河南省南部地区浅层地下水水质特征分析与质量评价

柳西亚

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，河南 郑州 450000)

随着我国经济和社会的快速发展，人类活动对地质环境的影响日趋严重，地下水的过量开采和水质污染等问题日渐突出，严重制约经济社会的发展[1]。通过地下水监测工程的实施，可实现对全国地下水动态的有效监测，以及对大型平原、盆地及岩溶山区地下水动态的区域性监控和地下水监测点的实时监控；为各级领导、各部门和社会提供及时、准确、全面的地下水动态信息，满足科学研究和社会公众对地下水信息的基本需求，为优化配置、科学管理地下水资源，防治地质灾害，保护生态环境提供优质服务，为水资源可持续利用和国家重大战略决策提供基础支撑，实现经济社会的可持续发展。该工程实施后，虽全面掌握了地下水水位、水质等现状基本情况，却未对水质成因进行进一步分析。由于过量使用农药化肥、工业中各种污染物的不断排放，导致浅层地下水水质不断恶化。本文通过地下水水化学成分分析，研究离子间的相关性与演变规律，可以更好地揭示地下水与环境的相互作用机制，为环境资源管理提供科学依据。

1 研究区概况

河南省南部地区，主要包括南阳、平顶山、驻马店、信阳地区，除南阳属江汉平原南阳盆地外，其余属黄淮冲洪积平原。

南阳盆地是一个西、北、东三面环山、微向东南倾斜开口的半开启扇形盆地，处于我国“第二台阶”与“第三台阶”的交汇处，北部开阔，向南逐渐收缩，河流间的部分河间地块之中有槽型洼地的存在，平原和山区之间的交接带零星分布有垄状和鼓状岗地[2]。

平顶山地区为豫西山地向淮河平原的过渡地带，海拔高度大多在300～700 m之间[3]。西部以山地为主，最高山峰位于鲁山县西部边界的尧山，海拔2 153.10 m。东部以平原为主，襄城县于庄村海拔64.50 m。在低山和平原之间，分布着高低起伏的丘陵。从北往南看，大体有三列山地夹两组河谷平原。北部是箕山，中部是外方山的东段及平顶山市区以北的落凫山等低山，南部则是伏牛山东段及其余脉。北部夹北汝河冲积平原，南部夹沙河、澧河等冲积平原[4]。

驻马店和信阳地区除西部小部分(泌阳县西部)属于长江流域外，大部分属于淮河流域。主要有山地、丘陵、平原。山地分布在西部与南部，主要以低山为主，部分地区为中山，海拔高程一般500～1 500 m，相对高度200～600 m。在商城县东南部的中山区域其山坡陡峻，陡崖峭壁林立，河流横切山体，多呈峡谷；低山地区山势相对较低缓。组成岩性为变质岩、侵入岩及沉积岩。丘陵分布于西部及南部的山前地带，海拔高程一般200～500 m，相对高度一般小于200 m。组成岩性为变质岩、侵入岩、沉积岩。平原分布在中、东部的广大地区，按形态分为岗状平原和低缓平原。坡洪积岗状平原零星分布于泌阳县等地区的山前地带。地形起伏不平，海拔高程100～220 m。冲沟发育，切割深度2～15 m，由下更新统、中更新统坡洪积物组成。冲洪积岗状平原分布于西部、南部山前地带，地形起伏较大，淮河以南海拔高程50～120 m，南高北低，向北偏东方向倾斜，淮河以北，海拔高程80～150 m。冲沟发育，切割深度10～20 m，由中更新统和上更新统冲洪积物组成。岗状平原在低缓平原区亦有分布—上蔡县的上蔡岗状平。 低缓平原分布中东部广大地区，低缓平原按成因分为冲湖积低缓平原和冲积低缓平原。

