， ，，，

(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽 合肥 230001)

淺層地下水是我國(guó)北方廣大農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)的飲用水源。淺層地下水埋藏相對(duì)較淺，水質(zhì)較好，易于采取利用。淺層地下水作為地球水循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)之一，與地表水補(bǔ)排交互關(guān)系密切[1]，其不斷的運(yùn)動(dòng)著，進(jìn)行著水文地球化學(xué)循環(huán)和水巖作用[2]，包括溶濾作用、濃縮作用、 脫碳酸作用、 脫硫酸作用、 陽(yáng)離子交替吸附作用、混合作用等，除這些自然作用外，隨著人類(lèi)活動(dòng)能力的急劇增加，人為作用對(duì)淺層地下水水流場(chǎng)的改變和水化學(xué)的改變也愈發(fā)強(qiáng)烈[3-6]。這些作用共同形成了地下水化學(xué)濃度差異的地下水，這種差異性反映了不同的地下水水化學(xué)特征，而這些地下水化學(xué)特征可以用于分析地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄以及分析水文地球化學(xué)演化[7-9]。因此，研究淺層地下水水文地球化學(xué)特征和空間分布規(guī)律，對(duì)認(rèn)識(shí)淺層地下水化學(xué)成因、演化規(guī)律以及在此基礎(chǔ)上開(kāi)展的地下水資源保護(hù)與可持續(xù)利用具有指導(dǎo)意義[10]。

1 研究區(qū)概況

阜陽(yáng)市地處黃淮海大平原南端、淮北平原西部，地形平坦，地面標(biāo)高一般在26～36 m。地勢(shì)總趨勢(shì)西北高、東南低，本區(qū)地貌按成因形態(tài)可劃分為沖積平原和剝蝕-沖積平原兩大類(lèi)型，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，溫和濕潤(rùn)，光照充足，雨量適中，四季分明，多年平均降水量901 mm。主要河流有潁河、泉河、茨河、茨淮新河、濟(jì)河、阜蒙河等[11-12]。

據(jù)地下水的埋藏條件、水力特征及其與大氣降水、地表水的關(guān)系自上而下劃分為淺層地下水和深層地下水，淺層地下水賦存于50 m以淺的全新世、晚更新世地層中，與大氣降水、地表水關(guān)系密切。根據(jù)阜陽(yáng)市地下水監(jiān)測(cè)資料，淺層地下水水位埋深一般在2.5～4.7 m，地下水位年際變化不大，年內(nèi)水位高峰出現(xiàn)在7～9月汛期，1～3月份水位較低，其余時(shí)段水位差別較小，水位年變幅1～2 m。大氣降水是淺層地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，其他補(bǔ)給來(lái)源還包括區(qū)內(nèi)農(nóng)田灌溉回滲和側(cè)向徑流補(bǔ)給。蒸發(fā)、農(nóng)村居民用水開(kāi)采、側(cè)向徑流是其排泄途徑。

本研究區(qū)位于阜陽(yáng)市潁河以東，面積為50.26 km2(見(jiàn)圖1)，靠近潁河?xùn)|岸區(qū)域主要為較大面積的居民聚集區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)居民區(qū))；FYS01、FYS02和FYS03附近化工業(yè)廠(chǎng)聚集區(qū)域；其他區(qū)域主要為農(nóng)業(yè)種植區(qū)域，內(nèi)有小范圍其他土地利用類(lèi)型，如村莊、道路等。

2 研究方法

2.1 樣品采集與測(cè)試

為研究本區(qū)域的淺層地下水化學(xué)特征和地下水空間分布規(guī)律，結(jié)合研究目的與研究區(qū)域范圍的實(shí)際情況，在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取民用淺層地下水水井采樣，本次共采集研究區(qū)內(nèi)水樣30個(gè)，采樣時(shí)間集中在2017年5月，所采水樣均為淺層地下水，采樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。采樣時(shí)用GPS現(xiàn)場(chǎng)定位，測(cè)量井深和地下水位埋深，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定pH和水溫，記錄所得數(shù)據(jù)。所采水樣送至安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)全分析，分析指標(biāo)包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-、CODMn等。地下水分析方法按《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 164-2004)來(lái)進(jìn)行。

