淮北市城郊区浅层地下水水岩作用及水环境质量评价

Water Rock Interaction and Water Environment Quality Evaluation of Shallow Groundwater in Suburban Areas of Huaibei City

摘要: 为进一步了解皖北地区浅层地下水水岩作用及水环境质量，本文在安徽省淮北市城郊区采集了43件浅层地下水样品，基于Piper图、Gibbs图，离子比例系数和WQI饮用水评价等方法，对研究区内浅层地下水水岩作用、水化学特征和饮用水质量进行评价和分析。结果表明：浅层地下水pH值变化范围为6.97~8.19，平均值为7.37，属于弱碱性水。TDS值范围为222.00~842.00 mg/L，平均值为421.3 mg/L，为淡水。水化学类型主要以HCO₃-Ca·Mg型为主。浅层地下水常规水化学组分与盐岩矿物、硫酸盐岩矿物、硅酸盐岩矿物的风化溶解作用和阳离子交替吸附作用有关。WQI的变化范围为20.00~71.13，平均值为36.53，表明浅层地下水水质良好，适宜居民饮用。

Abstract: In order to understand the hydrochemical processes and water environment quality of shallow groundwater in Huaibei City, Northern Anhui Province, forty-three groundwater samples were collected in the suburban area of Huaibei City. Based on the methods of Piper plot, Gibbs plot, ion ratio, and WQI, the hydrochemical characteristics and drinking water quality were evaluated and analyzed. The results indicate that the pH value ranges from 6.97 to 8.19, with an average of 7.37, indicating the samples are weak alkaline. The TDS value ranges from 222.00 to 842.00 mg/L, with an average of 421.30 mg/L, indicating these samples belong to the fresh water. The hydrochemical type of shallow groundwater is mainly HCO₃-Ca·Mg type. The main chemical components of shallow groundwater are related to the weathering and dissolution of salt rock minerals, sulfate rock minerals, and silicate rock minerals, as well as the cation alternating adsorption. The variation range of WQI is from 20.00 to 71.13, with an average value of 36.53, indicating that the shallow groundwater quality is good and suitable for residents to drink.

1. 引言

地下水是极为宝贵且重要的水资源，在经济社会追求全面、协调、可持续发展的目标中，地下水占据举足轻重的地位[1]。合理开发与保护地下水资源不仅是国家持续发展的条件之一，更是维护生态平衡、保障人民生活质量的关键所在[2]。随着经济社会的持续影响，人类活动对地下水的影响不断加大。各种生产和生活活动不断改变地下水的水量和水质，对地下水的可持续利用和保护提出了严峻的挑战[3]。

淮北市位于淮北平原，拥有丰富的煤炭资源，其经济主要由农业和矿业构成。近年来，淮北市经济快速发展，由此导致地下水开采量上升。因此，作为研究区的主要供水来源，地下水对于满足当地居民生活用水需求至关重要。国内诸多学者对淮北市水化学特征展开过大量研究工作，如费中良等对淮北平原浅层地下水进行研究，水化学类型以HCO₃·SO₄-Na·Mg型为主[4]。许金昭对淮北平原地下水化学特征进行研究，主要离子来源为碳酸岩、盐岩、硅酸岩风化[5]。陈星等对淮北市临涣矿区地表水开展相关研究工作，研究成果表明其地表水TDS含量较高，属高矿化度水质类型，其中SO₄²⁻的含量较高[6]。上述研究成果的研究区多集中在淮北平原及市区周边，而对城郊区浅层地下的水文地球化学及水环境质量的研究工作较少。基于上述背景，本文开展了淮北市城郊区浅层地下水水岩作用和水环境质量分析与评价工作，研究成果有助于了解研究区及其周边浅层地下水的水质状况和水化学演化规律，对保护、有效利用和开发区域地下水资源具有重要的指导作用。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

研究区位于安徽省淮北市的南部区域，其南部紧邻安徽省亳州市蒙城县，东部与安徽省宿州市埇桥区接壤。研究区地势总体上由西北向东南微倾，大部分区域为平原，东北部地区有少量低山地形。淮北市属于温带季风气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨。研究区地理坐标范围为东经116˚46′34″~116˚51′23″，北纬33˚37′54″~33˚33′36″。丰富的煤炭资源为淮北市带来较大经济效益，已成为当地的主要经济支柱产业。此外，淮北地区主要农作物包括小麦、大豆和玉米等。

