2024, Vol. 45
2. 四川农业大学建筑与城乡规划学院, 成都 611830
2. College of Architecture and Urban-Rural Planning, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611830, China
水是生命之源、生产之要和生态之基. 随着社会经济的高质量发展, 地表水资源远不能满足生产和生活的需求[1], 而地下水含水量丰富, 水质较好[2], 是饮用水、农业灌溉和工业用水的重要来源[3]. 近年来, 由于地下水不合理开发利用导致水量减少和水质恶化等一系列生态环境问题[4, 5]. 地下水化学演变特征是地下水环境变化（如水质恶化）的集中反映, 而明确其形成机制也是地下水资源和质量评价的重要内容[5]. 地下水水化学的形成主要受控于地层岩性、地质构造、地形地貌和人为作用等因素[4, 6]. 因此, 系统研究地下水形成的控制因素, 开展地下水质量评价, 对水资源开发利用和生态环境保护具有现实的意义.
当前, 地下水特征及控制因素的研究方法主要包括：水化学类型法、描述性统计法、离子比例系数法与饱和指数法等[2], 尤其是Gibbs图[9, 10]、Piper图[11]和Na端元图[12]等经典水文地球化学研究方法的出现, 为地下水组分和来源的定性分析提供了便捷方法[4, 13]. 近年来, 多元统计分析法[14]、水文地球化学模拟[15, 16]与3S技术[17]等技术手段也广泛用于地下水控制因素研究. 而当前的研究更多是基于主成分分析、因子分析和相关性分析等多元统计分析, 结合经典水文地球化学方法、相关离子比例关系等手段定性或定量探究了地下水的演变规律及形成机制[1, 5, 8, 18, 19]. 另外, 水质评价也是目前地下水研究的一个热点方向, 针对水质评价的方法主要包括：模糊综合评价、模糊数学、多元统计分析、内梅罗指数和水质指数（water quality index, WQI）等[20 ~ 22], 尤其是水质指数（WQI）已广泛应用于地下水水质评价[23]. 而熵权水质指数（entropy weighted water quality index, EWQI）是由传统水质指数（WQI）修正而来, 目的是为了解决水质指数（WQI）权重赋值中人为因素的主观影响, 从而提高评价可靠性[24]. 目前, 熵权水质指数（EWQI）被众多学者广泛用于水质评价.
郯庐断裂带在中国境内长达2 400 km, 从南到北可分为3段：南段（安徽段和江苏段）、中段（山东段和渤海段）和北段（东北段）[25]. 郯庐断裂带（安徽段）自北东至南西斜贯安徽省, 长约450 km[26, 27]. 近年来, 相关学者开展了郯庐断裂周边的地热水[28 ~ 30]、矿泉水[31]和地下水[32, 33]等方面的研究工作. 在地下水研究方面, 相关学者关注更多的是地下水水质空间分布规律[32, 33], 而对于地下水水化学特征演变及控制因素下的水质评价研究略显不足. 鉴于此, 综合运用数理统计分析、图解法和离子比值等方法, 结合水文地球化学理论对郯庐断裂带（安徽段）浅层地下水进行系统性分析, 厘清水化学特征及控制因素, 并基于熵权水质指数（EWQI）评价郯庐断裂带周边地下水水质, 以期为郯庐断裂带（安徽段）乃至安徽省浅层地下水资源合理开发利用和保护提供科学依据.
1 研究区概况郯庐断裂带（安徽段）自北东至南西斜贯安徽省, 东北与江苏相连, 西南与湖北和江西接壤. 地势整体上自西南向东北倾斜, 其中北部为淮北平原, 地势平坦开阔, 中部为江淮波状平原, 西南部大别山地为剥蚀-构造山区. 研究区属亚热带湿润季风气候. 年平均气温14~17℃, 年均蒸发量850~1 050 mm, 年均降水量800~1 800 mm. 研究区地表水系发育, 横跨淮河、长江流域, 河网纵横交错, 湖泊星罗棋布. 巢湖是我国五大著名淡水湖泊之一.
