皖北地区浅层地下水水化学特征及水质评价

颜晓龙 马杰 张玉洁 白秀秀 刘家乐

摘 要：为进一步掌握乡镇区域浅层地下水水化学特征及水质状况，以皖北宿州某乡镇32组浅层地下水为研究对象，运用Piper图、Gibbs图及多元统计分析，综合分析研究区浅层地下水水化学特征及水岩作用;利用USSL和Wilcox图解法，结合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），对浅层地下水卫生状况进行评价。研究结果表明：研究区周边浅层地下水水化学类型以HCO3-Ca型为主，pH范围为7.41～7.96，属于中性偏弱碱性水，TDS值的范围为244.00～624.00 mg·L-1，平均值为358.72 mg·L-1，属于淡水。阴、阳离子浓度由大到小依次为HCO3->SO42->Cl-和Na+>Ca2+>Mg2+>K+。离子来源与岩盐溶解、硫酸盐岩溶解、碳酸盐岩溶解、硅酸盐岩风化等作用有关。研究区水质均适于饮用或基本适于饮用，且基本符合灌溉要求，合理灌溉不会造成盐害与碱害。

关键词：水化学特征;离子来源;水岩作用;水质评价

中图分类号：X824   文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）6-0111-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.026

Hydrochemical Characteristics and Water Quality Assessment of the Shallow Groundwater of Northern Anhui Province

— A Case Study of a Township of Suzhou City

YAN  Xiaolong    MA Jie    ZHANG Yujie    BAI Xiuxiu    LIU Jiale

（Suzhou University，Suzhou  234000，China）

Abstract：For mastering hydrochemical characteristics and water quality status of the shallow aquifer within a township， Suzhou city， Northern Anhui Province， a total of 32 shallow groundwater samples were collected and tested. Piper diagram， Gibbs diagram and multivariate statistical analysis were conducted to grasp the hydrochemical characteristics and water-rock interactions. With the help of USSL diagram and Wilcoxdiagram， combined with Standard for Drinking Water Quality （GB 5749-2006）， the heath status of the shallow aquifer was evaluated. The results show that the hydrochemical type is mainly HCO3-Ca. The pH ranges from 7.41 to 7.96， belonging to neutral and slightly weak alkaline water. The TDS varies between 244.00 mg·L-1and 624.00 mg·L-1， with an average of 358.72 mg·L-1， which can be classified to freshwater. The concentration order of anion and cation is HCO3->SO42->Cl-and Na+>Ca2+>Mg2+>K+， respectively. The sources of ions are related with halite dissolution， sulfate dissolution， carbonatedissolution， and silicate weathering. The samples are suitable or basically suitable for drinking， and also basically proper for irrigation， which is without salt and alkali damage under reasonable irrigation.

Keywords： hydrochemicalcharacteristics; ionsource; water rock interaction; water quality evaluation

0 引言

地下水的化學成分是不同水体在不同尺度的循环过程中与周围环境（气候、水文、地形、岩石、人类活动等）长期相互作用的结果[1]。通过对地下水水化学特征和水质状况系统研究，有利于掌握地下水水化学特征与水资源可再生能力，以便科学有效地管理和利用地下水资源，进而保护和改善地下水水质[2]。目前，我国地下水环境管理基础薄弱，地下水问题成为制约我国经济、社会、环境和谐发展的重要因素[3-4]，国内外针对水化学类型与水质评价进行了大量的研究工作，但对皖北地区相关研究成果相对较少。胡云虎等对皖北地区集中式深层地下水饮用水源地进行水化学特征研究，得出皖北地区水化学类型以HCO3-Ca和HCO3-Na型为主[5]。闵宁等对宿州市城区地下水化学成分进行研究，得出宿州市城区地下水主要受控于碳酸盐、硅酸盐溶解风化，同时蒸发浓缩也起到重要作用[6]。

皖北地区是我国重要的粮食生产基地，人口密度大，人均水资源占有量为470 m2左右，属于缺水地区。随着城镇饮用水的增加及经济发展的需要，水岩作用类型及程度、含水層水化学特征及类型，以及饮灌性水质类型的变化均与水文地质环境本底、人类活动、气候变迁等作用密切相关。本研究以皖北地区某乡镇32组浅层地下水水样为研究对象，通过对其常规离子浓度测试与分析，以期揭示该含水层水化学类型及水质现状，并为该地区浅层地下水研究及水资源保护提供相应的基础资料。

1 研究区概况

研究区位于安徽省宿州市埇桥区二徐路周边乡镇地区，东接江苏省，南临蚌埠市，西与河南、山东毗邻。研究区属黄淮海平原地区，区域地势由西北向东南倾斜，地表主要为第四纪松散沉积物覆盖，地理坐标为东经117°3′55″—117°8′55″，北纬33°39′20″—33°43′40″，面积为40.15 km2;属于暖温带半湿润季风气候区，四季分明，多年平均降水量为860 mm，蒸发量为1 038 mm，平均干旱指数为1.21，整体偏干旱。

