杜青輝，屈吉鴻，宋全香

(1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，鄭州 450016；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

0 引 言

在北方干旱平原地區(qū)，地下水在各種水資源中占據(jù)著十分重要的地位，是非常理想的飲用水源。開封市作為河南省新興副中心城市，用水需求不斷擴大，水量短缺和水質(zhì)污染現(xiàn)象頻發(fā)，對生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。因此，了解研究區(qū)地下水演化規(guī)律，分析其水質(zhì)變化及趨勢至關(guān)重要。李松青等[1]利用遺傳算法-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對開封市地下水水質(zhì)進(jìn)行評價,并從埋深、富水性兩個方面分析了水質(zhì)特征的分布規(guī)律。劉君等[2]探討了北方主要盆地和平原的地下水水化學(xué)變化規(guī)律，得出北方區(qū)域地下水水化學(xué)特征在時間和空間上均各有差異，其原因是長期大規(guī)模開采和人類活動產(chǎn)生的污染。王雅欣[3]等研究了南水北調(diào)通水對梁濟(jì)運河流域地下水化學(xué)成分影響。蔣萬軍[4]、劉偉坡[5]、王明君等[6]通過Piper 三線圖、皮爾遜相關(guān)系數(shù)、Gibbs 圖以及離子比例系數(shù)等方法分析各自研究區(qū)的地下水化學(xué)特征及成因。

本文在水文地質(zhì)調(diào)查和樣品采集分析的基礎(chǔ)上，研究其水質(zhì)變化及趨勢，并揭示地表水對地下水水化學(xué)特征及成因的影響，對地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義，為滿足今后研究區(qū)高質(zhì)量發(fā)展和生產(chǎn)生活用水需要提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

開封市地處中原腹地河南省東部的豫東平原黃河下游南岸(見圖1)，屬黃河沖積扇平原尖端，地勢平坦，區(qū)域內(nèi)廣泛分布新生代新近紀(jì)和第四紀(jì)松散堆積物，以細(xì)砂、中細(xì)砂為主[7]。本區(qū)地下水的含水類型均為松散巖類孔隙水。根據(jù)地層的傾向推測及深層地下水的補給徑流，在開封市城區(qū)人工開采是主要的排泄途徑。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

本文以開封市水文地質(zhì)勘察報告地下水采樣數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析水質(zhì)循環(huán)演化規(guī)律，取樣點共12個，其中地表水4個，沿黃河分布，地下水8個，垂直于黃河分布，位置見圖1。首先運用SPSS 軟件計算研究區(qū)地表水和地下水水化學(xué)基本組分特征，通過Piper 三線圖和舒卡列夫分類法分析地下水水化學(xué)類型，從不同方面分析比較地表水和地下水水質(zhì)的不同；然后通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)和離子比例系數(shù)分析地下水水化學(xué)成因規(guī)律，并進(jìn)一步判斷地表水對地下水水質(zhì)產(chǎn)生的影響；在此基礎(chǔ)上，利用主成分法分析研究區(qū)水質(zhì)污染狀況，以期為地下水資源的管理和保護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

圖1 研究區(qū)采樣點分布Fig.1 Location of the sampling points in the study area

3 地下水水化學(xué)特征分析

3.1 水化學(xué)組分特征

表1 研究區(qū)水化學(xué)組分特征表Tab.1 Statistics of hydro-chemical parameters in the study area

3.2 水化學(xué)類型分析

在分析研究區(qū)地表水和地下水水化學(xué)基本組分特征的基礎(chǔ)上，通過piper三線圖和舒卡列夫分類法分析其水化學(xué)類型，進(jìn)一步探討地表水對地下水的影響。由表2可以看出，地表水水化學(xué)類型主要是HCO·SO4·Cl·Na·Ca型，個別點是HCO·SO4·Na·Ca·Mg型；地下水水化學(xué)類型HCO· Ca ·Na ·Mg型，個別點是HCO ·Na ·Ca型、HCO ·Na ·Mg型和 HCO ·Mg· Ca型。這與前文陰陽離子占比分析結(jié)果相一致。由圖2可以看出，地表水堿土金屬超過堿金屬，地下水基本與其保持一致，只有極個別點相反；而在酸度方面，地表水強酸超過弱酸；地下水則相反，弱酸超過強酸。

