郭莊泉域地下水水化學特征及污染影響研究

宮萍萍

（中國煤炭地質總局 水文地質工程地質環境地質勘查院，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

郭莊泉域位處晉中南地區，是由汾河斷陷盆地及西鄰呂梁山、東鄰霍山組成的匯水盆地。在該泉域中廣泛分布寒武系、奧陶系巖溶裂隙含水層，整體形態是一個沿SSW～NNE 方向延伸的條帶，泉域面積約5 600 km2。

郭莊泉域南鄰龍子祠泉域，北鄰柳林泉域，東鄰廣勝寺泉域，是山西省僅次于娘子關泉的第2 大泉。泉域邊界及范圍構成一個完整的由西北向東南傾斜的儲水盆地構造。

郭莊泉域具有補給面積大、補給條件好、徑流途徑長和富水性強等特征，并具有獨立的補給、徑流、排泄的地下水循環系統。但隨著泉域內巖溶水的大量開采利用、煤礦開采等多種因素的影響，泉水流量不斷減少，絕大部分泉眼干涸，嚴重影響郭莊泉的可持續利用。

地下水水化學研究是地下水資源質量評價的重要內容，對巖溶地下水系統水資源利用和管理，及與其有關的生態環境的保護與建設都具有重要的意義。

本文分析了2018 年郭莊泉域地下水中的主要離子含量和水化學特征，總結了不同類型水的分布規律。

1 研究區水文地質條件

根據巖性組合、含水介質、孔隙類型、含水特征及富水性，將調查區含水層劃分為松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類及碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙含水巖組、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水巖組和變質巖類裂隙水含水巖組。

1.1 松散巖類孔隙水含水巖組

松散巖類孔隙水含水巖組主要分布在河谷區，其次是低山丘陵區，另外在中高山及中山區亦有零星分布。

（1） 第4 系松散巖類孔隙含水巖組。

第4 系松散巖類孔隙含水巖組主要分布在汾河河谷及其較為寬展、開闊的支流河谷的中下游地段。其次是低山丘陵區的黃土塬、梁地區。含水層厚度一般約為1～10 m，孔隙發育，有利于接受大氣降水入滲及地表水的滲漏補給，賦存有較豐富的孔隙潛水。

（2） 新近系松散巖類孔隙水含水巖組。

新近系松散巖類孔隙水含水巖組主要分布在低山丘陵黃土塬、梁的底部，深切溝谷局部出露。含水層以新近系上新統底部半膠結的砂礫石層為主，厚度約為2～5 m。礫徑大小不一，泥、砂、礫三者混雜，分選性及磨圓度較差，結構較疏松，孔隙發育，賦存孔隙潛水。含水層的分布相對穩定，地下水的賦存條件較好，賦存相對豐富的孔隙潛水。

1.2 碎屑巖類及碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙含水巖組

（1） 二疊系碎屑巖類裂隙水含水巖組。

二疊系碎屑巖類裂隙水含水巖組廣泛分布在低山丘陵區，由上石盒子組、下石盒子組和山西組一套砂巖與泥質巖相互疊置的碎屑巖類所組成。含水層以二疊系中粒砂巖、粗粒砂巖為主，該含水巖組地表及淺部裂隙發育、風化嚴重。

（2） 太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水巖組。

太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水巖組多隱伏于煤系陸相地層之下，霍州市幅西部區域大面積出露。含水層以石炭系上統太原組三層碎屑石灰巖（K2、K3、K4），其中以C3t底部K2厚層石灰巖含水層為主，賦存裂隙巖溶潛水—承壓水。由于所處地貌條件、構造條件、埋藏深度及地下水補給條件等的不同，其所含水層的富水程度極不均一。

1.3 碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水巖組

（1） 奧陶系巖溶裂隙水含水巖組。

為研究區內的主要含水巖組，含水層的富水程度與所處泉域的位置、構造部位、埋藏條件及巖溶裂隙發育程度密切相關。含水層以上馬家溝組二段、三段；下馬家溝組二段、三段；峰峰組二段的灰巖和白云質灰巖為主。

