浅层地下水水化学特征及来源分析——以朱仙庄镇周边为例

Hydrochemical Characteristics and Source Analysis of the Shallow Groundwater—A Case Study around Zhuxianzhuang Town

摘要: 为揭示朱仙庄镇矿周边的浅层地下水水化学演化特征及常规离子来源，本研究共采集研究区20组浅层地下水样品。综合利用了描述性统计分析、Piper三线图、相关性分析、因子分析等方法，探讨了关于研究区常规离子组成特征、地下水水化学类型及其形成原因。结果表明，研究区pH值在7.80~8.90之间，为弱碱性；TDS均值为516.95 mg/L，属于淡水型；EC在272.00~1500.00 uS/cm，平均值为1051.40 uS/cm。HCO3−和Ca² 为研究区地下水的相对优势阴、阳离子。地下水类型以HCO₃-Ca、HCO₃-Ca-Na为主导。朱仙庄镇矿周边浅层地下水水岩作用主要包括硫酸盐岩矿物、硅酸盐岩矿物、碳酸盐岩矿物、岩盐矿物风化溶滤作用和阳离子交替吸附作用。

Abstract: In order to reveal the hydrochemical evolution characteristics and conventional ion sources of shallow groundwater around Zhuxianzhuang mine, 20 groups of shallow groundwater samples were collected in this study. The characteristics of conventional ion composition, groundwater hydrochemical types and their causes in the study area were discussed by means of descriptive statistical analysis, Piper three-line diagram, correlation analysis and factor analysis. The results show that the pH value of the study area is between 7.80 and 8.90, which is weakly alkaline; the mean value of TDS was 516.95 mg/L, belonging to freshwater type. EC was 272.00~1500.00 uS/cm, with an average of 1051.40 uS/cm.HCO3−and Ca² are the relative dominant anions and cations of groundwater in the study area. The groundwater type is dominated by HCO₃-Ca and HCO₃-Ca-Na. The water-rock interaction of shallow groundwater around Zhuxianzhuang Town Mine mainly includes sulfate rock minerals, silicate rock minerals, carbonate rock minerals, weathering and dissolution of rock salt minerals and cation alternating adsorption.

1. 引言

地下水是一种复杂溶液，其溶解组分以各种形式存在。所谓组分存在形式是指构成水溶液中游离离子(包括单一离子、络阴离子)和络合物(或称离子对)的统称 [1] 。而浅部含水层是相对于深层承压含水层而言的，一般指埋藏深度小于50 m的潜水含水层、微承压含水层及第一承压含水层 [2] 。地下水资源主要是从大气降水、地表水以及邻近的地下水补给形成 [3] ，地表水通过土层慢慢渗透进入浅层土体之间的空隙，进而赋存于其空隙中。在影响地下水流场的同时，还在影响浅层地下水的水质，其中对地下水中的化学特征影响更深远 [4] 。由于复杂的地质水文条件，地下水流动极其缓慢，在受到工程活动影响下其污染往往过程缓慢、不易发现和难以治理 [5] 。浅层地下水资源作为重要淡水资源用途广泛，它不仅是城市居民用水的主要来源，也是农村生活用水的直接来源 [6] 。目前，针对宿州市城区的地下水水化学研究成果较丰富 [7] [8] [9] [10] ，袁利等 [7] 研究宿州平原孔隙水水化学特征，分析得出该城区地下水受大气降水和蒸发浓缩作用影响。梁华 [8] 对宿州市城西水源地水质测试，根据国家III类地下水质量标准和内梅罗指数分析的得出多数水样符合灌溉标准，少数浅层地下水遭到轻微污染。蒋少杰 [9] 讨论了宿州市城区浅层和中深层地下水两个含水层的水文地球化学演化过程，分析结果为主要离子均和水岩作用有关，水化学主要成分主要受硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化溶解。邱新义 [10] 以宿州市城西水源地地下水为研究对象，通过氢氧稳定同位素分析得出地下水受大气降雨补给影响为主并受到蒸发作用其强度小于地表水。由于宿州市的经济支柱是农业生产且地下水水质状况稳定对乡村经济发展提供了重要保障。但目前关于宿州市矿区周边的浅层地下水水化学综合研究较少。所以，本文以城郊浅层地下水为研究对象，通过对该地区地下水水化学组分系统研究，分析其水化学特征及评价地下水体的质量状况。研究结果为研究区及其周边的水资源质量评价和水资源管理决策方案指定提供科学依据，同时对农业灌溉性评价具有较好的指导作用 [11] 。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