圖2 地下水化學(xué)piper三線圖Fig.2 Piper Diagram of groundwater chemical

表2 舒卡列夫分類水化學(xué)類型表Tab.2 Hydro-chemical types of shukalev classification

3.3 水化學(xué)成因分析

本文進(jìn)一步從成分間相關(guān)關(guān)系、地下水化學(xué)成分的自然機制及離子來源三方面對比分析地表水和地下水水化學(xué)成因。

表3 地表水各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient of surface water indexes

表4 地下水各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient of groundwater indexes

根據(jù)前人研究可知，地下水化學(xué)形成機制主要有蒸發(fā)作用、水巖作用和大氣降雨3種[8]。Gibbs圖是通過分析部分離子比值和TDS含量的關(guān)系來定性地判斷水化學(xué)成因機制的一種方法，優(yōu)點是能夠簡潔直觀地反映分析結(jié)果。如圖3所示，水樣點基本處于圖中部，TDS含量較高，說明地下水化學(xué)形成主要受水巖作用的控制，個別點陽離子比值較大，水樣點偏向蒸發(fā)沉淀區(qū)域。即研究區(qū)內(nèi)水體主要受水巖作用的控制，少量地下水偏右，受到蒸發(fā)作用和水巖作用共同控制。

圖3 地下水化學(xué)Gibbs圖Fig.3 Gibbs diagram of groundwater chemistry

圖4 γNa+-γCl-關(guān)系圖Fig.4 γNa+-γCl- relationship diagram

圖關(guān)系圖Fig.5 relationship diagram

圖關(guān)系圖Fig.6 relationship diagram

圖關(guān)系圖 relationship diagram

在地下水化學(xué)形成作用中，有2組離子比例系數(shù)的分析至關(guān)重要。γCl--γCa2+經(jīng)常被用來作為衡量地下水動力強弱的指標(biāo)；γNa+-γCl-主要反映地下水中 Na+的富集程度，被稱為地下水的成因系數(shù)[10]。為進(jìn)一步探明地表水對地下水的影響，本文自北向南，沿垂直地表水徑流的方向進(jìn)行分析。由圖8可見，H1～H4為地表水取樣點，2組離子比值基本保持穩(wěn)定，而隨著距離地表水越來越遠(yuǎn)，地下水中γCl--γCa2+除極個別點劇增外，基本呈現(xiàn)下降趨勢，說明地下水水流動力作用總體增強；γNa+-γCl-則大體呈現(xiàn)上升趨勢，但趨勢緩慢。推測是由于Cl-含量下降，這與前文中離子濃度含量百分比分析中地下水中Cl-含量小于地表水中相一致。

圖8 離子比值沿程變化趨勢圖Fig.8 Trend chart of ion ratio along the path

4 水質(zhì)污染狀況分析

表5 特征值和主成分貢獻(xiàn)率及累計貢獻(xiàn)率Tab.5 Eigenvalues and principal components contribution rate and cumulative contribution rate

表6 主成分得分系數(shù)矩陣Tab.6 Principal component score coefficient matrix

表7 地下水主成分得分及排序Tab.7 Score and sequence of principal components of groundwater

5 結(jié) 論

(2)地表水和地下水中主要離子間相關(guān)系數(shù)相差不大。區(qū)內(nèi)水體主要受水巖作用的控制，少量地下水受到蒸發(fā)作用和水巖作用共同控制。Na+的來源是鹽巖溶解和其他含鈉礦物的溶解；Ca2+、Mg2+主要來源于碳酸鹽和硅酸鹽礦物，如白云石、方解石和石膏等，此外，陽離子吸附交換作用明顯。

(3)自北向南，沿垂直地表水徑流的方向分析地下水化學(xué)形成作用強弱，地表水水化學(xué)形成作用基本穩(wěn)定，而隨著距離地表水越來越遠(yuǎn)，地下水中γCl--γCa2+基本呈現(xiàn)下降趨勢，地下水水流動力作用有小幅度增強；γNa+-γCl-則大體呈現(xiàn)上升趨勢，趨勢緩慢。

(4)地表水污染小于地下水，污染物主要來源于水巖作用；地下水中靠近鐵路和地表水的取樣點水質(zhì)污染小于市中心取樣點，污染物來源除礦物溶解外，人為活動也造成大量污染。