本次研究的地下水主要为赋存在第四系含水层中的孔隙潜水，由细砂、中细砂、中砂、含砾粗砂、粉土及粉质粘土等组成。

1-采样点位；2-高速公路；3-河流；4-市界；5-城市；6-乡村图1 浅层地下水采样位置图

2 工作方法

2.1 样品采集

本次研究的数据来源为国家地下水监测工程河南省部分监测数据，共采集浅层地下水(采样深度为50 m以浅)121组，分布于南阳55组，平顶山12组，驻马店35组，信阳19组。布置原则主要为：(1)在水文地质单元和含水层层序划分的基础上，依据地质环境背景和水文地质条件进行布设。(2)以顺沿地下水流向为主与垂直地下水流向为辅相结合布设，做到点线面相结合，垂向上层次分明。(3)重点监测与面上控制相结合的原则。对重要人口密集区、粮食基地、工业基地、能源基地、国家重点工程建设区、生态环境保护区、地质环境问题突出区等，进行重点监测；对人口稀疏、地下水开发程度低的地区，进行一般性控制。野外采用GPS定位，采样时间为2016年7-9月。

2.2 测试指标

测试指标有：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、Al3+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、NO2-、F-、Br-、I-、Zn、Cu、Pb、Cd、Se、Hg、Mn、As、Ag、Cr6+、Sb、H2SiO3、总 硬 度、游离CO2、CODMn、洗涤剂、氰化物、酚类、溶解性总固体(TDS)、色度、浊度、口味、气味、pH等。

2.3 测试结果

浅层地下水分析结果表明，Cu、Cr6+、Cd、Se、Ag、Cr6+、Sb、洗涤剂、氰化物、酚类指标含量除个别水样外，均未检出，检出值均低于《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)[5]中Ⅰ类水上限，因此，在做统计时将这些指标舍弃。从其余指标的含量统计结果看出(表1)，原始数据中最大值与最小值相差几倍到几十倍，最大的145倍(K+)。

表1 水样检测结果

河南省南部地区浅层地下水pH值介于6.80～8.36之间，平均值为7.29，属于中性偏弱碱性水。按照《地下水质量标准》(GB14848-2017)中Ⅲ类水水质标准，超标严重的离子为NO3-，超标率为31.40%；其次为Mn、Fe3+、Al3+、总硬度，超标率大于10%；Pb、F-、CODMn、TDS、I-、Zn、Cl-、SO42-、Hg、NO2-，有个别点超标。

从数据上看，研究区浅层地下水中Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、F-、I-等指标变异系数小于1，说明这些指标在浅层地下水中的分布相对稳定；Zn、Hg、NO2-指标变异系数大于2，说明这些指标对地下水的质量起到影响作用，虽然背景值低，但是分布不均匀，在某些地段含量偏高。

3 地下水化学特征

3.1 地下水化学类型

根据水质测试结果，绘制研究区浅层地下水Piper三线图(如图2)。由图2可见，在阳离子三角形中水样点落在左边，Ca2+含量最多，其次为Mg2+、Na+，在阴离子三角形中水样点落在左部和下部，HCO3-含量最多；水样大多集中在5区，说明碳酸盐硬度超过50%，地下水化学特征以碱土金属与弱酸为主。

研究内浅层地下水的化学类型以HCO3-Ca型为主，占总体的45.5%，其次为HCO3-Ca·Mg型，占总体的34.7%，这两种类型占总体的80.2%，分布在研究区的广大地区。剩余少量的HCO3·SO4-Ca型、HCO3·Cl-Ca·Mg型等水化学类型呈斑块状、片状分布。地下水化学类型分布见图3。

图2 浅层地下水Piper三线图

图3 浅层地下水化学类型及水质类型分布图

3.2 离子成分分析

地下水中各离子之间的比值也能反映出其演变过程，如图4所示。通过(Na++K+)/Cl-的相互关系可以进一步确定离子是否存在硅铝酸盐矿物的溶解[6]，通过图4a看出，大多样品位于Cl-=Na++K+线上方，说明硅酸盐矿物的分解是水体中碱性离子存在的主要原因。通过图4b看出，含镁和钙的硅铝酸盐或碳酸盐的溶解是水体中Mg2+、Ca2+离子存在的主要原因。图4b显示，地下水多位于(HCO3-+SO42-)=(Mg2++Ca2+)线的两侧，γ(Mg2++Ca2+)/γ(HCO3-+SO42-)的平均值为0.96，说明该区的地下水化学特征是在碳酸盐矿物和硫酸盐矿物的溶解作用下形成的。γHCO3--γ(Cl-+SO42-)散点图(图4c)反映水体溶解碳酸盐的情况。图4c显示地下水位于(Cl-+SO42-)=HCO3-线的上侧，表明地下水化学特征是在碳酸盐的溶解作用下形成的。

