郭庄泉域地下水水化学特征及污染影响研究

宫萍萍

（中国煤炭地质总局 水文地质工程地质环境地质勘查院，河北 邯郸 056004）

0 引 言

郭庄泉域位处晋中南地区，是由汾河断陷盆地及西邻吕梁山、东邻霍山组成的汇水盆地。在该泉域中广泛分布寒武系、奥陶系岩溶裂隙含水层，整体形态是一个沿SSW～NNE 方向延伸的条带，泉域面积约5 600 km2。

郭庄泉域南邻龙子祠泉域，北邻柳林泉域，东邻广胜寺泉域，是山西省仅次于娘子关泉的第2 大泉。泉域边界及范围构成一个完整的由西北向东南倾斜的储水盆地构造。

郭庄泉域具有补给面积大、补给条件好、径流途径长和富水性强等特征，并具有独立的补给、径流、排泄的地下水循环系统。但随着泉域内岩溶水的大量开采利用、煤矿开采等多种因素的影响，泉水流量不断减少，绝大部分泉眼干涸，严重影响郭庄泉的可持续利用。

地下水水化学研究是地下水资源质量评价的重要内容，对岩溶地下水系统水资源利用和管理，及与其有关的生态环境的保护与建设都具有重要的意义。

本文分析了2018 年郭庄泉域地下水中的主要离子含量和水化学特征，总结了不同类型水的分布规律。

1 研究区水文地质条件

根据岩性组合、含水介质、孔隙类型、含水特征及富水性，将调查区含水层划分为松散岩类孔隙水含水岩组、碎屑岩类及碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙含水岩组、碳酸盐岩类岩溶裂隙水含水岩组和变质岩类裂隙水含水岩组。

1.1 松散岩类孔隙水含水岩组

松散岩类孔隙水含水岩组主要分布在河谷区，其次是低山丘陵区，另外在中高山及中山区亦有零星分布。

（1） 第4 系松散岩类孔隙含水岩组。

第4 系松散岩类孔隙含水岩组主要分布在汾河河谷及其较为宽展、开阔的支流河谷的中下游地段。其次是低山丘陵区的黄土塬、梁地区。含水层厚度一般约为1～10 m，孔隙发育，有利于接受大气降水入渗及地表水的渗漏补给，赋存有较丰富的孔隙潜水。

（2） 新近系松散岩类孔隙水含水岩组。

新近系松散岩类孔隙水含水岩组主要分布在低山丘陵黄土塬、梁的底部，深切沟谷局部出露。含水层以新近系上新统底部半胶结的砂砾石层为主，厚度约为2～5 m。砾径大小不一，泥、砂、砾三者混杂，分选性及磨圆度较差，结构较疏松，孔隙发育，赋存孔隙潜水。含水层的分布相对稳定，地下水的赋存条件较好，赋存相对丰富的孔隙潜水。

1.2 碎屑岩类及碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙含水岩组

（1） 二叠系碎屑岩类裂隙水含水岩组。

二叠系碎屑岩类裂隙水含水岩组广泛分布在低山丘陵区，由上石盒子组、下石盒子组和山西组一套砂岩与泥质岩相互叠置的碎屑岩类所组成。含水层以二叠系中粒砂岩、粗粒砂岩为主，该含水岩组地表及浅部裂隙发育、风化严重。

（2） 太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组。

太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组多隐伏于煤系陆相地层之下，霍州市幅西部区域大面积出露。含水层以石炭系上统太原组三层碎屑石灰岩（K2、K3、K4），其中以C3t底部K2厚层石灰岩含水层为主，赋存裂隙岩溶潜水—承压水。由于所处地貌条件、构造条件、埋藏深度及地下水补给条件等的不同，其所含水层的富水程度极不均一。

