摘要：自2014年水利部組織實(shí)施華北地下水超采綜合治理工作以來，保定平原地下水位逐步回升，然而地下水化學(xué)要素及質(zhì)量變化缺乏系統(tǒng)研究。以2014～2022年采集的217組保定平原淺層地下水樣品為研究對象，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、Piper三線圖、Gibbs圖及離子比例系數(shù)等方法，分析了地下水水化學(xué)特征、空間分布規(guī)律及主要控制因素，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評價(jià)法對地下水質(zhì)量進(jìn)行了評估。結(jié)果表明：① 研究區(qū)地下水中陰離子以HCO^-₃為主，陽離子在山前沖洪積平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）主要為Ca²⁺、Mg²⁺，沖積平原區(qū)（Ⅱ區(qū)）主要為Ca²⁺、Na⁺，自西部山前到東部平原地下水化學(xué)類型由HCO₃-Ca·Mg型漸變?yōu)镠CO₃-Na·Ca·Mg型或HCO₃-Na·Mg型。② 研究區(qū)地下水中Na⁺、Mg²⁺、HCO^-₃濃度多年間較為穩(wěn)定，Ca²⁺、Cl^-、SO^2-₄、TDS濃度在2014～2021年波動(dòng)下降，2021～2022年明顯上升，水化學(xué)成分主要受巖石風(fēng)化、溶濾作用和陽離子交替吸附作用影響。③ 內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評價(jià)法評價(jià)結(jié)果顯示，Ⅲ類及以上樣品占比分別為73.73%和97.24%，說明多年來該區(qū)域地下水質(zhì)量較為穩(wěn)定。研究成果可為該地區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：地下水；水化學(xué)特征；水質(zhì)評價(jià)；保定平原

中圖法分類號：X824；P641.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.12.011

0 引 言

地下水資源具有分布廣泛、儲(chǔ)量豐富、水質(zhì)良好、便于應(yīng)用等特點(diǎn)，普遍被當(dāng)作人類生產(chǎn)生活的主要供水水源，是保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)資源^［1］。近年來社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類活動(dòng)對自然環(huán)境的影響也日漸加劇，地下水環(huán)境狀況面臨著嚴(yán)重威脅，區(qū)域地下水質(zhì)的評價(jià)和水環(huán)境的調(diào)查尤為重要^［2］。

保定市地處河北省腹地，是國務(wù)院批復(fù)確定的京津冀地區(qū)中心城市之一。隨著水利部門壓采政策的實(shí)施和河道生態(tài)補(bǔ)水工作的推進(jìn)，保定平原地下水位逐步回升，水化學(xué)環(huán)境也受到一定影響。目前許多學(xué)者對保定地區(qū)的地下水環(huán)境開展了研究，如郭春艷等^［3］采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對2006～2009年保定平原地下水質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)，認(rèn)為水質(zhì)總體相對較好；楊戈芝^［4］開展了2019年保定平原地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，分析了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)的空間分布規(guī)律，預(yù)測了氮對淺層地下水的污染趨勢。然而，以上研究時(shí)間較早，未曾涉及時(shí)間變化特征分析。針對相同點(diǎn)位不同年份的地下水化學(xué)組成和質(zhì)量的研究，可以精確分析地下水化學(xué)特征變化的程度，對水資源合理利用具有參考意義。

本文選取保定平原31個(gè)監(jiān)測井2014～2022年采集的217組水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析^［5］、Piper三線圖^［6］、Gibbs圖^［7］、離子比例系數(shù)^［8］等方法探究水化學(xué)特征、時(shí)空分布規(guī)律及影響因素，采用當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的內(nèi)梅羅指數(shù)法^［9］、模糊綜合評價(jià)法^［10］評估水質(zhì)狀況，以期為研究區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

保定平原位于太行山東麓的華北平原區(qū)，西靠太行山，地貌類型屬山前傾斜平原，地勢由西北向東南逐漸降低，地面高程大部分在5～26 m之間，總面積為9 375.7 km²。研究區(qū)氣候類型為溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.3 ℃，年平均降水量526 mm，四季分明、雨熱同期。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，河渠縱橫，主要河流包括南拒馬河、唐河、萍河、漕河、瀑河等。研究區(qū)淺層地下水主要指第Ⅰ、Ⅱ含水層組，自西向東可劃分為山前沖洪積平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）和沖積平原區(qū)（Ⅱ區(qū)）兩個(gè)水文地質(zhì)區(qū)，地下水由礫卵石和砂礫石組成的單一潛水含水層漸變?yōu)轲ね?、砂礫石、中砂組成的潛水-微承壓水含水層，補(bǔ)給來源為大氣降水和山區(qū)側(cè)向徑流，徑流方向與地形傾向、地表水流向大致相同，即北部由北西向南東方向運(yùn)動(dòng)，南部則由西向東方向運(yùn)動(dòng)，排泄方式主要為人工開采。