圖1 研究區(qū)淺層地下水等水位線(xiàn)與采樣點(diǎn)分布

2.2 研究方法

地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)的處理采用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用Aquachem軟件繪制地下水化學(xué)的Piper圖，利用Surfer軟件進(jìn)行地下水化學(xué)的插值和制圖。地下水化學(xué)的空間分布插值采用克里格(Kriging)方法進(jìn)行?？死锝鸩逯凳且宰儺惡瘮?shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在局部區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估值的一種方法[13-14]。克里金方法適用于區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性，其考慮了己知數(shù)據(jù)點(diǎn)與待估點(diǎn)的影響，而且也考慮了已知數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的相互影響，并通過(guò)變異函數(shù)來(lái)表征區(qū)域化變量的空間結(jié)構(gòu)性，其實(shí)質(zhì)是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)未知點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性、無(wú)偏、最優(yōu)估計(jì)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 水化學(xué)基本特征

對(duì)研究區(qū)淺層地下水化學(xué)成分特征進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)特征值分析(見(jiàn)表1)，其中，pH值為7.84～8.83，平均值為8.23，屬弱堿性水?？?cè)芙夤腆w(TDS)含量的范圍為246.79～892.89 mg/L，平均含量444.11 mg/L，為低礦化度水。陽(yáng)離子平均含量：Na+(67.31mg/L)>Ca2+(65.45 mg/L)>Mg2+(27.42 mg/L)>K+(0.82 mg/L)，以Ca和Na為主；陰離子平均含量：HCO3-(375.21 mg/L)>Cl-(41.48 mg/L)>SO42-(32.84 mg/L)>NO3-(13.53 mg/L)，以HCO3-為主。從變異角度分析，其中pH值、HCO3-、Mg2+、TDS、Ca2+、Na+、Cl-變異系數(shù)相對(duì)較小(小于100%)，說(shuō)明這些指標(biāo)在淺層地下水中的處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[15]。而SO42-、K+和NO3-的變異系數(shù)較大，隨環(huán)境因素變化的敏感因子。

表1 研究區(qū)淺層地下水主要化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)表

注：表中pH單位無(wú)量綱，其他指標(biāo)單位為mg/L。

圖2 地下水水化學(xué)Piper圖

根據(jù)研究區(qū)水樣點(diǎn)的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)繪制Piper圖(如圖2所示)，由Piper圖分析可知：工業(yè)區(qū)與居民區(qū)附近淺層地下水水質(zhì)較接近，主要水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca和HCO3-Ca+Mg型, TDS為351.12～892.89 mg/L，而與農(nóng)業(yè)區(qū)附近水樣相對(duì)比，其HCO3-濃度較低，Cl-含量相對(duì)較高。這可能與工業(yè)區(qū)和居民區(qū)附近地表多為人工建筑，淺層地下水與空氣交替循環(huán)慢，接受大氣降水少，帶入含有CO2的降水補(bǔ)給少，表現(xiàn)為HCO3-濃度較低；該區(qū)域補(bǔ)給強(qiáng)度低，水循環(huán)慢，且有人為因素的影響，因此也表現(xiàn)為Cl-含量相對(duì)較高。農(nóng)業(yè)區(qū)附近地下水樣，具有較高的HCO3-含量，毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)多大于75，水質(zhì)類(lèi)型主要為HCO3-Na+K和HCO3-Ca+Mg型水，TDS相對(duì)較低，為246.79～668.52 mg/L。

