礦區(qū)城市地下水水質(zhì)特征與元素來源分析——以宿州市為例

程　琛

宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000

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礦區(qū)城市地下水水質(zhì)特征與元素來源分析
——以宿州市為例

程琛

宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州，234000

摘要：以礦區(qū)城市宿州市的地下水為例，采用離子色譜法對水質(zhì)特征中常規(guī)陰陽離子 F-、Cl-、N、S、Na+、K+、Mg2+和Ca2+進(jìn)行測定，采用鹽酸滴定的方法對HC 和 C進(jìn)行測定。通過水樣測定檢測項與國家、國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，證實(shí)各項指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，該礦區(qū)城市地下水水質(zhì)良好，符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。水化學(xué)特征分析中，所測水樣主要陰離子含量HC > S >Cl-，主要陽離子含量Na++K+>Mg2+>Ca2+，水化學(xué)類型以HCO3-Mg型、HCO3-Na·Mg型、HCO3-Mg·Ca型和HCO3-Na·Mg·Ca 型為主。對離子來源分析采用因子分析，主要來源成分有三種，分別來自方解石、白云石和鉀長石的水巖相互作用。

關(guān)鍵詞：礦區(qū)城市；地下水；水質(zhì)特征；離子色譜；因子分析

1　問題的提出

礦區(qū)水環(huán)境問題一直是困擾礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的突出問題，也是限制礦區(qū)城市發(fā)展的重要因素。礦區(qū)地下水作為重要的水體，對地表水及礦井水均有不同程度影響。礦區(qū)城市地下水作為區(qū)域居民生活和生產(chǎn)用水時，應(yīng)特別關(guān)注因礦產(chǎn)資源開采對水量和水質(zhì)產(chǎn)生的影響[1-2]。諸多學(xué)者對礦區(qū)地下水的研究多集中于水化學(xué)特征[3-5]、重金屬[6-7]及水環(huán)境質(zhì)量評價[8-9]。王勇[10]等以淮北某礦區(qū)為例，對礦區(qū)地下水水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價分析；許光泉等[11]選取安徽淮北平原淺層地下水為研究對象，分析了影響地下水水質(zhì)的主要因素；孫林華[12]、張傳奇[13]等人分析了地下水中重金屬特征、常規(guī)離子特征及其來源；孫林華[14-15]還分析了安徽宿州農(nóng)村地下水重金屬特征分析及礦區(qū)地下水水化學(xué)演化。借鑒上述研究成果，本文以淮北地區(qū)礦業(yè)城市宿州為例，不局限于礦區(qū)內(nèi)地下水環(huán)境，著眼于整個礦區(qū)城市地下水，進(jìn)行常規(guī)離子測試分析、水化學(xué)特征分析及離子成分來源分析研究。

2　研究區(qū)水樣采集

宿州市是淮北地區(qū)重要的煤炭工業(yè)城市，北面緊鄰淮北各礦，南有桃園礦、祁南礦和祁東礦，東有朱仙莊礦和蘆嶺礦。因工業(yè)與社會發(fā)展的需要，該市地下水的開發(fā)利用時間早、程度高，由于開發(fā)布局不合理、水資源管理利用不科學(xué)，水資源短缺問題日益嚴(yán)重。水樣采集點(diǎn)的布設(shè)：宿懷路與汴河路為宿州市區(qū)主干線，宿州市南部三個礦區(qū)是沿宿懷路往南分布，東面兩個礦區(qū)是沿汴河路以東分布，故水樣采集點(diǎn)布設(shè)以宿懷路的南北及汴河路東西為中心向四周城區(qū)及城郊輻射，從水文觀測點(diǎn)及水井抽取地下水水樣。所取水樣現(xiàn)場測試其電導(dǎo)率EC值和pH值，24小時內(nèi)送至實(shí)驗室進(jìn)行預(yù)處理，即用0.22 μm濾膜進(jìn)行過濾，再進(jìn)行后續(xù)離子色譜儀測試。

3　材料與方法

3.1儀 器

美國戴安公司ICS-900離子色譜儀：AS12A 陰離子交換柱(250 mm×4 mm)、CS12A陽離子交換柱(250 mm×4 mm)、C18陰陽離子保護(hù)柱、MMS300型自動循環(huán)再生抑制器、DS5型檢測器、雙柱塞串聯(lián)泵、AS40自動進(jìn)樣器、Chromeleon 7色譜工作站。合肥金尼克機(jī)械制造有限公司 JK-100B型超聲清洗機(jī)、美國HM Digital公司COM-100型EC計、上海今邁儀器儀表有限公司pHB-4型pH計、溫度計、抽濾裝置及實(shí)驗室常用玻璃儀器。