2.2. 样品采集与测试

本次采集工作于2024年11月开展，共采集43件浅层地下水样品。采样方法参照《地下水质检测方法水样的采集和保存》(DZ/T 0064.2-1993)的相关要求，对酸碱度、电导率和总溶解固体等指标进行现场实测，并用专门的容器收集水样。收集前，用待取水样对容器进行2至3次的冲洗，确保容器干净后，将水样装满并密封。随后，将水样送至矿井水资源化利用安徽普通高校重点实验室进行样品预处理。随后，利用ICS600-900测试Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻以及SO₄²⁻等离子的浓度。用甲基橙滴定加有酚酞的样本，测试CO₃²⁻和HCO₃⁻的浓度。

2.3. 数据分析方法

利用SPSS进行描述性统计；利用Origin绘制Piper图和Gibbs图，分析水化学类型和水岩作用；利用Excel绘制离子比例图，判断离子来源及水文地球化学作用类型；利用Origin进行相关性分析，进一步作证常规离子来源；利用WQI饮用水评价方法，评价浅层地下水可饮用性。

3. 结果与讨论

3.1. 描述性统计分析

Table 1. Statistics of the samples’ hydrochemical components

表1. 样品水化学成分统计表

测试项目	最小值	最大值	平均值	变异系数
Na^+	24.57	340.19	101.87	0.68
K^+	0.38	6.91	0.67	1.50
Mg^2+	19.33	110.64	36.42	0.46
Ca^2+	18.48	179.46	42.11	0.67
Cl^−	2.68	213.05	39.60	1.70
SO4^2^−	0.13	257.37	37.70	1.44
HCO3^−	336.81	887.80	482.04	0.26
pH	6.97	8.19	7.37	0.04
TDS	222.00	842.00	421.30	0.38
EC	442.00	1739.00	862.28	0.40

注：pH值无量纲，其他参数单位均为mg/L。

从表1可看出，TDS (总溶解固体)浓度介于222.00至842.00 mg/L之间，平均值达到421.30 mg/L，表明研究区浅层地下水为淡水。电导率(EC)量值在442至1739 μs/cm范围之间。pH值在6.97至8.19之间，平均值为7.37，表明浅层地下水偏弱碱性。阳离子浓度由大到小依次为Na⁺ (101.87 mg·L⁻¹) > Ca²⁺ (42.11 mg·L⁻¹) > Mg²⁺ (36.42 mg·L⁻¹) > K⁺ (0.67 mg·L⁻¹)，阴离子浓度由大到小依次为HCO₃⁻ (482.04 mg·L⁻¹) > SO₄²⁻ (37.70 mg·L⁻¹) > Cl⁻ (39.60 mg·L⁻¹)，表明HCO₃⁻和Na⁺分别为研究区浅层地下水的优势阴、阳离子。Cl⁻、K⁺、SO₄²⁻变异系数超过0.9，表示其在研究区内各采样点含量差异较大[7]，说明受到人为活动影响。Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、HCO₃⁻、TDS和EC变异系数并不突出，介于0.1~0.9之间，表明其在研究区内各采样点含量差异一般，人为活动影响小。而pH值变异系数为0.04，表明研究区内各采样点的pH含量均匀，变化不大，表明浅层地下水酸碱性稳定，受控影响较少。

3.2. 水化学类型及水岩作用

Piper三线图是一种直观、有效的水化学分析工具，常用于揭示水化学类型。由图1可知，38件样品在阳离子图中分布于B区和D区，表明主要阳离子为Na⁺；在阴离子图中，40件样品分布于E区，表明主要阴离子为HCO₃⁻。浅层地下水的水化学类型主要包括HCO₃-Ca·Mg型，占54.76%；还包括HCO₃-Na型(占40.48%)和SO₄·Cl-Na型(占4.76%)。

Figure 1. Piper diagram of shallow groundwater

图1. 研究区浅层地下水Piper三线图

Gibbs图可直观地反映地下水主要组分的形成原因，其指示的水岩作用类型主要包括三种，即降雨型、蒸发浓缩型和水岩作用型。当TDS含量在中等范围且Cl⁻/(Cl⁻ + HCO₃⁻)或Na⁺/(Na⁺ + Ca²⁺)的比值小于0.5时，地下水的水化学组分主要与岩石风化作用有关[8]。由图2(a)和图2(b)可知，Cl⁻/(Cl⁻ + HCO₃⁻)比值在0.004~0.322之间，平均值为0.064，TDS位于100.00 mg和1000.00 mg之间；Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)比值在0.300~0.930之间，平均值为0.660。研究区多数水样集中在中部偏左的区域，表明岩石风化作用对浅层地下水的常规水化学组分影响较大。同时，也存在部分水样分布在蒸发浓缩区域，表明蒸发浓缩作用也对研究区地下水水化学组分的形成存在一定的影响。

