钱塘江下游滨江地区地下水水化学特征与水质评价

蔡小虎　康丛轩

摘要：为探究钱塘江下游滨江地区地下水水化学特征及水质情况，采用数理统计、Piper三线图、Gibbs图、单指标评价法、综合质量评价法和模糊综合评价法，对研究区的46组地下水水样测试数据进行分析。结果表明：研究区内潜水水化学类型主要为HCO3-Na·Ca·Mg型和HCO3·Cl-Na型，水化学成分受岩石风化作用影响显著，主要受到岩盐的溶解、离子交换作用、人类活动影响；承压水水化学类型主要为Cl-Na·Ca·Mg型和Cl-Na型，水化学成分主要受海水作用的影响；研究区内潜水水质总体较好，部分潜水受原生地质环境的污染；承压水污染主要受海侵影响，不宜饮用。研究结果对区内地下水的开发、利用和保护具有积极的指导意义。

关 键 词：地下水； 水化学特征； 水质评价； Piper三线图； 钱塘江

中图法分类号： X523 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.004

0 引 言

地下水资源是人类赖以生存的资源，地下水质量的优劣直接关系到当地居民的安全和健康，同时也制约社会经济的发展，但受到气象气候、海水入侵等自然因素以及人为因素的影响［1-3］，地下水环境受到多方面的严峻挑战。大江东位于杭州钱塘江下游滨江地区，隶属于萧山区东北部沿钱塘江区域，是钱塘新区重点规划区，水资源相对丰富，随着近年来当地工业的飞速发展，生活污染、工业废水排放以及水产养殖业的污染均威胁着地下水质量，因此查明该区域的地下水化学特征和水质状况显得尤为重要。

相关学者从不同角度对杭州市萧山区地下水进行了研究。张飞等［4］运用因子分析方法，对杭州萧山区浅层地下水化学特征评价定量化问题进行了探讨，结果表明不同浅层地下水样品R型主因子存在明显差异；吴敦敖等［5］采用多因子和多种数学模式进行杭州山区和平原区地下水质量评价，得出平原区污染受人为因素影响较大。前人研究对大江东地区地下水的进一步研究提供了借鉴，但缺乏关于大江东地下水水化学特征及水质评价的系统研究。

考虑到地下水化学组分的多样性和影响因素的复杂性，本研究以研究区内地下水化学样品检测数据为基础，采用舒卡列夫分类法、Piper三线图、水岩模型分析、模糊综合评价等方法对研究区地下水进行综合分析，旨在分析研究区内水化学特征，为地下水的水质评价及水污染防治提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于浙江省萧绍平原最北部，全区属堆积冲海积平原。平原内部为河网地区，地貌类型单一。区内地势低洼，多为居民区、工业园区、养殖区等，地势略有起伏，地面高程一般在7～10 m左右（1985国家高程基准）。

全区位于北亚热带气候区南缘。总的气候特征为冬夏长、春秋短，四季分明；光照充足，雨量充沛，温暖湿润；冷空气易进难出，灾害性天气较多；光、温、水的地域差异明显。多年平均气温16.1 ℃，月平均最高气温28.4 ℃（7月份），月平均最低气温3.9 ℃（1月份），平均水汽压17.1 hPa，平均相对湿度82%，多年平均降水量1 365.9 mm，多年平均年蒸发量1 207.5 mm（蒸发皿直径为20 cm），平均风速2.2 m/s，相应风向NE。

区内主要河流为钱塘江河口段和曹娥江，大江东片区外部主要河道为钱塘江，在水系上属钱塘江流域，包括钱塘江及萧绍河网（四工段直河、六工段直河、八工段直河、十工段直河等）。区内潜水为第四系松散岩类孔隙水，一般水位埋藏于3.0 m深度以内，含水层岩性主要为第四系全新统黏质粉土、砂质粉土、粉质黏土、粉砂，透水性相对较差，单井涌水量一般为5～10 m3/d，沿钱塘江地段涌水量相应增大，补给主要为大气降水和地表水，排泄主要为农业灌溉开采、工业开采、区内养殖开采和东北方向侧向径流；承压水含水层顶板埋深45～85 m，局部更深，岩性主要为棕黄色、褐黄或杂色含黏性土砂砾石等，结构紧密，富水性一般大于1 000 m3/d。

2 采样及测试方法

研究区域和采样点如图1所示，先调查机民井和水文钻孔，后选择具有代表性的点采集样品，一般地区地下水采样密度为3～4 组/100 km2，典型区域采样密度为10～20 组/100 km2。按照中国地质调查局DD 2008-01《地下水污染地质调查评价规范》［6］的要求，对具有代表性的地下水井进行取样研究，样品采集和保存参照HJ 164-2020《地下水环境监测技术规范》［7］。

