宿州市城西水源地地下水化學特征及水質評價

梁華

（宿州市水政監察支隊，安徽 宿州 234000）

引言

水是人類及自然界賴以生存的重要資源，也是生物體最重要的組成部分。近年來，在世界范圍內，由于工農業污染的輸入，地表水環境狀況已不容樂觀。相比而言，地下水賦存于地面以下巖石空隙之中，由于眾多隔水層的存在，其儲存環境相對封閉，不易受外界污染，這恰恰是地下水作為生產、生活用水的優勢所在。有研究統計，在華北平原，有超過1 億人口的日常用水來自地下水，且地下水已占據總淡水供應的90%[1]。

宿州是一個極其依賴地下水資源的城市，《2019 年宿州市水資源公報》顯示，2019 年埇橋區總用水量為3.3147 億m3，其中地下水用量高達2.091 億m3。城西水源地作為宿州市主要供水水源地之一，每年可向城區近60 萬人口供水5400 余萬m3，其水質的優劣事關重大。近年來有關宿州市地表水的研究已有大量報道，但地下水水質問題并未受到相應的關注[2-5]。

基于此，本文以宿州市城西水源地淺部含水層（一含和二含）中的地下水為研究對象，在系統采樣并測試其常規離子含量的基礎上，通過多種水質評價指標（中國地下水質量標準（GB/T14848-2017）、內梅羅污染指數、鈉百分比）分析，對水樣進行系統的水質污染、飲用和灌溉評價，以期為后續宿州地下水資源的管理提供一定依據。

1 研究區概況及含水層簡介

宿州市位于安徽省北部，素有安徽省北大門之稱，地理坐標為：東經116°09′-118°10′，北緯33°18′-34°38′。宿州地屬暖溫帶半濕潤季風氣候，夏季多雨，冬季干旱，四季氣候分明。年均降水量為865mm，且降雨集中于6 至8 月份，占全年降水量的57%。年均氣溫為14.6℃，最低氣溫為-23.2℃，最高氣溫達40.3℃。

依據地下水貯水介質的特征及含水孔隙的類型，研究區主要含水層從淺至深依次可劃分為：松散巖類孔隙含水層、碎屑巖類孔隙含水層、碳酸鹽巖類含水層以及巖漿巖類裂隙含水層。其中，松散巖類孔隙含水層又可進一步劃分為三個次生含水層：第一含水層（以下簡稱“一含”）、第二含水層（以下簡稱“二含”）和第三含水層（以下簡稱“三含”）。

表1 水樣主要離子(單位：mg/L)和理化參數統計表

2 數據收集與分析

2.1 采樣及測試

本文一共收集宿州市城西水源地淺層地下水樣品43 個，包括：一含水樣20 個，二含水樣23 個。采樣時首先現場測試pH值，后用預清潔的聚乙烯瓶裝樣、密封送至實驗室恒溫（4℃）保存，并于 一 周內 完 成常規離子（Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-）濃度測試。其中，Na+、Ca2+和Mg2+通過陽離子色譜儀（ICS-900）進行測試，Cl-和SO42-通過陰離子色譜儀（ICS-600）進行測試，HCO3-通過酸堿滴定法測試。

2.2 分析方法

數據分析主要通過以下兩個方面進行：（1）描述離子含量特征及劃分水化學類型；（2）通過中國地下水質量標準、內梅羅污染指數（NPI）、鈉百分比（%Na+）分別進行水質類型、污染和灌溉評價。

3 結果與討論

3.1 離子含量特征

宿州市城西水源地淺層地下水常規水化學濃度統計結果如表1 所示。從表1 中可知，一含水樣常規離子含量平均值從大到小 為：HCO3-（519mg/L）＞Na+（118mg/L）＞SO42-（72mg/L）＞Ca2+（54mg/L）＞Cl-（45mg/L）＞Mg2+（42mg/L）。此外，TDS 含量變化范圍為532-1328mg/L（平均值為847mg/L）。pH 變化范圍為7.1-8.8（平均值為7.7），為中至微堿性水。相比而言，二含水樣具有更高的Ca2+、Cl-、HCO3-及更低的Na+、Mg2+、SO42-、TDS 含量平均值。其常 規 離 子 含 量 變 化 范 圍 為：51-202mg/L（Na+）、35-116mg/L（Ca2+）、25-68mg/L（Mg2+）、11-230mg/L（Cl-）、14-110mg/L（SO42-）和437-869mg/L（HCO3-）。TDS 變化范圍為427-816mg（平均值為563mg/L），且所有水樣的TDS 值均符合淡水標準。pH 變化范圍和平均值與一含水樣一致。