2 研究方法

2.1 样品采集与测试

水样采集参照《地下水质检测方法水样的采集和保存》（DZ/T 0064.2—1993），采样工作于2020年4月开展，共采集地下水样品32组，取样深度在8～60 m范围内。现场测定pH、温度、总溶解固体（TDS）和电导率（EC）等指标，用500 mL聚乙烯瓶采样，采样前用待采集水样清洗2～3遍后装满、密封。样品于当天送至矿井水资源化利用安徽普通高校重点实验室进行测试。首先用0.45 μm滤膜过滤样品中杂质，过滤后用酸标准溶液滴定法测定CO32-和HCO3-，随后使用ICS-900离子色谱仪测定水样中Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-和SO42-。分析误差采用阴、阳离子浓度平衡法进行检测，测定误差在±10%以内。

2.2 数据分析方法

利用水化学数据，综合运用数理统计、相关性分析以及传统图解法（Piper图、Gibbs图、USSL图和Wilcox图）等方法，进行水化学特征分析及水质评价[7]。其中，描述性统计由Excel完成，相关性分析由SPSS完成，Piper图由Aq.QA软件完成，Gibbs图、USSL图和Wilcox图由Excel和Coreldraw.2018完成。

3 结果与讨论

3.1 描述性统计分析

地下水水化学指标描述性统计结果由表1所示。pH为7.41～7.96，属于偏弱碱性水。TDS值为244.00～624.00 mg·L-1，平均值为358.72 mg·L-1，属于淡水。EC为509.00～1 310.00 μs·cm-1。阳离子质量浓度平均值由大到小依次为：Na+>Ca2+>Mg2+>K+，表明阳离子以Na+、Ca2+为主，Mg2+质量浓度范围为20.04～55.39 mg·L-1，K+的质量浓度相对较低，仅为0.15～0.70 mg·L-1;阴离子质量浓度平均值由大到小依次为：HCO3->SO42->Cl-，地下水样品阴离子以HCO3-为相对优势离子。研究区内的离散性较大，SO42-（变异系数1.44）和Cl-（变异系数1.15）变异系数高于0.9，说明其空间变异性相对较大;Na+、Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、TDS和EC变异系数为0.1～0.9，表明其空间变异性相对中等;pH变异系数小于0.1，说明其空间变异性相对较小，含量相对稳定[8]。

为进一步揭示TDS含量变化规律及含水层水流方向，以经纬度为X、Y轴，以TDS含量为Z轴，建立TDS空间含量分布图（见图1）。一般情况下，沿地下水径流方向，含水层之间的水岩相互作用将逐渐增强，含水层组分会发生一定变化，TDS含量会随之升高。研究区所采样品中TDS含量总体上呈西南方向和东北方向较高，中间区域较低的趋势，形似“降落漏斗”的径流模式，表明研究区内含水层地下水径流方向总体为沿研究区周边向研究区中心径流。

3.2 水化学类型及水岩作用分析

Piper三线图常被应用于刻画区域水化学地球化学特征[9]，研究区Piper三线图（见图2）显示，浅层地下水水化学类型主要为HCO3-Ca型（75%），并有少量HCO3-Na型（约6%）、Cl-Mg-Ca型（约3%）以及HCO3-Na-Ca型（约16%）。结合阳离子与阴离子三角图，可知Ca+、Na+和HCO3-分别为研究区内浅层地下水的主要阳离子和阴离子。

Gibbs图解法是揭示研究区水体来源机制分析与水化学形成作用的重要方法之一。Gibbs在建立TDS与Na+/（Na++Ca2+）、Cl-/（Cl-+HCO3-）基础上，依据世界湖泊、河流及主要海水常规组分含量分析，将溶质来源的自然控制因素划分为三类，即岩石风化型、大气降雨控制型和蒸发浓缩型[10]。

研究区水样的Gibbs图如图3所示，从TDS含量与Na+/（Na++Ca2+）的关系判断，研究区样品TDS含量在100～1 000之间，Na+/（Na++Ca2+）的比值没有明显变化，主要集中在岩石风化区。从TDS与Cl-/（Cl-+HCO3-）关系图可知，Cl-/（Cl-+HCO3-）比值均小于0.4，且随着TDS含量的增高，Cl-/（Cl-+HCO3-）比值有变大的趋势，逐渐向蒸发沉淀控制靠近。这表明研究区地下水水化学组成主要受岩石风化等水岩相互作用过程的控制，受蒸发沉淀作用微弱且几乎不受大气降水控制[11]。

