皖北地區(qū)淺層地下水水化學特征及水質(zhì)評價

顏曉龍 馬杰 張玉潔 白秀秀 劉家樂

摘 要：為進一步掌握鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域淺層地下水水化學特征及水質(zhì)狀況，以皖北宿州某鄉(xiāng)鎮(zhèn)32組淺層地下水為研究對象，運用Piper圖、Gibbs圖及多元統(tǒng)計分析，綜合分析研究區(qū)淺層地下水水化學特征及水巖作用;利用USSL和Wilcox圖解法，結合《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749—2006），對淺層地下水衛(wèi)生狀況進行評價。研究結果表明：研究區(qū)周邊淺層地下水水化學類型以HCO3-Ca型為主，pH范圍為7.41～7.96，屬于中性偏弱堿性水，TDS值的范圍為244.00～624.00 mg·L-1，平均值為358.72 mg·L-1，屬于淡水。陰、陽離子濃度由大到小依次為HCO3->SO42->Cl-和Na+>Ca2+>Mg2+>K+。離子來源與巖鹽溶解、硫酸鹽巖溶解、碳酸鹽巖溶解、硅酸鹽巖風化等作用有關。研究區(qū)水質(zhì)均適于飲用或基本適于飲用，且基本符合灌溉要求，合理灌溉不會造成鹽害與堿害。

關鍵詞：水化學特征;離子來源;水巖作用;水質(zhì)評價

中圖分類號：X824 ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）6-0111-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.026

Hydrochemical Characteristics and Water Quality Assessment of the Shallow Groundwater of Northern Anhui Province

— A Case Study of a Township of Suzhou City

YAN ?Xiaolong ? ?MA Jie ? ?ZHANG Yujie ? ?BAI Xiuxiu ? ?LIU Jiale

（Suzhou University，Suzhou ?234000，China）

Abstract：For mastering hydrochemical characteristics and water quality status of the shallow aquifer within a township， Suzhou city， Northern Anhui Province， a total of 32 shallow groundwater samples were collected and tested. Piper diagram， Gibbs diagram and multivariate statistical analysis were conducted to grasp the hydrochemical characteristics and water-rock interactions. With the help of USSL diagram and Wilcoxdiagram， combined with Standard for Drinking Water Quality （GB 5749-2006）， the heath status of the shallow aquifer was evaluated. The results show that the hydrochemical type is mainly HCO3-Ca. The pH ranges from 7.41 to 7.96， belonging to neutral and slightly weak alkaline water. The TDS varies between 244.00 mg·L-1and 624.00 mg·L-1， with an average of 358.72 mg·L-1， which can be classified to freshwater. The concentration order of anion and cation is HCO3->SO42->Cl-and Na+>Ca2+>Mg2+>K+， respectively. The sources of ions are related with halite dissolution， sulfate dissolution， carbonatedissolution， and silicate weathering. The samples are suitable or basically suitable for drinking， and also basically proper for irrigation， which is without salt and alkali damage under reasonable irrigation.

Keywords： hydrochemicalcharacteristics; ionsource; water rock interaction; water quality evaluation

0 引言

地下水的化學成分是不同水體在不同尺度的循環(huán)過程中與周圍環(huán)境（氣候、水文、地形、巖石、人類活動等）長期相互作用的結果[1]。通過對地下水水化學特征和水質(zhì)狀況系統(tǒng)研究，有利于掌握地下水水化學特征與水資源可再生能力，以便科學有效地管理和利用地下水資源，進而保護和改善地下水水質(zhì)[2]。目前，我國地下水環(huán)境管理基礎薄弱，地下水問題成為制約我國經(jīng)濟、社會、環(huán)境和諧發(fā)展的重要因素[3-4]，國內(nèi)外針對水化學類型與水質(zhì)評價進行了大量的研究工作，但對皖北地區(qū)相關研究成果相對較少。胡云虎等對皖北地區(qū)集中式深層地下水飲用水源地進行水化學特征研究，得出皖北地區(qū)水化學類型以HCO3-Ca和HCO3-Na型為主[5]。閔寧等對宿州市城區(qū)地下水化學成分進行研究，得出宿州市城區(qū)地下水主要受控于碳酸鹽、硅酸鹽溶解風化，同時蒸發(fā)濃縮也起到重要作用[6]。

