淮北平原区城市浅层地下水化学特征及成因分析*——以宿州市为例

闵 宁 任 瑾 林曼利

(1宿州学院资源与土木工程学院；2国家煤炭水害防治工程技术研究中心 安徽宿州 234000)

浅层地下水是北方地区重要的供水水源，安徽省宿州市是典型的以地下水为主要水源的城市。随着近年来工业迅猛发展，污染物已经渗透到空气、土壤、食物和水，威胁到人类健康。浅层地下水水化学成分直接关系到水质。

地下水化学成分是其与周围环境(岩石、地表水、大气)长期作用的结果。地下水水化学研究，主要探究其化学组成与起源，同时对浅层地下水开发和保护意义非凡。

1 研究区概况

宿州位于安徽省北部，豫苏鲁皖交界处，地处淮北平原北部，是中国重要的商品粮基地。宿州市地势平坦，整体由西北向东南倾斜，平原区高程一般在20-40m，区内土壤多由黄河、淮河历次泛滥堆积作用形成，主要为第四纪松散沉积物覆盖。区内土壤类型以砂礓黑土为主，多被植被作物及农作物覆盖。研究区属于暖温带半湿润季风气候，多年平均降水量840mm，雨量集中在6-9月，水资源短缺。

研究区内地下水类型为松散岩类孔隙水。第四系松散含水层岩组遍及全区，且以全新统含水岩组分布最广，该区大气降水为主要补给水源，其次为灌溉回归，地表水入渗补给。一般情况下，河流是地下水的排泄方式，区内浅层孔隙水的总径流方向为西北流向东南。同大多数北方城市一样，研究区生活用水及工农业用水主要依靠浅层地下水。随城市快速扩张，地下水过度开采，导致地下水水位逐年下降，市区已形成3个大型区域性降落漏斗，面临地面沉降风险[1-2]。工业垃圾及生活垃圾堆放也引起了地下水水质恶化等问题。

2 水样采集与测试

2015年4月，课题组对研究区浅层地下水进行了采样，共采集样品20个。为确保样品不被污染，取样前先将井水排放10min，后用井水润洗干净的聚乙烯瓶3遍，再将水样充满聚乙烯瓶，并迅速旋紧瓶盖。水样运回实验室后，立即进行过滤处理，冷藏，待测常规离子。现场完成pH、TDS测试。

水样测试均在宿州学院安徽省煤矿勘探工程技术研究中心完成。常规离子测试采用美国赛默飞公司离子色谱仪(ICS—900)，而HCO3-测试通过标准滴定法完成。

3 结果与讨论

3.1 常规离子特征分析

地下水主要离子特征统计分析结果见表1。

表1 浅层地下水各指标含量统计表

注：pH值、变异系数无量纲，其他单位为mg/L

3.2 地下水水化学特征

由研究区地下水水样Piper三线图(见图1)可以看出，研究区浅层地下水水样主导阴离子是HCO3-，主导阳离子是Mg2+、Na+、Ca2+。水化学类型以Na-HCO3、Mg-HCO3、Na-Mg-HCO3和Na-Ca-HCO3为主。结合采样信息，未呈现明显的空间分布特征。

图1 宿州城区浅层地下水常规离子Piper图

3.3 地下水水化学特征成因分析

3.3.1相关性分析 水岩作用、蒸发浓缩或人为污染影响下的地下水水化学成分，离子含量之间表现为一些特殊相关性，从而推测出地下水中各离子来源[4]。

该区主要优势阳离子有Ca2+、Mg2+，Ca2+与TDS(r=0.60，图2左)、Mg2+与TDS(r=0.22)呈现较明显的相关性，Ca2+离子浓度也受控于pH(r=-0.59，图2右)。淮北平原区方解石、白云石含量较高，且表层土壤含有丰富的有机质(有机质分解产生CO2，溶于水后分解方解石及白云石)，以上表明样品碱土金属元素含量的变化，是与地下水流动过程中与周围碳酸质岩石的反应相关[5]，亦与该区优势阴离子为HCO3-吻合。

地表水在渗流过程中，经富含饱和钙镁胶体的粘性土层时，能发生交换反应，使入渗的水中Ca2+、Mg2+离子浓度增加，补给浅层地下水，造成地下水硬度升高，可能也起到一定作用[6]。