3.2試 劑

離子色譜法陰離子標(biāo)準(zhǔn)液試劑：氟化鈉、氯化鈉、硝酸鉀、硫酸鈉；陽離子標(biāo)準(zhǔn)液試劑：氯化鈉、氯化銨、氯化鉀、氧化鎂、碳酸鈣，配置標(biāo)準(zhǔn)溶液所用試劑均為優(yōu)級純。配制陽離子淋洗液的甲烷磺酸為進(jìn)口優(yōu)級純，實(shí)驗用水為去離子水(電阻率為18.2 MΩ·cm)，淋洗液經(jīng)超聲脫氣3～5 min。

滴定所用試劑：無水碳酸鈉、甲基橙、鹽酸、酚酞、乙醇。除無水碳酸鈉為光譜純外，其他所有試劑均為分析純。

3.3測定方法

離子色譜儀測試前開機(jī)預(yù)熱20 min，基線時間不少于30 min，定量進(jìn)樣環(huán)10 μL，以保留時間定性、峰面積定量。

陰離子色譜柱分析條件：自動淋洗液發(fā)生裝置，淋洗液為20 m mol/L的KOH溶液，流速為1.0 mL/min，抑制器電流為75 mA。

陽離子色譜柱分析條件：淋洗液為20 m mol/L甲烷磺酸溶液，流速為1.0 mL/min，抑制器電流為75 mA。

3.4分析方法

利用AquaChem3.7和SPSS20.0軟件對所測水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行水化學(xué)特征分析及其來源因子分析，利用Origin8.0 軟件繪制因子載荷圖。

4　結(jié)果與分析

4.1標(biāo)準(zhǔn)曲線

分別配制4組不同濃度梯度的陰離子和陽離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，其中一組濃度的陰離子色譜圖出峰情況見圖1，陽離子出峰色譜圖見圖2，分別對陰離子和陽離子4組標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖進(jìn)行處理，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性方程，如表1所示。

圖1　陰離子標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖

圖2　陽離子標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖

表1　城市地下水水質(zhì)特征值

4.2城市地下水水質(zhì)指標(biāo)

用電導(dǎo)率計、pH計測定水樣的電導(dǎo)率EC、pH值，TDS濃度由各常規(guī)離子濃度總和減去二分之一碳酸氫根濃度。所測水樣電導(dǎo)率EC變化范圍56~64 μs/cm，平均值59 μs/cm；pH值變化范圍6.50~6.80，平均值6.62；TDS變化范圍200~700 mg/L。

表2中列出了我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)中氟化物、硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物的限值，同時列出本次水樣檢測中這些檢測項的變化范圍及平均值。我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)與國際衛(wèi)生組織(WHO)的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)基本接軌，由此可知這批礦區(qū)城市地下水的水樣水質(zhì)是符合國內(nèi)和國際飲用水標(biāo)準(zhǔn)的。

表2　生活飲用水水質(zhì)常規(guī)檢驗項目及限值

4.3水化學(xué)特征分析

圖3　主要陰陽離子Piper三線圖

主要水化學(xué)類型為HCO3—Mg型、HCO3—Na·Mg型、HCO3—Mg·Ca型和HCO3—Na·Mg·Ca型。礦區(qū)地下水自上而下含水層為第四系空隙含水層、二疊系砂巖含水層、石炭系碳酸鹽巖溶裂隙含水層和奧陶系碳酸鹽巖溶裂隙含水層，各含水層之間水力聯(lián)系緊密，共同構(gòu)成礦區(qū)地下水，同時對整個城市地下水有重要影響。水體中主要離子來源于碳酸鹽和硅酸鹽的風(fēng)化溶解作用，礦區(qū)城市地下水水巖的物理化學(xué)作用導(dǎo)致所研究區(qū)域水化學(xué)類型以HCO3—Mg型、HCO3—Na·Mg 型、HCO3—Mg·Ca型和HCO3—Na·Mg·Ca型為主，各含水層間相互關(guān)聯(lián)和補(bǔ)給。

4.4因子分析

采用SPSS軟件進(jìn)行因子分析，結(jié)果見表3，所測數(shù)據(jù)經(jīng)主成分提取和最大方差法旋轉(zhuǎn)所得載荷圖見圖4。

表3　城市地下水水質(zhì)特征值

圖4 因子分析載荷條形圖

5　結(jié)束語

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(責(zé)任編輯：汪材印)

作者簡介：程琛(1986-)，女，安徽六安人，碩士，助教，主要研究方向：水環(huán)境監(jiān)測與評價。

基金項目：安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心平臺項目“煤礦塌陷水域水質(zhì)評價及水污染源解析”(2014YKF05)。

收稿日期：2015-07-25

中圖分類號：X832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-2006(2015)10-0109-04

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2015.10.030