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地下水水化学和水质分布特征分析

  摘要:豫北平原为河南省重要的农业生产基地,其居民生活用水和农业生产用水主要依赖于地下水。为了保证工农业生产和生活用水安全,根据2018年的105个地下水化学取样分析数据,利用Piper三线图和Gibbs图研究了水化学的主要离子的空间分布特征及水化学形成机制,从而揭示了研究区水化学分布特征和主要形成作用,采用综合指标法和单因子法评价了水质问题,并分析了主要影响因素的超标情况。结果表明,豫北平原地下水类型以HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Mg·Na、HCO3·Cl-Na型水为主,地下水水化学成因以蒸发浓缩和水岩相互作用为主,浅层、中深层地下水水质Ⅳ~Ⅴ类水分布面积约占90%,深层地下水水质较好,Ⅱ~Ⅲ类水分布面积约占40%。
  
  关键词:地下水;水化学特征;水质;豫北平原
  
  1概况
  
  豫北平原位于华北平原的南部,行政区划隶属于焦作市、新乡市、鹤壁市、安阳市及濮阳市,其西依太行山,南以黄河为界,北、东分别与河北平原、鲁西平原相连。地势总体由西南向东北缓倾斜,地面平均坡降2.5‰~1.4‰。该区为历史上黄河决口、改道最频繁的地区,地表仍有河道变迁的遗迹,高地、平地、洼地分布普遍,黄河故道上有沙丘、沙地分布。根据赋存地下水的介质和介质孔隙性质,区内含水岩组以松散岩类孔隙水含水岩组为主,其次为碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组,其中松散岩类孔隙水含水岩组按埋藏空间划分为浅层含水层组(底界埋深一般60~110m)、中深层含水层组(底板埋深一般110~280m)、深层含水层组(埋深一般在110~280m以下)。豫北平原是河南省重要的农业生产基地,其居民生活用水和农业生产用水主要依赖地下水。随着经济的发展,地下水开采量逐年增加,地下水水质不断恶化,已引起广泛注意,对该地区地下水形成[1]、地下水开发利用及动态变化[2,3]、环境水文地质问题[4]已有较多研究,对于认识豫北平原地下水质量状况、保护地下水水质、合理开发利用地下水具有重要意义。但已有研究均是针对豫北平原浅层含水层所开展,且未突出水化学类型和水质空间分布特征。近十年来,豫北平原水文地质条件发生很大变化,地下水环境及水质受多方面因素影响,中、深层地下水水质亦发生变化。鉴此,本文基于2018年调查取样获得的水化学测试数据,对豫北平原各含水层地下水进行水化学分类,分析了水质状况及其影响因素,揭示了研究区水化学及水质的空间分布特征和主要形成作用,为该地区地下水污染防治及合理开采利用提供了依据。
  
  2数据及方法
  
  2.1取样数据
  
  2018年对豫北平原地下水进行了水化学分析,共取得地下水样105个,其中浅层、中深层、深层孔隙水水样分别为82、12、11个。检测指标共计53项,具体为色度、浊度、嗅和味、K++Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、Al3+、NH+4、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3、OH-、NO-3、NO-2、F-、I-、Li、Sr、Zn、Cu、Pb、Cd、Se、Hg、Mn、As、Ag、Ni、Co、Ba、Sb、Cr6+、NH+4(以N计)、NO-3(以N计)、NO-2(以N计)、总硬度、永久硬度、暂时硬度、负硬度、总碱度、总酸度、H2SiO3、游离CO2、CODMn、硼氰化物、酚类、矿化度、TDS、pH值。地下水取样点分布见图1。
  
  2.2方法
  
  针对研究区地下水化学特征及成因,通过绘制Piper三线图并结合舒卡列夫分类对豫北平原地下水进行水化学分类;通过绘制Gibbs图并结合研究区地质条件、水文地质条件,揭示地下水水化学的分布特征和主要形成作用。采用综合指数法和《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)[5]单因子评价法,评价研究区地下水水质及其空间分布状况。
  
