典型鄉鎮地下水水化學特征及離子來源多元統計分析
——以皖北解集鄉為例

袁政蓮 馬 杰 ，2＊ 顏曉龍 王燕龍 崔希銅

（1.宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000；2.國家煤礦水害防治工程技術研究中心，安徽 宿州 234000）

0 引言

當前， 鄉鎮經濟正處于生態友好型的循環發展狀態，對水質的要求也越來越高。 與此同時，隨著鄉鎮經濟的發展， 人類活動與地下水水量和水質的變化有著密切的聯系。 地下水水化學組分特征不僅能反映地下水循環模式， 同時也可用于深入解析其溶質的形成機制及水文地球化學行為[1]。國內諸多學者對地下水化學特征及演化規律展開了眾多研究[2-5]，黃望望等[6]對淮南新集礦區主要充水含水層進行水化學成因進行分析研究， 結果表明其控制因素主要為硅酸鹽和蒸發鹽巖的溶解及陽離子交替吸附作用。目前，針對皖北城鎮及其周邊地區，地下水的水文地球化學研究成果頗多[7-9]，而針對皖北鄉鎮區域的松散層地下水化學綜合研究相對較少。 本研究選取皖北典型傳統農業鄉鎮——解集鄉為研究區， 對該區域的松散層地下水進行采樣，并分析了地下水水化學特征和形成機制。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

研究區處于安徽省宿州市埇橋區東北部，連接蘇皖兩省，東臨安徽省宿州市靈璧縣，北接江蘇省徐州市銅山區，從地質構造上看，地處華北臺地的魯西隆起東南段。 地理坐標范圍介于東經 117°19′20″～117°20′40″，北緯 33°54′0″～33°54′50″之間。

1.2 材料與方法

采樣步驟參照HT164—2020《地下水環境監測技術規范》，共采集水樣26 件。 現場使用便攜式測試儀，測定pH、TDS 和EC 等指標。 樣品送至安徽省煤礦勘探工程技術中心，進行常規離子測試。 測試儀器、試劑及方法參照國家相關標準和要求[10]。

2 水化學特征及離子來源分析

2.1 地下水化學特征與類型

對研究區26 件水樣的10 項水化學指標進行統計分析（見表 1）。 TDS 在 350.00～845.00 mg/L 之間，平均值為 550.50 mg/L，屬于淡水。EC 在 740.00～1 754.00 μs/cm之間，平均值為 1 151.12 μs/cm。 pH 在 7.34～8.89 之間，其中pH 大于8.50 的水樣僅1 組，表明地下水大部分呈弱堿性。 陽離子質量濃度平均值由大到小依次為：Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+，Ca2+為相對優勢離子；陰離子質量濃度平均值由大到小依次為：HCO-3＞SO2-4＞Cl-，HCO-3為相對優勢離子。

表1 水化學成分描述統計

研究區Piper 三線圖中的菱形圖中，水樣集中在1 區、3 區和5 區，即地下水樣中堿土金屬離子含量（Ca2+和Mg2+）大于堿金屬離子含量（Na+和K+），弱酸根離子含量（HCO3-）大于強酸根離子含量（SO42-和 Cl-），且碳酸鹽硬度大于50%。陽離子靠近Ca2+端元，Mg2+和Na+、K+相對較少，即陽離子以Ca2+為主；陰離子靠近HCO3-端元，遠離SO42-和Cl-端元，即陰離子主要以HCO3-為主。 由以上分析可知， 地下水水化學類型以Ca-Mg-HCO3型為主， 離子組分的形成與碳酸鹽巖的溶濾作用密切相關。

