浅层地下水水化学特征及离子来源分析——以宿州市新濉河部分河段区域为例

Hydrochemical Features and Ion Source of Shallow Aquifer—A Case Study of Certain Part of New Sui River, Suzhou City

摘要: 本文以安徽宿州埇桥区新濉河部分河段周边的20组浅层地下水样为研究对象，综合采用了描述性统计、Piper图法、Gibbs图法、相关性分析和主成分分析等方法，对该研究区内的浅层地下水水化学特征进行分析。研究结果表明：地下水水化学类型以 − Ca² (Ca² Mg² )型和 Cl⁻ − Ca² (Ca² Mg² )型为主；地下水化学成分大部分受岩石风化作用影响，少数受蒸发作用影响；水岩作用与碳酸盐岩、硫酸盐岩、硅酸盐岩和岩盐的风化溶解作用有关。此外，人类活动也影响研究区浅层地下水水化学组分及特征。

Abstract: This study focused on 20 shallow groundwater samples of certain part of New Sui River, Suzhou City, and we conducted descriptive statistics, Piper plot, Gibbs plot, correlation analysis, and principal component analysis to analyze the hydrochemical characteristics. The results showed that the water types of shallow groundwater contained − Ca² (Ca² Mg² ) and Cl⁻ − Ca² (Ca² Mg² ). The components of shallow groundwater were influenced by the rock weathering and a slight certain effect of evaporation. The water-rock interactions concluded the weathering and dissolution of carbonate rocks, sulfate rocks, silicate rocks, and rock salts. Additionally, human activities also affected the hydrochemical compositions and characteristics of shallow groundwater in the study area.

1. 引言

地下水是最主要的资源之一，同时也是维持地球生态系统正常运行的重要基础条件 ‎[1] 。地下水物理化学特性与成因是水文地质学的主要研究内容，通过对地下水水化学的空间演变特性和时间演化规律的深入研究，能够更有效地阐述地下水和自然环境之间的相互作用机制 ‎[2] ‎[3] ‎[4] ‎[5] 。了解地下水的化学特征及其形成作用，能更有效地分析地下水的起源与形成 ‎[6] 。同时，地下水水质的优劣又直接关乎到地区内人民的生命安全和身体健康问题 ‎[7] 。地下水水化学过程受各种因子的影响和制约，不但受自然因子影响，还与人类社会活动有关，同时也与周边的自然条件产生了复杂的水文地球化学影响 ‎[8] ‎[9] ‎[10] 。

目前，关于地下水化学特征的相关研究已有较多，孙从建等 ‎[11] 、赵楠芳等 ‎[12] 综合运用描述性统计、Piper三线图、Gibbs图及离子比例系数等方法对地下水水化学特征进行了分析，说明了地下水化学组分的质量浓度变化，解释了地下水水化学特征形成的原因。针对皖北地区的研究，其中孟祥嵩等 ‎[13] 以宿州市城区河流沱河为研究对象对水质现状进行评价，闵宁等 ‎[14] 对宿州市浅层地下水的水化学特征及成因进行研究，结果表明宿州市城区地下水化学成分主要受碳酸盐、硅酸盐风化作用的影响。而针对皖北地区区域浅层地下水的水化学特征及离子来源分析较少。基于以上研究成果，本研究选取皖北地区传统的农业乡镇–宿州市埇桥区新濉河部分河段区域为研究区，对该区域的浅层地下水进行采样，运用了描述性统计法对研究区地下水中的主要阴阳离子进行分析；利用了Piper三线图法对研究区地下水的水化学类型进行分析；采用了Gibbs图法分析研究区地下水化学组分的影响因素；采用了离子相关性分析和主成分分析法对研究区地下水的离子来源进行分析。研究结果对本河段周边浅层地下水水资源管理和质量现状评价提供了基础水文地球化学资料。

2. 材料及方法

2.1. 研究区概况

埇桥区隶属于安徽省宿州市，该区位于安徽省北部，与苏鲁豫三省相接壤，总面积约2907平方千米。研究地理坐标为东经116˚58'30''~116˚59'23''，北纬33˚38'08''~33˚45'08''，地貌特征是北高南低，由西北向东南递减倾斜。其气候条件为典型的暖温带半湿润气候，总体的水资源时空分布不均匀，降雨主要集中在每年的6月至9月之间。