3.3 相关性分析

一般情况下，Na+可能来源于盐岩的溶解作用、硅酸盐的风化作用[见式（1）]，以及阳离子交替吸附作用[见式（2）];Ca2+、Mg2+主要来源于碳酸盐岩矿物溶解或阳离子交替吸附作用;HCO3-主要来源于碳酸盐岩矿物的溶解和硅酸盐岩矿物的风化，少部分可能来源于土壤和大气中CO2的溶解和生物降解有机物过程的产物;Cl-主要来源于盐岩溶解，SO42-主要来源于石膏或硫化物的氧化[12-14]。

Na2Al2Si6O16（钠长石）+2CO2+3H2O→2HCO3-+2Na++H4Al2SiO9+4SiO2                                              （1）

Ca2++2NaX→2Na++CaX2    （2）

利用多元統计方法，对Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、pH、EC和TDS共10项指标进行相关性分析（见表2）。Na+和Ca2+之间的相关系数为-0.388，并呈现出0.05水平的显著性，表明Na+和Ca2+之间有着显著的负相关关系，推断说明两者之间可能发生了阳离子交替吸附作用。同时，Na+和HCO3-之间的相关系数为0.743，并且呈现出0.01水平的显著性，说明Na+和HCO3-之间有着显著的正相关关系，Na+可能来源于硅酸盐矿物的风化作用。Ca2+和SO42-之间的相关系数为0.561，呈现出0.01水平的显著性，说明Ca2+和SO42-之间有着显著的正相关关系。二者可能共同来源于石膏（CaSO4·2H2O）的风化溶解[见式（3）]。

CaSO4·2H2O→Ca2++SO42-+2H2O  （3）

岩盐溶解产生的Na+与Cl-的物质的量之比应为1∶1，但Na/Cl系数明显超过1.0，间接表明地下水中Na+除岩盐溶解外还有其他来源，可能与硅酸盐矿物（钠长石）的风化有关。

综合研究区地质条件分析表明，研究区含有以长石为主的硅铝酸盐矿物，以石膏为主的硫酸盐矿物、以及方解石、白云石为主的碳酸盐矿物。由此推断，岩盐、硅酸盐岩矿物和石膏为研究区地下水中离子的主要来源。

4 水质评价

4.1 饮用水卫生评价

参照《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），对研究区水资源卫生标准、对地下水中一般化学指标进行评价（见图4）。研究区所有样品的氯化物、硫酸盐、pH和TDS含量均在国家标准范围内，即研究区水质卫生符合国家标准，属于可饮用水。

4.2 灌溉水水质评价

根据美国岩土工程实验室提出的标准，基于美国农业部（USDA）评价方法的灌溉水水质分类结果，综合考虑SAR（碱害）与EC（盐害）的影响，对研究区灌溉水盐碱化程度进行评价。灌溉用水中Na+浓度较高，会对土壤物理性质产生不利影响，当大量Na+吸附到土壤颗粒上时，会导致土壤颗粒分散[15]。从图5中可以看出，样品大都集中在S1-C2、S1-C3区域，且87.5%的样品处在中度盐害影响区，12.5%的样品处在高度盐害影响区，二者都在低碱害影响区，说明研究区地下水灌溉并不会造成该地区土壤碱化，但可能会提高该地区土壤盐化的风险。图5为基于Wilcox图解法灌溉水水质分类的结果。由图5可知，研究区样品落在极好与良好区，二者均属于适宜灌溉区域，综合分析，研究区所有样品符合灌溉用水条件，可直接作为灌溉用水，不会对土壤与农作物造成危害[16]。

5 结论

本研究以皖北某乡镇32组浅层地下水样品为研究对象，采用数理统计、水化学类型分析及传统图解等方法，对研究区的地下水水化学特征及其演化规律进行分析，得到三个结论。

①研究区浅层地下水均属于中性偏弱碱性水，水化学类型以HCO3-Ca型为主，有少量HCO3-Na型与Cl-Mg-Ca混合型。TDS含量呈西南方向和东北方向较高，中间区域较低的趋势，形似“降落漏斗”的径流模式，表明研究区内含水层地下水径流方向总体为沿研究区周边向研究区中心径流。

②运用Gibbs图及相关性分析，研究区浅层地下水化学组分主要受岩石风化作用影响，盐岩、硅酸盐岩、硫酸盐岩的风化溶滤为研究区浅层地下水中的主要离子来源。

③饮用水卫生评价结果表示，区域内地下水均属于可饮用水，卫生质量状况良好。灌溉水水质评价结果表明，研究区水样均基本符合灌溉用水条件，可用于农业灌溉，不会对土壤与农作物造成危害。

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