3.2 地下水化學(xué)空間分布特征

區(qū)內(nèi)淺層地下水總體由西北流向東南，水位變化為24.4～27.8 m(見(jiàn)圖1)。區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)的空間分布規(guī)律并不完全與地下水徑流一致，除了受地下水徑流和巖石性質(zhì)影響外，還受人類(lèi)活動(dòng)、土地利用類(lèi)型、大氣降水的補(bǔ)給條件等影響。下面重點(diǎn)討論Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-和NO3-離子成分的空間分布特征。

區(qū)內(nèi)淺層地下水的Ca2+、Mg2+總體上西南側(cè)靠近居民區(qū)附近濃度較高，東部和北部的農(nóng)業(yè)區(qū)Ca2+、Mg2+濃度較低，這可能與東部居民區(qū)主要為硬化地面，淺層地下水接受大氣降水補(bǔ)給弱，且水力梯度小，地下水徑流相對(duì)緩慢，水巖作用較為充分有關(guān)；而西部和北部區(qū)域主要為農(nóng)業(yè)區(qū)域，淺層地下水受大氣降水補(bǔ)給條件較好，水循環(huán)速度快，水質(zhì)受到稀釋?zhuān)虼吮憩F(xiàn)為Ca2+、Mg2+濃度較低。

區(qū)內(nèi)淺層地下水的HCO3-分布規(guī)律與Ca2+和Mg2+的分布規(guī)律相反，HCO3-總體上在西部居民區(qū)和工業(yè)區(qū)附近濃度較低，而東部和北部的農(nóng)業(yè)區(qū)濃度較高(見(jiàn)圖3(a))。究其原因，一方面西部居民區(qū)和工業(yè)區(qū)Ca2+和Mg2+相對(duì)較高，制約著水中HCO3-的含量，另一方面，在東部和北部的農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水與大氣接觸面廣，二者交換較充分，大氣中的CO2溶解于地下水中，使該部分區(qū)域地下水HCO3-含量較高。

圖3 HCO3-、Cl-和NO3-地下水化學(xué)成分的空間分布圖

區(qū)內(nèi)淺層地下水的Cl-含量總體上表現(xiàn)為西部居民區(qū)和工業(yè)區(qū)附近濃度較高，而東部和北部的農(nóng)業(yè)區(qū)濃度較低(見(jiàn)圖3(b))。一般情況下，Cl-隨著地下水徑流，濃度逐漸增高，而此處的Cl-并沒(méi)有表現(xiàn)出如此變化規(guī)律，這說(shuō)明西部居民區(qū)和工業(yè)區(qū)附近Cl-的來(lái)源可能為人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的濃度增高，當(dāng)徑流到下游農(nóng)業(yè)區(qū)時(shí)，接受大氣降水補(bǔ)給強(qiáng)，水循環(huán)快，淺層地下水得到稀釋?zhuān)虼薈l-濃度降低。

區(qū)內(nèi)淺層地下水的NO3-總體上也表現(xiàn)為西部居民區(qū)和工業(yè)區(qū)附近濃度較高，而東部的農(nóng)業(yè)區(qū)濃度較低(見(jiàn)圖3(c))。其中，NO3-濃度最高的為FYS06號(hào)樣點(diǎn)，濃度高達(dá)140.50 mg/L，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)其分布在家禽養(yǎng)殖場(chǎng)附近，可能由于家禽糞便污水入滲所致； FYS01號(hào)水樣分布在工業(yè)區(qū)附近，濃度高達(dá)75.75 mg/L；區(qū)內(nèi)西南部的居民區(qū)零散地分布較高濃度的NO3-水樣點(diǎn)；東部的農(nóng)業(yè)區(qū)NO3-濃度普遍低于0.5 mg/L。以上分析說(shuō)明本區(qū)內(nèi)淺層地下水NO3-的主要來(lái)源為生活污水、農(nóng)業(yè)畜牧養(yǎng)殖和工業(yè)廢污水，而農(nóng)業(yè)的面源污染對(duì)NO3-的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)研究區(qū)淺層地下水pH值為7.84～8.83，平均值為8.23，屬弱堿性水。pH值、HCO3-、Mg2+、TDS、Ca2+、Na+、Cl-變異系數(shù)相對(duì)較小，這些指標(biāo)在淺層地下水中的處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。而SO42-、K+和NO3-的變異系數(shù)較大，隨環(huán)境因素變化的敏感因子。