  3豫北平原地下水水化学和水质分布特征
  
  3.1地下水水化学特征及成因
  
  3.1.1地下水化学分类及演化规律对研究区样品进行舒卡列夫分类,并绘制Piper图(图2),发现地下水化学分类及演化规律为:①豫北平原浅层孔隙水水化学类型种类繁多,主要为HCO3-Ca·Mg型水,其次为HCO3-Ca·Mg·Na、HCO3·SO4-Ca型水;中深层孔隙水水化学类型主要有HCO3·SO4-Mg·Na、HCO3-Mg·Na·Ca、HCO3-Mg·Ca、HCO3·SO4·Cl-Mg·Na型水;深层孔隙水的水化学类型主要图2Piper三线图Fig.2Piperdiagrams为HCO3·Cl-Na、HCO3·SO4-Na。②地下水化学成分的演化规律[6]。孔隙水中,浅层孔隙水大部分样品中碱土金属超过碱金属;中深层孔隙水中各离子比例较为均匀;深层水中阳离子以K+、Na+为主,基本呈碱金属超过碱土金属现象。在孔隙水中,随着层位深度的增加,地下水中碱土金属的含量逐渐减小,碱金属的含量逐渐增大。分析此类现象的发生可能与阳离子交换作用有关(阳离子交换作用是指在一定条件下,岩石或土壤颗粒吸附地下水中某些阳离子,而将其原来吸附的部分阳离子转化为地下水中的组分的过程)。③岩石风化类型对研究区地下水水化学离子组成的影响。在浅层孔隙水中,阳离子以Na++K+、Ca2+为主,Na++K+含量最多,阴离子以SO2-4、HCO-3为主,靠近HCO-3一端,由此推测受到钾盐、钠盐、石膏等蒸发岩和碳酸盐岩的风化溶解作用及钙质结核和钙质胶结物、黄河冲积物分散钙溶解的作用。中深层孔隙水分布比较分散,阳离子Na++K+含量最多,其次为Mg2+,阴离子中HCO-3相对较多,可推测受到钾盐、钠盐等蒸发岩和白云岩等碳酸盐岩的风化溶解作用和阳离子交换作用的影响。深层孔隙水中阳离子集中在Na++K+一端,阴离子HCO-3相对较多,其次为SO2-4,分析为碳酸盐岩的溶解和阳离子交换作用的共同影响。综合分析,孔隙水中阳离子Na+含量较高,随着深度增加,Na++K+含量有增加的趋势,阴离子集中于HCO-3一端,随着深度增加,SO2-4有增加的趋势;研究区主要受到碳酸盐岩的风化溶解作用影响,浅层、中深层孔隙水受蒸发浓缩作用影响也较大,随着深度增加,孔隙水还受到阳离子交换作用的影响,导致地下水中的碱金属含量增加。3.1.2地下水化学成因分析根据研究区水化学资料绘制Gibbs图见图3。Gibbs图可宏观地表现出地下水中的主要离子和变化趋势,判断其水化学形成机制。其控制因素分为大气降水、蒸发浓缩、岩石风化三类,当控制因素主要为大气降水时溶解性总固体(TDS)较低,阳离子或阴离子质量浓度比值大于0.5;TDS中等且阴离子或阳离子质量浓度比值小于0.5时,主要受岩石风化的控制;TDS较高且阴离子或阳离子质量浓度比值接近1时表明主要受蒸发浓缩的影响。由图3可看出,大部分水样都集中在岩石风化区,少部分水样TDS较高且阴离子质量浓度比值有接近1的趋势,说明研究区同时受到岩石风化和蒸发浓缩双重作用的影响,以岩石风化作用为主。其中浅层孔隙水大部分集中于岩石风化区,部分位于蒸发浓缩区,说明浅层孔隙水主要受到岩石风化和蒸发浓缩的双重影响,主要为岩石风化作用的影响;中深层孔隙水较为均匀地分布于岩石风化区和蒸发浓缩区,受两者的共同影响;深层孔隙水集中于岩石风化区,有个别点位于蒸发浓缩区,主要受到岩石风化的作用。由浅至深,研究区地下水受岩石风化作用的影响有增加趋势,受蒸发浓缩的影响逐渐减小。为更进一步研究地下水的阳离子交换作用或反阳离子交换作用,引入碱基指数(Chloro-alka-line、CAI1、CAI2)[7]CAI1、CAI2均大于0时,阳离子交替吸附发生正向反应;当CAI1、CAI2均小于0时,阳离子交替吸附发生逆向反应。算得研究区水样的CAI1、CAI2均为正,地下水中Na+、K+置换出含水层中Ca2+、Mg2+的反阳离子交换作用,与地下水化学类型中的阳离子比重变化相符。
  
