阜阳市深层地下水水化学特征及水质评价

刘业添 （合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引言

地下水资源是我国重要的水资源之一，对我国社会经济发展起着重要作用。由于地下水资源大量开采，随之而来的地下水环境问题日益突显[1～2]。因此，开展地下水水质相关研究显得尤为重要。日前，对阜阳市地下水水化学特征及水质评价的相关研究较多，孔令健等[3]研究了阜阳市集中式深层地下水饮用水源地水化学特征及其成因；赵晓玲等[4]分析了阜阳市13年～17年浅层地下水总硬度变化特征；胡云虎等[5]对皖北地区深层地下水进行研究，通过水质数据分析深层地下水饮用水源地水化学特征，并对水质进行了评价；王晓明等[6]以淮北平原浅层地下水为研究对象，通过Surfer软件绘制硝酸盐分布图，并对硝酸盐分布及污染来源进行了分析；王璐璐[7]以淮北平原地下水为研究对象，分析了各种因子的空间分布及水化学变化特征，并对其来源进行解析。本研究采用2020年国家监测工程监测站点地下水水质监测资料，进行阜阳市地下水水化学特征研究和水质综合评价。

1 研究区概况

阜阳市是安徽地级市之一，位于淮河以北，华北平原南端。地理坐标范围为北纬 32°24′～33°35′、东经 114°52′～116°30′。研究区属于暖温带半湿润季风气候区，四季分明，气候温和。多年平均气温约为14.5℃，降水年内主要集中夏季，多年平均降雨量为900.8mm，多年平均蒸发量为959.5mm。

研究区地势平坦开阔，属于冲积型平原，地面高程约为18m～43m，自然坡降约为1/8000。研究区以埋深50m为分界线，上部分为浅层地下水，下部分深层承压地下水。根据水文地质条件，深层承压地下水划分第Ⅰ承压含水层组和第Ⅱ承压含水层组。第Ⅰ承压含水层组主要由第四系中、下更新统组成，顶板埋深约 49.69m～100.91 m，底板埋深约 118.00 m～147.00 m，总厚度约18.20 m～38.11 m，岩性主要为细砂、粉细砂。第Ⅱ含水层组由上第三系上部组成，顶板埋深 147.50m～175.70 m，底板埋深约500 m，总厚度约28.32 m～60.70 m，岩性主要为粉砂、细砂及中砂。

2 材料与方法

2.1 数据来源

阜阳市深层地下水监测数据为国家监测工程监测站点水质采样测试数据，采用阜阳市深层地下水监测点共26个，水质于2020年4月～5月进行取样，位置分布情况如图1所示。地下水分析因子包括 pH、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、总硬度（total hardness，TH）、HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-、NO2-、溶解性总固体（total disslved solids，TDS）、氨氮、耗氧量（oxygen consumption，OC）、Fe、Mn等。

图1 地下水取样点分布图

2.2 数据处理

运用Excel进行数据统计，采用变异系数箱线图、最大值、最小值、平均值和标准偏差对地下水主要组分进行分析；通过Aquachem、Origin、MAPGIS等软件，绘制水质数据Gibbs模型图解、Piper三线图、浓度箱图等；通过Piper三线图、浓度箱图分析地下水水化学特征；通过Gibbs模型图解分析主要控制因素。

3 地下水水化学特征

3.1 地下水主要化学组分

统计结果见表1、图2所示，研究区深层地下水HCO3-、SO42-、Na+、Ca2+浓度相对含量较高，阳离子以Na+为主，离子质量浓度由大到小排序为ρ（Na+）＞ρ（Ca2+）＞ρ（Mg2+）＞ρ（K+），浓度均值分别为 149.99mg/L、32.26mg/L、19.75mg/L、1.16mg/L；阴离子以 HCO3-为主，离子质量浓度由大到小排序为ρ（HCO3-）＞ρ（SO42-）＞ρ（Cl-）＞ρ（NO3-），浓度均值分别为379.62mg/L、67.67mg/L、56.77mg/L、0.15mg/L。

地下水主要化学组分情况 表1

图2 地下水主要离子浓度箱图

研究区深层地下水26个水样pH值变化范围：7.90～8.86，均值为8.41，总体上呈弱碱性。水样总硬度变化范围为32.31～532.20mg/L，均值为 161.87mg/L，按照硬度分类：300mg/L～450mg/L为硬水，阜阳市深层地下水为中硬水。溶解性总固体变化范围为248.00mg/L～1785.00mg/L，均值为 562.42mg/L，按照溶解性总固体分类：淡水（＜1g/L），阜阳市深层地下水为淡水。

水样pH变异系数为2.54，其值较小，说明研究区地下水pH稳定性较好。而NO3-的变异系数为 258.83，其值较大，说明研究区NO3-容易受环境影响[8]。

3.2 地下水水化学类型

通过Aquachem绘制Piper三线图可知，在三角形右下角主要分布阳离子水样点，阳离子以Na+为主，Ca2+、Mg2+相对含量较少。在三角形左下角主要分布阴离子水样点，阴离子以HCO3-为主，Cl-、SO42-相对含量较少。按舒卡列夫分类法[9]，阜阳市深层地下水水化学类型主要为HCO3-Na（Ca），见图3所示。