2.2. 样品采集及测定

本研究对新濉河区域共采集20个水样，采样时间为2021年11月10日。取样前，用拟取样的浅层地下水(埋深为10米~80米)冲洗聚乙烯玻璃瓶(550 ml) 3~5分钟，随后再收集水样至满瓶后密封，每一个取样点取水样两瓶。取样方法依据HT 164-2020《地下水环境监测技术规范》，在现场采用便携式检测仪，对pH、TDS、EC等参数进行检测。试样运送至实验室后，先用0.45 μm的醋酸纤维滤膜过滤后，在0~4℃的低温下储存，随后进行常规离子(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 、Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 等)的测试工作，测试均在安徽省煤矿勘探工程技术中心完成。

2.3. 研究方法

利用分析统计软件SPSS.26对地下水水化学成分进行描述性统计分析、离子相关性分析和主成分分析；利用Origin 2021软件绘制Piper三线图和Gibbs图。

3. 结果与分析

3.1. 水化学组分

研究区水样测试结果如表1所示，水样中pH的范围为7.60~8.73，平均值为7.96，说明研究区水样呈弱碱性，其中pH的变异系数最小，为0.03，表明pH值在空间上的分布均衡，对空间变化影响较小。TDS的含量介于133.00~1453.00 mg/L之间，平均值为739.70 mg/L，研究区地下水主要是淡水。EC在296.00~1754.00 μS/cm之间，平均值为1210.30 μS/cm。阳离子质量浓度平均值由大到小依次为Ca²⁺ > Na⁺ > Mg²⁺ > K⁺；阴离子质量浓度平均值由大到小依次为 ${\text{HCO}}_3^{-}$ > Cl⁻ > ${\text{SO}}_4^{2-}$ ，阳离子Ca²⁺含量最高，阴离子 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 含量最高。由表1知，K⁺的变异系数大于1，表示它的离散性很好；Ca²⁺、Na⁺、Cl⁻和 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 的变异系数达到0.6以上，表示其中的离散程度很高，说明这些离子浓度在地下水中处于不平衡的状态，受到一定程度的人类活动干扰。

Table 1. Descriptive statistics of the hydrochemical composition of the shallow groundwater in the study area

表1. 研究区浅层地下水水化学成分描述性统计

3.2. 水化学类型及特征

Piper三线图常用于判定水化学及其水岩相互作用类型。由图1可知，阳离子三角形中，水样基本分布于1区和2区，水化学类型属于钙类型和混合型；阴离子三角形中，水样位于5区、6区和7区，水化学类型属于碳酸氢盐型、氯类型及混合型；且阳离子多偏向Ca²⁺端元，阴离子多偏向于 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 端元，说明地下水受碳酸盐岩风化影响较大，其中5区表示碳酸盐硬度超过50%，即钙､镁的碳酸盐的含量超过50%，说明该水样中的主要阳离子为Ca²⁺和Mg²⁺，主要阴离子为 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 和Cl⁻。由以上结论可推断，本研究区地下水水化学类型以 ${\text{HCO}}_3^{-}$ − Ca²⁺ (Ca²⁺ + Mg²⁺)型和 ${\text{HCO}}_3^{-}$ + Cl⁻ − Ca²⁺ (Ca²⁺ + Mg²⁺)型为主。

Figure 1. Piper three-line plot of shallow ground water hydro chemistry in the study area

图1. 研究区浅层地下水水化学Piper三线图

经过对自然界中水体水化学组成的分析，Gibbs把对自然界饮用水质组成的主要影响因子分成了三种类型：大气降水控制型、岩石风化控制型以及蒸发–结晶控制型 ‎[15] ‎[16] 。蒸发浓缩所控制的区域代表性的水化学特性主要表现在：高TDS值和高Na⁺、Cl⁻的含量；降雨控制的地区代表性的水化学特征表现为：低TDS和低Na⁺、Cl⁻含量；而岩石风化的地区代表性的水化学特征表现为：TDS低于100~1000 mg/L，但Na⁺、Cl⁻的浓度却处于前两者之间 ‎[1] 。