(a) (b) (c)图4 离子比值相关图

4 地下水质量评价

4.1 评价指标及评价方法

影响地下水质量的因素众多，本次研究，参照《地下水质量标准》 (GB/T 14848-2017)，并以调查数据为基础，选取了Na+、Fe3+、Al3+、NH4+、Cl-、SO42-、NO3-，NO2-、I-、F-、Zn、Cu、Pb、Cd、Se、Hg、Mn、As、Ag、Cr6+、总硬度、COD(Mn)、溶解性总固体、pH共24项指标作为评价参数，对本区浅层地下水进行评价。

本文评价方法采用单因子结合多因子参数评价法，按照单因子评价法的需要，把水质分为5类，当遇到标准值相同的不同类别地下水时，选择结果较为优良的一个。其中Ⅰ类、Ⅱ类水主要反映地下水化学组分的天然背景含量，水质优良，适用于各种用途；Ⅲ类水质较好，适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水；Ⅳ类水适用于农业和部分工业用水，适当处理后可做生活用水；Ⅴ类为不宜饮用地下水。

浅层地下水环境质量综合评价，采用加附注的评分法，具体步骤为：先划分单项组分所属类别，各单项组分Ⅰ～Ⅴ类对应的评价分值分别为0、1、3、6、10。再按公式计算综合评价分值F： ，其中F为综合评价分数值，为各单项组分评分值Fi的平均值；Fmax为单项组分评价分值中的最大值；n为样本数。最后根据F值划分地下水质量级别，F<0.8，优良；0.8～2.5良好；2.5～4.2较好；4.2～7.2较差；F>7.2，极差[7-9]

4.2 评价结果

根据《地下水质量标准》(GB14848-2017)，通过单项组分评价得出：浅层地下水中Ⅱ类水28组，Ⅲ类水5组，Ⅳ类水65组，V类水23组，分别占总量的23.14%、4.13%、53.72%、19.01%，主要超标项目为Mn、Fe3+、Al3+、NO3-、总硬度等，具体分布情况见表2及图3。

表2 单因子评价结果

通过综合质量评价得出：浅层地下水中水质优良8组，水质良好29组，其余84组水质较差，分别占总量的6.6%、24%、69.4%(见表3)。

表3 综合因子评价结果

由评价结果可知，河南省南部地区浅层地下水质量由山区向盆地、盆地向平原呈现出由优变劣的特点，优良及良好水质主要分布在南阳盆地；较差水质主要分布在主要城市、工矿企业及其周边地区，如平顶山地区的汝州大部、宝丰、叶县东部，信阳光山北部、潢川、息县，驻马店大部分地区，如泌阳、正阳、新蔡、平舆等；研究区无极差水样，综合环境质量状况较差。

5 结语

(1)研究区水化学类型以HCO3-Ca型为主，占总体的45.5%，其次为HCO3-Ca·Mg型，占总体的34.7%，少量的HCO3·SO4-Ca型、HCO3·Cl-Ca·Mg型等水化学类型呈斑块状、片状分布。

(2)研究区浅层地下水超标严重的离子为NO3-，超标率为31.40%；其次为Mn、Fe3+、Al3+、总硬度，超标率大于10%。通过综合质量评价得出水质较差的水样占总数69.4%，无极差水样，综合环境质量状况较差。

(3)地下水水质是淮河流域当前和今后一个时期面临的重大问题，查明地下水水质状况，为今后该区域制定相关防治规划、建立预警系统、保护地下水资源提供依据。