宿州市城區(qū)地下水水化學特征及水文地球化學演化過程

蔣少杰

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站 宿州市監(jiān)測站，安徽 宿州 234000）

引言

水體水化學特征及其影響因素對水化學演化規(guī)律、水源涵養(yǎng)、生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義[1]。宿州市供水水源目前主要為地下水，地下水資源較為豐富，但近年來受城市發(fā)展、人口增加等因素影響，使得水源地水質(zhì)和供水安全受到一定的威脅[2-4]。研究地下水水化學特征及水文地球演化規(guī)律，不僅可以確定水體地球化學的溶質(zhì)來源，并且對揭示各主要供水含水層（組）的水巖作用、水力聯(lián)系及轉(zhuǎn)化等具有重要意義。

近年來，眾多學者對皖北地區(qū)各類水體（地表水、地下水）的水化學、微量元素和同位素特征進行了深入的分析與研究。如陳松等對淮北煤田主要河流的水化學及氫氧同位素特征進行了研究，并對水適用性進行了評價[5]。陳星等對淮北臨渙礦區(qū)地表水水化學及硫氫氧同位素進行了分析[6]。袁政蓮等對宿州地區(qū)的水庫水化學特征及灌溉性水質(zhì)進行了評價[7]。胡云虎等對皖北地區(qū)的深層地下水水化學特征及水質(zhì)進行了評價[8]。林曼利對礦區(qū)深部不同含水層的重金屬含量和水質(zhì)進行了討論[9]。陳松等對太原組灰?guī)r水年齡和同位素地球化學特征進行了研究[10]。楊娜等對皖北深層地下水的氟元素進行了來源解析及影響因素分析[11]。但對研究區(qū)內(nèi)的淺層地下水和中深層地下水水化學特征及地球化學演化過程鮮見報道。

鑒于此，本研究基于宿州市城區(qū)地下水水化學特征，結(jié)合水化學分析、數(shù)理統(tǒng)計分析和離子比例端元圖等方法，闡述研究區(qū)的水文地球化學演化過程，以期為該地區(qū)地下水的水化學演化趨勢、資源開發(fā)利用和地下水環(huán)境保護工作提供理論基礎(chǔ)資料。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于宿州市中西部，是淮北北部丘陵與平原的過渡地區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)。地形大致以符離集東西方向（宿北斷裂）為界，以北多為丘陵山區(qū)，標高一般30-150m，最低27m，最高311.8m。以南為大片平原區(qū)，地形平坦，標高一般為24-27m，最低23.2m。地形總趨勢西北和北部稍高，向東南和南緩傾，地形坡降約1/8000。大部分區(qū)域被第四紀松散沉積物覆蓋，出露的地層為上更新統(tǒng)或全新統(tǒng)，厚度一般在50～300m，并且從東南向西北逐漸增厚。

研究區(qū)地表水系較發(fā)育，主要河流有新汴河、沱河、濉河，其次為扒河、唐河、澮河、澥河、閘河和股河等，均為淮河水系。其中新汴河橫貫該區(qū)中部，為本區(qū)最大河流。根據(jù)地下水貯水介質(zhì)的特征，含水空隙的類型，研究區(qū)地下水類型可劃分為四種類型：松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖類裂隙水、基巖裂隙水。其中，松散巖類孔隙水按其埋藏條件、巖性組合、水力性質(zhì)等可劃分為：淺層含水層組（埋深在1.60-33.42m之間，單井涌水量一般為100-2000m3/d，導水系數(shù)30-280m2/d）、中深層含水層組 （埋深多在43-84m，單井涌水量一般為100-5000m3/d，導水系數(shù)多為60-500m2/d）與深層含水層組（埋深一般為110-150m，導水系數(shù)多小于150m2/d）。

2 樣品采集與測試

2021年3-5月，在研究區(qū)內(nèi)采集水樣共計25件，其中淺層地下水18件、中深層地下水7件。采樣點布置盡可能均勻分布原則，同時兼顧淺層和中深層并行采樣工作。樣品采集前，對鉆孔進行抽水洗井，待含水層中的新鮮地下水完全流入孔內(nèi)確保水清砂凈后才能進行水樣采集（一般抽水2-3小時或洗井抽出水量在井內(nèi)水體積的3倍-5倍），洗井至水清砂凈。采集原水樣品時，采樣前應(yīng)用所采樣品原水沖洗樣品瓶2-3次后取樣，樣品不添加任何保護劑并盡快密封低溫保存。分析參數(shù)主要包括pH 值、TDS、常規(guī)陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）和常規(guī)陰離子（Cl-、SO42-、HCO3-），除 pH 值和 TDS 現(xiàn)場測定外，其余指標送至實驗室完成分析。

地下水樣品采集方法參照《地下水監(jiān)測網(wǎng)運行維護規(guī)范》（DZ/T0307-2017），地下水樣品的保存和送檢參照《地下水監(jiān)測網(wǎng)運行維護規(guī)范》，分析測試方法參照《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848-2017）。水樣測試送至具備國家計量認證、國家實驗室認可和（或）國土資源部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心審查認定資質(zhì)條件的實驗室完成。陽離子-陰離子濃度平衡測定誤差＜8%，滿足分析要求。由于K+含量較低，且Na+和K+在研究區(qū)內(nèi)具有同源性，故將Na+和K+合并成Na+進行后續(xù)分析與討論。