1.3 碳酸盐岩类岩溶裂隙水含水岩组

（1） 奥陶系岩溶裂隙水含水岩组。

为研究区内的主要含水岩组，含水层的富水程度与所处泉域的位置、构造部位、埋藏条件及岩溶裂隙发育程度密切相关。含水层以上马家沟组二段、三段；下马家沟组二段、三段；峰峰组二段的灰岩和白云质灰岩为主。

（2） 寒武系岩溶裂隙含水岩组。

上寒武统岩溶裂隙含水层岩性以中厚层状白云岩为主，泥质成分略高，岩溶裂隙发育程度也有所减弱，一般可视为弱含水层，在构造发育部位，可达中等富水。中寒武张夏组岩溶裂隙含水层岩性以鲕状灰岩，白云质鲕状灰岩为主，岩溶裂隙发育程度及富水性不均一，在条件有利部位赋存有较丰富的岩溶水。

1.4 变质岩类裂隙水含水岩组

变质岩类裂隙水含水岩组分布于东部霍山及西北部吕梁山一带。含水层岩性为太古界、元古界变质岩及多期侵入岩。在构造作用及风化剥蚀作用下，构造裂隙及风化裂隙较发育，赋存裂隙潜水。因位处高中山区，地势陡峻，地下水补、蓄条件较差，所以含水层富水性较弱。

2 采样及测试方法

2.1 采样及测试

为了研究当前第4 系松散岩类孔隙水、二叠系砂岩裂隙水、石炭系太原组灰岩裂隙岩溶水及奥陶系灰岩岩溶水的水化学特征，在研究区内共布置了56 个地下水取样点，其中第四系松散岩类孔隙水取样点12 个，二叠系砂岩裂隙水取样点10 个，石炭系太原组灰岩裂隙岩溶水取样点11 个，奥陶系灰岩岩溶水取样点23 个。共计取样56 组，取样时间为2016 年8 月。

样品取样后及时送交室内，进行测试分析。测试项目包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、pH 值、总溶解固体（TDS）。

2.2 数据处理

数据处理采用了统计分析软件SPSS17.0 对地下水中的主要离子含量进行了统计学和相关性分析，同时绘制了奥陶系灰岩岩溶水TDS 与主要离子的相关分析折线图。

第四系松散岩类孔隙水、二叠系砂岩裂隙水、石炭系太原组灰岩裂隙岩溶水及奥陶系灰岩岩溶水的水化学三线图如图1 所示。

图1 郭庄泉域地下水水化学三线图Fig. 1 Three line diagram of groundwater hydrochemistry in Guozhuang spring field

由图1 可以看出，主要阴阳离子分布区域相互重合，且相对集中，部分水化学类型相同，说明上述含水层之间在部分地段存在水力联系。

3 结果与分析

3.1 描述性统计分析

3.1.1 第四系松散岩类孔隙水

对研究区内12 个取样点第四系松散岩类孔隙水水样的有关化学参数进行了统计分析，得到地下水主要离子特征，见表1。

表1 郭庄泉域第四系松散岩类孔隙水水化学参数的统计特征值（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） 在阳离子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相对较高，平均值约为359.44 mg/L。

（2） 在阴离子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高，平均值约为849.89 mg/L，标准差约为188.22，两值均较大，变异系数较小，反映了其在孔隙水中的绝对含量较高，为地下水中的主要阴离子，HCO3-含量最低。

（3） 所有样品的pH 值在6.85～8.12 之间，平均值为弱碱性。

（4） Ca2+、Mg2+、Cl-的变异系数均较大，表明其在孔隙水中的含量变化幅度较大，它们是地下水中随环境变化的敏感因子。

（5） K++Na+、SO42-、HCO3-变异系数相对较小，表明它们在孔隙水中的含量相对较为稳定。

3.1.2 二叠系砂岩裂隙水

对研究区内10 个取样点二叠系砂岩裂隙水水样的有关化学参数进行统计分析，得到地下水主要离子特征，见表2。

表2 郭庄泉域二叠系砂岩裂隙水水化学参数的统计特征值（n=10）Table 2 Statistical characteristic values of hydrochemical parameters of Permian sandstone fracture water in Guozhuang spring field （n=10）

