蔣少杰

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站 宿州市監(jiān)測站，安徽 宿州 234000）

引言

水體水化學(xué)特征及其影響因素對(duì)水化學(xué)演化規(guī)律、水源涵養(yǎng)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[1]。宿州市供水水源目前主要為地下水，地下水資源較為豐富，但近年來受城市發(fā)展、人口增加等因素影響，使得水源地水質(zhì)和供水安全受到一定的威脅[2-4]。研究地下水水化學(xué)特征及水文地球演化規(guī)律，不僅可以確定水體地球化學(xué)的溶質(zhì)來源，并且對(duì)揭示各主要供水含水層（組）的水巖作用、水力聯(lián)系及轉(zhuǎn)化等具有重要意義。

近年來，眾多學(xué)者對(duì)皖北地區(qū)各類水體（地表水、地下水）的水化學(xué)、微量元素和同位素特征進(jìn)行了深入的分析與研究。如陳松等對(duì)淮北煤田主要河流的水化學(xué)及氫氧同位素特征進(jìn)行了研究，并對(duì)水適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[5]。陳星等對(duì)淮北臨渙礦區(qū)地表水水化學(xué)及硫氫氧同位素進(jìn)行了分析[6]。袁政蓮等對(duì)宿州地區(qū)的水庫水化學(xué)特征及灌溉性水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)[7]。胡云虎等對(duì)皖北地區(qū)的深層地下水水化學(xué)特征及水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8]。林曼利對(duì)礦區(qū)深部不同含水層的重金屬含量和水質(zhì)進(jìn)行了討論[9]。陳松等對(duì)太原組灰?guī)r水年齡和同位素地球化學(xué)特征進(jìn)行了研究[10]。楊娜等對(duì)皖北深層地下水的氟元素進(jìn)行了來源解析及影響因素分析[11]。但對(duì)研究區(qū)內(nèi)的淺層地下水和中深層地下水水化學(xué)特征及地球化學(xué)演化過程鮮見報(bào)道。

鑒于此，本研究基于宿州市城區(qū)地下水水化學(xué)特征，結(jié)合水化學(xué)分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析和離子比例端元圖等方法，闡述研究區(qū)的水文地球化學(xué)演化過程，以期為該地區(qū)地下水的水化學(xué)演化趨勢、資源開發(fā)利用和地下水環(huán)境保護(hù)工作提供理論基礎(chǔ)資料。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于宿州市中西部，是淮北北部丘陵與平原的過渡地區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。地形大致以符離集東西方向（宿北斷裂）為界，以北多為丘陵山區(qū)，標(biāo)高一般30-150m，最低27m，最高311.8m。以南為大片平原區(qū)，地形平坦，標(biāo)高一般為24-27m，最低23.2m。地形總趨勢西北和北部稍高，向東南和南緩傾，地形坡降約1/8000。大部分區(qū)域被第四紀(jì)松散沉積物覆蓋，出露的地層為上更新統(tǒng)或全新統(tǒng)，厚度一般在50～300m，并且從東南向西北逐漸增厚。

研究區(qū)地表水系較發(fā)育，主要河流有新汴河、沱河、濉河，其次為扒河、唐河、澮河、澥河、閘河和股河等，均為淮河水系。其中新汴河橫貫該區(qū)中部，為本區(qū)最大河流。根據(jù)地下水貯水介質(zhì)的特征，含水空隙的類型，研究區(qū)地下水類型可劃分為四種類型：松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖類裂隙水、基巖裂隙水。其中，松散巖類孔隙水按其埋藏條件、巖性組合、水力性質(zhì)等可劃分為：淺層含水層組（埋深在1.60-33.42m之間，單井涌水量一般為100-2000m3/d，導(dǎo)水系數(shù)30-280m2/d）、中深層含水層組 （埋深多在43-84m，單井涌水量一般為100-5000m3/d，導(dǎo)水系數(shù)多為60-500m2/d）與深層含水層組（埋深一般為110-150m，導(dǎo)水系數(shù)多小于150m2/d）。

