宿州市城西水源地深層地下水水質及水化學成因分析

曹偉民

宿州市水政監(jiān)察支隊 安徽 宿州 234000

引言

近年來，由于過度開采和工農業(yè)的污染輸入的影響，許多城市或地區(qū)的地下水資源已經遭到嚴重破壞。特別是華北地區(qū)，水資源供應矛盾更為突出[1]。據環(huán)保部頒布的《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，2021年我國V類地下水相比2020年上漲了3個百分點，占比達20.6%。

城西水源地是我國第二批重要飲用水水源地，更是宿州市的主要供水來源[2-3]。統(tǒng)計顯示，自1985年以來該水源地已向城市供水20多億m3，其水質優(yōu)劣直接影響到居民健康和城市發(fā)展。先前的研究對城西水源地淺層地下水水質情況進行了調查，如梁華通過內梅羅污染指數(shù)發(fā)現(xiàn)淺層地下水中存在輕微污染，林曼麗等對地下水中重金屬健康風險進行了評價，研究結果顯示Cr和Cd具有一定的致癌風險[4-5]。然而，深層地下水水質情況尚未受到相應的關注，這制約了對城西水源地地下水資源的進一步利用。因此，本研究的目的在于揭示城西水源地深層水的水化學特征，并深入了解地下水水化學組成控制因素，以期為該區(qū)域水資源的管理提供一定科學依據。

1 區(qū)域水文地質條件

主要研究的含水層為松散巖類孔隙含水層，其由淺至深可進一步劃分為3個亞類含水層，依次為：第一含水層（淺層，簡稱為一含）、第二含水層（中深層，簡稱為二含）和第三含水層（深層，簡稱為三含）。據鉆孔資料揭露，一含與二含埋深在100m以內，三含隱伏于二含之下，頂板埋深在100m左右，底板埋深約150m，一般發(fā)育2層砂。巖性以細砂和中砂為主，其次為粗砂和粉砂，多為泥質和鈣質半膠結。自然狀態(tài)下，三含處于較封閉狀態(tài)，以層間徑流補給為主。

2 數(shù)據收集、測試與分析方法

2.1 數(shù)據收集與測試

本研究地下水樣品采集自研究區(qū)的22口深井（深度在130-150m之間）。測試的指標包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、F-、H2SiO3、pH、TDS、TH和耗氧量。測試方法如下：pH和TDS在采樣現(xiàn)場通過手持式水質檢測儀測定，TH通過EDTA容量法測試，耗氧量通過高錳酸鉀法測試（結果以O2記），HCO3-通過實驗室滴定法測試，其余指標均通過離子色譜法測試。

2.2 分析方法

首先利用Excel計算不同指標的最小值、平均值和最大值，并分別與國家地下水質量標準（GB/T 14848-2017）對比，以評估水質狀態(tài)，然后通過Piper三線圖并劃分地下水化學類型，最后通過離子間關系探討水化學形成機制。

3 地下水水質特征

3.1 水質參數(shù)濃度分析

22組深層地下水樣品中陰離子平均濃度從高到低為HCO3-（508mg/L）＞ Cl-（49.8mg/L）＞SO42-（46.5mg/L）＞F（0.45mg/L)，陽離子平均濃度排序依次為Na+（106.3mg/L）＞ Ca2+（63.4mg/L）＞ Mg2+（40.3mg/L）＞ K+（1mg/L）。22個樣品的pH值處于7.0～8.0之間，說明地下水為中性至弱堿性。地下水中偏硅酸（H2SiO3）含量變化范圍為17.7～40.3mg/L，平均值為25.7 mg/L，大多數(shù)水樣符合國家飲天然礦泉水標準中偏硅酸濃度界限（25mg/L）[6]。TDS和TH濃度變化范圍分別為496～886mg/L（平均值為694mg/L）和225～570mg/L（平均值為450mg/L）。耗氧量范圍為0.54～1.90mg/L，平均值為0.96mg/L。

本研究已測試的13種水化學指標中有5種指標（HCO3-、Ca2+、Mg2+、K+和偏硅酸）在國家地下水質量標準（GB/T 14848-2017）中無規(guī)范，因此未統(tǒng)計其達標率[7]。國標中III類水質限值分別為，200 mg/L、250 mg/L、250 mg/L、1 mg/L、6.5-8.5、1000 mg/L、450 mg/L和3 mg/L，本研究中有1個地下水樣品的Na+濃度201.7 mg/L，因而達標率為95.5%。此外，2個地下水樣品中TH超標（達標率為90.9%），其余指標均符合III水質對應的濃度要求。

3.2 地下水水化學類型劃分

如圖1所示，陰離子三線圖中HCO3-占據絕對優(yōu)勢，絕大多數(shù)水樣的HCO3-當量濃度占比超過陰離子總量的70%，而陽離子三線圖中樣品點的分布較為分散，總體上以Na+為主，Mg2+次之。基于此，水化學類型結果如下：Na-HCO3型15個（68%），Mg-HCO3型5個（23%）和Ca-HCO3型2個（9%）。

圖1 水化學類型圖解

4 地下水水化學成因分析

巖類判別圖（Mg2+/ Na+、Ca2+/ Na+以及HCO3-/ Na+，單位為meq/L）可以將地下水化學成因劃分為蒸發(fā)巖溶解、硅酸鹽風化和碳酸鹽溶解3種類型，因此常用于地下水水文地球化學的研究中。從圖2可看出，所有樣品均位于硅酸鹽風化區(qū)域附近，說明研究區(qū)含水層中硅酸鹽礦物的風化是深層水水化學的主要控制因素，化學方程式如下：

圖2 三大巖類判別圖

氯堿指標（Chioro-Alkaline indices，CAI-I和CAI-II）常用于判斷地下水中陽離子交換作用的強度與方向。研究表明，若CAI-I和CAI-II均大于0說明地下水中存在Ca2+和Mg2+置換Na+，若均小于0則說明發(fā)生Na+置換Ca2+和Mg2+。CAI-I和CAI-II的計算公式如下（單位：meq/L）：

將各水樣中離子濃度帶入公式可知，CAI-I和CAII-I的變化范圍分別為-18.61～0.37（平均值為-4.79）和-0.59～0.26（平均值為-0.33）。21個樣品（占比95%）的CAI-I和CAI-II值均小于0，說明研究區(qū)三含中存在Na+置換Ca2+和Mg2+的現(xiàn)象，從而導致地下水中Na+相對于Ca2+和Mg2+更加富集。此外，（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）與（Na++ K+-Cl-）之間的關系也可以探討地下水中陽離子交換作用的存在。在本研究中，（Ca2++ Mg2+-SO42--HCO3-）與（Na++ K+- Cl-）的擬合方程為y = -0.929x，r2為0.959，表明二者之間具有良好的線性關系，這也進一步證實了氯堿指數(shù)分析獲得的結論。

5 結束語

①研究區(qū)深層地下水呈中至弱堿性，68%的樣品水化學類型為Na-HCO3型；②地下水水質狀態(tài)良好，絕大多數(shù)指標（Cl-、SO42-、F-、pH、TDS和耗氧量）符合國標III類水標準，且大多數(shù)水樣偏硅酸含量符合國家飲天然礦泉水標準；③硅酸鹽礦物的風化和陽離子交換作用是控制研究區(qū)地下水水化學組成的主要因素。