3 結(jié)果與討論

3.1 描述性統(tǒng)計

采用多元統(tǒng)計分析軟件，對淺層地下水和中深層地下水的 pH、TDS、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-和Cl-等8項指標進行最大值、最小值、平均值、標準差和變異系數(shù)分析。淺層地下水中，pH值范圍在7.38-8.09之間，平均值為7.74，屬于中性到弱堿性；TDS范圍位于346.00mg/L-1049.00mg/L之間，平均為616.72mg/L，屬于淡水到微咸水。按常規(guī)離子含量平均值，各離子排序依次為：HCO3-＞Ca2+＞Cl-＞Na+＞SO42-＞Mg2+，HCO3-和 Ca2+分別為陰、陽離子中的優(yōu)勢離子。中深層地下水中，pH值位于7.65-8.11之間，平均值為7.87，處于中性到弱堿性；TDS在438.00mg/L-845.00mg/L之間，平均為562.86mg/L，TDS范圍位于438mg/L-845mg/L之間，平均為562.86mg/L，處于淡水到微咸水。按各離子平均含量排序， 依次為 HCO3-＞Na+＞SO42-＞Ca2+＞Mg2+＞Cl-，HCO3-和Na+為陰、陽離子中的優(yōu)勢離子。變異系數(shù)在 0.1-0.9 之間的離子有 HCO3-、Na+、Ca2+和 Mg2+，說明這些離子的空間變異性中等，離子來源因素較多。變異系數(shù)大于0.9的離子有SO42、Cl-，說明這兩種離子的空間變異性較強，受多因素影響，離子來源較復(fù)雜，如表1所示。

表1 淺層地下水水化學指標描述性統(tǒng)計結(jié)果

3.2 水化學類型

利用水化學軟件，對18件淺層地下水水樣和7件中深層地下水水樣進行水化學類型判定，如圖1所示。其中，淺層地下水水化學主要類型有Na-HCO3（16 件）、Ca-Cl（1 件）和 Na-Cl（1 件），中深層地下水水化學類型主要為Na-HCO3（7件）。水化學類型是水體對氣候、地形地貌、水文地質(zhì)條件、水巖作用以及人為活動等作用下的綜合反映。一般情況下，陰離子類型中的 HCO3-、SO42-、Cl-分別是指示水文地質(zhì)循環(huán)中的補給、徑流、排泄條件下的特征離子[12]。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件分析，研究區(qū)為一平原區(qū)，淺層地下補給源大部分來自垂向的大氣降雨和側(cè)向的地表水，其水化學類型形成與降雨、河流有密切關(guān)系；中深層地下水與淺層地下水之間有穩(wěn)定的隔水層存在，僅局部發(fā)育“天窗”，受大氣降雨作用不明顯，但其陰離子主要為HCO3，可能與碳酸鹽巖礦物溶解作用、硅酸鹽巖礦物風化作用有關(guān)。

圖1 地下水水化學類型Durov（圖注：“○”為淺層地下水，“☆”為中深層地下水）

3.3 水巖作用及離子來源

在眾多判定水文地球作用的方法中，Gibbs常被國內(nèi)外廣大的專家和學者用于判別各類水體離子來源的控制因素，即蒸發(fā)結(jié)晶作用、巖石風化作用和大氣降水作用[13]。依據(jù)Gibbs圖，TDS含量在1000.00mg/L左右，水樣點均位于Gibbs圖的中部。其中，淺層地下水的Cl-/(Cl-+HCO3-)和Na+/(Na++Ca2+)分別為0.06-0.69和0.09-0.71，其平均值分別為0.20和0.37；中深層地下水的Cl-/(Cl-+HCO3-)和Na+/(Na++Ca2+)分別為 0.03-0.32和 0.33-0.70，其平均值分別為0.11和0.56。淺層和中深層的水樣點均落在Gibbs圖的中部，說明兩個含水層的主要離子來源均以水巖作用為主，即巖石風化作用，如圖2所示。

圖2 地下水水化學Gibbs分布圖

水巖相互作用時，不同的含水層介質(zhì)將會給水體提供不同的溶質(zhì)組分，其中Cl-和和SO42-多來源于蒸發(fā)巖溶解作用 （鹽巖和硫酸鹽巖），HCO3-多來源于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風化溶解作用，Na+多來源于硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖的風化溶解作用，Ca2+和Mg2+多來自碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖的風化溶解作用。 采用 Ca2+/Na+、Mg2+/Na+與 HCO3-/Na+離子比值端元圖法，可揭示研究區(qū)淺層地下水的水化學成因及水巖作用類型。若Ca2+/Na+、Mg2+/Na+與HCO3-/Na+分別為 0.35±0.15，0.24±0.12 和 2.0±1 時， 表明該水體以硅酸鹽巖的風化溶解作用為主，若Ca2+/Na+、Mg2+/Na+與 HCO3-/Na+分別為 50，10 和 120 時，表明該水體以碳酸鹽巖的溶解作用為主[14]。圖3顯示淺層與中深層地下水樣點集中在碳酸鹽與硅酸鹽的過渡區(qū)域，表明地下水水化學組分均與硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風化溶解密切相關(guān)。

圖3 地下水離子比例端元圖

4 結(jié)論

淺層地下水與中深層地下水均屬于中性到弱堿性。HCO3-和 Ca2+、HCO3-和 Na+分別為淺層地下水和中深層地下水的優(yōu)勢陰、陽離子。淺層地下水水化學主要類型有Na-HCO3、Ca-Cl和Na-Cl，中深層地下水水化學類型主要為Na-HCO3。淺層和中深層的水樣點均落在Gibbs圖的中部，說明兩個含水層的主要離子來源均以水巖作用為主，即巖石風化作用。離子比例端元圖顯示，淺層與中深層地下水水化學組分均來自硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風化溶解。