宿州市城区地下水水化学特征及水文地球化学演化过程

蒋少杰

（安徽省地质环境监测总站 宿州市监测站，安徽 宿州 234000）

引言

水体水化学特征及其影响因素对水化学演化规律、水源涵养、生态环境保护具有重要意义[1]。宿州市供水水源目前主要为地下水，地下水资源较为丰富，但近年来受城市发展、人口增加等因素影响，使得水源地水质和供水安全受到一定的威胁[2-4]。研究地下水水化学特征及水文地球演化规律，不仅可以确定水体地球化学的溶质来源，并且对揭示各主要供水含水层（组）的水岩作用、水力联系及转化等具有重要意义。

近年来，众多学者对皖北地区各类水体（地表水、地下水）的水化学、微量元素和同位素特征进行了深入的分析与研究。如陈松等对淮北煤田主要河流的水化学及氢氧同位素特征进行了研究，并对水适用性进行了评价[5]。陈星等对淮北临涣矿区地表水水化学及硫氢氧同位素进行了分析[6]。袁政莲等对宿州地区的水库水化学特征及灌溉性水质进行了评价[7]。胡云虎等对皖北地区的深层地下水水化学特征及水质进行了评价[8]。林曼利对矿区深部不同含水层的重金属含量和水质进行了讨论[9]。陈松等对太原组灰岩水年龄和同位素地球化学特征进行了研究[10]。杨娜等对皖北深层地下水的氟元素进行了来源解析及影响因素分析[11]。但对研究区内的浅层地下水和中深层地下水水化学特征及地球化学演化过程鲜见报道。

鉴于此，本研究基于宿州市城区地下水水化学特征，结合水化学分析、数理统计分析和离子比例端元图等方法，阐述研究区的水文地球化学演化过程，以期为该地区地下水的水化学演化趋势、资源开发利用和地下水环境保护工作提供理论基础资料。

1 区域概况

研究区位于宿州市中西部，是淮北北部丘陵与平原的过渡地区，属于暖温带半湿润季风气候区。地形大致以符离集东西方向（宿北断裂）为界，以北多为丘陵山区，标高一般30-150m，最低27m，最高311.8m。以南为大片平原区，地形平坦，标高一般为24-27m，最低23.2m。地形总趋势西北和北部稍高，向东南和南缓倾，地形坡降约1/8000。大部分区域被第四纪松散沉积物覆盖，出露的地层为上更新统或全新统，厚度一般在50～300m，并且从东南向西北逐渐增厚。

研究区地表水系较发育，主要河流有新汴河、沱河、濉河，其次为扒河、唐河、浍河、澥河、闸河和股河等，均为淮河水系。其中新汴河横贯该区中部，为本区最大河流。根据地下水贮水介质的特征，含水空隙的类型，研究区地下水类型可划分为四种类型：松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水、碎屑岩类裂隙水、基岩裂隙水。其中，松散岩类孔隙水按其埋藏条件、岩性组合、水力性质等可划分为：浅层含水层组（埋深在1.60-33.42m之间，单井涌水量一般为100-2000m3/d，导水系数30-280m2/d）、中深层含水层组 （埋深多在43-84m，单井涌水量一般为100-5000m3/d，导水系数多为60-500m2/d）与深层含水层组（埋深一般为110-150m，导水系数多小于150m2/d）。

2 样品采集与测试

2021年3-5月，在研究区内采集水样共计25件，其中浅层地下水18件、中深层地下水7件。采样点布置尽可能均匀分布原则，同时兼顾浅层和中深层并行采样工作。样品采集前，对钻孔进行抽水洗井，待含水层中的新鲜地下水完全流入孔内确保水清砂净后才能进行水样采集（一般抽水2-3小时或洗井抽出水量在井内水体积的3倍-5倍），洗井至水清砂净。采集原水样品时，采样前应用所采样品原水冲洗样品瓶2-3次后取样，样品不添加任何保护剂并尽快密封低温保存。分析参数主要包括pH 值、TDS、常规阳离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）和常规阴离子（Cl-、SO42-、HCO3-），除 pH 值和 TDS 现场测定外，其余指标送至实验室完成分析。

地下水样品采集方法参照《地下水监测网运行维护规范》（DZ/T0307-2017），地下水样品的保存和送检参照《地下水监测网运行维护规范》，分析测试方法参照《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）。水样测试送至具备国家计量认证、国家实验室认可和（或）国土资源部产品质量监督检验测试中心审查认定资质条件的实验室完成。阳离子-阴离子浓度平衡测定误差＜8%，满足分析要求。由于K+含量较低，且Na+和K+在研究区内具有同源性，故将Na+和K+合并成Na+进行后续分析与讨论。

