何建國(guó)

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心)，江蘇徐州 221006；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221006)

地下水具有水質(zhì)良好、不易被污染、多年調(diào)節(jié)性等優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)城市和農(nóng)村地區(qū)生產(chǎn)生活用水的重要來(lái)源。徐州沛縣位于江蘇省西北部，區(qū)內(nèi)人口密集，是江蘇省重要的農(nóng)作基地，區(qū)域具有較豐富的地下水資源，然而，受區(qū)域自然、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及賦存于地下水與巖土相互作用等多種原生因素的影響，區(qū)域地下溶解性總固體和氟化物含量偏高[1-4]，在一定程度上制約了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此開(kāi)展區(qū)域地下水水質(zhì)特征及其成因分析具有重要的研究意義。

徐州市水文地質(zhì)工作開(kāi)始于20世紀(jì)50年代末，后續(xù)省、市水文地質(zhì)隊(duì)、環(huán)境管理部門在江蘇豐沛銅等區(qū)域陸續(xù)開(kāi)展了水文地質(zhì)調(diào)查工作，對(duì)第四系潛水，以及第四系、新近系承壓含水層水及巖溶地下水水資源利用、水質(zhì)特征及變化均開(kāi)展過(guò)調(diào)查[5-8]。本文在深入分析沛縣水源地及周邊水質(zhì)監(jiān)測(cè)井第Ⅲ承壓含水層化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)其成因進(jìn)行了深入研究，為沛縣環(huán)境和水利主管部門地下水資源保護(hù)和利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

沛縣水源地位于沛縣縣城區(qū)域，面積約10km2，本次根據(jù)水源地及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布情況，將沛縣整個(gè)縣城作為研究區(qū)域，面積100km2。沛縣主要發(fā)育地層有寒武系、奧陶系，石炭系中上統(tǒng)、二疊系，侏羅系上統(tǒng)，新近系和第四系，區(qū)內(nèi)主要的基底構(gòu)造豐-沛斷裂呈東西向。區(qū)域地下含水層按照含水層之間的水力聯(lián)系和富水程度從上而下可分為五個(gè)含水層，即全新統(tǒng)潛水含水層、上更新統(tǒng)承壓含水層(I承壓含水層)、中更新統(tǒng)承壓含水層(II承壓含水層)、下更新統(tǒng)承壓含水層(Ⅲ承壓含水層)和新近系承壓含水層。其中水源地主要賦層位為下更新統(tǒng)承壓含水層，含水層頂板埋深在72～150m，底板埋深在75～176m，含水巖組分布廣，富水性較好，在張莊—沛城東關(guān)以北地區(qū)含水層巖性為泥質(zhì)細(xì)砂，單井涌水量500～1 000m3/d，是豐沛區(qū)域供水主要含水層，水質(zhì)特征為HCO3-Ca·Na或Cl·SO4-Na·Ca·Mg型水。目前，下更新統(tǒng)承壓含水層以東北方向的側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，因受開(kāi)采影響，已形成以沛城-大屯為中心的水位降落漏斗，農(nóng)村地區(qū)對(duì)該層水的開(kāi)采強(qiáng)度亦有所加大，人工開(kāi)采成為其唯一排泄途徑。

2 水樣及巖土樣的采集與測(cè)試

筆者收集了研究區(qū)水文地質(zhì)報(bào)告、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等資料，在此基礎(chǔ)上，選取了沛縣區(qū)域內(nèi)9口水井的第Ⅲ含水層進(jìn)行水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并委托阜陽(yáng)某鉆探工程公司于2020年7月在沛縣縣城西南約10km，水源地流經(jīng)方向上游施工1口水文地質(zhì)勘探孔，采集下更新統(tǒng)承壓含水層第Ⅲ承壓含水層的水樣、含水層砂層樣和隔水層黏土樣品進(jìn)行測(cè)試(圖1)。水質(zhì)測(cè)試分析方法和標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)為GB/T5750《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》和GB T14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，土樣測(cè)試方法主要依據(jù) GB/T50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，該井單井出水約111.36m3/d，水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布Figure 1 Study area position and sampling points distribution

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水化學(xué)基本特征

3.1.1 地下水參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

表1 地下水水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of groundwater hydrochemical components

3.1.2 水化學(xué)類型分析

在對(duì)研究區(qū)第III承壓含水層9個(gè)水井地下水水化學(xué)基本組分特征分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)Piper三線圖法和舒卡列夫分類法分析其水化學(xué)類型[9-10]，由圖2可知，第III承壓水的水樣點(diǎn)分布在左側(cè)陽(yáng)離子的三角形的右下側(cè)，對(duì)于陰離子，主要分布在陰離子三角形的中部偏右上側(cè)，表明其陽(yáng)離子以Na++K+為主，陰離子以HCO3-為主。通過(guò)水樣點(diǎn)分布在菱形中的區(qū)域表明其水化學(xué)特征為Cl-+SO42->50%。按舒卡列夫分類，第III含水層水質(zhì)特征：HCO3-Na·Ca 或 HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水，研究區(qū)大部區(qū)域的礦化度在1 100～2 000 mg/L，為微咸水。