所涉及的测试指标为pH、溶解性总固体（TDS）、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-和SO2-4，其中现场对水样进行pH测试，其他指标测试工作由国土资源部华东矿产资源监督检测中心完成。检测依据GB/T 5750-2006、DZ/T 0064.9-1993、HJ 665-2013等；采用重量法测定溶解性总固体（TDS），滴定法测定HCO-3质量浓度，I Dionex-2500离子色谱仪（IC）测定Cl-和SO2-4质量浓度，Icap Q电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定K+、Na+、Ca2+、Mg2+、砷、锰和铁等金属离子。分析方法的准确性和精密度均能满足水样测试质量管理规范的要求。

3 水化学特征分析

3.1 地下水水化学成分含量统计特征

本次研究共采集46组水样，其中38组潜水样品，8组承压水样品，研究区内地下水水化学成分分析结果如表1所列。潜水 pH在7.05～8.40之间，平均值为7.76，呈弱碱性，且pH變异系数最小，为4.63％，表明pH在空间上分布均匀，空间变异性较小；TDS介于102～1 602 mg/L之间，平均值为638.76 mg/L，其中有1组水样TDS介于1 000～3 000 mg/L，其余样品TDS＜1 000 mg/L，淡水为主。阴离子浓度呈现为HCO-3＞Cl-＞SO2-4，阳离子（含Na+和K+）浓度呈现为（Na++K+）＞Ca2+＞Mg2+。TDS和各离子浓度变异系数在40.21％～108.11％之间，变异性较强，表明其空间差异性较大。

承压水pH在8.02～8.32之间，平均值为8.18，呈弱碱性，pH变异系数最小，为1.40％，表明pH在空间上分布均匀，空间变异性较小；TDS介于1 160～4 860 mg/L之间，平均值为3 080.75 mg/L，均为微咸水。阴离子浓度呈现为Cl-＞HCO-3＞SO2-4，阳离子（含K+与Na+）浓度呈现为（Na++K+）＞Ca2+＞Mg2+。

3.2 舒卡列夫分类法

前苏联学者舒卡列夫分类法［8］是根据地下水中6种主要离子（K+合并于Na+中）及矿化度划分的，对含量大于25％毫克当量的阴离子和阳离子进行组合，共分成49型水，每型以一个阿拉伯数字作为代号，如表2所列。按矿化度又划分为4组：A组矿化度小于1.5 g/L，B组1.5～10.0 g/L，C组10.0～40.0 g/L，D组大于40.0 g/L。不同化学成分的水都可以用一个符号代替，例如：1-A型即矿化度小于1.5 g/L的HCO3-Ca型水。

如表3所列，潜水中按照TDS分类，水样矿化度小于1.5 g/L，地下水A类水占97.37％，仅有1组水样矿化度介于1.5～10.0 g/L，水样为B类水，占比3％，水化学组成类型主要为HCO3-Na·Ca·Mg型和HCO3·Cl-Na型；承压水中，水化学组成类型主要为Cl-Na· Ca·Mg和 Cl-Na。

由于该分类方法的指标较少，适用于研究区水质的初步分析。

3.3 派珀三线图解

派珀（A.M.Piper）［9-12］三线图解由两个三角形和一个菱形组成，左下角三角形的三條边线分别代表阳离子中（Na++K+）、Ca2+及Mg2+的毫克当量百分数，右下角三角形表示阴离子HCO-3、Cl-及SO2-4的毫克当量百分数，如图2所示。任意水样的阴阳离子的相对含量分别在两个三角形中以标号的圆圈表示。由图2可知，潜水水样点主要落在三线图图解的1、3、5区，表明潜水主要离子碱土金属离子（Ca2+、Mg2+）毫克当量大部分超过碱金属离子（Na+、K+），弱酸根离子（HCO-3）毫克当量百分比含量超过强酸根离子（Cl-、SO2-4），弱酸根碳酸盐硬度超过50％，水样点阴离子多分布于HCO-3（50％～100％）端元，阳离子分布大多集中在（Na++K+）和Ca2+之间。承压水水样点主要落在三线图图解的1、2区，表明碱金属离子和碱土金属离子分布相对比较均匀，水样点落在4、6、7区，表明强酸根离子（Cl-、SO2-4）大于弱酸根（HCO-3），阴离子以Cl-为主，落在Cl-（80％～100％）端元。

综合舒卡列夫分类法和派珀三线图解，浅层地下水中水化学类型主要为HCO3-Na·Ca·Mg和HCO3·Cl-Na型水，水化学优势离子为（Na++K+）和HCO-3。

