阜陽潁東淺層地下水化學特征與空間分布規(guī)律研究

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(1.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽地質環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001)

淺層地下水是我國北方廣大農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)的飲用水源。淺層地下水埋藏相對較淺，水質較好，易于采取利用。淺層地下水作為地球水循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)之一，與地表水補排交互關系密切[1]，其不斷的運動著，進行著水文地球化學循環(huán)和水巖作用[2]，包括溶濾作用、濃縮作用、 脫碳酸作用、 脫硫酸作用、 陽離子交替吸附作用、混合作用等，除這些自然作用外，隨著人類活動能力的急劇增加，人為作用對淺層地下水水流場的改變和水化學的改變也愈發(fā)強烈[3-6]。這些作用共同形成了地下水化學濃度差異的地下水，這種差異性反映了不同的地下水水化學特征，而這些地下水化學特征可以用于分析地下水的補給、徑流與排泄以及分析水文地球化學演化[7-9]。因此，研究淺層地下水水文地球化學特征和空間分布規(guī)律，對認識淺層地下水化學成因、演化規(guī)律以及在此基礎上開展的地下水資源保護與可持續(xù)利用具有指導意義[10]。

1 研究區(qū)概況

阜陽市地處黃淮海大平原南端、淮北平原西部，地形平坦，地面標高一般在26～36 m。地勢總趨勢西北高、東南低，本區(qū)地貌按成因形態(tài)可劃分為沖積平原和剝蝕-沖積平原兩大類型，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，溫和濕潤，光照充足，雨量適中，四季分明，多年平均降水量901 mm。主要河流有潁河、泉河、茨河、茨淮新河、濟河、阜蒙河等[11-12]。

據(jù)地下水的埋藏條件、水力特征及其與大氣降水、地表水的關系自上而下劃分為淺層地下水和深層地下水，淺層地下水賦存于50 m以淺的全新世、晚更新世地層中，與大氣降水、地表水關系密切。根據(jù)阜陽市地下水監(jiān)測資料，淺層地下水水位埋深一般在2.5～4.7 m，地下水位年際變化不大，年內(nèi)水位高峰出現(xiàn)在7～9月汛期，1～3月份水位較低，其余時段水位差別較小，水位年變幅1～2 m。大氣降水是淺層地下水的主要補給來源，其他補給來源還包括區(qū)內(nèi)農(nóng)田灌溉回滲和側向徑流補給。蒸發(fā)、農(nóng)村居民用水開采、側向徑流是其排泄途徑。

本研究區(qū)位于阜陽市潁河以東，面積為50.26 km2(見圖1)，靠近潁河東岸區(qū)域主要為較大面積的居民聚集區(qū)(以下簡稱居民區(qū))；FYS01、FYS02和FYS03附近化工業(yè)廠聚集區(qū)域；其他區(qū)域主要為農(nóng)業(yè)種植區(qū)域，內(nèi)有小范圍其他土地利用類型，如村莊、道路等。

2 研究方法

2.1 樣品采集與測試

為研究本區(qū)域的淺層地下水化學特征和地下水空間分布規(guī)律，結合研究目的與研究區(qū)域范圍的實際情況，在研究區(qū)內(nèi)隨機選取民用淺層地下水水井采樣，本次共采集研究區(qū)內(nèi)水樣30個，采樣時間集中在2017年5月，所采水樣均為淺層地下水，采樣點位置見圖1。采樣時用GPS現(xiàn)場定位，測量井深和地下水位埋深，現(xiàn)場測定pH和水溫，記錄所得數(shù)據(jù)。所采水樣送至安徽省地質環(huán)境監(jiān)測總站實驗室進行水質全分析，分析指標包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-、CODMn等。地下水分析方法按《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 164-2004)來進行。