从Gibbs图分析可得(图2)，研究区水样TDS范围为133~1453 mg/L，Na⁺/(Na⁺ + Ca²⁺)的比值为0.20~0.50，主要落在以岩石风化作用为主导类型的区域内，极少部分落在蒸发浓缩区域，表明该研究区地下水的水化学组分主要受岩石风化作用控制，极少部分受蒸发浓缩控制。Cl⁻/(Cl⁻ + ${\text{HCO}}_3^{-}$ )的比值约0.00~0.60，阴离子点位基本分布在Gibbs图的岩石风化区域内，极少数阴离子点位落在Gibbs图外，说明水化学离子特征受到外界人为活动的影响。综上所述，岩石风化作用是研究区域地下水水化学组分最主要的影响因子。

Figure 2. Gibbs diagram of the shallow groundwater in the study area

图2. 研究区浅层地下水Gibbs图

3.3. 离子相关性分析

离子相关性分析可以反映地下水水化学成分的相似、相异性和来源的一致性与差异性。本研究使用SPSS软件对研究区地下水样数据进行相关性分析，从而得出地下水中各主要阴阳离子之间的相关系数。由表2可知，阳离子中，TDS与Na⁺相关性较强，相关系数为0.589；阴离子中，TDS与 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 相关关系较强，其中TDS与 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 相关性最强(R = 0.618, P < 0.01)，说明 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 是研究区水样中TDS的主要贡献者。Na⁺与 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 相关性极强，相关系数大于0.9，Na⁺与Mg²⁺、 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 相关性较强，Mg²⁺与Ca²⁺、Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 相关性较强，相关系数大于0.7，Ca²⁺+与Cl⁻相关性极强(R = 0.912, P < 0.01)。由以上结果可推断，方解石、灰岩等碳酸盐矿物、硫酸盐矿物、硅酸盐矿物以及岩盐的风化溶滤是该研究区地下水的主要离子来源。

Table 2. Routine ion correlation analysis in shallow groundwater in the study area

表2. 研究区浅层地下水常规离子相关性分析

3.5. 主成分分析

主成分分析能够较好地解析出控制水文地球化学作用的主控因素。按照特征值大于1，选择研究区域水样常规指标进行主成分分析，研究区共识别出3个主成分因子，其累计方差贡献率达到90.201%，总解释率较高。由表3可知，第一主成分因子方差贡献率为58.835%，Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 因子载荷极高， ${\text{HCO}}_3^{-}$ 因子载荷比较高，其中Mg²⁺因子载荷最高，说明第一主成分因子可能受碳酸盐岩、硫酸盐岩和岩盐风化作用的影响；第二主成分因子方差贡献率为16.629%，因子载荷较大的为K⁺和 ${\text{HCO}}_3^{-}$ ，说明第二主成分因子可能受硅酸盐岩和碳酸盐岩风化作用的影响；第三主成分因子贡献率为14.734%，K⁺的因子载荷最大，说明第三主成分因子可能受人类活动影响 ‎[17] 。综上所述，研究区地下水的化学成分主要与碳酸盐岩、硫酸盐岩、硅酸盐岩和岩盐的风化溶解，以及人类活动等自然及人为因素有关。

Table 3. Analysis of conventional ions in shallow groundwater in the study area

表3. 研究区浅层地下水常规离子主成分分析

4. 结论

1) 新濉河研究区域地下水为淡水，整体呈现弱碱性，阳离子质量浓度平均值由大到小为Ca²⁺ > Na⁺ > Mg²⁺ > K⁺，其中Ca²⁺为相对优势离子；阴离子质量浓度平均值由大到小为 ${\text{HCO}}_3^{-}$ > Cl⁻ > SO₄²⁻，其中 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 为相对优势离子。

2) 研究区地下水化学类型以 ${\text{HCO}}_3^{-}$ − Ca²⁺ (Ca²⁺ + Mg²⁺)型和 ${\text{HCO}}_3^{-}$ + Cl⁻ − Ca²⁺ (Ca²⁺ + Mg²⁺)型为主。根据Gibbs图可知，阴阳离子点位大部分落在以岩石风化作用为主体类型的研究范围内，极小部分落在蒸发浓缩区，表明研究区内地下水中的物理化学因素大部分受岩石风化作用的制约，极小部分受蒸发浓缩的制约。

3) 根据离子相关性分析和主成分分析，说明研究区地下水的化学成分主要与碳酸盐岩、硫酸盐岩、硅酸盐岩和岩盐的风化溶解作用，以及人类活动等自然及人为因素有关。

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。

NOTES

^*通讯作者。