圖1 一含和二含水樣Piper 圖

表2 內梅羅污染指數評價結果

3.2 水化學類型

地下水從補給區流向排泄區的過程中，其水化學類型會相應從HCO3-型向Cl-和SO42-型轉變。因此，劃分水化學類型對于研究地下水的演化具有重要意義。本文采用Piper 圖來劃分水化學類型（圖1）。從圖1 中可看出，一含和二含水樣分布位置相互交錯，陽離子三線圖中呈中偏右的趨勢，表明兩個含水層中的地下水陽離子以Na+和Mg2+為主，陰離子三線圖中集中于左側三角區域，表明一含和二含水中陰離子中HCO3-占據絕對優勢。因此，宿州市城西水源地地下水水化學類型可劃分為：Na-HCO3型（一含14 個、二含17 個）、Mg-HCO3型（一含5 個、二含4 個）和Ca-HCO3型（一含1 個、二含2 個）。

以上結果顯示，兩個含水層的徑流條件良好，大氣降雨可能是主要的補給源，且含水層中水巖相互作用程度低，水化學組成較為相似，表明二者存在一定程度的水力聯系，也進一步證實了越流補給的存在。

4 水質評價

4.1 基于國標的地下水質量評價

根據我國2017 年最新頒布的地下水質量標準（GB/T 14848-2017）[6]，III 類水中Na+、SO42-、Cl-、TDS 的標準限值分別為200mg/L、250mg/L、250mg/L 和1000mg/L，此外，pH 的范圍為6.5 pH 8.5。結合表1 可以看出，一含和二含水中Na+、SO42-、Cl-、TDS 和pH 平均值均可達到國家III 類水標準，僅個別一含水中的Na+和TDS 含量存在輕微超標。

4.2 水質污染評價

內梅羅指數法是目前國內外進行綜合污染指數計算最常用的幾個方法之一[7]。本文選取Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和TDS 六個因子進行污染評價，具體的計算公式如下：

式(1)中：Px、Cx和Sx分別為評價因子x 的污染指數、實測濃度和標準濃度值（根據世界衛生組織標準[8]規定各評價因子濃度限值如下：TDS 為1000mg/L，Na+為200mg/L，Ca2+為300mg/L，Mg2+為30mg/L，Cl-為250mg/L，SO42-為250mg/L）。式(2)中：PN為內梅羅污染指數，Pmax和Pavg分別為Px的最大值和平均值。根據PN 值大小可將水質劃分為五個等級（表2）。由表2 可知，兩個含水層的水質均達到II 類水及以上。此外，一含水中I 類水占比45%，相對而言，二含水水質更為優良，I 類水占比達74%。這種情況是由于一含距離地表較近，更容易受到污染（地表污水入滲、灌溉水回滲等），而且部分污染物質可通過層間越流向二含傳遞。

4.3 水質灌溉評價

對于水質灌溉評價的方法目前有多種，例如鈉吸附比（SAR）、鈉百分比（%Na+）、殘留碳酸鈉（RSC）、滲透指數（PI）等。本文采用最常用的鈉百分比對水樣進行水質灌溉評價。各項指標計算結果如表4 所示。研究表明，若灌溉水中Na+濃度過高，則Na+會置換粘土顆粒中的Ca2+和Mg2+，使土的滲透性變差，從而導致土壤的結構被破壞，影響農作物的生長。因此，查明灌溉水陽離子中Na+的相對含量具有重要意義。鈉百分比可以量化Na+與Ca2+和Mg2+之間的交換強度。二者計算公式如下：

如表3 所示，鈉百分比法表明，一含水中優質、良好、中等和下等灌溉水分別為2、6、8 和4 個，二含水中9 個為良好型灌溉水、13 個水樣為中等型灌溉水，僅一個水樣為下等型灌溉水。

表3 水質灌溉評價結果

5 結論

5.1 研究區淺部地下水呈中至微堿性，陽離子以Na+和Mg2+為主，陰離子中HCO3-占絕對優勢，水化學類型主要為Na-HCO3型，其次為Mg-HCO3型。除5 個一含水樣外，其余水樣TDS 值均符合淡水標準。

5.2 與國家地下水質量標準對比發現，絕大部分地下水符合III 類水標準。內梅羅指數分析，部分淺層地下水受到輕微污染，且二含水質優于一含。

5.3 水質灌溉指標（%Na+）表明，除4 個一含水樣和1 個二含水樣外，其余水樣均能達到灌溉要求。