图3 地下水piper三线图

3.3 地下水水化学控制因素

水岩作用、大气降水和蒸发结晶作用通常对地下水水化学成分造成影响。通过Gibbs图解模型[10]分析，水岩作用区域分布的水质数据点较为密集，说明研究区水岩作用是地下水水化学组分的控制因素。

4 地下水质量评价

目前，常用于地下水质量评价方法有模糊综合评价法、内梅罗指数法和层次分析法等[11-13]。本次利用阜阳市深层地下水水质数据，选取 TH、TDS、Cl-、HCO3-、NO3-、NO2-、氨氮、OC、Fe、Mn等10个影响因子，以《地下水质量标准》（GB/T14848—2017）为标准，运用两种方法对地下水水质进行评价，并对比分析两种结果的合理性。

4.1 内梅罗指数法

图4 水化学Gibbs图

内梅罗指数法在水质单因子评价的基础上进行综合评价，水质评价主要依据原样测试结果，在监测点每个水质测试项目的评价结果（I、II、III、IV和V水）基础上，将监测点每项因子的F值进行确定评分，见表2所示，最后确定地下水水质级别，见表3所示。计算公式如下：

Fi值评分方法表 表2

地下水质量分级表 表3

4.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法对地下水进行水质评价，采用此方法为了综合考虑水质各因子的影响，并最大限度排除各极端超标因子的影响，从而提高综合评价结果的信度和效度，基本思路为以下几方面。

①采用降半梯形函数构造隶属度函数，计算公式如下：

对Ⅰ级水的隶属度函数：

对Ⅱ～Ⅳ级水的隶属度函数：

对Ⅴ级水的隶属度函数：

其中：Sij为第i个评价因子的j级标准值；Xi为第i个评价因子的实测浓度，i=1，2，…，m；j为水质等级，Ⅰ～Ⅴ级水质j对应1～5；rij为第i个评价因子j级水的隶属度。

②以实测的浓度值按照隶属度函数计算隶属度，建立m×5阶的模糊关系矩阵R，即：

③确定评价因子的权重。公式如下：

其中：Wi为第i个评价因子的权重值；Si0为第i个评价因子各级标准值的平均值；Xi为第i个评价因子的实测浓度；m为评价指标个数。

④建立1×m阶权重矩阵A，即：

⑤运算矩阵A和R，得到矩阵B，采用最大隶属度原则得出模糊综合评价结果。矩阵B公式如下：

4.3 评价结果及分析

4.3.1 水质评价结果

基于内梅罗指数法评价结果见表4所示，水质主要集中在较差区域，占73.08%；优良、良好和极差水质极差占比较少，分别为3.84%、11.54%和11.54%；基于模糊综合评价法评价结果见表4所示，水质主要为Ⅰ类，占73.08%；Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类水质分别占7.69%、11.54%和7.69%。

地下水质量评价结果 表4

4.3.2 水质评价结果分析

两种方法的评价原理不同，导致评价地下水水质结果有所区别。主要污染因子对内梅罗指数法的影响较大，导致水质评价的结果偏差；模糊综合评价法充分考虑各因子的影响，通过赋予各因子对水质各级标准的权重，评价结果比内梅罗指数法更加合理、精确。

4.3.3 水质影响指标及成因分析

根据水质超标率统计见表5所示和《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017），影响水质的主要指标为Mn、F。结合空间位置情况见图5所示，Mn超标监测点为#1、#3～#6、#8～#12、#14、#16～#24、#26；F-超标监测点为#11～#13。经分析，Mn超标主要是由原生沉积环境造成[14]；F超标是由于含氟矿物的不断溶解造成[15-16]。

水质超标率统计 表5

图5 研究区地下水水质模糊综合评价图

5 结论

①阜阳市深层地下水HCO3-、SO42-、Na+、Ca2+相对含量较高，阳离子质量浓度由大到小排序为ρ（Na+）＞ρ（Ca2+）＞ρ（Mg2+）＞ρ（K+）；阴离子质量浓度由大到小排序为ρ（HCO3-）＞ρ（SO42-）＞ρ（Cl-）＞ρ（NO3-）。pH值：7.90～8.86，呈现弱碱性；TH为32.31 mg/L～532.20 mg/L，均值为 161.87 mg/L，为中硬水；TDS为248.00 mg/L～1785.00 mg/L，均值为562.42 mg/L，为淡水。

②阜阳市深层地下水水化学类型主要为HCO3—Na（Ca）型，水岩作用对地下水水化学组分造成主要影响。

③基于两种方法的评价结果，经分析，地下水水质受超标单因子影响较大；采用模糊综合评价法更加精确、合理。

④地下水中Mn、F含量较高，主要由于原生地球化学环境造成。