3 结果与讨论

3.1 描述性统计

采用多元统计分析软件，对浅层地下水和中深层地下水的 pH、TDS、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-和Cl-等8项指标进行最大值、最小值、平均值、标准差和变异系数分析。浅层地下水中，pH值范围在7.38-8.09之间，平均值为7.74，属于中性到弱碱性；TDS范围位于346.00mg/L-1049.00mg/L之间，平均为616.72mg/L，属于淡水到微咸水。按常规离子含量平均值，各离子排序依次为：HCO3-＞Ca2+＞Cl-＞Na+＞SO42-＞Mg2+，HCO3-和 Ca2+分别为阴、阳离子中的优势离子。中深层地下水中，pH值位于7.65-8.11之间，平均值为7.87，处于中性到弱碱性；TDS在438.00mg/L-845.00mg/L之间，平均为562.86mg/L，TDS范围位于438mg/L-845mg/L之间，平均为562.86mg/L，处于淡水到微咸水。按各离子平均含量排序， 依次为 HCO3-＞Na+＞SO42-＞Ca2+＞Mg2+＞Cl-，HCO3-和Na+为阴、阳离子中的优势离子。变异系数在 0.1-0.9 之间的离子有 HCO3-、Na+、Ca2+和 Mg2+，说明这些离子的空间变异性中等，离子来源因素较多。变异系数大于0.9的离子有SO42、Cl-，说明这两种离子的空间变异性较强，受多因素影响，离子来源较复杂，如表1所示。

表1 浅层地下水水化学指标描述性统计结果

3.2 水化学类型

利用水化学软件，对18件浅层地下水水样和7件中深层地下水水样进行水化学类型判定，如图1所示。其中，浅层地下水水化学主要类型有Na-HCO3（16 件）、Ca-Cl（1 件）和 Na-Cl（1 件），中深层地下水水化学类型主要为Na-HCO3（7件）。水化学类型是水体对气候、地形地貌、水文地质条件、水岩作用以及人为活动等作用下的综合反映。一般情况下，阴离子类型中的 HCO3-、SO42-、Cl-分别是指示水文地质循环中的补给、径流、排泄条件下的特征离子[12]。结合区域地质条件及水文地质条件分析，研究区为一平原区，浅层地下补给源大部分来自垂向的大气降雨和侧向的地表水，其水化学类型形成与降雨、河流有密切关系；中深层地下水与浅层地下水之间有稳定的隔水层存在，仅局部发育“天窗”，受大气降雨作用不明显，但其阴离子主要为HCO3，可能与碳酸盐岩矿物溶解作用、硅酸盐岩矿物风化作用有关。

图1 地下水水化学类型Durov（图注：“○”为浅层地下水，“☆”为中深层地下水）

3.3 水岩作用及离子来源

在众多判定水文地球作用的方法中，Gibbs常被国内外广大的专家和学者用于判别各类水体离子来源的控制因素，即蒸发结晶作用、岩石风化作用和大气降水作用[13]。依据Gibbs图，TDS含量在1000.00mg/L左右，水样点均位于Gibbs图的中部。其中，浅层地下水的Cl-/(Cl-+HCO3-)和Na+/(Na++Ca2+)分别为0.06-0.69和0.09-0.71，其平均值分别为0.20和0.37；中深层地下水的Cl-/(Cl-+HCO3-)和Na+/(Na++Ca2+)分别为 0.03-0.32和 0.33-0.70，其平均值分别为0.11和0.56。浅层和中深层的水样点均落在Gibbs图的中部，说明两个含水层的主要离子来源均以水岩作用为主，即岩石风化作用，如图2所示。

图2 地下水水化学Gibbs分布图

水岩相互作用时，不同的含水层介质将会给水体提供不同的溶质组分，其中Cl-和和SO42-多来源于蒸发岩溶解作用 （盐岩和硫酸盐岩），HCO3-多来源于硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化溶解作用，Na+多来源于硅酸盐岩和蒸发岩的风化溶解作用，Ca2+和Mg2+多来自碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发岩的风化溶解作用。 采用 Ca2+/Na+、Mg2+/Na+与 HCO3-/Na+离子比值端元图法，可揭示研究区浅层地下水的水化学成因及水岩作用类型。若Ca2+/Na+、Mg2+/Na+与HCO3-/Na+分别为 0.35±0.15，0.24±0.12 和 2.0±1 时， 表明该水体以硅酸盐岩的风化溶解作用为主，若Ca2+/Na+、Mg2+/Na+与 HCO3-/Na+分别为 50，10 和 120 时，表明该水体以碳酸盐岩的溶解作用为主[14]。图3显示浅层与中深层地下水样点集中在碳酸盐与硅酸盐的过渡区域，表明地下水水化学组分均与硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化溶解密切相关。

图3 地下水离子比例端元图

4 结论

浅层地下水与中深层地下水均属于中性到弱碱性。HCO3-和 Ca2+、HCO3-和 Na+分别为浅层地下水和中深层地下水的优势阴、阳离子。浅层地下水水化学主要类型有Na-HCO3、Ca-Cl和Na-Cl，中深层地下水水化学类型主要为Na-HCO3。浅层和中深层的水样点均落在Gibbs图的中部，说明两个含水层的主要离子来源均以水岩作用为主，即岩石风化作用。离子比例端元图显示，浅层与中深层地下水水化学组分均来自硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化溶解。