开封市区近黄河地区地下水化学特征及成因分析

杜青辉，屈吉鸿，宋全香

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016；2.华北水利水电大学，郑州 450045)

0 引 言

在北方干旱平原地区，地下水在各种水资源中占据着十分重要的地位，是非常理想的饮用水源。开封市作为河南省新兴副中心城市，用水需求不断扩大，水量短缺和水质污染现象频发，对生产生活造成严重影响。因此，了解研究区地下水演化规律，分析其水质变化及趋势至关重要。李松青等[1]利用遗传算法-BP神经网络法对开封市地下水水质进行评价,并从埋深、富水性两个方面分析了水质特征的分布规律。刘君等[2]探讨了北方主要盆地和平原的地下水水化学变化规律，得出北方区域地下水水化学特征在时间和空间上均各有差异，其原因是长期大规模开采和人类活动产生的污染。王雅欣[3]等研究了南水北调通水对梁济运河流域地下水化学成分影响。蒋万军[4]、刘伟坡[5]、王明君等[6]通过Piper 三线图、皮尔逊相关系数、Gibbs 图以及离子比例系数等方法分析各自研究区的地下水化学特征及成因。

本文在水文地质调查和样品采集分析的基础上，研究其水质变化及趋势，并揭示地表水对地下水水化学特征及成因的影响，对地下水资源可持续开发利用具有重要意义，为满足今后研究区高质量发展和生产生活用水需要提供科学依据。

1 研究区概况

开封市地处中原腹地河南省东部的豫东平原黄河下游南岸(见图1)，属黄河冲积扇平原尖端，地势平坦，区域内广泛分布新生代新近纪和第四纪松散堆积物，以细砂、中细砂为主[7]。本区地下水的含水类型均为松散岩类孔隙水。根据地层的倾向推测及深层地下水的补给径流，在开封市城区人工开采是主要的排泄途径。

2 数据来源和研究方法

本文以开封市水文地质勘察报告地下水采样数据为依据，分析水质循环演化规律，取样点共12个，其中地表水4个，沿黄河分布，地下水8个，垂直于黄河分布，位置见图1。首先运用SPSS 软件计算研究区地表水和地下水水化学基本组分特征，通过Piper 三线图和舒卡列夫分类法分析地下水水化学类型，从不同方面分析比较地表水和地下水水质的不同；然后通过皮尔逊相关系数和离子比例系数分析地下水水化学成因规律，并进一步判断地表水对地下水水质产生的影响；在此基础上，利用主成分法分析研究区水质污染状况，以期为地下水资源的管理和保护提供科学指导。

图1 研究区采样点分布Fig.1 Location of the sampling points in the study area

3 地下水水化学特征分析

3.1 水化学组分特征

表1 研究区水化学组分特征表Tab.1 Statistics of hydro-chemical parameters in the study area

3.2 水化学类型分析

在分析研究区地表水和地下水水化学基本组分特征的基础上，通过piper三线图和舒卡列夫分类法分析其水化学类型，进一步探讨地表水对地下水的影响。由表2可以看出，地表水水化学类型主要是HCO·SO4·Cl·Na·Ca型，个别点是HCO·SO4·Na·Ca·Mg型；地下水水化学类型HCO· Ca ·Na ·Mg型，个别点是HCO ·Na ·Ca型、HCO ·Na ·Mg型和 HCO ·Mg· Ca型。这与前文阴阳离子占比分析结果相一致。由图2可以看出，地表水碱土金属超过碱金属，地下水基本与其保持一致，只有极个别点相反；而在酸度方面，地表水强酸超过弱酸；地下水则相反，弱酸超过强酸。

图2 地下水化学piper三线图Fig.2 Piper Diagram of groundwater chemical

表2 舒卡列夫分类水化学类型表Tab.2 Hydro-chemical types of shukalev classification

3.3 水化学成因分析

本文进一步从成分间相关关系、地下水化学成分的自然机制及离子来源三方面对比分析地表水和地下水水化学成因。

表3 地表水各指标间的相关系数Tab.3 Correlation coefficient of surface water indexes

表4 地下水各指标间的相关系数Tab.4 Correlation coefficient of groundwater indexes

根据前人研究可知，地下水化学形成机制主要有蒸发作用、水岩作用和大气降雨3种[8]。Gibbs图是通过分析部分离子比值和TDS含量的关系来定性地判断水化学成因机制的一种方法，优点是能够简洁直观地反映分析结果。如图3所示，水样点基本处于图中部，TDS含量较高，说明地下水化学形成主要受水岩作用的控制，个别点阳离子比值较大，水样点偏向蒸发沉淀区域。即研究区内水体主要受水岩作用的控制，少量地下水偏右，受到蒸发作用和水岩作用共同控制。

图3 地下水化学Gibbs图Fig.3 Gibbs diagram of groundwater chemistry

图4 γNa+-γCl-关系图Fig.4 γNa+-γCl- relationship diagram

图关系图Fig.5 relationship diagram

图关系图Fig.6 relationship diagram

图关系图 relationship diagram

在地下水化学形成作用中，有2组离子比例系数的分析至关重要。γCl--γCa2+经常被用来作为衡量地下水动力强弱的指标；γNa+-γCl-主要反映地下水中 Na+的富集程度，被称为地下水的成因系数[10]。为进一步探明地表水对地下水的影响，本文自北向南，沿垂直地表水径流的方向进行分析。由图8可见，H1～H4为地表水取样点，2组离子比值基本保持稳定，而随着距离地表水越来越远，地下水中γCl--γCa2+除极个别点剧增外，基本呈现下降趋势，说明地下水水流动力作用总体增强；γNa+-γCl-则大体呈现上升趋势，但趋势缓慢。推测是由于Cl-含量下降，这与前文中离子浓度含量百分比分析中地下水中Cl-含量小于地表水中相一致。

图8 离子比值沿程变化趋势图Fig.8 Trend chart of ion ratio along the path

4 水质污染状况分析

表5 特征值和主成分贡献率及累计贡献率Tab.5 Eigenvalues and principal components contribution rate and cumulative contribution rate

表6 主成分得分系数矩阵Tab.6 Principal component score coefficient matrix

表7 地下水主成分得分及排序Tab.7 Score and sequence of principal components of groundwater

5 结 论

(2)地表水和地下水中主要离子间相关系数相差不大。区内水体主要受水岩作用的控制，少量地下水受到蒸发作用和水岩作用共同控制。Na+的来源是盐岩溶解和其他含钠矿物的溶解；Ca2+、Mg2+主要来源于碳酸盐和硅酸盐矿物，如白云石、方解石和石膏等，此外，阳离子吸附交换作用明显。

(3)自北向南，沿垂直地表水径流的方向分析地下水化学形成作用强弱，地表水水化学形成作用基本稳定，而随着距离地表水越来越远，地下水中γCl--γCa2+基本呈现下降趋势，地下水水流动力作用有小幅度增强；γNa+-γCl-则大体呈现上升趋势，趋势缓慢。

(4)地表水污染小于地下水，污染物主要来源于水岩作用；地下水中靠近铁路和地表水的取样点水质污染小于市中心取样点，污染物来源除矿物溶解外，人为活动也造成大量污染。