  3.2地下水水质特征及成因
  
  根据内梅罗指数评价方法,得到豫北平原地下水水质分布特征见图4。由图4可知,豫北平原地下水水质整体分布以Ⅳ类水为主,深层水质优于中深层水质,中深层水质优于浅层水质。浅层孔隙水主要为Ⅳ类水,Ⅱ、Ⅲ类水主要分布在新乡市长垣县、卫辉县、封丘县东部、延津县西北部、新乡县北部、辉县市东部和新乡市区,Ⅴ类水主要分布在东部,即濮阳市台前县和范县,零星分布在濮阳县、清丰县、鹤壁市的滑县和浚县(图4(a));中深层孔隙水Ⅴ类水分布范围更广,只有新乡市西部分布有Ⅱ、Ⅲ类水(图4(b));深层孔隙水主要为Ⅲ、Ⅳ类水,仍以Ⅳ类水居多,Ⅲ类水较浅层和中深层的分布广泛,Ⅱ类水分布在长垣县、新乡县和卫辉县(图4(c))。根据单因子评价方法分析豫北平原地下水水质分布特征,获得如下结论。(1)Fe超标分布情况。Fe超标情况严重,其中,在浅层孔隙水中除西部山区和西北部以外其余地区均超标,且情况严重;中深层孔隙水中普遍超标;深层水除中部平原区城关镇、丰庄镇以外,普遍超标。随着埋深的增加,Fe超标的范围加大,但超标的严重程度有所减小,分析是受地下水径流的影响。Fe普遍超标的自然原因为第四系含水层中普遍分布富含铁的矿物。(2)F-超标分布情况。高氟水主要分布在地下水径流迟缓、矿化度较高的地区。随着地下水埋深的增加,F-超标的范围逐渐扩大,受到地下水径流的影响。形成原因主要与研究区沉积环境、水文地质条件有关。(3)Mn超标。浅层孔隙水中Mn超标的地区主要为中部平原区,该区域分布有中更新统地层,其中含有Mn结核,分析为导致Mn超标的主要原因,另外在研究区大部分均为Ⅳ类水的情况下,有一小块Mn超标达到V类水,分析可能为含有Mn的工业废水的排放造成的。(4)As超标。主要分布于中部平原区和南部的冲洪积扇,与研究区的沉积环境和水文地质条件有关,受深部构造的影响。(5)硼超标。浅层孔隙水中只有4个采样点硼超标,分别位于焦作市博爱县博爱公园附近、濮阳市南乐县元村镇申庄村、新乡市长垣县总管乡总管村、焦作市沁阳市王召乡李大人庄村;中深层孔隙水1个采样点硼超标,位于安阳市滑县焦虎镇桑科营村附近;深层孔隙水2个采样点硼超标,分别位于新乡市长垣县宏力大道唐庄附近和濮阳市濮阳县八公桥镇北王庄西南。初步分析为含硼的造岩矿物风化溶解形成,不排除有人为活动的影响,可能有含硼的工业废水排放,具体需现场考察后做最后决断。(6)pH值基本在7.0~8.5之间,为弱碱性水。有3个采样点pH值超过9.5,甚至达到10,分别为鹤壁市淇滨区庞村镇庞村的深层孔隙水、安阳市内黄县高堤乡草坡村的深层孔隙水和安阳市滑县焦虎镇桑科营村的中深层孔隙水。由于其他地方pH值均为Ⅰ类,而这三处pH值严重超标,判断是受人类活动影响,可能为含强碱的工业废水的排放造成的。(7)总硬度、TDS、Cl-、SO2-4往往具有明显的相关性,研究区地下水中除岩溶水中仅有总硬度超标外,孔隙水中四者均超标。根据地下水水化学特征分析可知,这四种离子的超标主要为天然成因,即研究区内的水化学成分主要受碳酸盐岩的风化溶解及蒸发浓缩作用的影响,但不排除生活废水和生活垃圾的影响。(8)NH+4(以N计)、NO-3(以N计)超标。主要受人类活动的影响,即来自于农业化肥的过度使用,部分来自于生活污水和工矿企业污水的排放。(9)Na++K+普遍超标。且超标率较高,主要为天然成因,受蒸发浓缩作用和阳离子交换作用的影响。
  
  4结论
  
  a.豫北平原浅层孔隙水水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型水,其次为HCO3-Ca·Mg·Na、HCO3·SO4-Ca型水;中深层孔隙水水化学类型主要为HCO3·SO4-Mg·Na、HCO3-Mg·Na·Ca、HCO3-Mg·Ca、HCO3·SO4·Cl-Mg·Na型水;深层孔隙水的水化学类型主要为HCO3·Cl-Na、HCO3·SO4-Na型水。b.浅层孔隙水大部分样品中碱土金属超过碱金属;中层孔隙水中各离子比例较为均匀;深层水中阳离子以K+、Na+为主,基本呈碱金属超过碱土金属现象。随着层位深度的增加,地下水中碱土金属的含量逐渐减小,碱金属的含量逐渐增大。蒸发浓缩和岩石风化类型对研究区地下水水化学离子组成有重要影响。c.豫北平原地下水水质以Ⅳ类水分布最广,整体上深层水水质比浅层水水质好。浅层孔隙水以Ⅳ类水分布最广,占全区面积80%以上,还有少部分Ⅴ类水,二者之和约占90%;中深层孔隙水主要为Ⅳ类水,约占全区90%;Ⅱ、Ⅲ类水约占10%。深层孔隙水主要为Ⅲ、Ⅳ类水,仍以Ⅳ类水居多,Ⅱ、Ⅲ类水约占40%。
  
  参考文献:
  
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  作者:王继华 朱洪生 潘登 单位:河南省地质环境监测院
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