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集與測定

水質(zhì)樣品采集時(shí)間為每年5～7月（2015、2020年未采樣），數(shù)量共計(jì)217組，采樣點(diǎn)位置分布見圖1。水質(zhì)樣品嚴(yán)格按照HJ/T 164—2020《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行采集、保存和運(yùn)輸。樣品的測試由河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院水環(huán)境檢測中心完成，測試項(xiàng)目包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO^2-₄、HCO^-₃、CO^2-₃、NO^-₃、NO^-₂、NH⁺₄、F^-、Mn、Cu、Zn、Hg、Cd、Cr⁶⁺、Pb、pH、總硬度（TH）、溶解性總固體（TDS）等無機(jī)指標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

水質(zhì)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 20.0完成，使用MapGIS 6.7繪制采樣點(diǎn)分布圖和水化學(xué)離子分布圖，運(yùn)用Origin 2021進(jìn)行離子比例分析以及Piper三線圖和Gibbs圖的繪制。因內(nèi)梅羅指數(shù)法^［9］過于凸顯濃度最大評價(jià)指標(biāo)，而模糊綜合評價(jià)法^［10］考慮隸屬度關(guān)系，結(jié)果更為綜合，本次水質(zhì)評價(jià)利用Matlab R2017b結(jié)合兩種方法進(jìn)行討論。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要化學(xué)組分特征統(tǒng)計(jì)

對研究區(qū)采集的217組水質(zhì)樣品的水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。地下水中pH介于6.80～8.51之間，均值7.62，略偏堿性；TDS含量為191.00～1 370.82 mg/L；TH均值360.34 mg/L，為硬水。不同水文地質(zhì)分區(qū)地下水主要離子質(zhì)量濃度差異明顯，Ⅰ區(qū)地下水主要陽離子平均濃度排序?yàn)镃a²⁺＞Mg²⁺＞Na⁺＞K⁺，陰離子平均濃度排序?yàn)镠CO^-₃＞Cl^-＞SO^2-₄＞NO^-₃；Ⅱ區(qū)地下水主要陽離子平均濃度排序?yàn)镃a²⁺＞Na⁺＞Mg²⁺＞K⁺，陰離子平均濃度排序?yàn)镠CO^-₃＞SO^2-₄＞Cl^-＞NO^-₃。全區(qū)地下水離子組分中K⁺、Na⁺、Cl^-、SO^2-₄、NO^-₃變異系數(shù)較大，存在較強(qiáng)的異質(zhì)性。

3.2 水化學(xué)類型

Piper三線圖常被用于反映區(qū)域水化學(xué)特征^［11-12］，依據(jù)水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，繪制了研究區(qū)不同水文地質(zhì)單元的Piper三線圖，結(jié)果見圖2。由圖2可知，從陽離子來看，Ⅰ區(qū)大部分為鈣型，少部分為無主導(dǎo)型，Ⅱ區(qū)則主要為無主導(dǎo)型，自Ⅰ區(qū)至Ⅱ區(qū)Ca²⁺優(yōu)勢逐漸減弱，Na⁺+K⁺逐漸增強(qiáng)；從陰離子來看，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)均主要為重碳酸鹽型。

按照舒卡列夫分類法對地下水水化學(xué)類型分類，Ⅰ區(qū)水化學(xué)類型主要為HCO₃—Ca·Mg型水，廣泛分布于整個(gè)山前沖洪積平原，HCO₃·Cl—Ca·Mg型水在個(gè)別年份于河道兩旁出現(xiàn)，可能是受地表水影響導(dǎo)

致水力條件差異所致，位于山前沖洪積扇頂部的唐縣園子村多年來均為HCO₃-Ca型水，HCO₃·SO₄-Ca型水只在曲陽縣南養(yǎng)馬村小范圍出現(xiàn)，可能是地區(qū)煤礦富集地下水含硫較高所致。Ⅱ區(qū)水化學(xué)類型自西向東由HCO₃-Ca·Mg型漸變?yōu)镠CO₃-Na·Ca·Mg型或HCO₃-Na·Mg型。