圖1 研究區(qū)淺層地下水等水位線與采樣點分布

2.2 研究方法

地下水水化學數(shù)據(jù)的處理采用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，使用Aquachem軟件繪制地下水化學的Piper圖，利用Surfer軟件進行地下水化學的插值和制圖。地下水化學的空間分布插值采用克里格(Kriging)方法進行?？死锝鸩逯凳且宰儺惡瘮?shù)理論和結構分析為基礎，在局部區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估值的一種方法[13-14]。克里金方法適用于區(qū)域化變量存在空間相關性，其考慮了己知數(shù)據(jù)點與待估點的影響，而且也考慮了已知數(shù)據(jù)點之間的相互影響，并通過變異函數(shù)來表征區(qū)域化變量的空間結構性，其實質是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結構特點對未知點進行線性、無偏、最優(yōu)估計。

3 結果分析與討論

3.1 水化學基本特征

對研究區(qū)淺層地下水化學成分特征進行描述性統(tǒng)計特征值分析(見表1)，其中，pH值為7.84～8.83，平均值為8.23，屬弱堿性水?？側芙夤腆w(TDS)含量的范圍為246.79～892.89 mg/L，平均含量444.11 mg/L，為低礦化度水。陽離子平均含量：Na+(67.31mg/L)>Ca2+(65.45 mg/L)>Mg2+(27.42 mg/L)>K+(0.82 mg/L)，以Ca和Na為主；陰離子平均含量：HCO3-(375.21 mg/L)>Cl-(41.48 mg/L)>SO42-(32.84 mg/L)>NO3-(13.53 mg/L)，以HCO3-為主。從變異角度分析，其中pH值、HCO3-、Mg2+、TDS、Ca2+、Na+、Cl-變異系數(shù)相對較小(小于100%)，說明這些指標在淺層地下水中的處于相對穩(wěn)定狀態(tài)[15]。而SO42-、K+和NO3-的變異系數(shù)較大，隨環(huán)境因素變化的敏感因子。

表1 研究區(qū)淺層地下水主要化學成分統(tǒng)計表

注：表中pH單位無量綱，其他指標單位為mg/L。

圖2 地下水水化學Piper圖

根據(jù)研究區(qū)水樣點的毫克當量百分數(shù)繪制Piper圖(如圖2所示)，由Piper圖分析可知：工業(yè)區(qū)與居民區(qū)附近淺層地下水水質較接近，主要水化學類型為HCO3-Ca和HCO3-Ca+Mg型, TDS為351.12～892.89 mg/L，而與農(nóng)業(yè)區(qū)附近水樣相對比，其HCO3-濃度較低，Cl-含量相對較高。這可能與工業(yè)區(qū)和居民區(qū)附近地表多為人工建筑，淺層地下水與空氣交替循環(huán)慢，接受大氣降水少，帶入含有CO2的降水補給少，表現(xiàn)為HCO3-濃度較低；該區(qū)域補給強度低，水循環(huán)慢，且有人為因素的影響，因此也表現(xiàn)為Cl-含量相對較高。農(nóng)業(yè)區(qū)附近地下水樣，具有較高的HCO3-含量，毫克當量百分數(shù)多大于75，水質類型主要為HCO3-Na+K和HCO3-Ca+Mg型水，TDS相對較低，為246.79～668.52 mg/L。

3.2 地下水化學空間分布特征

區(qū)內(nèi)淺層地下水總體由西北流向東南，水位變化為24.4～27.8 m(見圖1)。區(qū)內(nèi)地下水化學的空間分布規(guī)律并不完全與地下水徑流一致，除了受地下水徑流和巖石性質影響外，還受人類活動、土地利用類型、大氣降水的補給條件等影響。下面重點討論Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-和NO3-離子成分的空間分布特征。

區(qū)內(nèi)淺層地下水的Ca2+、Mg2+總體上西南側靠近居民區(qū)附近濃度較高，東部和北部的農(nóng)業(yè)區(qū)Ca2+、Mg2+濃度較低，這可能與東部居民區(qū)主要為硬化地面，淺層地下水接受大氣降水補給弱，且水力梯度小，地下水徑流相對緩慢，水巖作用較為充分有關；而西部和北部區(qū)域主要為農(nóng)業(yè)區(qū)域，淺層地下水受大氣降水補給條件較好，水循環(huán)速度快，水質受到稀釋，因此表現(xiàn)為Ca2+、Mg2+濃度較低。