由表2 可以看出如下内容。

（1） 在阳离子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相对较高，平均值约为328.46 mg/L，其次为Ca2+，平均值约为95.28 mg/L。

（2） 在阴离子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高，平均值约为727.96 mg/L，标准差约为283.19，两值均较大，为地下水中的主要阴离子，HCO3-含量最低。

（3） 所有样品的pH 值均在7.06～8.22 之间，为弱碱性。

（4） K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-的变异系数均较大，表明其在孔隙水中的含量变化幅度较大，它们是地下水中随环境变化的敏感因子。

（5） HCO3-变异系数相对较小，表明其在裂隙水中的含量相对较为稳定。

3.1.3 石炭系太原组灰岩裂隙岩溶水

对研究区内11 个取样点石炭系太原组灰岩裂隙岩溶水水样的有关化学参数进行统计分析，得到地下水主要离子特征，见表3。

表3 郭庄泉域石炭系太原组灰岩裂隙岩溶水水化学参数的统计特征值（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 可以看出如下内容。

（1） 在阳离子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相对较高，平均值约为308.38 mg/L，其次为Ca2+，平均值约为59.83 mg/L。

（2） 在阴离子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高，平均值约为581.67 mg/L，标准差约为82.66，两值均较大，为地下水中的主要阴离子，Cl-含量最低。

（3） 所有样品的pH 值均在7.21～8.1 之间，为弱碱性。

（4） Ca2+、Mg2+、Cl-的变异系数均较大，表明其在孔隙水中的含量变化幅度较大，它们是地下水中随环境变化的敏感因子。

（5） K++Na+、HCO3-、SO42变异系数相对较小，表明它们在裂隙水中的含量相对较为稳定。

3.1.4 奥陶系灰岩岩溶水

对研究区内23 个取样点奥陶系灰岩岩溶水水样的有关化学参数进行统计分析，得到地下水主要离子特征，见表4。

表4 郭庄泉域奥陶系灰岩岩溶水水化学参数的统计特征值（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 可以看出如下内容。

（1） 在阳离子K++Na+、Ca2+、Mg2+中，K++Na+含量相对较高，平均值约为247.01 mg/L，其次为Ca2+，平均值约为112.36 mg/L。

（2） 在阴离子Cl-、SO42-、HCO3-中，SO42-含量最高， 平均值约为637.73 mg/L， 标准差为262.61 mg/L，反映了其在岩溶水中的绝对含量较高，HCO3-含量最低。

（3） 所有样品的pH 值均在7.32～8.21，为弱碱性。

（4） K++Na+、Mg2+、SO42-的变异系数均较大，表明其在孔隙水中的含量变化幅度较大，它们是地下水中随环境变化的敏感因子。

（5） Ca2+、Cl-、HCO3-变异系数相对较小，表明它们在岩溶水中的含量相对较为稳定。

3.2 相关分析

相关分析可揭示地下水水化学参数的相似、相异性，以及地下水来源的一致性和差异性。

通过奥陶系灰岩岩溶水TDS 与主要离子成分的相关分析表明，主要与K++Na+及SO42-离子的相关性好，相关性指数R2分别为0.593 4、0.574 2。

与其他离子含量的相关性较小，说明奥陶系灰岩岩溶水的TDS 值受K++Na+及SO42-含量的影响较大，受其他离子含量的影响较小。

郭庄泉域岩溶水TDS 与主要离子成分相关分析如图2 所示。

图2 郭庄泉域岩溶水TDS 与主要离子成分相关分析Fig. 2 Correlation analysis between TDS and main ion composition of karst water in Guozhuang spring field