3.4 水岩模型分析

Gibbs图［13-15］常用来研究水岩作用对地下水化学的影响，通常将影响水体化学组成及演化的因素归纳为大气降水、岩石风化和蒸发结晶3种。

研究区内潜水水样的TDS范围为102～1 602 mg/L，阳离子（K+与Na+）浓度比值Na+/（Na++Ca2+）范围为0.17～0.91，阴离子浓度比值Cl-/（Cl-+HCO3-）范围为0.04～0.42。由图3可知：所有地下水样品Cl-/（Cl-+HCO3-）比值均小于0.5，部分样品中Na+/（Na++Ca2+）的比值小于0.5，落在岩石风化作用控制范围内，远离蒸发-浓缩和大气降水控制范围，表明研究区地下水的主要离子组成受岩石风化作用控制，受大气降水和蒸发结晶作用较小；部分样品中Na+/（Na++Ca2+）的比值大于0.5，落在Gibbs图外，表明该部分地下水受岩石风化作用的同时也受其他作用的影响，如人类活动。

承压水水样的TDS范围为1 160～ 4 860 mg/L，阳离子（K+与Na+中）浓度比值Na+/（Na++Ca2+）范围为0.30～0.80，阴离子浓度比值Cl-/（Cl-+HCO3-）范围为0.72～1.00，水样点位于图的右上方的蒸发结晶作用区，接近海水的特性，远离岩石风化作用和大气降水作用，表明控制其水化学组分的主要作用为海水作用。晚更新世以来，研究区内发生了多次海侵和海退过程，尤其是第三次海侵，对本区承压水的主要离子组分的影响较大，海侵作用不仅咸化了承压水，而且增加了承压水的还原作用，是导致水质恶化的原因［16-17］。

4 地下水质量评价

4.1 评价指标的选取

水质评价指标的选择遵循可测性、可比性及灵敏性原则，根据研究区内水质情况，选择溶解性总固体、氯化物、亚硝酸盐（以N计）、钠、锰、铁和砷作为评价研究区内的主要影响指标。

4.2 单指标评价法

参照GB 14848-2017《地下水质量标准》［18］，按标准中的各类地下水评价指标限值对各单指标进行评价，根据指标值所在限值范围确定地下水水质类别，根据“从劣不从优”的原则，选取指标最差水质类别作为该地下水综合水质类别。

4.3 综合质量评价F值法

（1） 进行各单项组分判定，根据规范中地下水质量分类指标所属质量类别，确定评价值Fi［19-22］。

（2） 利用公式（1）、（2）和（3）计算综合质量评价：

式中：Fi为单项指标评价值；F—为单项指标评价分值的平均值；Fmax为单项指标评价分值的最大值；n为评价指标的数量。

（3） 根据所得到的综合质量评价，按照水质类别分级，确定地下水质量类别。

4.4 模糊综合评价法

模糊综合评价法［23-26］是一种以模糊数学为原理的综合评价方法，它将评价中的影响因素通过影响权重和对各级别的隶属度进行定量处理，建立不同级别下的隶属度函数，根据隶属度函数确定模糊矩阵，然后根据各影响因素的平均值和实测值确定各组分对该组地下水的影响权重值，最后根据模糊矩阵和权重对研究对象做出评价，选取分值最高的作为该组地下水水质评价的结果。

4.5 评价结果

（1） 潜水各评价方法的评价结果如表4所列，有14组水质类别是一致的，其他水样的评价结果略有不同。3种评价方法水质类别占比如表5所列，单指标评价法的评价结果集中于Ⅲ～Ⅴ类水，综合质量评价法的评价结果集中于Ⅱ～Ⅴ类水，模糊综合评价法水质类别评价结果集中于Ⅰ～Ⅲ类水，模糊综合评价法评价结果优于单指标评价法和综合质量评价法的评价结果。

原因在于单因子评价法计算方式相对比较简单，仅考虑单一影响因子对水质状况的影响，根据“从劣不从优”的原则，忽略了多重影响因素对水质的综合影响，导致水质类别总体偏高；综合质量评价法考虑最大污染因子的影响，评价结果取单因子指数的平均值，过分依赖最大值，忽略了极大值的权重［27-29］。单指标评价法和综合质量评价法不能考虑水质分级界限的模糊性，容易受指标最大浓度的影响，在一定程度上高估了水质污染程度，在这样的情况下，模糊综合评价法考虑重新定义了最大污染因素权重值，由各因子的权重和隶属度矩阵相乘，得到的综合评价结果反映了水质级别的模糊性，其评价结果更可能接近水质真实值。

（2） 承压水水质评价结果如表6所列。8组承压水水质均为Ⅴ类水质，其中氯离子浓度均超过地下水质量标准中Ⅴ类水标准，由此也可以推断研究区内承压水受到海侵作用的影响较大。