區(qū)內(nèi)淺層地下水的HCO3-分布規(guī)律與Ca2+和Mg2+的分布規(guī)律相反，HCO3-總體上在西部居民區(qū)和工業(yè)區(qū)附近濃度較低，而東部和北部的農(nóng)業(yè)區(qū)濃度較高(見圖3(a))。究其原因，一方面西部居民區(qū)和工業(yè)區(qū)Ca2+和Mg2+相對較高，制約著水中HCO3-的含量，另一方面，在東部和北部的農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水與大氣接觸面廣，二者交換較充分，大氣中的CO2溶解于地下水中，使該部分區(qū)域地下水HCO3-含量較高。

圖3 HCO3-、Cl-和NO3-地下水化學成分的空間分布圖

區(qū)內(nèi)淺層地下水的Cl-含量總體上表現(xiàn)為西部居民區(qū)和工業(yè)區(qū)附近濃度較高，而東部和北部的農(nóng)業(yè)區(qū)濃度較低(見圖3(b))。一般情況下，Cl-隨著地下水徑流，濃度逐漸增高，而此處的Cl-并沒有表現(xiàn)出如此變化規(guī)律，這說明西部居民區(qū)和工業(yè)區(qū)附近Cl-的來源可能為人類活動導致的濃度增高，當徑流到下游農(nóng)業(yè)區(qū)時，接受大氣降水補給強，水循環(huán)快，淺層地下水得到稀釋，因此Cl-濃度降低。

區(qū)內(nèi)淺層地下水的NO3-總體上也表現(xiàn)為西部居民區(qū)和工業(yè)區(qū)附近濃度較高，而東部的農(nóng)業(yè)區(qū)濃度較低(見圖3(c))。其中，NO3-濃度最高的為FYS06號樣點，濃度高達140.50 mg/L，現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)其分布在家禽養(yǎng)殖場附近，可能由于家禽糞便污水入滲所致； FYS01號水樣分布在工業(yè)區(qū)附近，濃度高達75.75 mg/L；區(qū)內(nèi)西南部的居民區(qū)零散地分布較高濃度的NO3-水樣點；東部的農(nóng)業(yè)區(qū)NO3-濃度普遍低于0.5 mg/L。以上分析說明本區(qū)內(nèi)淺層地下水NO3-的主要來源為生活污水、農(nóng)業(yè)畜牧養(yǎng)殖和工業(yè)廢污水，而農(nóng)業(yè)的面源污染對NO3-的貢獻相對較小。

4 結語

(1)研究區(qū)淺層地下水pH值為7.84～8.83，平均值為8.23，屬弱堿性水。pH值、HCO3-、Mg2+、TDS、Ca2+、Na+、Cl-變異系數(shù)相對較小，這些指標在淺層地下水中的處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。而SO42-、K+和NO3-的變異系數(shù)較大，隨環(huán)境因素變化的敏感因子。

(2)工業(yè)區(qū)與居民區(qū)附近淺層地下水水化學含量較接近，主要水化學類型為HCO3-Ca和HCO3-Ca+Mg型, TDS為351.12～892.89 mg/L；農(nóng)業(yè)區(qū)附近淺層地下水HCO3-含量相對較高，水質類型主要為HCO3-Na+K和HCO3-Ca+Mg型水，TDS相對較低，為246.79～668.52 mg/L。

(3)區(qū)內(nèi)淺層地下水總體由西北流向東南，區(qū)內(nèi)地下水化學的空間分布規(guī)律并不完全與地下水徑流一致，除了受地下水徑流和巖石性質影響外，還受人類活動、土地利用類型和大氣降水的補給條件等影響。

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