宿州市城西水源地深层地下水主要离子特征及来源

李 论 唐 军

一、概述

安徽省宿州市城西水源地地下水是城区生活、生产用水的主要来源。60年来，城西水源地累积向城市供水高达20 多亿m3，其对于宿州市的城市建设和经济发展的重要性不言而喻。本文以宿州市城西水源地深层地下水为研究对象，利用Piper 图、Gibbs 图等方法并结合城西水源地水文地质概况对该区主要离子特征及来源进行分析。主要目的为：（1）探究城西水源地深层地下水中主要离子特征；（2）通过常规水化学方法，判断出主要离子的来源。研究成果可为区域水资源管理提供参考。

二、材料与方法

（一）研究区概况

宿州市城西水源地作为城区唯一的饮用水水源地，其重要性不言而喻。城西水源地（地理方位：116°55'～117°05'E，33°30'～33°41'N）为一北西至南东向分布的富水地段，西起市界，南至桃园煤矿，东北基本以沱河为界，西南沿沟西村至刘合村一线，面积约为134.69km2。研究区位于我国南北气候过渡带，属暖温带半湿润季风气候，多年平均气温14.4℃，多年平均降雨量达858.1mm。研究区内水系十分发育，沱河、新汴河、浍河等干流及支流纵横交错。与此同时，研究区交通便利，道路错综复杂，铁路纵深其中。

本研究主要着眼于城西水源地深层地下水，其隶属于松散岩类孔隙含水组，水力性质为承压水。本研究含水层主要埋深在70～150m，其岩性以细砂、中砂为主，次为粗砂。

（二）样品采集与分析

2017年在宿州市城西水源地采集了24 个地下水样品（如图1），分别记作S1-S24。采用润洗过3次的聚乙烯瓶进行样品采集，采样期间需进行经纬度等信息的记录。采样现场需进行pH 和TDS 测试。样品收集结束后，再经0.45μm 水系微孔滤膜过滤后，用于离子测试分析。总共测试了7 种离子，其中HCO3-用酸碱滴定法测试，其余离子则采用戴安离子色谱进行测试（ICS-600-900）。

图1 研究区采样点分布图

（三）数据分析

运用Excel 对所测试离子的结果进行统计学分析，采用阴阳离子平衡法对数据进行检验，结果发现所有样品的阴阳离子平衡误差均在±5%范围内，由此可得数据符合分析要求。利用Origin2019 绘制Piper 三线图，分析研究区地下水水化学类型。运用Gibbs 图和混合图解方法分析了地下主要离子的控制机制及来源。

三、结果与讨论

（一）地下水指标含量特征

城西水源地深层地下水水化学统计分析结果见表1。研究区地下水中pH 在7.46～7.95mg·L-1，平均值为7.66±0.13mg·L-1，地下水总体呈弱碱性。TDS 的含量在427.91～818.50mg·L-1，平均值为561.93±104.38mg·L-1，其总体为淡水。地下水中主要离子的（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-）平均浓度大小依次为：HCO3-（512.33±93.94mg·L-1）>Na+（108.49±34.93mg·L-1）>Ca2+（60.47±15.81mg·L-1）>Cl-（47.34±45.14mg·L-1）>SO42-（46.90±22.10mg·L-1）>Mg2+（37.00±10.54mg·L-1）>K+（1.06±0.88mg·L-1），其中阴离子以HCO3-为主，占阴离子总浓度的84.46%；阳离子则以Na+为主，占阳离子总浓度的52.41%。

表1 城西水源地深层地下水水化学统计分析表

（二）水化学类型

Piper 图由两个三角形和一个四边形组成，两个三角形分布在四边形的左右两侧，其分别代表主要的阳离子（Na++K+、Ca2+、Mg2+）和阴离子（Cl-、SO42-、CO32-+HCO3-），常用于显示主要离子浓度的相对大小以及分布特征。从图2中可知，在代表阳离子三角形中，大部分水样主要偏向于三角形的右下角，说明Na+在研究区深层地下水中占主导，其次则是Ca2+；在代表阴离子三角形中，绝大多数水样位于三角形的左下角，表明HCO3-在研究区深层地下水中占主导。由此可知，研究区深层地下水中主要水化学类型为Na-Ca-HCO3和Na-HCO3型。

图2 Piper 三线图

（三）控制机制及主要离子来源

Gibbs 图可以用于研究地下水化学组成与岩石之间的关系。研究表明，通过Gibbs 图可以将水化学组成的机理分为三个部分：蒸发作用、水岩作用和降雨主导（图3）。Gibbs 的离子浓度计算公式为：GibbsI=Cl-/（Cl-+HCO3-）和GibbsII=Na+/（Na++Ca2+）（单位为meq/L）。

图3 城西水源地深层地下水Gibbs 图

经计算，深层地下水GibbsI 值范围为0.41～0.80，平均值为0.60。Gibbs；II 范围为0.03～0.45，平均值为0.13。

从图3中可看出，所有样品均位于水岩作用区域，表明水岩作用是研究区深层地下水水化学组成的主导因素。

（四）主要离子来源

自然界大部分深层地下水化学组分主要源于岩石或矿物的溶解，Na+、K+主要源于蒸发盐和硅酸盐溶解，Ca2+、Mg2+主要源于蒸发盐、硅酸盐和碳酸盐溶解，HCO3-主要源于硅酸盐和碳酸盐溶解，运用混合图解（Ca2+/Na+与Mg2+/Na+、Ca2+/Na+与HCO3-/Na+）能够直观呈现地下水由矿物溶解所产生的离子主要来源。从图4投点情况可知，水样处于硅酸盐及碳酸盐溶解之间，且大部分水样偏向于硅酸盐溶解，表明研究区深层地下水化学组分主要来源于硅酸盐溶解，少部分水化学组分来源于碳酸盐溶解。从研究区概况知，本研究深层地下水的岩性主要为砂岩，因此分析与事实吻合。

图4 Ca2+/Na+与Mg2+/Na+、Ca2+/Na+与HCO3-/Na+关系图

四、结论

（1）城西水源地深层地下水呈弱碱性，总体水质处于淡水范畴。水中主要阳离子为Na+（占阳离子总浓度的52.41%），阴离子为HCO3-（占阴离子总浓度的84.46%）。

（2）城西水源地深层地下水中水化学类型以Na-Ca-HCO3和Na-HCO3型为主。

（3）研究区深层地下水水化学组分的控制机制主要为水岩作用。地下水主要离子来源以硅酸盐溶解为主，其次少部分离子来源于碳酸盐溶解■