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        典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水水化學(xué)特征及離子來源多元統(tǒng)計分析
        ——以皖北解集鄉(xiāng)為例

        2021-06-21 03:46:14袁政蓮顏曉龍王燕龍崔希銅
        科技視界 2021年14期
        關(guān)鍵詞:水巖水化學(xué)碳酸鹽

        袁政蓮 馬 杰 ,2* 顏曉龍 王燕龍 崔希銅

        (1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院,安徽 宿州 234000;2.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心,安徽 宿州 234000)

        0 引言

        當前, 鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟正處于生態(tài)友好型的循環(huán)發(fā)展狀態(tài),對水質(zhì)的要求也越來越高。 與此同時,隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟的發(fā)展, 人類活動與地下水水量和水質(zhì)的變化有著密切的聯(lián)系。 地下水水化學(xué)組分特征不僅能反映地下水循環(huán)模式, 同時也可用于深入解析其溶質(zhì)的形成機制及水文地球化學(xué)行為[1]。國內(nèi)諸多學(xué)者對地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律展開了眾多研究[2-5],黃望望等[6]對淮南新集礦區(qū)主要充水含水層進行水化學(xué)成因進行分析研究, 結(jié)果表明其控制因素主要為硅酸鹽和蒸發(fā)鹽巖的溶解及陽離子交替吸附作用。目前,針對皖北城鎮(zhèn)及其周邊地區(qū),地下水的水文地球化學(xué)研究成果頗多[7-9],而針對皖北鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的松散層地下水化學(xué)綜合研究相對較少。 本研究選取皖北典型傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)——解集鄉(xiāng)為研究區(qū), 對該區(qū)域的松散層地下水進行采樣,并分析了地下水水化學(xué)特征和形成機制。

        1 研究區(qū)概況及研究方法

        1.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)處于安徽省宿州市埇橋區(qū)東北部,連接蘇皖兩省,東臨安徽省宿州市靈璧縣,北接江蘇省徐州市銅山區(qū),從地質(zhì)構(gòu)造上看,地處華北臺地的魯西隆起東南段。 地理坐標范圍介于東經(jīng) 117°19′20″~117°20′40″,北緯 33°54′0″~33°54′50″之間。

        1.2 材料與方法

        采樣步驟參照HT164—2020《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》,共采集水樣26 件。 現(xiàn)場使用便攜式測試儀,測定pH、TDS 和EC 等指標。 樣品送至安徽省煤礦勘探工程技術(shù)中心,進行常規(guī)離子測試。 測試儀器、試劑及方法參照國家相關(guān)標準和要求[10]。

        2 水化學(xué)特征及離子來源分析

        2.1 地下水化學(xué)特征與類型

        對研究區(qū)26 件水樣的10 項水化學(xué)指標進行統(tǒng)計分析(見表 1)。 TDS 在 350.00~845.00 mg/L 之間,平均值為 550.50 mg/L,屬于淡水。EC 在 740.00~1 754.00 μs/cm之間,平均值為 1 151.12 μs/cm。 pH 在 7.34~8.89 之間,其中pH 大于8.50 的水樣僅1 組,表明地下水大部分呈弱堿性。 陽離子質(zhì)量濃度平均值由大到小依次為:Ca2+>Na+>Mg2+>K+,Ca2+為相對優(yōu)勢離子;陰離子質(zhì)量濃度平均值由大到小依次為:HCO-3>SO2-4>Cl-,HCO-3為相對優(yōu)勢離子。

        表1 水化學(xué)成分描述統(tǒng)計

        研究區(qū)Piper 三線圖中的菱形圖中,水樣集中在1 區(qū)、3 區(qū)和5 區(qū),即地下水樣中堿土金屬離子含量(Ca2+和Mg2+)大于堿金屬離子含量(Na+和K+),弱酸根離子含量(HCO3-)大于強酸根離子含量(SO42-和 Cl-),且碳酸鹽硬度大于50%。陽離子靠近Ca2+端元,Mg2+和Na+、K+相對較少,即陽離子以Ca2+為主;陰離子靠近HCO3-端元,遠離SO42-和Cl-端元,即陰離子主要以HCO3-為主。 由以上分析可知, 地下水水化學(xué)類型以Ca-Mg-HCO3型為主, 離子組分的形成與碳酸鹽巖的溶濾作用密切相關(guān)。