Figure 2. Gibbs diagram of shallow groundwater

图2. 研究区浅层地下水Gibbs图

3.3. 离子组分比例

Figure 3. Ion ratio diagram of shallow groundwater

图3. 研究区浅层地下水离子组分比例关系图

不同水体的常规离子比例常用于推断含水层或水体常规组分的离子来源以及水化学作用类型。若Na⁺、Cl^-主要来自盐岩溶解，则γ (Na⁺)/γ(Cl⁻) = 1。如图3(a)所示，采样点主要分布在γ (Na⁺)/γ (Cl⁻) = 1分界线上方，说明Na⁺浓度偏高。相关研究表明，Na⁺来源除盐岩溶解作用以外，硅酸盐矿物风化和阳离子交替吸附作用均会发生水体中Na⁺含量升高的现象。其中，硅酸盐矿物风化溶解作用中Na⁺释放可导致含水层中Na⁺含量升高的化学方程式如下[9]：

Na₂Al₂Si₆O₁₆ + 2CO₂ + 3H₂O = 2HCO₃⁻ + 2Na⁺ + H₄Al₂SiO₉ + 4SiO₂ (1)

结合图3(a)、图3(b)与方程式(1)综合分析，浅层地下水中的Na⁺和HCO₃⁻浓度偏高和Ca²⁺和Mg²⁺浓度偏低表明，除盐岩矿物风化溶解作用外，硅酸盐矿物风化溶解作用对Na⁺和HCO₃⁻的来源也有一定的贡献。此外，氯碱指数(CAI)常用于判断阳离子交替吸附作用的强度和方向[10]。当氯碱指数的绝对值越大，表明阳离子交替吸附作用越容易发生。若氯碱指数为负值，则证明地下水中Ca²⁺、Mg²⁺与矿物中Na⁺、K⁺发生交换，反之则证明地下水中Na⁺、K⁺与矿物中Ca²⁺、Mg²⁺发生交换。如图3(d)所示，CAI-1和CAI-2的值均小于0，表明地下水中存在Ca²⁺、Mg²⁺与含水层中Na⁺、K⁺发生阳离子交换的情况，最终导致水体中发生Na⁺含量升高和Ca²⁺、Mg²⁺含量减少的现象。

如图3(c)所示，所有水样均集中在1:1等值线与1:1和2:1等值线之间，前者说明Ca²⁺和Mg²⁺的离子组分来源于白云岩的风化溶解作用，后者说明Ca²⁺和Mg²⁺的离子组分来源于石灰岩的风化溶解作用[11] [12]。

3.4. 相关性分析

Table 2. Correlation analysis of shallow groundwaters’ hydrochemical parameters

表2. 研究区浅层地下水水化学参数相关性分析

	pH	EC	TDS	Na^+	K^+	Mg^2+	Ca^2+	Cl^−	SO4^2^−	HCO3^−
pH	1
EC	−0.496*	1
TDS	−0.459*	0.994*	1
Na^+	0.249	0.034	0.041	1
K^+	0.296	−0.119	−0.113	0.204	1
Mg^2+	0.200	0.221	0.220	−0.065	0.065	1
Ca^2+	0.227	−0.007	0	−0.050	0.336*	0.671*	1
Cl^−	0.368*	−0.037	−0.018	0.346*	0.377*	0.508*	0.623*	1
SO4^2^−	0.353*	0.081	0.092	0.689*	0.601*	0.436*	0.547*	0.620*	1
HCO3	−0.301	0.608*	0.593*	0.271	−0.045	0.262	0.064	0.174	0.271	1

