閔 寧 任 瑾 林曼利

(1宿州學院資源與土木工程學院；2國家煤炭水害防治工程技術(shù)研究中心 安徽宿州 234000)

淺層地下水是北方地區(qū)重要的供水水源，安徽省宿州市是典型的以地下水為主要水源的城市。隨著近年來工業(yè)迅猛發(fā)展，污染物已經(jīng)滲透到空氣、土壤、食物和水，威脅到人類健康。淺層地下水水化學成分直接關(guān)系到水質(zhì)。

地下水化學成分是其與周圍環(huán)境(巖石、地表水、大氣)長期作用的結(jié)果。地下水水化學研究，主要探究其化學組成與起源，同時對淺層地下水開發(fā)和保護意義非凡。

1 研究區(qū)概況

宿州位于安徽省北部，豫蘇魯皖交界處，地處淮北平原北部，是中國重要的商品糧基地。宿州市地勢平坦，整體由西北向東南傾斜，平原區(qū)高程一般在20-40m，區(qū)內(nèi)土壤多由黃河、淮河歷次泛濫堆積作用形成，主要為第四紀松散沉積物覆蓋。區(qū)內(nèi)土壤類型以砂礓黑土為主，多被植被作物及農(nóng)作物覆蓋。研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，多年平均降水量840mm，雨量集中在6-9月，水資源短缺。

研究區(qū)內(nèi)地下水類型為松散巖類孔隙水。第四系松散含水層巖組遍及全區(qū)，且以全新統(tǒng)含水巖組分布最廣，該區(qū)大氣降水為主要補給水源，其次為灌溉回歸，地表水入滲補給。一般情況下，河流是地下水的排泄方式，區(qū)內(nèi)淺層孔隙水的總徑流方向為西北流向東南。同大多數(shù)北方城市一樣，研究區(qū)生活用水及工農(nóng)業(yè)用水主要依靠淺層地下水。隨城市快速擴張，地下水過度開采，導致地下水水位逐年下降，市區(qū)已形成3個大型區(qū)域性降落漏斗，面臨地面沉降風險[1-2]。工業(yè)垃圾及生活垃圾堆放也引起了地下水水質(zhì)惡化等問題。

2 水樣采集與測試

2015年4月，課題組對研究區(qū)淺層地下水進行了采樣，共采集樣品20個。為確保樣品不被污染，取樣前先將井水排放10min，后用井水潤洗干凈的聚乙烯瓶3遍，再將水樣充滿聚乙烯瓶，并迅速旋緊瓶蓋。水樣運回實驗室后，立即進行過濾處理，冷藏，待測常規(guī)離子?，F(xiàn)場完成pH、TDS測試。

水樣測試均在宿州學院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心完成。常規(guī)離子測試采用美國賽默飛公司離子色譜儀(ICS—900)，而HCO3-測試通過標準滴定法完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 常規(guī)離子特征分析

地下水主要離子特征統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。

表1 淺層地下水各指標含量統(tǒng)計表

注：pH值、變異系數(shù)無量綱，其他單位為mg/L

3.2 地下水水化學特征

由研究區(qū)地下水水樣Piper三線圖(見圖1)可以看出，研究區(qū)淺層地下水水樣主導陰離子是HCO3-，主導陽離子是Mg2+、Na+、Ca2+。水化學類型以Na-HCO3、Mg-HCO3、Na-Mg-HCO3和Na-Ca-HCO3為主。結(jié)合采樣信息，未呈現(xiàn)明顯的空間分布特征。

圖1 宿州城區(qū)淺層地下水常規(guī)離子Piper圖

3.3 地下水水化學特征成因分析

3.3.1相關(guān)性分析 水巖作用、蒸發(fā)濃縮或人為污染影響下的地下水水化學成分，離子含量之間表現(xiàn)為一些特殊相關(guān)性，從而推測出地下水中各離子來源[4]。

該區(qū)主要優(yōu)勢陽離子有Ca2+、Mg2+，Ca2+與TDS(r=0.60，圖2左)、Mg2+與TDS(r=0.22)呈現(xiàn)較明顯的相關(guān)性，Ca2+離子濃度也受控于pH(r=-0.59，圖2右)。淮北平原區(qū)方解石、白云石含量較高，且表層土壤含有豐富的有機質(zhì)(有機質(zhì)分解產(chǎn)生CO2，溶于水后分解方解石及白云石)，以上表明樣品堿土金屬元素含量的變化，是與地下水流動過程中與周圍碳酸質(zhì)巖石的反應相關(guān)[5]，亦與該區(qū)優(yōu)勢陰離子為HCO3-吻合。

地表水在滲流過程中，經(jīng)富含飽和鈣鎂膠體的粘性土層時，能發(fā)生交換反應，使入滲的水中Ca2+、Mg2+離子濃度增加，補給淺層地下水，造成地下水硬度升高，可能也起到一定作用[6]。