        2.2 離子來源分析

        Gibbs 圖常用于刻畫水巖相互作用,研究區(qū)內(nèi)TDS 質(zhì)量濃度在 350~845 mg/L 之間,ρ(Na++K+)/ρ(Na++K++Ca2+)較?。ㄐ∮?0.5),總體表現(xiàn)呈 TDS 分布較為集中,離子組合比例相對分散的分布特征。 所有水樣點均分布在中間及左側(cè)區(qū)域,即位于巖石風化類型控制區(qū), 表明解集鄉(xiāng)地下水的水化學(xué)組分形成以水-巖作用為主。 同時,離子比例分析也可揭示地下水離子來源問題。 研究區(qū)大部分樣品的 ρ(Cl-)/ρ(Na+)>1, 說明可能發(fā)生了硅酸鹽礦物和巖鹽的風化溶濾[2],還可能存在離子的交替吸附作用。ρ(Ca2+)/ρ(SO42-)>1,說明研究區(qū)地下水化學(xué)組分中Ca2+除硫酸鹽礦物風化溶濾外,還有其他來源[3]。 ρ(SO42-+HCO3-)/ρ(Ca2++Mg2+)<1,即研究區(qū)發(fā)生的水巖作用主要為碳酸鹽礦物的風化溶濾[4]。 大部分樣品的 ρ(Ca2+)/ρ(Mg2+)>2,即研究區(qū)發(fā)生的水巖作用可能為硅酸鹽礦物的風化溶濾ρ(Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-)/ρ(Na++K+-Cl-)含量關(guān)系中,y=-0.86x+1.73(R2=0.54)為其擬合方程,大部分樣品點落在斜率為0.86 的直線附近,表明解集鄉(xiāng)地下水化學(xué)組分發(fā)生了陽離子交換作用, 地下水中的Na+和K+置換出含水層中的 Ca2+和 Mg2+,與 ρ(Cl-)/ρ(Na+)分析結(jié)果相同。 綜上所述,影響解集鄉(xiāng)地下水離子來源的因素有碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、巖鹽的風化溶濾及陽離子交換作用。

        3 多元統(tǒng)計分析

        3.1 相關(guān)性分析

        以巖石風化溶濾作用為主導(dǎo)的水化學(xué)形成機理可通過水化學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)來進一步分析。 對研究區(qū)地下水水化學(xué)指標進行相關(guān)性分析, 陽離子Ca2+、Na+、Mg2+和與 TDS 的相關(guān)性較強(P<0.01),陰離子 HCO3-、Cl-、SO42-與 TDS 的相關(guān)性較強(P<0.01)。 其中 TDS 與 Ca2+之間的相關(guān)性最強(R=0.89,P<0.01),進一步說明TDS 的空間分布與Ca2+的含量大小有一定聯(lián)系。 此外,Ca2+和 Cl-、HCO3-相關(guān)性較大(R=0.88、R=0.75,P<0.01),Na+與 SO42-相關(guān)性顯著(R=0.84,P<0.01)。

        由此可推斷,方解石、白云石等碳酸鹽礦物,芒硝等硫酸鹽礦物, 巖鹽以及硅酸鹽礦物的風化溶濾是該區(qū)域地下水的主要離子來源。

        3.2 因子(主成分)分析

        因子分析可使因子變量具有較好的解釋性,可通過因子分析處理研究區(qū)水化學(xué)參數(shù)。 運用主成分法確定因子荷載,方差最大旋轉(zhuǎn)法對因子旋轉(zhuǎn)獲得分析指標旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣。 對旋轉(zhuǎn)后因子荷載矩陣選取特征值大于 1 的三個因子 F1、F2、F3進行分析,其方差累計貢獻率為84.47%,解釋效果較好(見表2)。 第一主因子 F1貢獻率達 42.22%,Ca2+、Cl-、HCO3-、TDS、EC 因子載荷較大。 結(jié)合離子比例系數(shù)和相關(guān)性分析可推斷, 地下水中Ca2+和HCO3-的共同來源為碳酸鹽礦物風化溶濾,Cl-來源與巖鹽的風化溶濾有關(guān)。因此,主因子F1反映水巖作用以碳酸鹽礦物風化溶濾和巖鹽風化溶濾為主。 第二主因子F2貢獻率達21.13%,Na+、SO42-、pH 因子荷載較大,Na+和 SO42-有共同的來源,可能為芒硝等硫酸鹽巖的風化溶濾。 因此,主因子F2反映水巖作用以硫酸鹽礦物風化溶濾為主。 第三主因子F3貢獻率達 21.12%,K+、Mg2+、HCO3-因子載荷較大,K+來源有硅酸鹽礦物的風化溶濾, 而Mg2+與HCO3-共同來源為碳酸鹽礦物風化溶濾作用。 因此,主因子F3反映水巖作用以碳酸鹽礦物和硅鋁酸鹽礦物風化溶濾為主。

        4 結(jié)語

        (1)研究區(qū)地下水水化學(xué)類型以Ca-Mg-HCO3為主。 陽離子質(zhì)量濃度平均值由大到?。篊a2+>Na+>Mg2+>K+,Ca2+為相對優(yōu)勢離子;陰離子質(zhì)量濃度平均值由大到?。篐CO3->SO42->Cl-,HCO3-為相對優(yōu)勢離子。

        (2)水樣點多數(shù)位于Gibbs 圖的中間及左側(cè)位置,即研究區(qū)地下水形成受巖石風化溶濾作用較大,受蒸發(fā)濃縮和大氣降水作用影響較小。

        (3)離子比例系數(shù)和多元統(tǒng)計分析表明,影響解集鄉(xiāng)地下水離子來源的水巖作用為碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、巖鹽的風化溶濾。 同時,研究區(qū)內(nèi)的地下水離子來源與陽離子交換作用有關(guān)。

        表2 因子分析結(jié)果

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