注：*表示显著性水平为0.05。

对pH、EC等10项指标进行相关性分析，结果如表2所示。其中，Na⁺与Ca²⁺、Mg²⁺呈现负相关，相关性系数分别为−0.050和−0.065，表明Na⁺与Ca²⁺、Mg²⁺发生阳离子交换作用。SO₄²⁻与Ca²⁺呈现相关性，相关性系数为0.547，可能与石膏风化溶解有关。SO₄²⁻与Na⁺、K⁺呈现强相关性，相关性系数分别为0.689、0.601，可能与研究区芒硝风化溶解有关。Cl⁻与Na⁺、K⁺都呈现相关性，相关性系数分别为0.346、0.377，可能与研究区内盐岩风化溶解有关[13]。

4. 水质评价

采用WQI饮用评价方法分析研究区地下水水质状况，其计算步骤分为四步，具体计算过程如下[14]：

(1) 以研究区内所取水样的10项水化学指标对其进行WQI计算和分析，相关化学参数权重参照世界卫生组织水质标准，如表3所示。

Table 3. The threshold value of WQIs’ parameters

表3. WQI相关参数的界限值

化学参数	单位	标准值	权重	相对权重
pH	/	7	1	0.03704
EC	μs/cm	1500	2	0.07407
TDS	mg/L	1000	5	0.18519
Na^+	mg/L	200	4	0.14815
K^+	mg/L	12	2	0.07407
Ca^2+	mg/L	300	3	0.11111
Mg^2+	mg/L	100	3	0.11111
HCO3^−	mg/L	500	1	0.03704
SO4^2^−	mg/L	250	3	0.11111
Cl^−	mg/L	250	3	0.11111

(2) 计算相对权重

Wi = _wi/∑_wiT (2)

(3) 计算评价指数Qi

Qi = (Ci/Si) × 100 (3)

其中：Ci为样品化学参数的浓度，Si为水质标准值，单位均为mg·L⁻¹。

(4) 计算WQI

WQI = ∑Wi × Qi (4)

根据地下水水质状况和人体健康风险，将水质级别分为5类。其中，根据WQI分类，可将水质状况分5类：WQI ≤ 50，表明水质很好；50 < WQI ≤ 100，表明水质好；100 < WQI ≤ 200，表明水质差；200 < WQI ≤ 300，表明水质很差；WQI > 300，表明水不适宜饮用。

Figure 4. The proportion pie diagram of shallow groundwater samples’ water quality

图4. 研究区浅层地下水水质类型占比饼图

浅层地下水WQI值水质占比图如图4所示，其中WQI值在50以下的水样有36件，占总水样比例的83.00%，表明研究区浅层地下水多为Ⅰ类水；WQI值介于50~100之间的水样有7件，占总水样比例的17.00%，为Ⅱ类水；Ⅲ类水和Ⅴ类水在研究区内未出现。说明研究区内浅层地下水水质良好，适合用于居民饮用水。

5. 结论

本研究以安徽省淮北市某乡镇43件浅层地下水样品为研究对象，综合运用了描述性统计分析、Piper图、Gibbs图、离子组分比例分析和WQI水质评价等方法，讨论了浅层地下水主要水化学类型及离子来源，并评价了浅层地下水可饮用性。得出如下结论：

1) 研究区浅层地下水偏弱碱性，其主要阳离子为Na⁺、Ca²⁺，主要阴离子为HCO₃⁻、SO₄²⁻，水化学类型主要包括HCO₃-Ca·Mg型(占54.76%)；还包括HCO₃-Na型(40.48%)和SO₄·Cl-Na型(4.76%)。

2) Gibbs图显示浅层地下水以水岩作用为主，并受到一定的蒸发作用。结合离子组分比例和相关性分析综合得出，地下水主要常规离子来源的水岩作用类型主要包括盐岩矿物、硅酸盐矿物、硫酸盐矿物的风化溶解和阳离子交替吸附作用。

3) WQI可饮用性评价结果表明，研究区浅层地下水WQI值在50以下的水样有36件，为Ⅰ类水，占总水样比例的83.00%，WQI值介于50~100之间的水样有7件，为Ⅱ类水，占总水样比例的17.00%。研究区地下水水质良好，适宜居民饮用。

基金项目

2023年度宿州市科技计划项目(SZKJXM202309)；国家级大学生创新创业训练项目(202510379057)；省级大学生创新创业训练项目(S202410379179, S202510379079)；宿州学院横向科研项目(2024xhx122, 2025xhx023)；宿州学院钻探工程技术研究中心(2024PT04)；宿州学院大学生创新创业训练计划项目(ZCXM24-243, ZCXM24-234)。

NOTES

^*通讯作者。