3.3 地下水水化學(xué)特征時(shí)空變化

研究區(qū)2014～2022年地下水水化學(xué)不同離子組分年際變化略有不同，由圖3可知，Na⁺、Mg²⁺、HCO^-₃濃度多年間較為穩(wěn)定，Ca²⁺、Cl^-、SO^2-₄、TDS濃度在2014～2021年波動(dòng)下降，2021～2022年明顯上升。結(jié)合保定市河道生態(tài)補(bǔ)水情況來看，2021、2022年補(bǔ)水量分別為14.82億，14.75億m³，遠(yuǎn)超往年。2021年底主要河道常年有水，初步判斷地下水離子濃度的變化與地表水補(bǔ)給有關(guān)。

基于2014、2022年兩期水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)繪制研究區(qū)地下水水化學(xué)不同離子組分空間分布圖，結(jié)果見圖4。各離子組分在2014年和2022年的空間分布較為一致，TDS高值區(qū)主要分布在保定市區(qū)及其東部、涿州市區(qū)等地；Na⁺自西部山前到東部平原表現(xiàn)為逐漸增加，Ca²⁺則表現(xiàn)為逐漸減少；Mg²⁺高值區(qū)主要分布在保定市區(qū)及其東部區(qū)域；HCO^-₃在平原北部自西北向東南逐漸增加，在平原南部則規(guī)律不明顯；Cl^-、SO^2-₄高值區(qū)主要分布在涿州市區(qū)、保定市區(qū)及其東部、安國市南部、曲陽縣等地；NO^-₃在西部山前地帶明顯高于東部平原地區(qū)。整體來看，保定市區(qū)及其東部地處扇間洼地，水動(dòng)力條件差，地下水徑流滯緩，為各類離子的富集創(chuàng)造了便利條件，加之人類活動(dòng)的影響使得該區(qū)域各離子濃度明顯較高。

3.4 地下水水化學(xué)特征成因分析

Gibbs圖廣泛應(yīng)用于分析水化學(xué)的形成機(jī)制，其將天然水的控制因素分為降雨作用控制型、巖石風(fēng)化控制型和蒸發(fā)濃縮控制型3種^［13-15］。依據(jù)水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，繪制了研究區(qū)不同水文地質(zhì)單元的Gibbs圖，結(jié)果見圖5。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)水樣點(diǎn)均分布在中間區(qū)域，說明研究區(qū)巖石風(fēng)化作用在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)水化學(xué)組分的形成中起主導(dǎo)作用。

利用Ca²⁺/Na⁺、Mg²⁺/Na⁺和HCO^-₃/Na⁺的離子的毫克當(dāng)量（γ）比值，可以進(jìn)一步探討地下水化學(xué)離子組分來源^［16］。由圖6可知，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)水樣點(diǎn)均分布在硅酸鹽巖和碳酸鹽巖控制區(qū)，這說明研究區(qū)地下水受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風(fēng)化溶解影響，落點(diǎn)位置差異表示硅酸鹽巖與碳酸鹽巖風(fēng)化溶解的參與比例不同，隨著地下水徑流運(yùn)動(dòng)，自Ⅰ區(qū)至Ⅱ區(qū)，碳酸鹽巖風(fēng)化溶解逐漸減小，硅酸鹽巖風(fēng)化溶解逐漸增大。Ⅰ區(qū)落點(diǎn)更靠近碳酸鹽巖控制區(qū)，可能是由于該區(qū)域地下水受山區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給，且山區(qū)地層多為元古界白云巖及寒武系灰?guī)r等可溶性碳酸鹽巖類。Ⅱ區(qū)落點(diǎn)更靠近硅酸鹽巖控制區(qū)，可能是該區(qū)域地層巖性主要為砂礫石、砂、黏土等，富含硅酸鹽礦物導(dǎo)致。

Na⁺與Cl^-的毫克當(dāng)量濃度之比可以用來判斷Na⁺和Cl^-來源。地下水在不受人類活動(dòng)因素影響的條件下，水中Na⁺和Cl^-主要來源于鹽巖礦物的溶解^［17］。研究區(qū)的γ（Na⁺+K⁺）與γ（Cl^-）比值介于0.22～10.13之間，平均值為1.80。由圖7（a）可知，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)水樣點(diǎn)大部分都分布在1∶1線附近，表明研究區(qū)地下水中的Na⁺是通過鹽巖（NaCl）風(fēng)化溶解而來。部分水樣點(diǎn)分布在1∶1線上方，且該部分水樣點(diǎn)均位于Ⅱ區(qū)，可能是由于含鈉的硅酸鹽礦物溶解或者存在陽離子交替吸附作用導(dǎo)致。