（2） 寒武系巖溶裂隙含水巖組。

上寒武統巖溶裂隙含水層巖性以中厚層狀白云巖為主，泥質成分略高，巖溶裂隙發育程度也有所減弱，一般可視為弱含水層，在構造發育部位，可達中等富水。中寒武張夏組巖溶裂隙含水層巖性以鮞狀灰巖，白云質鮞狀灰巖為主，巖溶裂隙發育程度及富水性不均一，在條件有利部位賦存有較豐富的巖溶水。

1.4 變質巖類裂隙水含水巖組

變質巖類裂隙水含水巖組分布于東部霍山及西北部呂梁山一帶。含水層巖性為太古界、元古界變質巖及多期侵入巖。在構造作用及風化剝蝕作用下，構造裂隙及風化裂隙較發育，賦存裂隙潛水。因位處高中山區，地勢陡峻，地下水補、蓄條件較差，所以含水層富水性較弱。

2 采樣及測試方法

2.1 采樣及測試

為了研究當前第4 系松散巖類孔隙水、二疊系砂巖裂隙水、石炭系太原組灰巖裂隙巖溶水及奧陶系灰巖巖溶水的水化學特征，在研究區內共布置了56 個地下水取樣點，其中第四系松散巖類孔隙水取樣點12 個，二疊系砂巖裂隙水取樣點10 個，石炭系太原組灰巖裂隙巖溶水取樣點11 個，奧陶系灰巖巖溶水取樣點23 個。共計取樣56 組，取樣時間為2016 年8 月。

樣品取樣后及時送交室內，進行測試分析。測試項目包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、pH 值、總溶解固體（TDS）。

2.2 數據處理

數據處理采用了統計分析軟件SPSS17.0 對地下水中的主要離子含量進行了統計學和相關性分析，同時繪制了奧陶系灰巖巖溶水TDS 與主要離子的相關分析折線圖。

第四系松散巖類孔隙水、二疊系砂巖裂隙水、石炭系太原組灰巖裂隙巖溶水及奧陶系灰巖巖溶水的水化學三線圖如圖1 所示。

圖1 郭莊泉域地下水水化學三線圖Fig. 1 Three line diagram of groundwater hydrochemistry in Guozhuang spring field

由圖1 可以看出，主要陰陽離子分布區域相互重合，且相對集中，部分水化學類型相同，說明上述含水層之間在部分地段存在水力聯系。

3 結果與分析

3.1 描述性統計分析

3.1.1 第四系松散巖類孔隙水

對研究區內12 個取樣點第四系松散巖類孔隙水水樣的有關化學參數進行了統計分析，得到地下水主要離子特征，見表1。

表1 郭莊泉域第四系松散巖類孔隙水水化學參數的統計特征值（n=12）Table 1 Statistical characteristic values of hydrochemical parameters of Quaternary loose rocks pore water in Guozhuang spring field （n=12）

由表1 可以看出：

（1） 在陽離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相對較高，平均值約為359.44 mg/L。

（2） 在陰離子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高，平均值約為849.89 mg/L，標準差約為188.22，兩值均較大，變異系數較小，反映了其在孔隙水中的絕對含量較高，為地下水中的主要陰離子，HCO3-含量最低。

（3） 所有樣品的pH 值在6.85～8.12 之間，平均值為弱堿性。

（4） Ca2+、Mg2+、Cl-的變異系數均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環境變化的敏感因子。

（5） K++Na+、SO42-、HCO3-變異系數相對較小，表明它們在孔隙水中的含量相對較為穩定。

3.1.2 二疊系砂巖裂隙水

對研究區內10 個取樣點二疊系砂巖裂隙水水樣的有關化學參數進行統計分析，得到地下水主要離子特征，見表2。

表2 郭莊泉域二疊系砂巖裂隙水水化學參數的統計特征值（n=10）Table 2 Statistical characteristic values of hydrochemical parameters of Permian sandstone fracture water in Guozhuang spring field （n=10）