图2 Ca2+与TDS、Mg2+与TDS关系图

图 与与TDS关系图

F-与Ca2+呈明显正相关(r=-0.52，图4左)。对比中华人民共和国国家标准地下水质量标准(GB/T 14848-1993)，F-含量明显超Ⅲ类水标准(≤1.0mg/L)，超标率达60%，属高氟水区。许光泉等[9]通过对比水化学类型和Ca2+-F-离子浓度，发现Ca型水F-离子的较低。分析其原因是由于Ca2+与地下水中的F-结合，形成难溶性的磷灰石萤石(CaF2)、(Ca5(PO4)3F)而沉淀下来，从而导致随Ca2+含量升高和F-含量降低。

图4 F-与Ca2+、F-与pH值关系图

F-含量也受pH值影响。图5右显示，F-与pH值呈正相关(r=0.47)。碱性环境更有利于F-的溶解。这是由于在偏碱性地下水中Ca2+离子活度降低，抑制了F-的沉淀[10]。同时，偏碱性环境中OH-增多，易于置换含氟矿物中的F-，致使其浓度升高[11]。该区F-主要来源于区内第四纪松散堆积物，氟含量约为220-950ppm[12]。降水穿过松散堆积物层，在利于氟淋滤的条件下(高pH值)，粘性矿物表面OH-取代F-，F-被释放，从而形成高氟水。

K+含量除2个异常高值(15CQ13、15CQ14)外，与Na+含量呈明显正相关(r=0.59，图5)，表明该区地下水中Na+与K+主要由硅酸盐矿物(长石)经风化淋滤作用释放出来。在地下水径流条件良好地区，Na+与K+易随地下水迁移，若经流地富含粘土矿物，土壤胶体更易于吸附高价阳离子，交换作用可把矿物颗粒吸附的Na+与K+交换到地下水中，导致含量升高[13]。研究区局部K+含量异常高值，可能与该点人流量密集的商业活动区及小吃街产生大量废水下渗有关。与之对应，Na+含量变化不大，是由于在下渗过程中Na+置换土壤中的K+，导致K+更多的进入地下水中。

图5 Na+ 与K+关系图(注：左图总体，右图局部)

Cl-可以直接指示地表污染源。因此利用地下水中的氯离子可以直接指示地表污染源。图6显示NO3-与Cl-弱的正相关(r=0.22)。总的来说，NO3-与Cl-的变化较为密切，说明是人为活动的影响，离散样品表明可能并非单一污染源。Cl-主要来源于人类活动，因此该地区的NO3-主要为人畜排泄物及生活污物的污染导致[4-6]。

图6 NO3-与Cl-关系图

综上所述，地下水化学类型以Na-HCO3、Mg- HCO3、Na-Mg-HCO3和Na-Ca-HCO3型为主。是矿化度中等、硬度中等的弱碱性水。从离子相关性分析来看，该区地下水化学成分主要受控于碳酸盐、硅酸盐溶解风化，人畜排泄物及生活污物也导致局部水体元素异常(如K+、Cl-、NO3-)。该区F-含量明显超Ⅲ类水标准，属高氟水，与pH正相关，来源于本区第四纪松散堆积物中高氟矿物。

3.3.2 Gibbs图 宿州城区地下水的TDS质量浓度较高，ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)比值较大(0.55-0.85)，ρ(Cl-)/ρ(Cl-+HCO3-)普遍比值较小(0.13-0.62)。由Gibbs图可知(见图7)，研究区地下水水体主要受蒸发-沉淀作用影响，同时也与研究区岩石风化相关。部分样品点超出曲线范围，可能与人类活动影响相关[14]。

图7 宿州城区浅层地下水Gibbs图

4 结论

采用数理统计、Piper三线图、因子相关性、Gibbs图等方法对研究区常规离子进行统计分析。结果表明，宿州市地下水化学类型以Na-HCO3， Mg- HCO3， Na-Mg-HCO3， Na-Ca-HCO3型为主。城区地下水化学成分主要受控于碳酸盐、硅酸盐溶解风化，同时蒸发浓缩也起到重要作用。城区局部元素异常与人为活动关系密切。

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