江苏沛县水源地地下水化学特征及成因分析

何建国

(1.江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)，江苏徐州 221006；2.中国矿业大学，江苏徐州 221006)

地下水具有水质良好、不易被污染、多年调节性等优势，是我国城市和农村地区生产生活用水的重要来源。徐州沛县位于江苏省西北部，区内人口密集，是江苏省重要的农作基地，区域具有较丰富的地下水资源，然而，受区域自然、地质、水文地质条件以及赋存于地下水与岩土相互作用等多种原生因素的影响，区域地下溶解性总固体和氟化物含量偏高[1-4]，在一定程度上制约了当地社会经济发展，因此开展区域地下水水质特征及其成因分析具有重要的研究意义。

徐州市水文地质工作开始于20世纪50年代末，后续省、市水文地质队、环境管理部门在江苏丰沛铜等区域陆续开展了水文地质调查工作，对第四系潜水，以及第四系、新近系承压含水层水及岩溶地下水水资源利用、水质特征及变化均开展过调查[5-8]。本文在深入分析沛县水源地及周边水质监测井第Ⅲ承压含水层化学特征的基础上，对其成因进行了深入研究，为沛县环境和水利主管部门地下水资源保护和利用提供依据。

1 研究区水文地质条件

沛县水源地位于沛县县城区域，面积约10km2，本次根据水源地及监测点的分布情况，将沛县整个县城作为研究区域，面积100km2。沛县主要发育地层有寒武系、奥陶系，石炭系中上统、二叠系，侏罗系上统，新近系和第四系，区内主要的基底构造丰-沛断裂呈东西向。区域地下含水层按照含水层之间的水力联系和富水程度从上而下可分为五个含水层，即全新统潜水含水层、上更新统承压含水层(I承压含水层)、中更新统承压含水层(II承压含水层)、下更新统承压含水层(Ⅲ承压含水层)和新近系承压含水层。其中水源地主要赋层位为下更新统承压含水层，含水层顶板埋深在72～150m，底板埋深在75～176m，含水岩组分布广，富水性较好，在张庄—沛城东关以北地区含水层岩性为泥质细砂，单井涌水量500～1 000m3/d，是丰沛区域供水主要含水层，水质特征为HCO3-Ca·Na或Cl·SO4-Na·Ca·Mg型水。目前，下更新统承压含水层以东北方向的侧向径流补给为主，因受开采影响，已形成以沛城-大屯为中心的水位降落漏斗，农村地区对该层水的开采强度亦有所加大，人工开采成为其唯一排泄途径。

2 水样及岩土样的采集与测试

笔者收集了研究区水文地质报告、水质监测数据等资料，在此基础上，选取了沛县区域内9口水井的第Ⅲ含水层进行水质动态监测，并委托阜阳某钻探工程公司于2020年7月在沛县县城西南约10km，水源地流经方向上游施工1口水文地质勘探孔，采集下更新统承压含水层第Ⅲ承压含水层的水样、含水层砂层样和隔水层黏土样品进行测试(图1)。水质测试分析方法和标准主要依据为GB/T5750《生活饮用水标准检验方法》和GB T14848—2017《地下水质量标准》，土样测试方法主要依据 GB/T50123—2019《土工试验方法标准》，该井单井出水约111.36m3/d，水质类型为HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水。

图1 研究区位置及采样点分布Figure 1 Study area position and sampling points distribution

3 结果与讨论

3.1 地下水化学基本特征

3.1.1 地下水参数统计特征

表1 地下水水化学成分统计Table 1 Statistics of groundwater hydrochemical components

3.1.2 水化学类型分析

在对研究区第III承压含水层9个水井地下水水化学基本组分特征分析的基础上，通过Piper三线图法和舒卡列夫分类法分析其水化学类型[9-10]，由图2可知，第III承压水的水样点分布在左侧阳离子的三角形的右下侧，对于阴离子，主要分布在阴离子三角形的中部偏右上侧，表明其阳离子以Na++K+为主，阴离子以HCO3-为主。通过水样点分布在菱形中的区域表明其水化学特征为Cl-+SO42->50%。按舒卡列夫分类，第III含水层水质特征：HCO3-Na·Ca 或 HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水，研究区大部区域的矿化度在1 100～2 000 mg/L，为微咸水。