2 樣品采集與測試

2021年3-5月，在研究區(qū)內(nèi)采集水樣共計(jì)25件，其中淺層地下水18件、中深層地下水7件。采樣點(diǎn)布置盡可能均勻分布原則，同時(shí)兼顧淺層和中深層并行采樣工作。樣品采集前，對(duì)鉆孔進(jìn)行抽水洗井，待含水層中的新鮮地下水完全流入孔內(nèi)確保水清砂凈后才能進(jìn)行水樣采集（一般抽水2-3小時(shí)或洗井抽出水量在井內(nèi)水體積的3倍-5倍），洗井至水清砂凈。采集原水樣品時(shí)，采樣前應(yīng)用所采樣品原水沖洗樣品瓶2-3次后取樣，樣品不添加任何保護(hù)劑并盡快密封低溫保存。分析參數(shù)主要包括pH 值、TDS、常規(guī)陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）和常規(guī)陰離子（Cl-、SO42-、HCO3-），除 pH 值和 TDS 現(xiàn)場測定外，其余指標(biāo)送至實(shí)驗(yàn)室完成分析。

地下水樣品采集方法參照《地下水監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)范》（DZ/T0307-2017），地下水樣品的保存和送檢參照《地下水監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)范》，分析測試方法參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-2017）。水樣測試送至具備國家計(jì)量認(rèn)證、國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可和（或）國土資源部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心審查認(rèn)定資質(zhì)條件的實(shí)驗(yàn)室完成。陽離子-陰離子濃度平衡測定誤差＜8%，滿足分析要求。由于K+含量較低，且Na+和K+在研究區(qū)內(nèi)具有同源性，故將Na+和K+合并成Na+進(jìn)行后續(xù)分析與討論。

3 結(jié)果與討論

3.1 描述性統(tǒng)計(jì)

采用多元統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)淺層地下水和中深層地下水的 pH、TDS、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-和Cl-等8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分析。淺層地下水中，pH值范圍在7.38-8.09之間，平均值為7.74，屬于中性到弱堿性；TDS范圍位于346.00mg/L-1049.00mg/L之間，平均為616.72mg/L，屬于淡水到微咸水。按常規(guī)離子含量平均值，各離子排序依次為：HCO3-＞Ca2+＞Cl-＞Na+＞SO42-＞Mg2+，HCO3-和 Ca2+分別為陰、陽離子中的優(yōu)勢離子。中深層地下水中，pH值位于7.65-8.11之間，平均值為7.87，處于中性到弱堿性；TDS在438.00mg/L-845.00mg/L之間，平均為562.86mg/L，TDS范圍位于438mg/L-845mg/L之間，平均為562.86mg/L，處于淡水到微咸水。按各離子平均含量排序， 依次為 HCO3-＞Na+＞SO42-＞Ca2+＞Mg2+＞Cl-，HCO3-和Na+為陰、陽離子中的優(yōu)勢離子。變異系數(shù)在 0.1-0.9 之間的離子有 HCO3-、Na+、Ca2+和 Mg2+，說明這些離子的空間變異性中等，離子來源因素較多。變異系數(shù)大于0.9的離子有SO42、Cl-，說明這兩種離子的空間變異性較強(qiáng)，受多因素影響，離子來源較復(fù)雜，如表1所示。

表1 淺層地下水水化學(xué)指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 水化學(xué)類型

