宿州市城西水源地地下水化学特征及水质评价

梁华

（宿州市水政监察支队，安徽 宿州 234000）

引言

水是人类及自然界赖以生存的重要资源，也是生物体最重要的组成部分。近年来，在世界范围内，由于工农业污染的输入，地表水环境状况已不容乐观。相比而言，地下水赋存于地面以下岩石空隙之中，由于众多隔水层的存在，其储存环境相对封闭，不易受外界污染，这恰恰是地下水作为生产、生活用水的优势所在。有研究统计，在华北平原，有超过1 亿人口的日常用水来自地下水，且地下水已占据总淡水供应的90%[1]。

宿州是一个极其依赖地下水资源的城市，《2019 年宿州市水资源公报》显示，2019 年埇桥区总用水量为3.3147 亿m3，其中地下水用量高达2.091 亿m3。城西水源地作为宿州市主要供水水源地之一，每年可向城区近60 万人口供水5400 余万m3，其水质的优劣事关重大。近年来有关宿州市地表水的研究已有大量报道，但地下水水质问题并未受到相应的关注[2-5]。

基于此，本文以宿州市城西水源地浅部含水层（一含和二含）中的地下水为研究对象，在系统采样并测试其常规离子含量的基础上，通过多种水质评价指标（中国地下水质量标准（GB/T14848-2017）、内梅罗污染指数、钠百分比）分析，对水样进行系统的水质污染、饮用和灌溉评价，以期为后续宿州地下水资源的管理提供一定依据。

1 研究区概况及含水层简介

宿州市位于安徽省北部，素有安徽省北大门之称，地理坐标为：东经116°09′-118°10′，北纬33°18′-34°38′。宿州地属暖温带半湿润季风气候，夏季多雨，冬季干旱，四季气候分明。年均降水量为865mm，且降雨集中于6 至8 月份，占全年降水量的57%。年均气温为14.6℃，最低气温为-23.2℃，最高气温达40.3℃。

依据地下水贮水介质的特征及含水孔隙的类型，研究区主要含水层从浅至深依次可划分为：松散岩类孔隙含水层、碎屑岩类孔隙含水层、碳酸盐岩类含水层以及岩浆岩类裂隙含水层。其中，松散岩类孔隙含水层又可进一步划分为三个次生含水层：第一含水层（以下简称“一含”）、第二含水层（以下简称“二含”）和第三含水层（以下简称“三含”）。

表1 水样主要离子(单位：mg/L)和理化参数统计表

2 数据收集与分析

2.1 采样及测试

本文一共收集宿州市城西水源地浅层地下水样品43 个，包括：一含水样20 个，二含水样23 个。采样时首先现场测试pH值，后用预清洁的聚乙烯瓶装样、密封送至实验室恒温（4℃）保存，并于 一 周内 完 成常规离子（Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-）浓度测试。其中，Na+、Ca2+和Mg2+通过阳离子色谱仪（ICS-900）进行测试，Cl-和SO42-通过阴离子色谱仪（ICS-600）进行测试，HCO3-通过酸碱滴定法测试。

2.2 分析方法

数据分析主要通过以下两个方面进行：（1）描述离子含量特征及划分水化学类型；（2）通过中国地下水质量标准、内梅罗污染指数（NPI）、钠百分比（%Na+）分别进行水质类型、污染和灌溉评价。

3 结果与讨论

3.1 离子含量特征

宿州市城西水源地浅层地下水常规水化学浓度统计结果如表1 所示。从表1 中可知，一含水样常规离子含量平均值从大到小 为：HCO3-（519mg/L）＞Na+（118mg/L）＞SO42-（72mg/L）＞Ca2+（54mg/L）＞Cl-（45mg/L）＞Mg2+（42mg/L）。此外，TDS 含量变化范围为532-1328mg/L（平均值为847mg/L）。pH 变化范围为7.1-8.8（平均值为7.7），为中至微碱性水。相比而言，二含水样具有更高的Ca2+、Cl-、HCO3-及更低的Na+、Mg2+、SO42-、TDS 含量平均值。其常 规 离 子 含 量 变 化 范 围 为：51-202mg/L（Na+）、35-116mg/L（Ca2+）、25-68mg/L（Mg2+）、11-230mg/L（Cl-）、14-110mg/L（SO42-）和437-869mg/L（HCO3-）。TDS 变化范围为427-816mg（平均值为563mg/L），且所有水样的TDS 值均符合淡水标准。pH 变化范围和平均值与一含水样一致。