皖北地區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，人口密度大，人均水資源占有量為470 m2左右，屬于缺水地區(qū)。隨著城鎮(zhèn)飲用水的增加及經(jīng)濟發(fā)展的需要，水巖作用類型及程度、含水層水化學特征及類型，以及飲灌性水質(zhì)類型的變化均與水文地質(zhì)環(huán)境本底、人類活動、氣候變遷等作用密切相關。本研究以皖北地區(qū)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)32組淺層地下水水樣為研究對象，通過對其常規(guī)離子濃度測試與分析，以期揭示該含水層水化學類型及水質(zhì)現(xiàn)狀，并為該地區(qū)淺層地下水研究及水資源保護提供相應的基礎資料。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省宿州市埇橋區(qū)二徐路周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，東接江蘇省，南臨蚌埠市，西與河南、山東毗鄰。研究區(qū)屬黃淮海平原地區(qū)，區(qū)域地勢由西北向東南傾斜，地表主要為第四紀松散沉積物覆蓋，地理坐標為東經(jīng)117°3′55″—117°8′55″，北緯33°39′20″—33°43′40″，面積為40.15 km2;屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，四季分明，多年平均降水量為860 mm，蒸發(fā)量為1 038 mm，平均干旱指數(shù)為1.21，整體偏干旱。

2 研究方法

2.1 樣品采集與測試

水樣采集參照《地下水質(zhì)檢測方法水樣的采集和保存》（DZ/T 0064.2—1993），采樣工作于2020年4月開展，共采集地下水樣品32組，取樣深度在8～60 m范圍內(nèi)?，F(xiàn)場測定pH、溫度、總溶解固體（TDS）和電導率（EC）等指標，用500 mL聚乙烯瓶采樣，采樣前用待采集水樣清洗2～3遍后裝滿、密封。樣品于當天送至礦井水資源化利用安徽普通高校重點實驗室進行測試。首先用0.45 μm濾膜過濾樣品中雜質(zhì)，過濾后用酸標準溶液滴定法測定CO32-和HCO3-，隨后使用ICS-900離子色譜儀測定水樣中Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-和SO42-。分析誤差采用陰、陽離子濃度平衡法進行檢測，測定誤差在±10%以內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

利用水化學數(shù)據(jù)，綜合運用數(shù)理統(tǒng)計、相關性分析以及傳統(tǒng)圖解法（Piper圖、Gibbs圖、USSL圖和Wilcox圖）等方法，進行水化學特征分析及水質(zhì)評價[7]。其中，描述性統(tǒng)計由Excel完成，相關性分析由SPSS完成，Piper圖由Aq.QA軟件完成，Gibbs圖、USSL圖和Wilcox圖由Excel和Coreldraw.2018完成。

3 結果與討論

3.1 描述性統(tǒng)計分析

地下水水化學指標描述性統(tǒng)計結果由表1所示。pH為7.41～7.96，屬于偏弱堿性水。TDS值為244.00～624.00 mg·L-1，平均值為358.72 mg·L-1，屬于淡水。EC為509.00～1 310.00 μs·cm-1。陽離子質(zhì)量濃度平均值由大到小依次為：Na+>Ca2+>Mg2+>K+，表明陽離子以Na+、Ca2+為主，Mg2+質(zhì)量濃度范圍為20.04～55.39 mg·L-1，K+的質(zhì)量濃度相對較低，僅為0.15～0.70 mg·L-1;陰離子質(zhì)量濃度平均值由大到小依次為：HCO3->SO42->Cl-，地下水樣品陰離子以HCO3-為相對優(yōu)勢離子。研究區(qū)內(nèi)的離散性較大，SO42-（變異系數(shù)1.44）和Cl-（變異系數(shù)1.15）變異系數(shù)高于0.9，說明其空間變異性相對較大;Na+、Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、TDS和EC變異系數(shù)為0.1～0.9，表明其空間變異性相對中等;pH變異系數(shù)小于0.1，說明其空間變異性相對較小，含量相對穩(wěn)定[8]。