利用水化學(xué)軟件，對(duì)18件淺層地下水水樣和7件中深層地下水水樣進(jìn)行水化學(xué)類型判定，如圖1所示。其中，淺層地下水水化學(xué)主要類型有Na-HCO3（16 件）、Ca-Cl（1 件）和 Na-Cl（1 件），中深層地下水水化學(xué)類型主要為Na-HCO3（7件）。水化學(xué)類型是水體對(duì)氣候、地形地貌、水文地質(zhì)條件、水巖作用以及人為活動(dòng)等作用下的綜合反映。一般情況下，陰離子類型中的 HCO3-、SO42-、Cl-分別是指示水文地質(zhì)循環(huán)中的補(bǔ)給、徑流、排泄條件下的特征離子[12]。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件分析，研究區(qū)為一平原區(qū)，淺層地下補(bǔ)給源大部分來自垂向的大氣降雨和側(cè)向的地表水，其水化學(xué)類型形成與降雨、河流有密切關(guān)系；中深層地下水與淺層地下水之間有穩(wěn)定的隔水層存在，僅局部發(fā)育“天窗”，受大氣降雨作用不明顯，但其陰離子主要為HCO3，可能與碳酸鹽巖礦物溶解作用、硅酸鹽巖礦物風(fēng)化作用有關(guān)。

圖1 地下水水化學(xué)類型Durov（圖注：“○”為淺層地下水，“☆”為中深層地下水）

3.3 水巖作用及離子來源

在眾多判定水文地球作用的方法中，Gibbs常被國內(nèi)外廣大的專家和學(xué)者用于判別各類水體離子來源的控制因素，即蒸發(fā)結(jié)晶作用、巖石風(fēng)化作用和大氣降水作用[13]。依據(jù)Gibbs圖，TDS含量在1000.00mg/L左右，水樣點(diǎn)均位于Gibbs圖的中部。其中，淺層地下水的Cl-/(Cl-+HCO3-)和Na+/(Na++Ca2+)分別為0.06-0.69和0.09-0.71，其平均值分別為0.20和0.37；中深層地下水的Cl-/(Cl-+HCO3-)和Na+/(Na++Ca2+)分別為 0.03-0.32和 0.33-0.70，其平均值分別為0.11和0.56。淺層和中深層的水樣點(diǎn)均落在Gibbs圖的中部，說明兩個(gè)含水層的主要離子來源均以水巖作用為主，即巖石風(fēng)化作用，如圖2所示。

圖2 地下水水化學(xué)Gibbs分布圖

水巖相互作用時(shí)，不同的含水層介質(zhì)將會(huì)給水體提供不同的溶質(zhì)組分，其中Cl-和和SO42-多來源于蒸發(fā)巖溶解作用 （鹽巖和硫酸鹽巖），HCO3-多來源于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解作用，Na+多來源于硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖的風(fēng)化溶解作用，Ca2+和Mg2+多來自碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖的風(fēng)化溶解作用。 采用 Ca2+/Na+、Mg2+/Na+與 HCO3-/Na+離子比值端元圖法，可揭示研究區(qū)淺層地下水的水化學(xué)成因及水巖作用類型。若Ca2+/Na+、Mg2+/Na+與HCO3-/Na+分別為 0.35±0.15，0.24±0.12 和 2.0±1 時(shí)， 表明該水體以硅酸鹽巖的風(fēng)化溶解作用為主，若Ca2+/Na+、Mg2+/Na+與 HCO3-/Na+分別為 50，10 和 120 時(shí)，表明該水體以碳酸鹽巖的溶解作用為主[14]。圖3顯示淺層與中深層地下水樣點(diǎn)集中在碳酸鹽與硅酸鹽的過渡區(qū)域，表明地下水水化學(xué)組分均與硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解密切相關(guān)。

圖3 地下水離子比例端元圖

4 結(jié)論

淺層地下水與中深層地下水均屬于中性到弱堿性。HCO3-和 Ca2+、HCO3-和 Na+分別為淺層地下水和中深層地下水的優(yōu)勢陰、陽離子。淺層地下水水化學(xué)主要類型有Na-HCO3、Ca-Cl和Na-Cl，中深層地下水水化學(xué)類型主要為Na-HCO3。淺層和中深層的水樣點(diǎn)均落在Gibbs圖的中部，說明兩個(gè)含水層的主要離子來源均以水巖作用為主，即巖石風(fēng)化作用。離子比例端元圖顯示，淺層與中深層地下水水化學(xué)組分均來自硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解。