阜阳颍东浅层地下水化学特征与空间分布规律研究

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(1.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽地质环境监测总站，安徽 合肥 230001)

浅层地下水是我国北方广大农村地区传统的饮用水源。浅层地下水埋藏相对较浅，水质较好，易于采取利用。浅层地下水作为地球水循环中的重要环节之一，与地表水补排交互关系密切[1]，其不断的运动着，进行着水文地球化学循环和水岩作用[2]，包括溶滤作用、浓缩作用、 脱碳酸作用、 脱硫酸作用、 阳离子交替吸附作用、混合作用等，除这些自然作用外，随着人类活动能力的急剧增加，人为作用对浅层地下水水流场的改变和水化学的改变也愈发强烈[3-6]。这些作用共同形成了地下水化学浓度差异的地下水，这种差异性反映了不同的地下水水化学特征，而这些地下水化学特征可以用于分析地下水的补给、径流与排泄以及分析水文地球化学演化[7-9]。因此，研究浅层地下水水文地球化学特征和空间分布规律，对认识浅层地下水化学成因、演化规律以及在此基础上开展的地下水资源保护与可持续利用具有指导意义[10]。

1 研究区概况

阜阳市地处黄淮海大平原南端、淮北平原西部，地形平坦，地面标高一般在26～36 m。地势总趋势西北高、东南低，本区地貌按成因形态可划分为冲积平原和剥蚀-冲积平原两大类型，属于暖温带半湿润季风气候，温和湿润，光照充足，雨量适中，四季分明，多年平均降水量901 mm。主要河流有颍河、泉河、茨河、茨淮新河、济河、阜蒙河等[11-12]。

据地下水的埋藏条件、水力特征及其与大气降水、地表水的关系自上而下划分为浅层地下水和深层地下水，浅层地下水赋存于50 m以浅的全新世、晚更新世地层中，与大气降水、地表水关系密切。根据阜阳市地下水监测资料，浅层地下水水位埋深一般在2.5～4.7 m，地下水位年际变化不大，年内水位高峰出现在7～9月汛期，1～3月份水位较低，其余时段水位差别较小，水位年变幅1～2 m。大气降水是浅层地下水的主要补给来源，其他补给来源还包括区内农田灌溉回渗和侧向径流补给。蒸发、农村居民用水开采、侧向径流是其排泄途径。

本研究区位于阜阳市颍河以东，面积为50.26 km2(见图1)，靠近颍河东岸区域主要为较大面积的居民聚集区(以下简称居民区)；FYS01、FYS02和FYS03附近化工业厂聚集区域；其他区域主要为农业种植区域，内有小范围其他土地利用类型，如村庄、道路等。

2 研究方法

2.1 样品采集与测试

为研究本区域的浅层地下水化学特征和地下水空间分布规律，结合研究目的与研究区域范围的实际情况，在研究区内随机选取民用浅层地下水水井采样，本次共采集研究区内水样30个，采样时间集中在2017年5月，所采水样均为浅层地下水，采样点位置见图1。采样时用GPS现场定位，测量井深和地下水位埋深，现场测定pH和水温，记录所得数据。所采水样送至安徽省地质环境监测总站实验室进行水质全分析，分析指标包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-、CODMn等。地下水分析方法按《地下水环境监测技术规范》(HJ/T 164-2004)来进行。

图1 研究区浅层地下水等水位线与采样点分布

2.2 研究方法

地下水水化学数据的处理采用SPSS软件进行统计分析，使用Aquachem软件绘制地下水化学的Piper图，利用Surfer软件进行地下水化学的插值和制图。地下水化学的空间分布插值采用克里格(Kriging)方法进行。克里金插值是以变异函数理论和结构分析为基础，在局部区域内对区域化变量进行无偏最优估值的一种方法[13-14]。克里金方法适用于区域化变量存在空间相关性，其考虑了己知数据点与待估点的影响，而且也考虑了已知数据点之间的相互影响，并通过变异函数来表征区域化变量的空间结构性，其实质是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点对未知点进行线性、无偏、最优估计。

3 结果分析与讨论

3.1 水化学基本特征

对研究区浅层地下水化学成分特征进行描述性统计特征值分析(见表1)，其中，pH值为7.84～8.83，平均值为8.23，属弱碱性水。总溶解固体(TDS)含量的范围为246.79～892.89 mg/L，平均含量444.11 mg/L，为低矿化度水。阳离子平均含量：Na+(67.31mg/L)>Ca2+(65.45 mg/L)>Mg2+(27.42 mg/L)>K+(0.82 mg/L)，以Ca和Na为主；阴离子平均含量：HCO3-(375.21 mg/L)>Cl-(41.48 mg/L)>SO42-(32.84 mg/L)>NO3-(13.53 mg/L)，以HCO3-为主。从变异角度分析，其中pH值、HCO3-、Mg2+、TDS、Ca2+、Na+、Cl-变异系数相对较小(小于100%)，说明这些指标在浅层地下水中的处于相对稳定状态[15]。而SO42-、K+和NO3-的变异系数较大，随环境因素变化的敏感因子。

