河北省任丘市浅层地下水化学特征及形成机制

2022-02-21薛东青谢明忠李少虎杜丽媛刘咏康李鹏

地质论评 2022年1期

薛东青，谢明忠，李少虎，杜丽媛，刘咏康，李鹏

河北省煤田地质局环境地质调查院，石家庄，050091

内容提要: 浅层地下水是任丘市重要的水资源之一，为研究其水化学特征及其形成机制，本文在实地调查取样分析化验的基础上，以水文地球化学理论为指导，借助多元数理统计的方法，从多个角度揭示了研究区浅层地下水的形成演化过程：① 通过离散分析，认为研究区各主要离子变异系数较大，说明研究区浅层地下水受人为影响明显，水化学特征复杂。 ② 通过相关分析，认为Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、以及S为研究区原始浅层地下水主要离子，而HC与N为外来离子且异源；③ 通过聚类分析，可将研究区浅层地下水分为A、B、C三类，其中A类处于Gibbs图中岩石风化端元，矿化度较低，为微咸水或淡水，含HC和N，受农业灌溉水影响；B类处于Gibbs图中岩石风化端元向蒸发浓缩端元过渡，矿化度居中，为微咸水，N含量相对较高，受生活污水影响；C类地下水处于Gibbs图中蒸发浓缩端元，矿化度较高，以咸水为主，与地表水体连通性差，接近原始浅层地下水化学类型。④ 通过主成分分析，认为研究区原始地下水化学类型为S·Cl-—Na+型及S·Cl-—Na+·Ca2+型，受干旱环境下蒸发和海水入侵双重影响。

任丘市位于河北省中部，隶属沧州市管辖，西北与雄安新区隔白洋淀而望。近年来随着当地经济的高速发展，对水资源的需求量日趋增加，“资源性缺水”问题日益突出，研究区还曾因大量超采地下水而引起地下水水位持续下降以及地面沉降等地质灾害，严重制约着社会发展。同时，人类活动的加剧也增加了区分地下水化学所受自然因素和人类活动因素影响的难度(张勇等，2019)。当地下水化学存在多个影响因素时，传统的分析方法所起的作用越来越有限，基于多元数理统计理论，在大量水化学数据中提取有效信息，揭示水化学指标之间的潜在联系，有助于识别影响水化学特征的主要因素(李笑等，2020)。本文从水文地质条件和水文地球化学理论(王大纯等，1980；沈照理等，1993)出发，运用多元数理统计方法，结合Piper三线图和Gibbs图，多方面揭示了该地区的地下水化学的分布特征和形成过程，以期为研究区浅层地下水开发利用提供科学依据。

研究区地处太行山东麓山前平原和渤海西岸滨海平原之间的河流冲积平原与湖淀淤积的平原交错地带，地势自西南向东北缓斜；地貌按成因可划分为冲积平原泛滥洼地小区、冲积平原古河道微高地小区和冲湖积平地小区；属于暖温带亚湿润大陆性季风气候，大陆性气候显著，年平均降雨量为557.4 mm，年雨量高度集中于7月中旬到8月下旬，降雨量可占全年总量的二分之一；地表水多呈自由漫流状态，顺地势由西南向东北排泄，主要河道包括东部地区的古洋河、西部地区的小白河以及人工开挖的任文干渠等。

研究区地下水赋存于第四系松散岩类含水层中，根据各含水层之间的水力联系和地下水动态类型等特征，可将其自上而下划分为四个含水层组，其中第Ⅰ含水组和第Ⅱ含水组上段为浅层地下水，第Ⅱ含水组中下段和第Ⅲ、Ⅳ含水组为深层地下水(表1)。研究区浅层地下水为潜水、潜水—微承压水类型，底板埋深大致为40～65 m，主要为Qh及Qp3x上段，含水层岩性主要以粉砂、粉细砂为主，多呈双层或多层含水结构，一般无良好的隔水层，包气带岩性以粉质黏土为主。

表1河北省任丘地区第四系含水组划分表Table 1 Division table of Quaternaty aquifers in Renqiu area of Hebei Province

1 材料和方法

1.1 样品采集与检测

样品检测由河北省煤田地质局新能源地质队能源矿产检测中心完成，样品采集工作严格按照检测中心要求进行。

1.2 异常指标的剔除

1.2.1阴阳离子平衡检验

通常情况下，水溶液中的阴离子所带电荷总和等于阳离子所带电荷总和，称为电荷守恒定律。因此，可通过水溶液中阴阳离子是否平衡来检验数据化验的可靠性，正负电荷平衡误差采用下式计算：

(1)

式中E表示相对误差，ma和mc为阴阳离子的毫克当量浓度(meq/L)(王攀等，2020)。相对误差E越小说明水溶液中阴阳离子的正负电荷总数越接近，化验结果越准确。

经计算，所有样品的离子误差均小于1%，满足分析要求。

1.2.2Grubbs检验

Grubbs检验是检验异常值的一种统计检验方法，该检验方法使用了全部数据的的标准差和平均值，检验效果较好(朱嘉欣等，2018)。检验原理为：若测得的数据为X1、X2、X3、…、Xn，则其Grubbs统计量Gn为

(2)

查Grubbs检验的临界值表值GP(n)，当Gn>GP(n)，判定为异常值，否则为合理值。

对本次实验数据进行Grubbs检验，显著性水平取0.01。经验证，共剔除3组异常数据，剩余46组数据。

可见，地下水环境在人类活动影响较大的背景下，数理统计方法可筛选出异常值，避免对后续分析工作产生误导作用，从而得出一般性结论。

1.3 数据分析

本文利用RockWare AqQa软件绘制Piper三线图，利用Excel进行地下水化学特征统计和离散分析并绘制Gibbs图，利用SPSS25软件进行相关分析、聚类分析以及主成分分析。

2 结果与分析

2.1 离散分析

变异系数是反映数据离散程度的统计量，地下水中人为输入物质通常具有空间离散度高的特征，故可将其作为人类活动影响地下水环境的指示指标之一。变异系数越大，则离散程度越高，说明地下水化学组分的稳定性越差，形成及演化过程复杂，人为影响因素越明显，反之亦然(王宝春等，2017；王明君等，2019；郑涛等，2020)。