曹偉民

宿州市水政監(jiān)察支隊(duì) 安徽 宿州 234000

引言

近年來(lái)，由于過(guò)度開(kāi)采和工農(nóng)業(yè)的污染輸入的影響，許多城市或地區(qū)的地下水資源已經(jīng)遭到嚴(yán)重破壞。特別是華北地區(qū)，水資源供應(yīng)矛盾更為突出[1]。據(jù)環(huán)保部頒布的《中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》，2021年我國(guó)V類(lèi)地下水相比2020年上漲了3個(gè)百分點(diǎn)，占比達(dá)20.6%。

城西水源地是我國(guó)第二批重要飲用水水源地，更是宿州市的主要供水來(lái)源[2-3]。統(tǒng)計(jì)顯示，自1985年以來(lái)該水源地已向城市供水20多億m3，其水質(zhì)優(yōu)劣直接影響到居民健康和城市發(fā)展。先前的研究對(duì)城西水源地淺層地下水水質(zhì)情況進(jìn)行了調(diào)查，如梁華通過(guò)內(nèi)梅羅污染指數(shù)發(fā)現(xiàn)淺層地下水中存在輕微污染，林曼麗等對(duì)地下水中重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，研究結(jié)果顯示Cr和Cd具有一定的致癌風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。然而，深層地下水水質(zhì)情況尚未受到相應(yīng)的關(guān)注，這制約了對(duì)城西水源地地下水資源的進(jìn)一步利用。因此，本研究的目的在于揭示城西水源地深層水的水化學(xué)特征，并深入了解地下水水化學(xué)組成控制因素，以期為該區(qū)域水資源的管理提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

主要研究的含水層為松散巖類(lèi)孔隙含水層，其由淺至深可進(jìn)一步劃分為3個(gè)亞類(lèi)含水層，依次為：第一含水層（淺層，簡(jiǎn)稱為一含）、第二含水層（中深層，簡(jiǎn)稱為二含）和第三含水層（深層，簡(jiǎn)稱為三含）。據(jù)鉆孔資料揭露，一含與二含埋深在100m以內(nèi)，三含隱伏于二含之下，頂板埋深在100m左右，底板埋深約150m，一般發(fā)育2層砂。巖性以細(xì)砂和中砂為主，其次為粗砂和粉砂，多為泥質(zhì)和鈣質(zhì)半膠結(jié)。自然狀態(tài)下，三含處于較封閉狀態(tài)，以層間徑流補(bǔ)給為主。

2 數(shù)據(jù)收集、測(cè)試與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與測(cè)試

本研究地下水樣品采集自研究區(qū)的22口深井（深度在130-150m之間）。測(cè)試的指標(biāo)包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、F-、H2SiO3、pH、TDS、TH和耗氧量。測(cè)試方法如下：pH和TDS在采樣現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手持式水質(zhì)檢測(cè)儀測(cè)定，TH通過(guò)EDTA容量法測(cè)試，耗氧量通過(guò)高錳酸鉀法測(cè)試（結(jié)果以O(shè)2記），HCO3-通過(guò)實(shí)驗(yàn)室滴定法測(cè)試，其余指標(biāo)均通過(guò)離子色譜法測(cè)試。

2.2 分析方法

首先利用Excel計(jì)算不同指標(biāo)的最小值、平均值和最大值，并分別與國(guó)家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848-2017）對(duì)比，以評(píng)估水質(zhì)狀態(tài)，然后通過(guò)Piper三線圖并劃分地下水化學(xué)類(lèi)型，最后通過(guò)離子間關(guān)系探討水化學(xué)形成機(jī)制。

3 地下水水質(zhì)特征

3.1 水質(zhì)參數(shù)濃度分析

22組深層地下水樣品中陰離子平均濃度從高到低為HCO3-（508mg/L）＞ Cl-（49.8mg/L）＞SO42-（46.5mg/L）＞F（0.45mg/L)，陽(yáng)離子平均濃度排序依次為Na+（106.3mg/L）＞ Ca2+（63.4mg/L）＞ Mg2+（40.3mg/L）＞ K+（1mg/L）。22個(gè)樣品的pH值處于7.0～8.0之間，說(shuō)明地下水為中性至弱堿性。地下水中偏硅酸（H2SiO3）含量變化范圍為17.7～40.3mg/L，平均值為25.7 mg/L，大多數(shù)水樣符合國(guó)家飲天然礦泉水標(biāo)準(zhǔn)中偏硅酸濃度界限（25mg/L）[6]。TDS和TH濃度變化范圍分別為496～886mg/L（平均值為694mg/L）和225～570mg/L（平均值為450mg/L）。耗氧量范圍為0.54～1.90mg/L，平均值為0.96mg/L。