為進一步揭示TDS含量變化規(guī)律及含水層水流方向，以經(jīng)緯度為X、Y軸，以TDS含量為Z軸，建立TDS空間含量分布圖（見圖1）。一般情況下，沿地下水徑流方向，含水層之間的水巖相互作用將逐漸增強，含水層組分會發(fā)生一定變化，TDS含量會隨之升高。研究區(qū)所采樣品中TDS含量總體上呈西南方向和東北方向較高，中間區(qū)域較低的趨勢，形似“降落漏斗”的徑流模式，表明研究區(qū)內(nèi)含水層地下水徑流方向總體為沿研究區(qū)周邊向研究區(qū)中心徑流。

3.2 水化學類型及水巖作用分析

Piper三線圖常被應用于刻畫區(qū)域水化學地球化學特征[9]，研究區(qū)Piper三線圖（見圖2）顯示，淺層地下水水化學類型主要為HCO3-Ca型（75%），并有少量HCO3-Na型（約6%）、Cl-Mg-Ca型（約3%）以及HCO3-Na-Ca型（約16%）。結合陽離子與陰離子三角圖，可知Ca+、Na+和HCO3-分別為研究區(qū)內(nèi)淺層地下水的主要陽離子和陰離子。

Gibbs圖解法是揭示研究區(qū)水體來源機制分析與水化學形成作用的重要方法之一。Gibbs在建立TDS與Na+/（Na++Ca2+）、Cl-/（Cl-+HCO3-）基礎上，依據(jù)世界湖泊、河流及主要海水常規(guī)組分含量分析，將溶質(zhì)來源的自然控制因素劃分為三類，即巖石風化型、大氣降雨控制型和蒸發(fā)濃縮型[10]。

研究區(qū)水樣的Gibbs圖如圖3所示，從TDS含量與Na+/（Na++Ca2+）的關系判斷，研究區(qū)樣品TDS含量在100～1 000之間，Na+/（Na++Ca2+）的比值沒有明顯變化，主要集中在巖石風化區(qū)。從TDS與Cl-/（Cl-+HCO3-）關系圖可知，Cl-/（Cl-+HCO3-）比值均小于0.4，且隨著TDS含量的增高，Cl-/（Cl-+HCO3-）比值有變大的趨勢，逐漸向蒸發(fā)沉淀控制靠近。這表明研究區(qū)地下水水化學組成主要受巖石風化等水巖相互作用過程的控制，受蒸發(fā)沉淀作用微弱且?guī)缀醪皇艽髿饨邓刂芠11]。

3.3 相關性分析

一般情況下，Na+可能來源于鹽巖的溶解作用、硅酸鹽的風化作用[見式（1）]，以及陽離子交替吸附作用[見式（2）];Ca2+、Mg2+主要來源于碳酸鹽巖礦物溶解或陽離子交替吸附作用;HCO3-主要來源于碳酸鹽巖礦物的溶解和硅酸鹽巖礦物的風化，少部分可能來源于土壤和大氣中CO2的溶解和生物降解有機物過程的產(chǎn)物;Cl-主要來源于鹽巖溶解，SO42-主要來源于石膏或硫化物的氧化[12-14]。

Na2Al2Si6O16（鈉長石）+2CO2+3H2O→2HCO3-+2Na++H4Al2SiO9+4SiO2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Ca2++2NaX→2Na++CaX2 ? ?（2）