朱仙庄镇是安徽省宿州市埇桥区黄淮海经济腹地的下辖镇，位于宿州市城区东郊，距市区距离较近，东与大店镇相连，西与城东办事处相连，北临新汴河，南傍古沱河，区位优越，交通便利。研究区地理坐标范围为东经117˚5'~117˚6'，北纬33˚36'~33˚37'，总面积为128平方公里。其地势平坦，海拔为24~27米，属暖温带季风气候，气候温和，季风盛行，降水适中但变化较大，主要集中在7月。该区农业经济稳步增长，新兴产业发展迅速。

2.2. 样品采集与分析

为分析朱仙庄镇矿周边的浅层地下水水化学类型，针对朱仙庄镇周边有代表性的地段采集20个水样品，样品采集均匀，采样深度在8~60 m范围内，采集时间为2021年11月6日，采样点位置的分布如图1所示。现场使用便携式测试仪，测定pH、TDS和EC等参数。在采样前，将500 ml的乙烯瓶清洗3次至干燥等待使用。取样时，用水样清洗样品瓶，然后装至满瓶密封。地下水样品的采集、输送及保存参照《地下水环境监测技术规范》(HT164-2020)、《水质样品的保存和管理技术规定》(HJ 493-2009)。样品于安徽省煤矿勘探工程技术中心进行常规离子检测。水样品送到安徽省煤矿勘探工程技术中心，进行常规离子测试(测试指标有阳离子Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺，阴离子有Cl⁻, ${\text{SO}}_4^{2-}$ , ${\text{HCO}}_3^{-}$ )。

Figure 1. Distribution of sampling points in the study area

图1. 研究区采样点分布图

2.3. 数据处理方法

利用SPSS软件对研究区浅层地下水样品数据中主要离子浓度进行描述性统计分析(最小值、最大值、均值、标准差等数值)和相关性分析。其次，使用Origin软件绘制出Piper三线图、Gibbs图，从而辨别出该研究区的浅层地下水水化学类型和主要离子来源。

3. 结果与讨论

3.1. 地下水化学主要组分特征

研究区水样品水样测试结果如表1所示，该地区浅层地下水pH值范围为7.80~8.90，平均值为8.17，属于弱碱性水。TDS含量范围在395.00~727 mg/L，平均值为516.95 mg/L，依据TDS划分标准属于淡水。EC范围在272.00~1500.00 uS/cm，平均值为1051.40 uS/cm。在该研究区地下水中主要阳离子质量浓度平均值为：Ca²⁺ (60.89 mg/L) > Na⁺ (53.53 mg/L) > Mg²⁺ (49.30 mg/L) > K⁺ (0.58 mg/L)，主要阴离子质量浓度平均值为： ${\text{HCO}}_3^{-}$ (353.54 mg/L) > Cl⁻ (89.44 mg/L) > ${\text{SO}}_4^{2-}$ (50.66 mg/L)，Ca²⁺和 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 为研究区地下水的相对优势阳、阴离子。从变异系数来看，pH值变异系数最小，表明研究区水环境稳定处于弱碱性；K⁻、Ca²⁺和 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 空间变异较低(CV < 30%)；Na⁺、Mg²⁺、Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 空间变异中等(CV为30%~100%)，说明该离子含量受一定的人为活动影响。

Table 1. Descriptive statistics of main chemical components of shallow groundwater

表1. 浅层地下水主要化学组分描述性统计

3.2. 地下水水化学类型

Piper三线图由三部分组成，其中左下方的三角形代表阳离子的相对摩尔百分量，右下角的三角形代表阴离子的相对摩尔百分量。向上方菱形延伸所得的交点，代表水样的阴阳离子相对含量 [12] 。根据研究区Piper三线图，如图2所示，大多数水样点集中于1、3、5区，表明大多数水样的Ca²⁺ + Mg²⁺的离子浓度大于Na⁺ + K⁺，阳离子以Ca²⁺和Na⁺ + K⁺为主，阴离子以 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 为主。地下水类型为HCO₃-Ca (16组)、HCO₃-Na (4组)为主导，HCO₃-Na∙Mg (3组)、HCO₃-Ca∙Mg (6组)、HCO₃-Ca∙Mg∙Na (11组)等多种水化学类型共存。