图2 第III承压含水层Piper 三线图Figure 2 Piper trilinear chart of confined aquifer III

3.1.3 地下水各组分的相关性分析

表2 第III含水层中常规离子与TDS值的Spearman相关系数Table 2 Spearman correlation coefficients between routine ions and TDS values in confined aquifer III

3.2 地下水控制因素分析

3.2.1 自然因素

图3 第III承压含水层Gibbs图Figure 3 Gibbs diagram of confined aquifer III

3.2.2 地质与水文地质因素

华北平原属于黄河冲积平原，在冲积平原的形成过程，由于多沙性黄河不断淤积和决口改道，形成主要由沙组成的河道带，十分有利于地下水组分的溶滤及迁移，而处于河间地带的丰沛区域成为泛流地带，易使地下水盐分积累，黄河再泛滥时，形成洼地沉积物，导致区域Na+、K+、Cl-含量增高[13-14]。此外，研究区内深层水补给源来自北东地势较高的鲁西南山区[15]，区域碳酸盐岩和变质岩、花岗岩发育，由于碳酸盐岩易溶蚀及部分岩石中易被淋滤元素迁移，同时研究区位于黄河冲积平原下游及泛流带洼地，含水砂层薄，颗粒细，砂性土与黏性土交互沉积，地下水的径流条件较差，造成补给区域地下水化学组分不易迁移的元素在含水层内浓缩聚集，导致区域地下水硬度偏高，溶解性总固体(TDS)浓度也呈上升趋势，这也与前文中的地下水各离子组分的相关性分析相对应。

对于地下水中氟化物，整个华北平原含量普遍偏高，究其原因主要是黄河冲积平原形成的巨厚黏土、粉质黏土中含有大量的氟化物，加之区域偏干旱的气候条件导致土壤盐渍化加重形成偏碱性的水土环境，促进了氟化物的活化和富集；其次，鲁西南冲积平原区的更新统和新近系孔隙含水层中的氟化物溶解迁移至处于地势低洼的河间地带，也推动了氟化物浓度进一步提高[15-16]。

3.3 含水层介质溶释因素

图4 第III承压含水层砂岩浸出离子浓度与地下水中离子浓度对比Figure 4 Comparison between confined aquifer III sandstone leaching-out ion concentration and ion concentration in groundwater

表3 第III承压含水层砂岩水溶性试验结果Table 3 Confined aquifer III sandstone water-solubility tested results mg·kg-1

4 结论

1)沛县地下水应急水源地第III承压含水层pH值6.58～7.91，平均值为7.46，属弱碱性，变异系数0.04，可以看出研究区地下水酸碱变化幅度较小，整体较稳定；研究区TDS值在441.00～1 660.00mg/L，平均值为1 104mg/L，属微咸水，水质类型以HCO3-Na·Ca 或 HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水为主。

2)由Gibbs图可知，研究区第III承压含水层地下水化学类型主要受岩石风化作用影响，基本不受大气降雨作用影响和蒸发结晶影响。

3)研究区位于黄河冲积平原河间泛流地带，易形成洼地沉积物导致，同时鲁西南山区碳酸盐地下水补给以及区域平原区地下水径流不畅，导致地下水化学组元素在含水层内浓缩聚集升高，造成溶解性总固体(TDS)浓度偏高；含水层中砂岩的溶释作用，也是造成溶解性总固体(TDS)浓度偏高原因。

4)黄河冲积平原形成的巨厚黏土、粉质黏土中含有大量的氟化物以及区域偏干旱的气候条件和鲁西南冲积平原区的含有氟化物地下水的补给，是导致氟化物偏高的原因。