由表2 可以看出如下內容。

（1） 在陽離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相對較高，平均值約為328.46 mg/L，其次為Ca2+，平均值約為95.28 mg/L。

（2） 在陰離子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高，平均值約為727.96 mg/L，標準差約為283.19，兩值均較大，為地下水中的主要陰離子，HCO3-含量最低。

（3） 所有樣品的pH 值均在7.06～8.22 之間，為弱堿性。

（4） K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-的變異系數均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環境變化的敏感因子。

（5） HCO3-變異系數相對較小，表明其在裂隙水中的含量相對較為穩定。

3.1.3 石炭系太原組灰巖裂隙巖溶水

對研究區內11 個取樣點石炭系太原組灰巖裂隙巖溶水水樣的有關化學參數進行統計分析，得到地下水主要離子特征，見表3。

表3 郭莊泉域石炭系太原組灰巖裂隙巖溶水水化學參數的統計特征值（n=11）Table 3 Statistical characteristic values of hydrochemical parameters of Carboniferous Taiyuan Formation limestone fracture karst water in Guozhuang spring field （n=11）

由表3 可以看出如下內容。

（1） 在陽離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相對較高，平均值約為308.38 mg/L，其次為Ca2+，平均值約為59.83 mg/L。

（2） 在陰離子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高，平均值約為581.67 mg/L，標準差約為82.66，兩值均較大，為地下水中的主要陰離子，Cl-含量最低。

（3） 所有樣品的pH 值均在7.21～8.1 之間，為弱堿性。

（4） Ca2+、Mg2+、Cl-的變異系數均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環境變化的敏感因子。

（5） K++Na+、HCO3-、SO42變異系數相對較小，表明它們在裂隙水中的含量相對較為穩定。

3.1.4 奧陶系灰巖巖溶水

對研究區內23 個取樣點奧陶系灰巖巖溶水水樣的有關化學參數進行統計分析，得到地下水主要離子特征，見表4。

表4 郭莊泉域奧陶系灰巖巖溶水水化學參數的統計特征值（n=23）Table 4 Statistical characteristic values of hydrochemical parameters of Carboniferous Taiyuan Formation limestone fracture karst water in Guozhuang spring field （n=23）

由表4 可以看出如下內容。

（1） 在陽離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相對較高，平均值約為247.01 mg/L，其次為Ca2+，平均值約為112.36 mg/L。

（2） 在陰離子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高， 平均值約為637.73 mg/L， 標準差為262.61 mg/L，反映了其在巖溶水中的絕對含量較高，HCO3-含量最低。

（3） 所有樣品的pH 值均在7.32～8.21，為弱堿性。

（4） K++Na+、Mg2+、SO42-的變異系數均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環境變化的敏感因子。

（5） Ca2+、Cl-、HCO3-變異系數相對較小，表明它們在巖溶水中的含量相對較為穩定。

3.2 相關分析

相關分析可揭示地下水水化學參數的相似、相異性，以及地下水來源的一致性和差異性。

通過奧陶系灰巖巖溶水TDS 與主要離子成分的相關分析表明，主要與K++Na+及SO42-離子的相關性好，相關性指數R2分別為0.593 4、0.574 2。

與其他離子含量的相關性較小，說明奧陶系灰巖巖溶水的TDS 值受K++Na+及SO42-含量的影響較大，受其他離子含量的影響較小。

郭莊泉域巖溶水TDS 與主要離子成分相關分析如圖2 所示。

圖2 郭莊泉域巖溶水TDS 與主要離子成分相關分析Fig. 2 Correlation analysis between TDS and main ion composition of karst water in Guozhuang spring field

