阜陽市深層地下水水化學特征及水質評價

劉業添 （合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

地下水資源是我國重要的水資源之一，對我國社會經濟發展起著重要作用。由于地下水資源大量開采，隨之而來的地下水環境問題日益突顯[1～2]。因此，開展地下水水質相關研究顯得尤為重要。日前，對阜陽市地下水水化學特征及水質評價的相關研究較多，孔令健等[3]研究了阜陽市集中式深層地下水飲用水源地水化學特征及其成因；趙曉玲等[4]分析了阜陽市13年～17年淺層地下水總硬度變化特征；胡云虎等[5]對皖北地區深層地下水進行研究，通過水質數據分析深層地下水飲用水源地水化學特征，并對水質進行了評價；王曉明等[6]以淮北平原淺層地下水為研究對象，通過Surfer軟件繪制硝酸鹽分布圖，并對硝酸鹽分布及污染來源進行了分析；王璐璐[7]以淮北平原地下水為研究對象，分析了各種因子的空間分布及水化學變化特征，并對其來源進行解析。本研究采用2020年國家監測工程監測站點地下水水質監測資料，進行阜陽市地下水水化學特征研究和水質綜合評價。

1 研究區概況

阜陽市是安徽地級市之一，位于淮河以北，華北平原南端。地理坐標范圍為北緯 32°24′～33°35′、東經 114°52′～116°30′。研究區屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，四季分明，氣候溫和。多年平均氣溫約為14.5℃，降水年內主要集中夏季，多年平均降雨量為900.8mm，多年平均蒸發量為959.5mm。

研究區地勢平坦開闊，屬于沖積型平原，地面高程約為18m～43m，自然坡降約為1/8000。研究區以埋深50m為分界線，上部分為淺層地下水，下部分深層承壓地下水。根據水文地質條件，深層承壓地下水劃分第Ⅰ承壓含水層組和第Ⅱ承壓含水層組。第Ⅰ承壓含水層組主要由第四系中、下更新統組成，頂板埋深約 49.69m～100.91 m，底板埋深約 118.00 m～147.00 m，總厚度約18.20 m～38.11 m，巖性主要為細砂、粉細砂。第Ⅱ含水層組由上第三系上部組成，頂板埋深 147.50m～175.70 m，底板埋深約500 m，總厚度約28.32 m～60.70 m，巖性主要為粉砂、細砂及中砂。

2 材料與方法

2.1 數據來源

阜陽市深層地下水監測數據為國家監測工程監測站點水質采樣測試數據，采用阜陽市深層地下水監測點共26個，水質于2020年4月～5月進行取樣，位置分布情況如圖1所示。地下水分析因子包括 pH、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、總硬度（total hardness，TH）、HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-、NO2-、溶解性總固體（total disslved solids，TDS）、氨氮、耗氧量（oxygen consumption，OC）、Fe、Mn等。

圖1 地下水取樣點分布圖

2.2 數據處理

運用Excel進行數據統計，采用變異系數箱線圖、最大值、最小值、平均值和標準偏差對地下水主要組分進行分析；通過Aquachem、Origin、MAPGIS等軟件，繪制水質數據Gibbs模型圖解、Piper三線圖、濃度箱圖等；通過Piper三線圖、濃度箱圖分析地下水水化學特征；通過Gibbs模型圖解分析主要控制因素。

3 地下水水化學特征

3.1 地下水主要化學組分

統計結果見表1、圖2所示，研究區深層地下水HCO3-、SO42-、Na+、Ca2+濃度相對含量較高，陽離子以Na+為主，離子質量濃度由大到小排序為ρ（Na+）＞ρ（Ca2+）＞ρ（Mg2+）＞ρ（K+），濃度均值分別為 149.99mg/L、32.26mg/L、19.75mg/L、1.16mg/L；陰離子以 HCO3-為主，離子質量濃度由大到小排序為ρ（HCO3-）＞ρ（SO42-）＞ρ（Cl-）＞ρ（NO3-），濃度均值分別為379.62mg/L、67.67mg/L、56.77mg/L、0.15mg/L。

地下水主要化學組分情況 表1

圖2 地下水主要離子濃度箱圖

研究區深層地下水26個水樣pH值變化范圍：7.90～8.86，均值為8.41，總體上呈弱堿性。水樣總硬度變化范圍為32.31～532.20mg/L，均值為 161.87mg/L，按照硬度分類：300mg/L～450mg/L為硬水，阜陽市深層地下水為中硬水。溶解性總固體變化范圍為248.00mg/L～1785.00mg/L，均值為 562.42mg/L，按照溶解性總固體分類：淡水（＜1g/L），阜陽市深層地下水為淡水。

水樣pH變異系數為2.54，其值較小，說明研究區地下水pH穩定性較好。而NO3-的變異系數為 258.83，其值較大，說明研究區NO3-容易受環境影響[8]。

3.2 地下水水化學類型

通過Aquachem繪制Piper三線圖可知，在三角形右下角主要分布陽離子水樣點，陽離子以Na+為主，Ca2+、Mg2+相對含量較少。在三角形左下角主要分布陰離子水樣點，陰離子以HCO3-為主，Cl-、SO42-相對含量較少。按舒卡列夫分類法[9]，阜陽市深層地下水水化學類型主要為HCO3-Na（Ca），見圖3所示。