Figure 2. Hydrochemical Piper diagram of shallow groundwater

图2. 浅层地下水水化学Piper图

3.3. 主要离子相关性分析

根据研究区结果，如表2所示，TDS与K⁺、Ca²⁺、Cl⁻表现显著正相关，相关系数分别是0.580、0.891、0.761，说明这三种离子对TDS的贡献最大。K⁺和Ca²⁺、Ca²⁺和Cl⁻表现极强的正相关性，相关系数为0.768和0.635，说明浅层地下水受阳离子交替吸附作用。Na⁺和 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 、Ca²⁺和 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 、K⁺和 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 表现较强的正相关性，相关系数分别为0.454、0.558和0.451，说明浅层地下水受硫酸盐岩矿物风化溶解作用。

Table 2. Correlation coefficient between hydrochemical components

表2. 浅层地下水水化学组分间的相关系数

注：^*在0.05级别(双尾)，相关性显著；^**在0.01级别(双尾)，相关性显著。

3.4. 主成分分析

主成分分析方法是一种主要用于研究如何以最少的信息丢失，将众多原始变量浓缩成少数几个因子变量，以及如何用因子变量分析解释现实现象的多元统计分析方法 [13] ，分析过程对原始数据进行了标准化处理[Zi = (Xi − mean)/s]，并利用方差最大正交旋转法对主因子进行因子旋转，以便明确每个主因子所代表的实际意义 [14] 。

经旋转后，提取出因子载荷矩阵选取特征值大于1的三个因子F1、F2、F3，结果如表3所示。主因子F1的累计贡献率为40.241%，其中K⁺、Ca²⁺、Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 、TDS的因子载荷较大且均与F1呈正相关，说明研究区该部分离子受硫酸盐岩矿物、硅酸盐岩矿物和阳离子交替吸附作用。主因子F2的累计贡献率为67.832%，Na⁺和 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 的因子载荷较大且与F2呈正相关，说明其共同来源可能受芒硝矿等硫酸盐岩矿物的风化溶滤作用影响。主因子F3的累计贡献率为83.132%，Na⁺、Mg²⁺、 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 的因子载荷较大且与F3呈正相关，说明其共同来源受白云石等碳酸盐岩矿物风化溶滤作用。

Table 3. Principal component analysis of conventional ions in shallow groundwater

表3. 浅层地下水常规离子主成分分析

4. 结论

本文以宿州市城郊朱仙庄镇周边20组浅层地下水为研究对象，开展了水化学类型分析、描述性统计、相关性分析和主成分分析，得出的结论如下：

1) 朱仙庄镇矿周边浅层地下水水环境pH值在7.80~8.90之间处于稳定长期弱碱性，TDS均值为516.95 mg/L，依据TDS划分标准属于淡水。EC范围在272.00~1500.00 uS/cm，平均值为1051.40 uS/cm。

2) ${\text{HCO}}_3^{-}$ 和Ca²⁺为研究区地下水的相对优势阴、阳离子。地下水类型以HCO₃-Ca、HCO₃-Ca-Na为主导。

3) 研究区浅层地下水组分主要受硫酸盐岩矿物、硅酸盐岩矿物、碳酸盐岩矿物、岩盐矿物的风化溶滤作用和阳离子交替吸附作用。

基金项目

宿州学院大学生创新创业训练计划项目，YBXM23-022；宿州学院课程思政建设研究项目，szxy2021ksjy031；宿州学院横向项目，2023xhx061。宿州学院新建专业质量提升项目(勘查技术与工程新建专业质量提升项目，szxy2023xjzy02)；宿州学院资助2024年省级大学生创新创业训练计划项目(不同功能区浅层地下水水环境质量及荧光光谱特征研究——以宿州市城乡为例)。

NOTES

^*通讯作者。