李 論 唐 軍

一、概述

安徽省宿州市城西水源地地下水是城區(qū)生活、生產(chǎn)用水的主要來源。60年來，城西水源地累積向城市供水高達(dá)20 多億m3，其對于宿州市的城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性不言而喻。本文以宿州市城西水源地深層地下水為研究對象，利用Piper 圖、Gibbs 圖等方法并結(jié)合城西水源地水文地質(zhì)概況對該區(qū)主要離子特征及來源進(jìn)行分析。主要目的為：（1）探究城西水源地深層地下水中主要離子特征；（2）通過常規(guī)水化學(xué)方法，判斷出主要離子的來源。研究成果可為區(qū)域水資源管理提供參考。

二、材料與方法

（一）研究區(qū)概況

宿州市城西水源地作為城區(qū)唯一的飲用水水源地，其重要性不言而喻。城西水源地（地理方位：116°55'～117°05'E，33°30'～33°41'N）為一北西至南東向分布的富水地段，西起市界，南至桃園煤礦，東北基本以沱河為界，西南沿溝西村至劉合村一線，面積約為134.69km2。研究區(qū)位于我國南北氣候過渡帶，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.4℃，多年平均降雨量達(dá)858.1mm。研究區(qū)內(nèi)水系十分發(fā)育，沱河、新汴河、澮河等干流及支流縱橫交錯(cuò)。與此同時(shí)，研究區(qū)交通便利，道路錯(cuò)綜復(fù)雜，鐵路縱深其中。

本研究主要著眼于城西水源地深層地下水，其隸屬于松散巖類孔隙含水組，水力性質(zhì)為承壓水。本研究含水層主要埋深在70～150m，其巖性以細(xì)砂、中砂為主，次為粗砂。

（二）樣品采集與分析

2017年在宿州市城西水源地采集了24 個(gè)地下水樣品（如圖1），分別記作S1-S24。采用潤洗過3次的聚乙烯瓶進(jìn)行樣品采集，采樣期間需進(jìn)行經(jīng)緯度等信息的記錄。采樣現(xiàn)場需進(jìn)行pH 和TDS 測試。樣品收集結(jié)束后，再經(jīng)0.45μm 水系微孔濾膜過濾后，用于離子測試分析?？偣矞y試了7 種離子，其中HCO3-用酸堿滴定法測試，其余離子則采用戴安離子色譜進(jìn)行測試（ICS-600-900）。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖

（三）數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 對所測試離子的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用陰陽離子平衡法對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有樣品的陰陽離子平衡誤差均在±5%范圍內(nèi)，由此可得數(shù)據(jù)符合分析要求。利用Origin2019 繪制Piper 三線圖，分析研究區(qū)地下水水化學(xué)類型。運(yùn)用Gibbs 圖和混合圖解方法分析了地下主要離子的控制機(jī)制及來源。

三、結(jié)果與討論

（一）地下水指標(biāo)含量特征

城西水源地深層地下水水化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。研究區(qū)地下水中pH 在7.46～7.95mg·L-1，平均值為7.66±0.13mg·L-1，地下水總體呈弱堿性。TDS 的含量在427.91～818.50mg·L-1，平均值為561.93±104.38mg·L-1，其總體為淡水。地下水中主要離子的（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-）平均濃度大小依次為：HCO3-（512.33±93.94mg·L-1）>Na+（108.49±34.93mg·L-1）>Ca2+（60.47±15.81mg·L-1）>Cl-（47.34±45.14mg·L-1）>SO42-（46.90±22.10mg·L-1）>Mg2+（37.00±10.54mg·L-1）>K+（1.06±0.88mg·L-1），其中陰離子以HCO3-為主，占陰離子總濃度的84.46%；陽離子則以Na+為主，占陽離子總濃度的52.41%。

表1 城西水源地深層地下水水化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析表

（二）水化學(xué)類型

Piper 圖由兩個(gè)三角形和一個(gè)四邊形組成，兩個(gè)三角形分布在四邊形的左右兩側(cè)，其分別代表主要的陽離子（Na++K+、Ca2+、Mg2+）和陰離子（Cl-、SO42-、CO32-+HCO3-），常用于顯示主要離子濃度的相對大小以及分布特征。從圖2中可知，在代表陽離子三角形中，大部分水樣主要偏向于三角形的右下角，說明Na+在研究區(qū)深層地下水中占主導(dǎo)，其次則是Ca2+；在代表陰離子三角形中，絕大多數(shù)水樣位于三角形的左下角，表明HCO3-在研究區(qū)深層地下水中占主導(dǎo)。由此可知，研究區(qū)深層地下水中主要水化學(xué)類型為Na-Ca-HCO3和Na-HCO3型。

圖2 Piper 三線圖

（三）控制機(jī)制及主要離子來源

Gibbs 圖可以用于研究地下水化學(xué)組成與巖石之間的關(guān)系。研究表明，通過Gibbs 圖可以將水化學(xué)組成的機(jī)理分為三個(gè)部分：蒸發(fā)作用、水巖作用和降雨主導(dǎo)（圖3）。Gibbs 的離子濃度計(jì)算公式為：GibbsI=Cl-/（Cl-+HCO3-）和GibbsII=Na+/（Na++Ca2+）（單位為meq/L）。

圖3 城西水源地深層地下水Gibbs 圖

經(jīng)計(jì)算，深層地下水GibbsI 值范圍為0.41～0.80，平均值為0.60。Gibbs；II 范圍為0.03～0.45，平均值為0.13。

從圖3中可看出，所有樣品均位于水巖作用區(qū)域，表明水巖作用是研究區(qū)深層地下水水化學(xué)組成的主導(dǎo)因素。

（四）主要離子來源

自然界大部分深層地下水化學(xué)組分主要源于巖石或礦物的溶解，Na+、K+主要源于蒸發(fā)鹽和硅酸鹽溶解，Ca2+、Mg2+主要源于蒸發(fā)鹽、硅酸鹽和碳酸鹽溶解，HCO3-主要源于硅酸鹽和碳酸鹽溶解，運(yùn)用混合圖解（Ca2+/Na+與Mg2+/Na+、Ca2+/Na+與HCO3-/Na+）能夠直觀呈現(xiàn)地下水由礦物溶解所產(chǎn)生的離子主要來源。從圖4投點(diǎn)情況可知，水樣處于硅酸鹽及碳酸鹽溶解之間，且大部分水樣偏向于硅酸鹽溶解，表明研究區(qū)深層地下水化學(xué)組分主要來源于硅酸鹽溶解，少部分水化學(xué)組分來源于碳酸鹽溶解。從研究區(qū)概況知，本研究深層地下水的巖性主要為砂巖，因此分析與事實(shí)吻合。

圖4 Ca2+/Na+與Mg2+/Na+、Ca2+/Na+與HCO3-/Na+關(guān)系圖

四、結(jié)論

（1）城西水源地深層地下水呈弱堿性，總體水質(zhì)處于淡水范疇。水中主要陽離子為Na+（占陽離子總濃度的52.41%），陰離子為HCO3-（占陰離子總濃度的84.46%）。

（2）城西水源地深層地下水中水化學(xué)類型以Na-Ca-HCO3和Na-HCO3型為主。

（3）研究區(qū)深層地下水水化學(xué)組分的控制機(jī)制主要為水巖作用。地下水主要離子來源以硅酸鹽溶解為主，其次少部分離子來源于碳酸鹽溶解■