利用多元統(tǒng)計方法，對Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、pH、EC和TDS共10項指標進行相關性分析（見表2）。Na+和Ca2+之間的相關系數(shù)為-0.388，并呈現(xiàn)出0.05水平的顯著性，表明Na+和Ca2+之間有著顯著的負相關關系，推斷說明兩者之間可能發(fā)生了陽離子交替吸附作用。同時，Na+和HCO3-之間的相關系數(shù)為0.743，并且呈現(xiàn)出0.01水平的顯著性，說明Na+和HCO3-之間有著顯著的正相關關系，Na+可能來源于硅酸鹽礦物的風化作用。Ca2+和SO42-之間的相關系數(shù)為0.561，呈現(xiàn)出0.01水平的顯著性，說明Ca2+和SO42-之間有著顯著的正相關關系。二者可能共同來源于石膏（CaSO4·2H2O）的風化溶解[見式（3）]。

CaSO4·2H2O→Ca2++SO42-+2H2O ?（3）

巖鹽溶解產(chǎn)生的Na+與Cl-的物質(zhì)的量之比應為1∶1，但Na/Cl系數(shù)明顯超過1.0，間接表明地下水中Na+除巖鹽溶解外還有其他來源，可能與硅酸鹽礦物（鈉長石）的風化有關。

綜合研究區(qū)地質(zhì)條件分析表明，研究區(qū)含有以長石為主的硅鋁酸鹽礦物，以石膏為主的硫酸鹽礦物、以及方解石、白云石為主的碳酸鹽礦物。由此推斷，巖鹽、硅酸鹽巖礦物和石膏為研究區(qū)地下水中離子的主要來源。

4 水質(zhì)評價

4.1 飲用水衛(wèi)生評價

參照《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749—2006），對研究區(qū)水資源衛(wèi)生標準、對地下水中一般化學指標進行評價（見圖4）。研究區(qū)所有樣品的氯化物、硫酸鹽、pH和TDS含量均在國家標準范圍內(nèi)，即研究區(qū)水質(zhì)衛(wèi)生符合國家標準，屬于可飲用水。

4.2 灌溉水水質(zhì)評價

根據(jù)美國巖土工程實驗室提出的標準，基于美國農(nóng)業(yè)部（USDA）評價方法的灌溉水水質(zhì)分類結果，綜合考慮SAR（堿害）與EC（鹽害）的影響，對研究區(qū)灌溉水鹽堿化程度進行評價。灌溉用水中Na+濃度較高，會對土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生不利影響，當大量Na+吸附到土壤顆粒上時，會導致土壤顆粒分散[15]。從圖5中可以看出，樣品大都集中在S1-C2、S1-C3區(qū)域，且87.5%的樣品處在中度鹽害影響區(qū)，12.5%的樣品處在高度鹽害影響區(qū)，二者都在低堿害影響區(qū)，說明研究區(qū)地下水灌溉并不會造成該地區(qū)土壤堿化，但可能會提高該地區(qū)土壤鹽化的風險。圖5為基于Wilcox圖解法灌溉水水質(zhì)分類的結果。由圖5可知，研究區(qū)樣品落在極好與良好區(qū)，二者均屬于適宜灌溉區(qū)域，綜合分析，研究區(qū)所有樣品符合灌溉用水條件，可直接作為灌溉用水，不會對土壤與農(nóng)作物造成危害[16]。

5 結論

本研究以皖北某鄉(xiāng)鎮(zhèn)32組淺層地下水樣品為研究對象，采用數(shù)理統(tǒng)計、水化學類型分析及傳統(tǒng)圖解等方法，對研究區(qū)的地下水水化學特征及其演化規(guī)律進行分析，得到三個結論。

①研究區(qū)淺層地下水均屬于中性偏弱堿性水，水化學類型以HCO3-Ca型為主，有少量HCO3-Na型與Cl-Mg-Ca混合型。TDS含量呈西南方向和東北方向較高，中間區(qū)域較低的趨勢，形似“降落漏斗”的徑流模式，表明研究區(qū)內(nèi)含水層地下水徑流方向總體為沿研究區(qū)周邊向研究區(qū)中心徑流。