圖2 第III承壓含水層Piper 三線圖Figure 2 Piper trilinear chart of confined aquifer III

3.1.3 地下水各組分的相關(guān)性分析

表2 第III含水層中常規(guī)離子與TDS值的Spearman相關(guān)系數(shù)Table 2 Spearman correlation coefficients between routine ions and TDS values in confined aquifer III

3.2 地下水控制因素分析

3.2.1 自然因素

圖3 第III承壓含水層Gibbs圖Figure 3 Gibbs diagram of confined aquifer III

3.2.2 地質(zhì)與水文地質(zhì)因素

華北平原屬于黃河沖積平原，在沖積平原的形成過(guò)程，由于多沙性黃河不斷淤積和決口改道，形成主要由沙組成的河道帶，十分有利于地下水組分的溶濾及遷移，而處于河間地帶的豐沛區(qū)域成為泛流地帶，易使地下水鹽分積累，黃河再泛濫時(shí)，形成洼地沉積物，導(dǎo)致區(qū)域Na+、K+、Cl-含量增高[13-14]。此外，研究區(qū)內(nèi)深層水補(bǔ)給源來(lái)自北東地勢(shì)較高的魯西南山區(qū)[15]，區(qū)域碳酸鹽巖和變質(zhì)巖、花崗巖發(fā)育，由于碳酸鹽巖易溶蝕及部分巖石中易被淋濾元素遷移，同時(shí)研究區(qū)位于黃河沖積平原下游及泛流帶洼地，含水砂層薄，顆粒細(xì)，砂性土與黏性土交互沉積，地下水的徑流條件較差，造成補(bǔ)給區(qū)域地下水化學(xué)組分不易遷移的元素在含水層內(nèi)濃縮聚集，導(dǎo)致區(qū)域地下水硬度偏高，溶解性總固體(TDS)濃度也呈上升趨勢(shì)，這也與前文中的地下水各離子組分的相關(guān)性分析相對(duì)應(yīng)。

對(duì)于地下水中氟化物，整個(gè)華北平原含量普遍偏高，究其原因主要是黃河沖積平原形成的巨厚黏土、粉質(zhì)黏土中含有大量的氟化物，加之區(qū)域偏干旱的氣候條件導(dǎo)致土壤鹽漬化加重形成偏堿性的水土環(huán)境，促進(jìn)了氟化物的活化和富集；其次，魯西南沖積平原區(qū)的更新統(tǒng)和新近系孔隙含水層中的氟化物溶解遷移至處于地勢(shì)低洼的河間地帶，也推動(dòng)了氟化物濃度進(jìn)一步提高[15-16]。

3.3 含水層介質(zhì)溶釋因素

圖4 第III承壓含水層砂巖浸出離子濃度與地下水中離子濃度對(duì)比Figure 4 Comparison between confined aquifer III sandstone leaching-out ion concentration and ion concentration in groundwater

表3 第III承壓含水層砂巖水溶性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Confined aquifer III sandstone water-solubility tested results mg·kg-1

4 結(jié)論

1)沛縣地下水應(yīng)急水源地第III承壓含水層pH值6.58～7.91，平均值為7.46，屬弱堿性，變異系數(shù)0.04，可以看出研究區(qū)地下水酸堿變化幅度較小，整體較穩(wěn)定；研究區(qū)TDS值在441.00～1 660.00mg/L，平均值為1 104mg/L，屬微咸水，水質(zhì)類型以HCO3-Na·Ca 或 HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水為主。

2)由Gibbs圖可知，研究區(qū)第III承壓含水層地下水化學(xué)類型主要受巖石風(fēng)化作用影響，基本不受大氣降雨作用影響和蒸發(fā)結(jié)晶影響。

3)研究區(qū)位于黃河沖積平原河間泛流地帶，易形成洼地沉積物導(dǎo)致，同時(shí)魯西南山區(qū)碳酸鹽地下水補(bǔ)給以及區(qū)域平原區(qū)地下水徑流不暢，導(dǎo)致地下水化學(xué)組元素在含水層內(nèi)濃縮聚集升高，造成溶解性總固體(TDS)濃度偏高；含水層中砂巖的溶釋作用，也是造成溶解性總固體(TDS)濃度偏高原因。

4)黃河沖積平原形成的巨厚黏土、粉質(zhì)黏土中含有大量的氟化物以及區(qū)域偏干旱的氣候條件和魯西南沖積平原區(qū)的含有氟化物地下水的補(bǔ)給，是導(dǎo)致氟化物偏高的原因。