與第四系松散巖類孔隙水相比得到如下內容。

（1） 奧陶系灰巖巖溶水的TDS 值略低于第四系水的TDS 值。

（2） 陽離子K++Na+濃度高于第四系水。

（3） Ca2+、Mg2+濃度略低于第四系水。

（4） 陰離子Cl-、HCO3-濃度低于第四系水。

（5） SO42-濃度明顯高于第四系水。

與二疊系砂巖裂隙水相比得到如下內容。

（1） TDS 值低于裂隙水。

（2） 陽離子K++Na+、Ca2+、Mg2+濃度均低于裂隙水。

（3） 陰離子Cl-、SO42-濃度略高于裂隙水。

（4） HCO3-濃度低于裂隙水。

與石炭系太原組灰巖裂隙巖溶水相比得到如下內容。

（1） TDS 值略高于太灰水。

（2） 陽離子K++Na+、Ca2+、Mg2+濃度均略高于太灰水。

（3） 陰離子HCO3-氯離子濃度低于太灰水。

（4） Cl-、SO42-濃度明顯高于太灰水。

3.3 奧陶系灰巖巖溶水水化學類型及分布規律

郭莊泉域奧陶系灰巖巖溶水水化學特征及分布如圖3 所示。

圖3 2017 年郭莊泉域奧陶系灰巖巖溶水水化學圖Fig. 3 Hydrochemical map of Ordovician karst water in Guozhuang spring field in 2017

由圖3 可以看出如下內容。

（1） 調查區內奧灰巖溶水水化學類型大致分為6 種，其中，SO4—Na+K·Ca 型不僅水樣點最多，占總奧灰水樣點的45.5%，且分布也最廣，主要分布調查區東部大部分區域，包含南關、霍州市、師莊鄉、和平鎮、麻姑頭東一帶，TDS 值約為1 200～1 500 mg/L，處于泉域的徑流—排泄區。

（2） SO4·HCO3—Na+K 型奧灰水主要分布在調查區西部康城、康和、桑原、汾西、佃坪、盈村一帶，TDS 值約為600～1 300 mg/L，處于泉域的補給區。

（3） SO4·HCO3—Ca·Mg 型水主要分布在調查區南部劉家垣、趙城一帶，TDS 值<900 mg/L。

（4） SO4·HCO3—Na+K·Ca 型水主要分布在調查區西北部泉域邊界附近，TDS 值約為900～1 200 mg/L。

（5） HCO3- Ca·Mg 型水主要分布在泉域東南角辛置一帶，TDS 值<900 mg/L。

4 結 語

（1） 第四系松散巖類孔隙水K++Na+和SO42-含量相對較高。K++Na+、SO42-、HCO3-變異系數相對較小，在孔隙水中的含量相對較為穩定；Ca2+、Mg2+離子變異系數相對較大。

（2） 二疊系砂巖裂隙水K++Na+和SO42-含量相對較高。HCO3-變異系數相對較小，在裂隙水中的含量相對較為穩定；Ca2+、Mg2+離子變異系數相對較大。

（3） 石炭系太原組灰巖裂隙巖溶水K++Na+和SO42-含量相對較高。K++Na+、HCO3-、SO42-變異系數相對較小，在裂隙水中的含量相對較為穩定；Ca2+、Mg2+、Cl-的變異系數均較大，是地下水中隨環境變化的敏感因子。

（4） 奧陶系灰巖巖溶水K++Na+和SO42-含量相對較高。Ca2+、Cl-、HCO3-變異系數相對較小，在巖溶水中的含量相對較為穩定；K++Na+、Mg2+、SO42-的變異系數均較大。

（5） 通過相關性的分析可以看出，TDS 與K++Na+及SO42-的相關性好，與其他離子的相關性較?。粖W陶系灰巖巖溶水的TDS 值受K++Na+及SO42-含量的影響較大，而受其他離子含量的影響較小。

（6） 現階段調查區內奧灰巖溶水主要以SO4—Na+K·Ca 型水為主，分布也最廣。