圖3 地下水piper三線圖

3.3 地下水水化學控制因素

水巖作用、大氣降水和蒸發結晶作用通常對地下水水化學成分造成影響。通過Gibbs圖解模型[10]分析，水巖作用區域分布的水質數據點較為密集，說明研究區水巖作用是地下水水化學組分的控制因素。

4 地下水質量評價

目前，常用于地下水質量評價方法有模糊綜合評價法、內梅羅指數法和層次分析法等[11-13]。本次利用阜陽市深層地下水水質數據，選取 TH、TDS、Cl-、HCO3-、NO3-、NO2-、氨氮、OC、Fe、Mn等10個影響因子，以《地下水質量標準》（GB/T14848—2017）為標準，運用兩種方法對地下水水質進行評價，并對比分析兩種結果的合理性。

4.1 內梅羅指數法

圖4 水化學Gibbs圖

內梅羅指數法在水質單因子評價的基礎上進行綜合評價，水質評價主要依據原樣測試結果，在監測點每個水質測試項目的評價結果（I、II、III、IV和V水）基礎上，將監測點每項因子的F值進行確定評分，見表2所示，最后確定地下水水質級別，見表3所示。計算公式如下：

Fi值評分方法表 表2

地下水質量分級表 表3

4.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法對地下水進行水質評價，采用此方法為了綜合考慮水質各因子的影響，并最大限度排除各極端超標因子的影響，從而提高綜合評價結果的信度和效度，基本思路為以下幾方面。

①采用降半梯形函數構造隸屬度函數，計算公式如下：

對Ⅰ級水的隸屬度函數：

對Ⅱ～Ⅳ級水的隸屬度函數：

對Ⅴ級水的隸屬度函數：

其中：Sij為第i個評價因子的j級標準值；Xi為第i個評價因子的實測濃度，i=1，2，…，m；j為水質等級，Ⅰ～Ⅴ級水質j對應1～5；rij為第i個評價因子j級水的隸屬度。

②以實測的濃度值按照隸屬度函數計算隸屬度，建立m×5階的模糊關系矩陣R，即：

③確定評價因子的權重。公式如下：

其中：Wi為第i個評價因子的權重值；Si0為第i個評價因子各級標準值的平均值；Xi為第i個評價因子的實測濃度；m為評價指標個數。

④建立1×m階權重矩陣A，即：

⑤運算矩陣A和R，得到矩陣B，采用最大隸屬度原則得出模糊綜合評價結果。矩陣B公式如下：

4.3 評價結果及分析

4.3.1 水質評價結果

基于內梅羅指數法評價結果見表4所示，水質主要集中在較差區域，占73.08%；優良、良好和極差水質極差占比較少，分別為3.84%、11.54%和11.54%；基于模糊綜合評價法評價結果見表4所示，水質主要為Ⅰ類，占73.08%；Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類水質分別占7.69%、11.54%和7.69%。

地下水質量評價結果 表4

4.3.2 水質評價結果分析

兩種方法的評價原理不同，導致評價地下水水質結果有所區別。主要污染因子對內梅羅指數法的影響較大，導致水質評價的結果偏差；模糊綜合評價法充分考慮各因子的影響，通過賦予各因子對水質各級標準的權重，評價結果比內梅羅指數法更加合理、精確。

4.3.3 水質影響指標及成因分析

根據水質超標率統計見表5所示和《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017），影響水質的主要指標為Mn、F。結合空間位置情況見圖5所示，Mn超標監測點為#1、#3～#6、#8～#12、#14、#16～#24、#26；F-超標監測點為#11～#13。經分析，Mn超標主要是由原生沉積環境造成[14]；F超標是由于含氟礦物的不斷溶解造成[15-16]。

水質超標率統計 表5

圖5 研究區地下水水質模糊綜合評價圖

5 結論

①阜陽市深層地下水HCO3-、SO42-、Na+、Ca2+相對含量較高，陽離子質量濃度由大到小排序為ρ（Na+）＞ρ（Ca2+）＞ρ（Mg2+）＞ρ（K+）；陰離子質量濃度由大到小排序為ρ（HCO3-）＞ρ（SO42-）＞ρ（Cl-）＞ρ（NO3-）。pH值：7.90～8.86，呈現弱堿性；TH為32.31 mg/L～532.20 mg/L，均值為 161.87 mg/L，為中硬水；TDS為248.00 mg/L～1785.00 mg/L，均值為562.42 mg/L，為淡水。

②阜陽市深層地下水水化學類型主要為HCO3—Na（Ca）型，水巖作用對地下水水化學組分造成主要影響。

③基于兩種方法的評價結果，經分析，地下水水質受超標單因子影響較大；采用模糊綜合評價法更加精確、合理。

④地下水中Mn、F含量較高，主要由于原生地球化學環境造成。