②運用Gibbs圖及相關性分析，研究區(qū)淺層地下水化學組分主要受巖石風化作用影響，鹽巖、硅酸鹽巖、硫酸鹽巖的風化溶濾為研究區(qū)淺層地下水中的主要離子來源。

③飲用水衛(wèi)生評價結果表示，區(qū)域內(nèi)地下水均屬于可飲用水，衛(wèi)生質(zhì)量狀況良好。灌溉水水質(zhì)評價結果表明，研究區(qū)水樣均基本符合灌溉用水條件，可用于農(nóng)業(yè)灌溉，不會對土壤與農(nóng)作物造成危害。

參考文獻：

[1] 汪名鵬.江蘇泗陽城區(qū)淺層地下水化學特征及其影響因素[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2014，28（6）：1329-1336.

[2] 張傳奇，王曉曦，陳曦.萊州灣東岸地下水化學特征及水質(zhì)評價[J].環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟，2020，40（4）：56-61.

[3] GUO H， WANG Y. Geochemical characteristics of shallow groundwater in Datong basin， northwestern China[J]. Journal of Geochemical Exploration， 2005， 87（3）：109-120.

[4] GE T， ?CHU T， ?LIU G， et al. Characterisics of hydrogen and oxygen isotopes of deep ground water in the Panxie mining area in Huainan Coalfield[J]. Journal of University of ence& Technology of China， 2014， 44（2）：112-118.

[5] 胡云虎，張付海，鈕志遠，等.皖北地區(qū)集中式深層地下水飲用水源地水化學特征及水質(zhì)評價[J].中國科學技術大學學報，2014，44（11）：913-920，925.

[6] 閔寧，任瑾，林曼利.淮北平原區(qū)城市淺層地下水化學特征及成因分析：以宿州市為例[J].九江學院學報（自然科學版），2018，33（1）：14-17.

[7] 張艷，吳勇，楊軍，等.閬中市思依鎮(zhèn)水化學特征及其成因分析[J].環(huán)境科學，2015，36（9）：3230-3237.

[8] SUN L， CHENG B， DONG S X. Trace metal concentrations in the river near the urban areas： a case study in suzhou， northern anhui province， china [J]. Fresenius Environmental Bulletin， 2017， 26（6）：4017-4022.

[9] QIAN C ， ?WU X ，MU W P ， et al. Hydrogeochemical characterization and suitability assessment of groundwater in an agro-pastoral area， Ordos Basin， NW China[J]. Environmental Earth Sciences， 2016， 75（20）：1356.

[10] GIBBS R J. Mechanisms Controlling World Water Chemistry[J]. Science， 1970（17）：1088-1090.

[11] 侯慶秋，董少剛，張旻瑋.內(nèi)蒙古四子王旗淺層地下水水化學特征及其成因[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2020，34（4）：116-121.

[12] 肖勇，莫培，尹世洋，等.北京南郊平原地下水化學特征及成因分析[J].環(huán)境工程，2021，39（8）：99-107.

[13] BAHAR M M， ?REZA M S. Hydrochemical characteristics and quality assessment of shallow groundwater in a coastal area of Southwest Bangladesh[J]. Environmental Earth Sciences， 2010， 61（5）：1065-1073.

[14] 許繼影，桂和榮，葛春貴，等.淮北青東煤礦深層地熱水的水文地球化學特征與水源識別[J].工程地質(zhì)學報，2021，29（4）：1037-1047.

[15] LI P， LI X， ?MENG X， et al. Appraising Groundwater Quality and Health Risks from Contamination in a Semiarid Region of Northwest China[J]. Exposure and Health， 2016， 8（3）：361-379.

[16] 楊森，李義連，姜鳳成，等.高店子幅水化學特征及水質(zhì)評價[J].地質(zhì)科技情報，2019，38（2）：226-234.