地下水中的Ca²⁺和Mg²⁺主要是來自碳酸鹽或硅酸鹽及蒸發(fā)鹽的溶解，常用（Ca²⁺+Mg²⁺）和（HCO^-₃+SO^2-₄）的毫克當(dāng)量之比來分析地下水中Ca²⁺、Mg²⁺的主要來源^［18］。由圖7（b）可知，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)水樣點(diǎn)大部分都分布在1∶1線附近，說明研究區(qū)地下水化學(xué)組分受到碳酸鹽和硅酸鹽的雙重影響。Ⅰ區(qū)水樣落點(diǎn)大多位于1∶1線偏上，說明碳酸鹽溶解為該區(qū)域Ca²⁺、Mg²⁺的主要來源，Ⅱ區(qū)水樣落點(diǎn)大多位于1∶1線偏下，說明硅酸鹽溶解為該區(qū)域Ca²⁺、Mg²⁺的主要來源。

（Na⁺-Cl^-）與［（Ca²⁺+Mg²⁺）-（HCO^-₃+SO^2-₄）］的毫克當(dāng)量之比可以判斷地下水是否發(fā)生陽離子交替吸附作用，若存在陽離子交替吸附作用，則二者比值應(yīng)該在-1左右^［19］。由圖7（c）可知，二者呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性，擬合直線斜率為-0.718 2（R²=0.754 6），說明陽離子交替吸附作用是研究區(qū)地下水化學(xué)組分成因的一個(gè)重要影響機(jī)制。

運(yùn)用氯堿指數(shù)^［20］可以判斷陽離子交替吸附的強(qiáng)弱與方向，由圖7（d）可知，大部分水樣落點(diǎn)位于第三象限，說明研究區(qū)發(fā)生的為陽離子交替吸附正向反應(yīng)，即地下水中的Ca²⁺進(jìn)入含水介質(zhì)而Na⁺進(jìn)入地下水，導(dǎo)致Na⁺含量增大，Ca²⁺含量減小，且Ⅱ區(qū)水樣落點(diǎn)與原點(diǎn)距離相對Ⅰ區(qū)較遠(yuǎn)，表明在Ⅱ區(qū)陽離子交替吸附反應(yīng)強(qiáng)于Ⅰ區(qū)。

3.5 地下水水質(zhì)評價(jià)

選取檢出率較高且存在超標(biāo)的pH、TH、TDS、

SO^2-₄、Cl^-、Mn、Zn、NH⁺₄、Na⁺、NO^-₃、F^-、Cr⁶⁺等12項(xiàng)評價(jià)因子，運(yùn)用內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評價(jià)法開展研究區(qū)的地下水質(zhì)量評價(jià)，結(jié)果見表2。

內(nèi)梅羅指數(shù)法評價(jià)結(jié)果顯示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水樣品數(shù)共計(jì)160個(gè)，占比73.73%，Ⅳ類和Ⅴ類水樣品數(shù)共計(jì)57個(gè)，占比26.27%。從年際變化來看，2016年和2019年超Ⅲ類水占比最低為19.35%，2021年超Ⅲ類水占比最高為35.48%，2022年相比2014年超Ⅲ類水占比不變，均為25.81%。保定市區(qū)與清苑區(qū)、徐水區(qū)交界地帶和涿州市范蓮鄧村、高碑店市北平景村地下水質(zhì)量在較多年份超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，主要影響指標(biāo)為TDS、TH、NO^-₃、Mn、F^-。

模糊綜合評價(jià)法評價(jià)結(jié)果顯示，Ⅲ類水及以上樣品數(shù)共計(jì)211個(gè)，占比97.24%，Ⅳ類水和Ⅴ類水樣品數(shù)共計(jì)6個(gè)，占比2.76%。從年際變化來看，僅2022年超Ⅲ類水占比稍高為9.68%，相比2014年增加了6.45%。在不同年份超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)位不同，整體來看主要出現(xiàn)在保定市區(qū)與清苑區(qū)交界地帶和涿州市范蓮鄧村、東田城村，主要影響指標(biāo)為TDS、TH、NO^-₃。