图1 一含和二含水样Piper 图

表2 内梅罗污染指数评价结果

3.2 水化学类型

地下水从补给区流向排泄区的过程中，其水化学类型会相应从HCO3-型向Cl-和SO42-型转变。因此，划分水化学类型对于研究地下水的演化具有重要意义。本文采用Piper 图来划分水化学类型（图1）。从图1 中可看出，一含和二含水样分布位置相互交错，阳离子三线图中呈中偏右的趋势，表明两个含水层中的地下水阳离子以Na+和Mg2+为主，阴离子三线图中集中于左侧三角区域，表明一含和二含水中阴离子中HCO3-占据绝对优势。因此，宿州市城西水源地地下水水化学类型可划分为：Na-HCO3型（一含14 个、二含17 个）、Mg-HCO3型（一含5 个、二含4 个）和Ca-HCO3型（一含1 个、二含2 个）。

以上结果显示，两个含水层的径流条件良好，大气降雨可能是主要的补给源，且含水层中水岩相互作用程度低，水化学组成较为相似，表明二者存在一定程度的水力联系，也进一步证实了越流补给的存在。

4 水质评价

4.1 基于国标的地下水质量评价

根据我国2017 年最新颁布的地下水质量标准（GB/T 14848-2017）[6]，III 类水中Na+、SO42-、Cl-、TDS 的标准限值分别为200mg/L、250mg/L、250mg/L 和1000mg/L，此外，pH 的范围为6.5 pH 8.5。结合表1 可以看出，一含和二含水中Na+、SO42-、Cl-、TDS 和pH 平均值均可达到国家III 类水标准，仅个别一含水中的Na+和TDS 含量存在轻微超标。

4.2 水质污染评价

内梅罗指数法是目前国内外进行综合污染指数计算最常用的几个方法之一[7]。本文选取Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和TDS 六个因子进行污染评价，具体的计算公式如下：

式(1)中：Px、Cx和Sx分别为评价因子x 的污染指数、实测浓度和标准浓度值（根据世界卫生组织标准[8]规定各评价因子浓度限值如下：TDS 为1000mg/L，Na+为200mg/L，Ca2+为300mg/L，Mg2+为30mg/L，Cl-为250mg/L，SO42-为250mg/L）。式(2)中：PN为内梅罗污染指数，Pmax和Pavg分别为Px的最大值和平均值。根据PN 值大小可将水质划分为五个等级（表2）。由表2 可知，两个含水层的水质均达到II 类水及以上。此外，一含水中I 类水占比45%，相对而言，二含水水质更为优良，I 类水占比达74%。这种情况是由于一含距离地表较近，更容易受到污染（地表污水入渗、灌溉水回渗等），而且部分污染物质可通过层间越流向二含传递。

4.3 水质灌溉评价

对于水质灌溉评价的方法目前有多种，例如钠吸附比（SAR）、钠百分比（%Na+）、残留碳酸钠（RSC）、渗透指数（PI）等。本文采用最常用的钠百分比对水样进行水质灌溉评价。各项指标计算结果如表4 所示。研究表明，若灌溉水中Na+浓度过高，则Na+会置换粘土颗粒中的Ca2+和Mg2+，使土的渗透性变差，从而导致土壤的结构被破坏，影响农作物的生长。因此，查明灌溉水阳离子中Na+的相对含量具有重要意义。钠百分比可以量化Na+与Ca2+和Mg2+之间的交换强度。二者计算公式如下：

如表3 所示，钠百分比法表明，一含水中优质、良好、中等和下等灌溉水分别为2、6、8 和4 个，二含水中9 个为良好型灌溉水、13 个水样为中等型灌溉水，仅一个水样为下等型灌溉水。

表3 水质灌溉评价结果

5 结论

5.1 研究区浅部地下水呈中至微碱性，阳离子以Na+和Mg2+为主，阴离子中HCO3-占绝对优势，水化学类型主要为Na-HCO3型，其次为Mg-HCO3型。除5 个一含水样外，其余水样TDS 值均符合淡水标准。

5.2 与国家地下水质量标准对比发现，绝大部分地下水符合III 类水标准。内梅罗指数分析，部分浅层地下水受到轻微污染，且二含水质优于一含。

5.3 水质灌溉指标（%Na+）表明，除4 个一含水样和1 个二含水样外，其余水样均能达到灌溉要求。