与第四系松散岩类孔隙水相比得到如下内容。

（1） 奥陶系灰岩岩溶水的TDS 值略低于第四系水的TDS 值。

（2） 阳离子K++Na+浓度高于第四系水。

（3） Ca2+、Mg2+浓度略低于第四系水。

（4） 阴离子Cl-、HCO3-浓度低于第四系水。

（5） SO42-浓度明显高于第四系水。

与二叠系砂岩裂隙水相比得到如下内容。

（1） TDS 值低于裂隙水。

（2） 阳离子K++Na+、Ca2+、Mg2+浓度均低于裂隙水。

（3） 阴离子Cl-、SO42-浓度略高于裂隙水。

（4） HCO3-浓度低于裂隙水。

与石炭系太原组灰岩裂隙岩溶水相比得到如下内容。

（1） TDS 值略高于太灰水。

（2） 阳离子K++Na+、Ca2+、Mg2+浓度均略高于太灰水。

（3） 阴离子HCO3-氯离子浓度低于太灰水。

（4） Cl-、SO42-浓度明显高于太灰水。

3.3 奥陶系灰岩岩溶水水化学类型及分布规律

郭庄泉域奥陶系灰岩岩溶水水化学特征及分布如图3 所示。

图3 2017 年郭庄泉域奥陶系灰岩岩溶水水化学图Fig. 3 Hydrochemical map of Ordovician karst water in Guozhuang spring field in 2017

由图3 可以看出如下内容。

（1） 调查区内奥灰岩溶水水化学类型大致分为6 种，其中，SO4—Na+K·Ca 型不仅水样点最多，占总奥灰水样点的45.5%，且分布也最广，主要分布调查区东部大部分区域，包含南关、霍州市、师庄乡、和平镇、麻姑头东一带，TDS 值约为1 200～1 500 mg/L，处于泉域的径流—排泄区。

（2） SO4·HCO3—Na+K 型奥灰水主要分布在调查区西部康城、康和、桑原、汾西、佃坪、盈村一带，TDS 值约为600～1 300 mg/L，处于泉域的补给区。

（3） SO4·HCO3—Ca·Mg 型水主要分布在调查区南部刘家垣、赵城一带，TDS 值<900 mg/L。

（4） SO4·HCO3—Na+K·Ca 型水主要分布在调查区西北部泉域边界附近，TDS 值约为900～1 200 mg/L。

（5） HCO3- Ca·Mg 型水主要分布在泉域东南角辛置一带，TDS 值<900 mg/L。

4 结 语

（1） 第四系松散岩类孔隙水K++Na+和SO42-含量相对较高。K++Na+、SO42-、HCO3-变异系数相对较小，在孔隙水中的含量相对较为稳定；Ca2+、Mg2+离子变异系数相对较大。

（2） 二叠系砂岩裂隙水K++Na+和SO42-含量相对较高。HCO3-变异系数相对较小，在裂隙水中的含量相对较为稳定；Ca2+、Mg2+离子变异系数相对较大。

（3） 石炭系太原组灰岩裂隙岩溶水K++Na+和SO42-含量相对较高。K++Na+、HCO3-、SO42-变异系数相对较小，在裂隙水中的含量相对较为稳定；Ca2+、Mg2+、Cl-的变异系数均较大，是地下水中随环境变化的敏感因子。

（4） 奥陶系灰岩岩溶水K++Na+和SO42-含量相对较高。Ca2+、Cl-、HCO3-变异系数相对较小，在岩溶水中的含量相对较为稳定；K++Na+、Mg2+、SO42-的变异系数均较大。

（5） 通过相关性的分析可以看出，TDS 与K++Na+及SO42-的相关性好，与其他离子的相关性较小；奥陶系灰岩岩溶水的TDS 值受K++Na+及SO42-含量的影响较大，而受其他离子含量的影响较小。

（6） 现阶段调查区内奥灰岩溶水主要以SO4—Na+K·Ca 型水为主，分布也最广。