4 結(jié) 論

（1） 研究區(qū)地下水略偏堿性，TH均值360.34 mg/L，為硬水。地下水中陰離子以HCO^-₃為主，陽離子在不同水文地質(zhì)分區(qū)略有不同，Ⅰ區(qū)陽離子主要為Ca²⁺、Mg²⁺，Ⅱ區(qū)陽離子主要為Ca²⁺、Na⁺。自西部山前到東部平原地下水化學(xué)類型由HCO₃-Ca·Mg型漸變?yōu)镠CO₃-Na·Ca·Mg型或HCO₃-Na·Mg型。

（2）研究區(qū)地下水中Na⁺、Mg²⁺、HCO^-₃濃度多年間較為穩(wěn)定，Ca²⁺、Cl^-、SO^2-₄、TDS濃度在2014～2021年波動(dòng)下降，2021～2022年明顯上升。水化學(xué)成分主要受巖石風(fēng)化、溶濾作用和陽離子交替吸附作用影響。

（3）內(nèi)梅羅指數(shù)法評價(jià)結(jié)果顯示，Ⅲ類水及以上樣品數(shù)占比73.73%，保定市區(qū)與清苑區(qū)、徐水區(qū)交界地帶和涿州市范蓮鄧村、高碑店市北平景村地下水在較多年份超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，主要影響指標(biāo)為TDS、TH、NO^-₃、Mn、F^-。模糊綜合評價(jià)法評價(jià)結(jié)果顯示，Ⅲ類水及以上樣品數(shù)占比97.24%，在不同年份超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)位不同，整體來看主要出現(xiàn)在保定市區(qū)與清苑區(qū)交界地帶和涿州市范蓮鄧村、東田城村，主要影響指標(biāo)為TDS、TH、NO^-₃。

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（編輯：劉 媛）

Hydrochemical characteristics and water quality assessment of groundwater in

Baoding Plain，Hebei Province

YE Fei^1，2，ZUO Tianyuan³，ZHAO Yuchuan^1，2，ZHANG Ce^1，2，F(xiàn)U Qiang^1，2

（1.Hebei Geological Environmental Monitoring Institute，Shijiazhuang 050021，China； 2.Hebei Key Laboratory of Geological Resources and Environment Monitoring and Protection，Shijiazhuang 050021，China； 3.College of Water Resources and Environment，Hebei GEO University，Shijiazhuang 050031，China）

Abstract： Since comprehensive management of excessive groundwater exploitation in the North China Plain was carried out by the Ministry of Water Resources in 2014，the groundwater level in the Baoding Plain has gradually risen.However，there remains a lack of systematic research on the chemical elements and quality changes of groundwater in the Baoding Plain.Using 217 sets of shallow groundwater samples collected from the Baoding Plain between 2014 and 2022，we first used Mathematical statistics，the Piper diagram，Gibbs diagram，and ion ratio method to analyze the hydrochemical characteristics，spatial distribution，and major controlling factors，and then adopt the Nemerow index method and fuzzy comprehensive evaluation method to evaluate the groundwater quality.The results showed that：① The anions in the groundwater were dominated by HCO^-₃，while the cations were dominated by Ca²⁺ and Mg²⁺ in the piedmont alluvial plain area （Zone I），and Ca²⁺ and Na⁺in the alluvial plain area （Zone Ⅱ）.From the western piedmont to the eastern plain，the hydrochemical types of groundwater gradually changed from HCO₃-Ca·Mg type to HCO₃-Na·Ca·Mg type or HCO₃-Na·Mg type.② The concentrations of Na⁺，Mg^2+， and HCO^-₃ in the groundwater of the study area have remained relatively stable，while the concentrations of Ca²⁺，Cl^-，SO^2-₄ and TDS fluctuated and decreased from 2014 to 2021，and then increased significantly from 2021 to 2022.The chemical composition of groundwater was mainly affected by rock weathering，dissolution and filtration，and alternate cation adsorption.③ The water samples evaluated as Class Ⅲ and above by the Nemerow index method and the fuzzy comprehensive evaluation method accounted for 73.73% and 97.24%，respectively，indicating that the groundwater quality has been relatively stable over the years.The findings provide valuable scientific data for the sustainable utilization of groundwater resources in the Baoding Plain.

Key words： groundwater；hydrochemical characteristics；water quality assessment；Baoding Plain