表1 研究区浅层地下水主要化学成分统计表

注：表中pH单位无量纲，其他指标单位为mg/L。

图2 地下水水化学Piper图

根据研究区水样点的毫克当量百分数绘制Piper图(如图2所示)，由Piper图分析可知：工业区与居民区附近浅层地下水水质较接近，主要水化学类型为HCO3-Ca和HCO3-Ca+Mg型, TDS为351.12～892.89 mg/L，而与农业区附近水样相对比，其HCO3-浓度较低，Cl-含量相对较高。这可能与工业区和居民区附近地表多为人工建筑，浅层地下水与空气交替循环慢，接受大气降水少，带入含有CO2的降水补给少，表现为HCO3-浓度较低；该区域补给强度低，水循环慢，且有人为因素的影响，因此也表现为Cl-含量相对较高。农业区附近地下水样，具有较高的HCO3-含量，毫克当量百分数多大于75，水质类型主要为HCO3-Na+K和HCO3-Ca+Mg型水，TDS相对较低，为246.79～668.52 mg/L。

3.2 地下水化学空间分布特征

区内浅层地下水总体由西北流向东南，水位变化为24.4～27.8 m(见图1)。区内地下水化学的空间分布规律并不完全与地下水径流一致，除了受地下水径流和岩石性质影响外，还受人类活动、土地利用类型、大气降水的补给条件等影响。下面重点讨论Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-和NO3-离子成分的空间分布特征。

区内浅层地下水的Ca2+、Mg2+总体上西南侧靠近居民区附近浓度较高，东部和北部的农业区Ca2+、Mg2+浓度较低，这可能与东部居民区主要为硬化地面，浅层地下水接受大气降水补给弱，且水力梯度小，地下水径流相对缓慢，水岩作用较为充分有关；而西部和北部区域主要为农业区域，浅层地下水受大气降水补给条件较好，水循环速度快，水质受到稀释，因此表现为Ca2+、Mg2+浓度较低。

区内浅层地下水的HCO3-分布规律与Ca2+和Mg2+的分布规律相反，HCO3-总体上在西部居民区和工业区附近浓度较低，而东部和北部的农业区浓度较高(见图3(a))。究其原因，一方面西部居民区和工业区Ca2+和Mg2+相对较高，制约着水中HCO3-的含量，另一方面，在东部和北部的农业区浅层地下水与大气接触面广，二者交换较充分，大气中的CO2溶解于地下水中，使该部分区域地下水HCO3-含量较高。

图3 HCO3-、Cl-和NO3-地下水化学成分的空间分布图

区内浅层地下水的Cl-含量总体上表现为西部居民区和工业区附近浓度较高，而东部和北部的农业区浓度较低(见图3(b))。一般情况下，Cl-随着地下水径流，浓度逐渐增高，而此处的Cl-并没有表现出如此变化规律，这说明西部居民区和工业区附近Cl-的来源可能为人类活动导致的浓度增高，当径流到下游农业区时，接受大气降水补给强，水循环快，浅层地下水得到稀释，因此Cl-浓度降低。

区内浅层地下水的NO3-总体上也表现为西部居民区和工业区附近浓度较高，而东部的农业区浓度较低(见图3(c))。其中，NO3-浓度最高的为FYS06号样点，浓度高达140.50 mg/L，现场调查发现其分布在家禽养殖场附近，可能由于家禽粪便污水入渗所致； FYS01号水样分布在工业区附近，浓度高达75.75 mg/L；区内西南部的居民区零散地分布较高浓度的NO3-水样点；东部的农业区NO3-浓度普遍低于0.5 mg/L。以上分析说明本区内浅层地下水NO3-的主要来源为生活污水、农业畜牧养殖和工业废污水，而农业的面源污染对NO3-的贡献相对较小。

4 结语

(1)研究区浅层地下水pH值为7.84～8.83，平均值为8.23，属弱碱性水。pH值、HCO3-、Mg2+、TDS、Ca2+、Na+、Cl-变异系数相对较小，这些指标在浅层地下水中的处于相对稳定状态。而SO42-、K+和NO3-的变异系数较大，随环境因素变化的敏感因子。

(2)工业区与居民区附近浅层地下水水化学含量较接近，主要水化学类型为HCO3-Ca和HCO3-Ca+Mg型, TDS为351.12～892.89 mg/L；农业区附近浅层地下水HCO3-含量相对较高，水质类型主要为HCO3-Na+K和HCO3-Ca+Mg型水，TDS相对较低，为246.79～668.52 mg/L。

(3)区内浅层地下水总体由西北流向东南，区内地下水化学的空间分布规律并不完全与地下水径流一致，除了受地下水径流和岩石性质影响外，还受人类活动、土地利用类型和大气降水的补给条件等影响。

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