矿区城市地下水水质特征与元素来源分析——以宿州市为例

2015-12-21程琛

宿州学院学报 2015年10期

关键词：水化学阴离子阳离子

程　琛

宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000

矿区城市地下水水质特征与元素来源分析
——以宿州市为例

程琛

宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000

摘要：以矿区城市宿州市的地下水为例，采用离子色谱法对水质特征中常规阴阳离子 F-、Cl-、N、S、Na+、K+、Mg2+和Ca2+进行测定，采用盐酸滴定的方法对HC 和 C进行测定。通过水样测定检测项与国家、国际标准进行对比分析，证实各项指标均达到标准，该矿区城市地下水水质良好，符合饮用水水质标准。水化学特征分析中，所测水样主要阴离子含量HC > S >Cl-，主要阳离子含量Na++K+>Mg2+>Ca2+，水化学类型以HCO3-Mg型、HCO3-Na·Mg型、HCO3-Mg·Ca型和HCO3-Na·Mg·Ca 型为主。对离子来源分析采用因子分析，主要来源成分有三种，分别来自方解石、白云石和钾长石的水岩相互作用。

关键词：矿区城市；地下水；水质特征；离子色谱；因子分析

1　问题的提出

矿区水环境问题一直是困扰矿区可持续发展的突出问题，也是限制矿区城市发展的重要因素。矿区地下水作为重要的水体，对地表水及矿井水均有不同程度影响。矿区城市地下水作为区域居民生活和生产用水时，应特别关注因矿产资源开采对水量和水质产生的影响[1-2]。诸多学者对矿区地下水的研究多集中于水化学特征[3-5]、重金属[6-7]及水环境质量评价[8-9]。王勇[10]等以淮北某矿区为例，对矿区地下水水环境质量进行评价分析；许光泉等[11]选取安徽淮北平原浅层地下水为研究对象，分析了影响地下水水质的主要因素；孙林华[12]、张传奇[13]等人分析了地下水中重金属特征、常规离子特征及其来源；孙林华[14-15]还分析了安徽宿州农村地下水重金属特征分析及矿区地下水水化学演化。借鉴上述研究成果，本文以淮北地区矿业城市宿州为例，不局限于矿区内地下水环境，着眼于整个矿区城市地下水，进行常规离子测试分析、水化学特征分析及离子成分来源分析研究。

2　研究区水样采集

宿州市是淮北地区重要的煤炭工业城市，北面紧邻淮北各矿，南有桃园矿、祁南矿和祁东矿，东有朱仙庄矿和芦岭矿。因工业与社会发展的需要，该市地下水的开发利用时间早、程度高，由于开发布局不合理、水资源管理利用不科学，水资源短缺问题日益严重。水样采集点的布设：宿怀路与汴河路为宿州市区主干线，宿州市南部三个矿区是沿宿怀路往南分布，东面两个矿区是沿汴河路以东分布，故水样采集点布设以宿怀路的南北及汴河路东西为中心向四周城区及城郊辐射，从水文观测点及水井抽取地下水水样。所取水样现场测试其电导率EC值和pH值，24小时内送至实验室进行预处理，即用0.22 μm滤膜进行过滤，再进行后续离子色谱仪测试。

3　材料与方法

3.1仪器

美国戴安公司ICS-900离子色谱仪：AS12A 阴离子交换柱(250 mm×4 mm)、CS12A阳离子交换柱(250 mm×4 mm)、C18阴阳离子保护柱、MMS300型自动循环再生抑制器、DS5型检测器、双柱塞串联泵、AS40自动进样器、Chromeleon 7色谱工作站。合肥金尼克机械制造有限公司 JK-100B型超声清洗机、美国HM Digital公司COM-100型EC计、上海今迈仪器仪表有限公司pHB-4型pH计、温度计、抽滤装置及实验室常用玻璃仪器。

3.2试剂

离子色谱法阴离子标准液试剂：氟化钠、氯化钠、硝酸钾、硫酸钠；阳离子标准液试剂：氯化钠、氯化铵、氯化钾、氧化镁、碳酸钙，配置标准溶液所用试剂均为优级纯。配制阳离子淋洗液的甲烷磺酸为进口优级纯，实验用水为去离子水(电阻率为18.2 MΩ·cm)，淋洗液经超声脱气3～5 min。

滴定所用试剂：无水碳酸钠、甲基橙、盐酸、酚酞、乙醇。除无水碳酸钠为光谱纯外，其他所有试剂均为分析纯。

3.3测定方法

离子色谱仪测试前开机预热20 min，基线时间不少于30 min，定量进样环10 μL，以保留时间定性、峰面积定量。

阴离子色谱柱分析条件：自动淋洗液发生装置，淋洗液为20 m mol/L的KOH溶液，流速为1.0 mL/min，抑制器电流为75 mA。

阳离子色谱柱分析条件：淋洗液为20 m mol/L甲烷磺酸溶液，流速为1.0 mL/min，抑制器电流为75 mA。

3.4分析方法

利用AquaChem3.7和SPSS20.0软件对所测水样数据进行水化学特征分析及其来源因子分析，利用Origin8.0 软件绘制因子载荷图。

4　结果与分析

4.1标准曲线

分别配制4组不同浓度梯度的阴离子和阳离子混合标准溶液，其中一组浓度的阴离子色谱图出峰情况见图1，阳离子出峰色谱图见图2，分别对阴离子和阳离子4组标准溶液色谱图进行处理，得到标准曲线的线性方程，如表1所示。

图1　阴离子标准溶液色谱图

图2　阳离子标准溶液色谱图

表1　城市地下水水质特征值

4.2城市地下水水质指标

用电导率计、pH计测定水样的电导率EC、pH值，TDS浓度由各常规离子浓度总和减去二分之一碳酸氢根浓度。所测水样电导率EC变化范围56~64 μs/cm，平均值59 μs/cm；pH值变化范围6.50~6.80，平均值6.62；TDS变化范围200~700 mg/L。

表2中列出了我国生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)中氟化物、硫酸盐、硝酸盐和氯化物的限值，同时列出本次水样检测中这些检测项的变化范围及平均值。我国生活饮用水卫生标准与国际卫生组织(WHO)的饮用水水质标准基本接轨，由此可知这批矿区城市地下水的水样水质是符合国内和国际饮用水标准的。

表2　生活饮用水水质常规检验项目及限值

4.3水化学特征分析

图3　主要阴阳离子Piper三线图

主要水化学类型为HCO3—Mg型、HCO3—Na·Mg型、HCO3—Mg·Ca型和HCO3—Na·Mg·Ca型。矿区地下水自上而下含水层为第四系空隙含水层、二叠系砂岩含水层、石炭系碳酸盐岩溶裂隙含水层和奥陶系碳酸盐岩溶裂隙含水层，各含水层之间水力联系紧密，共同构成矿区地下水，同时对整个城市地下水有重要影响。水体中主要离子来源于碳酸盐和硅酸盐的风化溶解作用，矿区城市地下水水岩的物理化学作用导致所研究区域水化学类型以HCO3—Mg型、HCO3—Na·Mg 型、HCO3—Mg·Ca型和HCO3—Na·Mg·Ca型为主，各含水层间相互关联和补给。

4.4因子分析

采用SPSS软件进行因子分析，结果见表3，所测数据经主成分提取和最大方差法旋转所得载荷图见图4。

表3　城市地下水水质特征值

图4 因子分析载荷条形图

5　结束语

参考文献：

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(责任编辑：汪材印)