5 结果与讨论

研究区内西南以居民区为主，东北为沿江工业区和养殖区为主，浅层地下水总体由西南流向东北，地下水水化学的空间分布规律并不完全和地下水径流一致，除了受到地下水径流和水岩作用的影響，还受到人类活动和土地类型的影响。居民区因路面硬化，浅层地下水受大气降水补给较弱，水岩作用充分，形成以HCO3-Na·Ca·Mg为主型水；在沿江工业区和养殖区，受离子交换作用和人类活动影响，形成HCO3·Cl-Na型水。

通过3种评价方法结果分析，模糊综合综合评价法的评价结果更为合理，评价结果可采纳。根据评价结果，研究区地下水水质空间分布如图4所示，潜水评价指标中Ⅰ～Ⅲ类水占68.42％，主要集中在西南居民区，可适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水；Ⅳ类水占28.95％，Ⅴ类水占2.63％，主要集中在东北沿江工业区和养殖区，TDS和NO-3超标，需要适当处理后才能使用。部分潜水中铁、锰和砷超标，结合研究区内地层结构，综合收集的资料和前人的研究，研究区内在海陆交替带形成铁锰物质，通过溶滤作用进入地下水，导致部分潜水也形成铁锰离子超标的现象，属于原生地质环境的污染［30］；研究区内承压水污染主要受海侵影响，导致评价指标均超标，不宜饮用。

6 结 论

（1） 研究区潜水pH在7.05～8.40之间，平均值为7.76，呈弱碱性；TDS介于102～1 602 mg/L之间，平均值为638.76 mg/L，淡水为主；阴离子浓度呈现为HCO-3＞Cl-＞SO2-4，阳离子（K+与Na+）浓度呈现为Na++K+＞Ca2+＞Mg2+。承压水pH在8.02～8.32之间，平均值为8.18，呈弱碱性；TDS介于1 160～4 860 mg/L之间，平均值为3 080.75 mg/L，均为微咸水。阴离子浓度呈现为Cl-＞HCO-3＞SO2-4，阳离子（K+与Na+）浓度呈现为（Na++K+）＞Ca2+＞Mg2+。

（2） 根据舒卡列夫分类法、派珀（A.M.Piper）三线图解和水岩模型分析，研究区潜水以淡水为主，主要为HCO3-Na·Ca·Mg型水和HCO3·Cl-Na型水，水化学离子组成主要受岩石风化作用的影响；承压水水化学组成类型主要为Cl-Na· Ca·Mg和 Cl-Na，受海侵影响较大。

（3） 通过3种评价结果分析，模糊综合评价法的评价结果更为合理。研究区潜水评价指标中Ⅰ～Ⅲ类水主要集中在西南居民区，Ⅳ～Ⅴ类水主要集中在研究区东北沿江工业区和养殖区，TDS和NO-3超标，部分潜水受原生地质环境的污染；承压水污染主要受海侵所影响，不宜饮用。

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（编辑：刘 媛）

Hydrochemical characteristics and water quality evaluation of groundwater in lower reaches of the Qiantang River

CAI Xiaohu，KANG Congxuan

（Nanjing Center，China Geological Survey，Nanjing 210016，China）

Abstract：In order to explore the hydrochemical characteristics and water quality of groundwater in the lower reaches of the Qiantang River，the test data of 46 groundwater samples in this area were analyzed by mathematical statistics，Pipers three-line diagram，Gibbs diagram，single-index evaluation method，comprehensive quality evaluation method and fuzzy comprehensive evaluation method.The results showed that the phreatic water hydrochemical types were HCO3-Na·Ca·Mg and HCO3·Cl-Na respectively，which were mainly affected by dissolution of rock salt，ion exchange，and human activities.The confined water hydrochemical types were Cl-Na·Ca·Mg and Cl-Na，which were mainly affected by seawater.By comparing and analyzing the differences between the evaluation methods，the evaluation results of fuzzy comprehensive evaluation method were more objective for regional groundwater assessment.The results showed that the phreatic water quality in the study area was generally good，and some phreatic water might be polluted by the original geological environment.While the confined water was mainly affected by marine intrusion and was not suitable for drinking.The research has positive guiding significance for the development，utilization and protection of groundwater in the area.

Key words：groundwater；hydrochemical characteristics；water quality evaluation；piper three-line diagram；Qiantang River

收稿日期：2022-03-28

基金項目：国家重点研发计划项目“城市地下全要素信息集成与智能建模技术”（2019YFC0605102）;中国地质调查局项目“杭州多要素城市地质调查”（DD20190281）

作者简介：蔡小虎，男，工程师，硕士，主要从事水文地质和环境地质工作。E-mail：83087508@qq.com

通信作者：康丛轩，男，高级工程师，博士，主要从事工程地质学研究。E-mail：kangcongxuan@sina.com