圖2 Ca2+與TDS、Mg2+與TDS關(guān)系圖

圖 與與TDS關(guān)系圖

F-與Ca2+呈明顯正相關(guān)(r=-0.52，圖4左)。對比中華人民共和國國家標準地下水質(zhì)量標準(GB/T 14848-1993)，F(xiàn)-含量明顯超Ⅲ類水標準(≤1.0mg/L)，超標率達60%，屬高氟水區(qū)。許光泉等[9]通過對比水化學類型和Ca2+-F-離子濃度，發(fā)現(xiàn)Ca型水F-離子的較低。分析其原因是由于Ca2+與地下水中的F-結(jié)合，形成難溶性的磷灰石螢石(CaF2)、(Ca5(PO4)3F)而沉淀下來，從而導致隨Ca2+含量升高和F-含量降低。

圖4 F-與Ca2+、F-與pH值關(guān)系圖

F-含量也受pH值影響。圖5右顯示，F(xiàn)-與pH值呈正相關(guān)(r=0.47)。堿性環(huán)境更有利于F-的溶解。這是由于在偏堿性地下水中Ca2+離子活度降低，抑制了F-的沉淀[10]。同時，偏堿性環(huán)境中OH-增多，易于置換含氟礦物中的F-，致使其濃度升高[11]。該區(qū)F-主要來源于區(qū)內(nèi)第四紀松散堆積物，氟含量約為220-950ppm[12]。降水穿過松散堆積物層，在利于氟淋濾的條件下(高pH值)，粘性礦物表面OH-取代F-，F(xiàn)-被釋放，從而形成高氟水。

K+含量除2個異常高值(15CQ13、15CQ14)外，與Na+含量呈明顯正相關(guān)(r=0.59，圖5)，表明該區(qū)地下水中Na+與K+主要由硅酸鹽礦物(長石)經(jīng)風化淋濾作用釋放出來。在地下水徑流條件良好地區(qū)，Na+與K+易隨地下水遷移，若經(jīng)流地富含粘土礦物，土壤膠體更易于吸附高價陽離子，交換作用可把礦物顆粒吸附的Na+與K+交換到地下水中，導致含量升高[13]。研究區(qū)局部K+含量異常高值，可能與該點人流量密集的商業(yè)活動區(qū)及小吃街產(chǎn)生大量廢水下滲有關(guān)。與之對應，Na+含量變化不大，是由于在下滲過程中Na+置換土壤中的K+，導致K+更多的進入地下水中。

圖5 Na+ 與K+關(guān)系圖(注：左圖總體，右圖局部)

Cl-可以直接指示地表污染源。因此利用地下水中的氯離子可以直接指示地表污染源。圖6顯示NO3-與Cl-弱的正相關(guān)(r=0.22)?？偟膩碚f，NO3-與Cl-的變化較為密切，說明是人為活動的影響，離散樣品表明可能并非單一污染源。Cl-主要來源于人類活動，因此該地區(qū)的NO3-主要為人畜排泄物及生活污物的污染導致[4-6]。

圖6 NO3-與Cl-關(guān)系圖

綜上所述，地下水化學類型以Na-HCO3、Mg- HCO3、Na-Mg-HCO3和Na-Ca-HCO3型為主。是礦化度中等、硬度中等的弱堿性水。從離子相關(guān)性分析來看，該區(qū)地下水化學成分主要受控于碳酸鹽、硅酸鹽溶解風化，人畜排泄物及生活污物也導致局部水體元素異常(如K+、Cl-、NO3-)。該區(qū)F-含量明顯超Ⅲ類水標準，屬高氟水，與pH正相關(guān)，來源于本區(qū)第四紀松散堆積物中高氟礦物。

3.3.2 Gibbs圖 宿州城區(qū)地下水的TDS質(zhì)量濃度較高，ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)比值較大(0.55-0.85)，ρ(Cl-)/ρ(Cl-+HCO3-)普遍比值較小(0.13-0.62)。由Gibbs圖可知(見圖7)，研究區(qū)地下水水體主要受蒸發(fā)-沉淀作用影響，同時也與研究區(qū)巖石風化相關(guān)。部分樣品點超出曲線范圍，可能與人類活動影響相關(guān)[14]。

圖7 宿州城區(qū)淺層地下水Gibbs圖

4 結(jié)論

采用數(shù)理統(tǒng)計、Piper三線圖、因子相關(guān)性、Gibbs圖等方法對研究區(qū)常規(guī)離子進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，宿州市地下水化學類型以Na-HCO3， Mg- HCO3， Na-Mg-HCO3， Na-Ca-HCO3型為主。城區(qū)地下水化學成分主要受控于碳酸鹽、硅酸鹽溶解風化，同時蒸發(fā)濃縮也起到重要作用。城區(qū)局部元素異常與人為活動關(guān)系密切。

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