会对儿童的健康产生危害（图10）。空间上对于儿童和成年人健康产生危害且其风险不能被接受的水样主要分布在洛阳市主城区、渑池县东南、义马市西北及宜阳县周边；风险对于成年人可接受对于儿童不可接受的水样分布在研究区中部洛阳市主城区、新安县、宜阳县、伊川县（图11）。

伊洛河盆地中部城市洛阳市是中国典型的工农业基地，伊河上游义马市是典型的煤化工基地，因研究区浅层地下水水位埋深较浅，工业、农业生产等人类活动均会引起地下水硝酸盐污染。对于经评价而存在健康风险的洛阳市主城区、伊川县、义马市等地的地下水环境问题尤其是硝酸盐含量的变化应引起重视。

4 结论

（1）浅层地下水 pH 值 7.2～8.3，呈弱碱性，溶解性总固体 220.76～1240.25 mg/L，17.65% 的地下水为微咸水，82.35% 的地下水为淡水。地下水中优势阳离子为Ca²⁺，优势阴离子为HCO₃^-。浅层地下水水化学类型以 HCO₃·SO₄-Ca型水为主，其次为 HCO₃-Ca型水。

（2）浅层地下水水化学组成的主要影响因素为岩石风化，同时受人类活动的影响。地下水中 Ca、 Mg的来源为碳酸盐岩、硅酸盐岩或蒸发盐岩的风化溶解。I 类水、Ⅱ类水和Ⅲ类水中存在较强的阳离子交换作用，而Ⅳ类水和Ⅴ类水阳离子交换作用较弱。较强的阳离子交换作用促使地下水中 Na 和 K 含量增加，而Ca和Mg的含量降低。

（3）采用WQI水质指数法对伊洛河盆地浅层地下水进行水质评价，各个因子采用组合权重法赋值，硝酸盐指标权重最大，是影响水质的主要指标。根据评价结果，中等水质及以上的水样所占比重为 48.5%，Ⅳ类水主要分布在洛阳市主城区及渑池县西南，Ⅴ类水呈条带状分布在研究区北侧渑池县、义马市、新安县、洛阳市北、偃师市东等地。

（4）研究区儿童健康风险值 HQ 为 0. 0216～5.685，成年人健康风险值 HQ 为 0. 0116～3. 045， 30.9% 的浅层地下水会对成年人的健康产生危害， 57.4% 的浅层地下水会对儿童的健康产生危害。经评价存在健康风险的洛阳市主城区、伊川县、义马市等地的地下水环境问题尤其是硝酸盐含量的变化应引起重视。

注释

① Programme W W A.2006. The United Nations World Water Development Report 2： Water， A Shared Responsibility[R]. Paris： United Nations Educational Scientific and Cultural Organization.

参考文献