(2)工業(yè)區(qū)與居民區(qū)附近淺層地下水水化學(xué)含量較接近，主要水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca和HCO3-Ca+Mg型, TDS為351.12～892.89 mg/L；農(nóng)業(yè)區(qū)附近淺層地下水HCO3-含量相對(duì)較高，水質(zhì)類(lèi)型主要為HCO3-Na+K和HCO3-Ca+Mg型水，TDS相對(duì)較低，為246.79～668.52 mg/L。

(3)區(qū)內(nèi)淺層地下水總體由西北流向東南，區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)的空間分布規(guī)律并不完全與地下水徑流一致，除了受地下水徑流和巖石性質(zhì)影響外，還受人類(lèi)活動(dòng)、土地利用類(lèi)型和大氣降水的補(bǔ)給條件等影響。

[1]郭華明,倪萍,賈永鋒,等．內(nèi)蒙古河套盆地地表水-淺層地下水化學(xué)特征及成因[J]．現(xiàn)代地質(zhì).2015.29(02):229-237.

[2]Ma, L.，Qian, J.Z.，Zhao, W. D.，Curtis, Z.，Zhang, R.G. Hydrogeochemical analysis of multiple aquifers in a coal mine based on nonlinear PCA and GIS.Environmental Earth Sciences, 2016.75(8):716.

[3]劉博,肖長(zhǎng)來(lái),梁秀娟,等.吉林市城區(qū)淺層地下水污染源識(shí)別及空間分布[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué).2015.35(02):457-464.

[4]廖磊,何江濤,曾穎,等.柳江盆地淺層地下水硝酸鹽背景值研究[J].中國(guó)地質(zhì).2016.43(02): 671-682.

[5]許光泉,王偉寧.安徽淮北平原淺層地下水水質(zhì)特征分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2010.37(03):12-16 +22.

[6]葉志清.淺層地下水化學(xué)成分特征及成因分析[J].地下水.2010.32(01):40-43.

[7]Ma, L.，Qian, J.Z.，Zhao, W. D.，Curtis, Z.，Zhang, R.G. Hydrogeochemical analysis of multiple aquifers in a coal mine based on nonlinear PCA and GIS. Environmental Earth Sciences, 2016.75(8):716.

[8]王克,周陽(yáng),穆根胥,等.關(guān)中盆地主要城市淺層地下水特征分析研究[J].地下水.2017.39 (02):14-17.

[9]許光泉,劉進(jìn),朱其順,等.安徽淮北平原淺層地下水中氟的分布特征及影響因素分析[J].水資源與水工程學(xué)報(bào).2009.20 (05):9-13.

[10]孫一博,王文科,段磊,等.關(guān)中盆地淺層地下水地球化學(xué)的形成演化機(jī)制[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2014.41(03):29-35.

[11]蔡珩.阜陽(yáng)高氟地下水形成的地質(zhì)環(huán)境淺析[J].地下水.1999(03):129-132.

[12]李益湘,官煜,孫利平.阜陽(yáng)市地面沉降趨勢(shì)預(yù)測(cè)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).1993(01):50-56.

[13]李曉暉,袁峰,賈蔡,等.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)插值方法的局部奇異性指數(shù)計(jì)算比較研究[J].地理科學(xué).2012.32(02):136-142.

[14]李曉暉,袁峰,白曉宇,等.典型礦區(qū)非正態(tài)分布土壤元素?cái)?shù)據(jù)的正態(tài)變換方法對(duì)比研究[J].地理與地理信息科學(xué).2010.26(06):102-105.

[15]王紹強(qiáng),朱松麗,周成虎.中國(guó)土壤土層厚度的空間變異性特征[J].地理研究.2001.20 (02):161-169.