2.2 離子來源分析

Gibbs 圖常用于刻畫水巖相互作用，研究區內TDS 質量濃度在 350～845 mg/L 之間，ρ（Na++K+）/ρ（Na++K++Ca2+）較小（小于 0.5），總體表現呈 TDS 分布較為集中，離子組合比例相對分散的分布特征。 所有水樣點均分布在中間及左側區域，即位于巖石風化類型控制區， 表明解集鄉地下水的水化學組分形成以水-巖作用為主。 同時，離子比例分析也可揭示地下水離子來源問題。 研究區大部分樣品的 ρ（Cl-）/ρ（Na+）＞1， 說明可能發生了硅酸鹽礦物和巖鹽的風化溶濾[2]，還可能存在離子的交替吸附作用。ρ（Ca2+）/ρ（SO42-）＞1，說明研究區地下水化學組分中Ca2+除硫酸鹽礦物風化溶濾外，還有其他來源[3]。 ρ（SO42-+HCO3-）/ρ（Ca2++Mg2+）＜1，即研究區發生的水巖作用主要為碳酸鹽礦物的風化溶濾[4]。 大部分樣品的 ρ（Ca2+）/ρ（Mg2+）＞2，即研究區發生的水巖作用可能為硅酸鹽礦物的風化溶濾ρ（Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-）/ρ（Na++K+-Cl-）含量關系中，y=-0.86x+1.73（R2=0.54）為其擬合方程，大部分樣品點落在斜率為0.86 的直線附近，表明解集鄉地下水化學組分發生了陽離子交換作用， 地下水中的Na+和K+置換出含水層中的 Ca2+和 Mg2+，與 ρ（Cl-）/ρ（Na+）分析結果相同。 綜上所述，影響解集鄉地下水離子來源的因素有碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、巖鹽的風化溶濾及陽離子交換作用。

3 多元統計分析

3.1 相關性分析

以巖石風化溶濾作用為主導的水化學形成機理可通過水化學參數之間的相關系數來進一步分析。 對研究區地下水水化學指標進行相關性分析， 陽離子Ca2+、Na+、Mg2+和與 TDS 的相關性較強（P＜0.01），陰離子 HCO3-、Cl-、SO42-與 TDS 的相關性較強（P＜0.01）。 其中 TDS 與 Ca2+之間的相關性最強（R=0.89，P＜0.01），進一步說明TDS 的空間分布與Ca2+的含量大小有一定聯系。 此外，Ca2+和 Cl-、HCO3-相關性較大（R=0.88、R=0.75，P＜0.01），Na+與 SO42-相關性顯著（R=0.84，P＜0.01）。

由此可推斷，方解石、白云石等碳酸鹽礦物，芒硝等硫酸鹽礦物， 巖鹽以及硅酸鹽礦物的風化溶濾是該區域地下水的主要離子來源。

3.2 因子（主成分）分析

因子分析可使因子變量具有較好的解釋性，可通過因子分析處理研究區水化學參數。 運用主成分法確定因子荷載，方差最大旋轉法對因子旋轉獲得分析指標旋轉因子荷載矩陣。 對旋轉后因子荷載矩陣選取特征值大于 1 的三個因子 F1、F2、F3進行分析，其方差累計貢獻率為84.47%，解釋效果較好（見表2）。 第一主因子 F1貢獻率達 42.22%，Ca2+、Cl-、HCO3-、TDS、EC 因子載荷較大。 結合離子比例系數和相關性分析可推斷， 地下水中Ca2+和HCO3-的共同來源為碳酸鹽礦物風化溶濾，Cl-來源與巖鹽的風化溶濾有關。因此，主因子F1反映水巖作用以碳酸鹽礦物風化溶濾和巖鹽風化溶濾為主。 第二主因子F2貢獻率達21.13%，Na+、SO42-、pH 因子荷載較大，Na+和 SO42-有共同的來源，可能為芒硝等硫酸鹽巖的風化溶濾。 因此，主因子F2反映水巖作用以硫酸鹽礦物風化溶濾為主。 第三主因子F3貢獻率達 21.12%，K+、Mg2+、HCO3-因子載荷較大，K+來源有硅酸鹽礦物的風化溶濾， 而Mg2+與HCO3-共同來源為碳酸鹽礦物風化溶濾作用。 因此，主因子F3反映水巖作用以碳酸鹽礦物和硅鋁酸鹽礦物風化溶濾為主。

4 結語

（1）研究區地下水水化學類型以Ca-Mg-HCO3為主。 陽離子質量濃度平均值由大到小：Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+，Ca2+為相對優勢離子；陰離子質量濃度平均值由大到小：HCO3-＞SO42-＞Cl-，HCO3-為相對優勢離子。

（2）水樣點多數位于Gibbs 圖的中間及左側位置，即研究區地下水形成受巖石風化溶濾作用較大，受蒸發濃縮和大氣降水作用影響較小。

（3）離子比例系數和多元統計分析表明，影響解集鄉地下水離子來源的水巖作用為碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、巖鹽的風化溶濾。 同時，研究區內的地下水離子來源與陽離子交換作用有關。

表2 因子分析結果