宿州市城西水源地深层地下水水质及水化学成因分析

曹伟民

宿州市水政监察支队 安徽 宿州 234000

引言

近年来，由于过度开采和工农业的污染输入的影响，许多城市或地区的地下水资源已经遭到严重破坏。特别是华北地区，水资源供应矛盾更为突出[1]。据环保部颁布的《中国生态环境状况公报》，2021年我国V类地下水相比2020年上涨了3个百分点，占比达20.6%。

城西水源地是我国第二批重要饮用水水源地，更是宿州市的主要供水来源[2-3]。统计显示，自1985年以来该水源地已向城市供水20多亿m3，其水质优劣直接影响到居民健康和城市发展。先前的研究对城西水源地浅层地下水水质情况进行了调查，如梁华通过内梅罗污染指数发现浅层地下水中存在轻微污染，林曼丽等对地下水中重金属健康风险进行了评价，研究结果显示Cr和Cd具有一定的致癌风险[4-5]。然而，深层地下水水质情况尚未受到相应的关注，这制约了对城西水源地地下水资源的进一步利用。因此，本研究的目的在于揭示城西水源地深层水的水化学特征，并深入了解地下水水化学组成控制因素，以期为该区域水资源的管理提供一定科学依据。

1 区域水文地质条件

主要研究的含水层为松散岩类孔隙含水层，其由浅至深可进一步划分为3个亚类含水层，依次为：第一含水层（浅层，简称为一含）、第二含水层（中深层，简称为二含）和第三含水层（深层，简称为三含）。据钻孔资料揭露，一含与二含埋深在100m以内，三含隐伏于二含之下，顶板埋深在100m左右，底板埋深约150m，一般发育2层砂。岩性以细砂和中砂为主，其次为粗砂和粉砂，多为泥质和钙质半胶结。自然状态下，三含处于较封闭状态，以层间径流补给为主。

2 数据收集、测试与分析方法

2.1 数据收集与测试

本研究地下水样品采集自研究区的22口深井（深度在130-150m之间）。测试的指标包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、F-、H2SiO3、pH、TDS、TH和耗氧量。测试方法如下：pH和TDS在采样现场通过手持式水质检测仪测定，TH通过EDTA容量法测试，耗氧量通过高锰酸钾法测试（结果以O2记），HCO3-通过实验室滴定法测试，其余指标均通过离子色谱法测试。

2.2 分析方法

首先利用Excel计算不同指标的最小值、平均值和最大值，并分别与国家地下水质量标准（GB/T 14848-2017）对比，以评估水质状态，然后通过Piper三线图并划分地下水化学类型，最后通过离子间关系探讨水化学形成机制。

3 地下水水质特征

3.1 水质参数浓度分析

22组深层地下水样品中阴离子平均浓度从高到低为HCO3-（508mg/L）＞ Cl-（49.8mg/L）＞SO42-（46.5mg/L）＞F（0.45mg/L)，阳离子平均浓度排序依次为Na+（106.3mg/L）＞ Ca2+（63.4mg/L）＞ Mg2+（40.3mg/L）＞ K+（1mg/L）。22个样品的pH值处于7.0～8.0之间，说明地下水为中性至弱碱性。地下水中偏硅酸（H2SiO3）含量变化范围为17.7～40.3mg/L，平均值为25.7 mg/L，大多数水样符合国家饮天然矿泉水标准中偏硅酸浓度界限（25mg/L）[6]。TDS和TH浓度变化范围分别为496～886mg/L（平均值为694mg/L）和225～570mg/L（平均值为450mg/L）。耗氧量范围为0.54～1.90mg/L，平均值为0.96mg/L。

本研究已测试的13种水化学指标中有5种指标（HCO3-、Ca2+、Mg2+、K+和偏硅酸）在国家地下水质量标准（GB/T 14848-2017）中无规范，因此未统计其达标率[7]。国标中III类水质限值分别为，200 mg/L、250 mg/L、250 mg/L、1 mg/L、6.5-8.5、1000 mg/L、450 mg/L和3 mg/L，本研究中有1个地下水样品的Na+浓度201.7 mg/L，因而达标率为95.5%。此外，2个地下水样品中TH超标（达标率为90.9%），其余指标均符合III水质对应的浓度要求。

3.2 地下水水化学类型划分

如图1所示，阴离子三线图中HCO3-占据绝对优势，绝大多数水样的HCO3-当量浓度占比超过阴离子总量的70%，而阳离子三线图中样品点的分布较为分散，总体上以Na+为主，Mg2+次之。基于此，水化学类型结果如下：Na-HCO3型15个（68%），Mg-HCO3型5个（23%）和Ca-HCO3型2个（9%）。

图1 水化学类型图解

4 地下水水化学成因分析

岩类判别图（Mg2+/ Na+、Ca2+/ Na+以及HCO3-/ Na+，单位为meq/L）可以将地下水化学成因划分为蒸发岩溶解、硅酸盐风化和碳酸盐溶解3种类型，因此常用于地下水水文地球化学的研究中。从图2可看出，所有样品均位于硅酸盐风化区域附近，说明研究区含水层中硅酸盐矿物的风化是深层水水化学的主要控制因素，化学方程式如下：

图2 三大岩类判别图

氯碱指标（Chioro-Alkaline indices，CAI-I和CAI-II）常用于判断地下水中阳离子交换作用的强度与方向。研究表明，若CAI-I和CAI-II均大于0说明地下水中存在Ca2+和Mg2+置换Na+，若均小于0则说明发生Na+置换Ca2+和Mg2+。CAI-I和CAI-II的计算公式如下（单位：meq/L）：

将各水样中离子浓度带入公式可知，CAI-I和CAII-I的变化范围分别为-18.61～0.37（平均值为-4.79）和-0.59～0.26（平均值为-0.33）。21个样品（占比95%）的CAI-I和CAI-II值均小于0，说明研究区三含中存在Na+置换Ca2+和Mg2+的现象，从而导致地下水中Na+相对于Ca2+和Mg2+更加富集。此外，（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）与（Na++ K+-Cl-）之间的关系也可以探讨地下水中阳离子交换作用的存在。在本研究中，（Ca2++ Mg2+-SO42--HCO3-）与（Na++ K+- Cl-）的拟合方程为y = -0.929x，r2为0.959，表明二者之间具有良好的线性关系，这也进一步证实了氯碱指数分析获得的结论。

5 结束语

①研究区深层地下水呈中至弱碱性，68%的样品水化学类型为Na-HCO3型；②地下水水质状态良好，绝大多数指标（Cl-、SO42-、F-、pH、TDS和耗氧量）符合国标III类水标准，且大多数水样偏硅酸含量符合国家饮天然矿泉水标准；③硅酸盐矿物的风化和阳离子交换作用是控制研究区地下水水化学组成的主要因素。