本研究已測(cè)試的13種水化學(xué)指標(biāo)中有5種指標(biāo)（HCO3-、Ca2+、Mg2+、K+和偏硅酸）在國(guó)家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848-2017）中無(wú)規(guī)范，因此未統(tǒng)計(jì)其達(dá)標(biāo)率[7]。國(guó)標(biāo)中III類(lèi)水質(zhì)限值分別為，200 mg/L、250 mg/L、250 mg/L、1 mg/L、6.5-8.5、1000 mg/L、450 mg/L和3 mg/L，本研究中有1個(gè)地下水樣品的Na+濃度201.7 mg/L，因而達(dá)標(biāo)率為95.5%。此外，2個(gè)地下水樣品中TH超標(biāo)（達(dá)標(biāo)率為90.9%），其余指標(biāo)均符合III水質(zhì)對(duì)應(yīng)的濃度要求。

3.2 地下水水化學(xué)類(lèi)型劃分

如圖1所示，陰離子三線圖中HCO3-占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，絕大多數(shù)水樣的HCO3-當(dāng)量濃度占比超過(guò)陰離子總量的70%，而陽(yáng)離子三線圖中樣品點(diǎn)的分布較為分散，總體上以Na+為主，Mg2+次之?；诖耍瘜W(xué)類(lèi)型結(jié)果如下：Na-HCO3型15個(gè)（68%），Mg-HCO3型5個(gè)（23%）和Ca-HCO3型2個(gè)（9%）。

圖1 水化學(xué)類(lèi)型圖解

4 地下水水化學(xué)成因分析

巖類(lèi)判別圖（Mg2+/ Na+、Ca2+/ Na+以及HCO3-/ Na+，單位為meq/L）可以將地下水化學(xué)成因劃分為蒸發(fā)巖溶解、硅酸鹽風(fēng)化和碳酸鹽溶解3種類(lèi)型，因此常用于地下水水文地球化學(xué)的研究中。從圖2可看出，所有樣品均位于硅酸鹽風(fēng)化區(qū)域附近，說(shuō)明研究區(qū)含水層中硅酸鹽礦物的風(fēng)化是深層水水化學(xué)的主要控制因素，化學(xué)方程式如下：

圖2 三大巖類(lèi)判別圖

氯堿指標(biāo)（Chioro-Alkaline indices，CAI-I和CAI-II）常用于判斷地下水中陽(yáng)離子交換作用的強(qiáng)度與方向。研究表明，若CAI-I和CAI-II均大于0說(shuō)明地下水中存在Ca2+和Mg2+置換Na+，若均小于0則說(shuō)明發(fā)生Na+置換Ca2+和Mg2+。CAI-I和CAI-II的計(jì)算公式如下（單位：meq/L）：

將各水樣中離子濃度帶入公式可知，CAI-I和CAII-I的變化范圍分別為-18.61～0.37（平均值為-4.79）和-0.59～0.26（平均值為-0.33）。21個(gè)樣品（占比95%）的CAI-I和CAI-II值均小于0，說(shuō)明研究區(qū)三含中存在Na+置換Ca2+和Mg2+的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致地下水中Na+相對(duì)于Ca2+和Mg2+更加富集。此外，（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）與（Na++ K+-Cl-）之間的關(guān)系也可以探討地下水中陽(yáng)離子交換作用的存在。在本研究中，（Ca2++ Mg2+-SO42--HCO3-）與（Na++ K+- Cl-）的擬合方程為y = -0.929x，r2為0.959，表明二者之間具有良好的線性關(guān)系，這也進(jìn)一步證實(shí)了氯堿指數(shù)分析獲得的結(jié)論。

5 結(jié)束語(yǔ)

①研究區(qū)深層地下水呈中至弱堿性，68%的樣品水化學(xué)類(lèi)型為Na-HCO3型；②地下水水質(zhì)狀態(tài)良好，絕大多數(shù)指標(biāo)（Cl-、SO42-、F-、pH、TDS和耗氧量）符合國(guó)標(biāo)III類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，且大多數(shù)水樣偏硅酸含量符合國(guó)家飲天然礦泉水標(biāo)準(zhǔn)；③硅酸鹽礦物的風(fēng)化和陽(yáng)離子交換作用是控制研究區(qū)地下水水化學(xué)組成的主要因素。