研究区划分为淮北平原、江淮波状平原、皖西山地和沿江丘陵平原等4个水文地质分区[26, 27]. 根据含水层介质, 可划分为：松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水等3种地下水类型（图 1）. 松散岩类孔隙水含水层岩性主要为粉细砂、亚砂和亚黏土等；基岩裂隙水含水层岩性主要为砂砾岩、泥岩、砂岩、玄武岩、片麻岩、千枚岩和花岗岩等；碳酸盐岩裂隙岩溶水含水介质为大理岩和白云质灰岩等[31 ~ 33]. 其中松散岩类孔隙水和基岩裂隙水分布全区, 碳酸盐岩裂隙岩溶水主要分布在淮北平原、江淮波状平原和沿江丘陵平原这3个水文地质区.
|
图 1 研究区位置及采样分布示意 Fig. 1 Location of the sampling sites in the study area |
根据研究区地貌单元划分和水文地质分区进行采样点布设（图 1）, 2018年2月~4月在研究区采集了86组浅层地下水样, 其中江淮波状平原水文地质区28组, 沿江丘陵平原水文地质区27组, 皖西山地水文地质区31组. 本次采样样点布设主要考虑地下水受断裂新构造控制, 导致部分区域样点不均, 但整体上能反映区域地下水的分布.
1.2 样品采集与测试pH和溶解性固体总量（TDS）等参数在采集现场使用SD150型便携式多参数水质测试仪测定. 每组样品用两个聚乙烯塑料瓶采集, 采集时样瓶用离子水冲洗3~5遍. 其中测定阳离子浓度的水样瓶体积为500 mL, 且瓶内加入1∶1硝酸溶液使其pH < 2. 测定阴离子浓度的水样瓶体积为1 000 mL, 不做酸化处理. 样品采集24 h内送安徽省地质环境监测总站实验室进行检验. 实验室采用色谱仪（Dionex-2500型）测定SO42-、Cl-和NO3-；电感耦合等离子体光谱仪（ICAP 6300Duo型）用于K+、Na+、Ca2+和Mg2+等的测定；滴定法测定HCO3-. 各离子的检测限均为0.01 mg·L-1.
1.3 评价方法及数据处理饱和指数（SI）是水文地球化学研究的一个重要指标, 其定义为[34]：
|
(1) |
式中, IAP为矿物溶解反应中离子的活度积；K为矿物溶解反应的平衡常数. 使用PHREEQC软件计算饱和指数（SI）. 可将饱和指数（SI）划分矿物处于平衡状态（SI = 0）、沉淀析出过饱和状态（SI > 0）和溶解非饱和状态（SI < 0）.
采用熵权水质指数（EWQI）对研究区地下水质量进行评价. 选用pH、TDS、TH、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-和F-等10项参数进行EWQI评价. EWQI的计算步骤及质量等级划分见文献[35].
运用ArcGIS10.8软件绘制地下水采样点分布图, SPSS 26.0软件统计地下水水化学数据, 基于Origin 2021平台绘制Piper三线图、Gibbs图、矿物稳定场图和离子比例图等相关图件.
2 结果与讨论 2.1 水化学组分特征研究区地下水的水化学特征统计数据如表 1所示, 并绘制地下水化学参数的箱线图（图 2）. 其中江淮波状平原地下水的pH值介于7.21~8.35之间, 均值为7.82, 呈弱碱性；ρ（TDS）介于261.84~1 161.73 mg·L-1之间, 均值为650.79 mg·L-1；沿江丘陵平原地下水的pH值介于7.65~8.43之间, 均值为8.11；ρ（TDS）在123.16~1 307.03 mg·L-1, 均值为548.43 mg·L-1, 属淡水. 皖西山地地下水的pH值介于7.05~9.03之间, 均值为8.06；ρ（TDS）在37.71~1 516.92 mg·L-1, 均值为295.48 mg·L-1. 研究区地下水呈弱碱性, 属淡水范畴. 硬度较低.
|
表 1 不同水文地质分区地下水水化学指标统计1） Table 1 Statistics of groundwater hydrochemical indexes in different hydrogeological zones |
|
图 2 研究区地下水化学指标箱线图 Fig. 2 Box diagram of groundwater chemical indexes in the study area |
不同水文地质分区地下水水化学浓度波动幅度较大. 江淮波状平原和皖西山地地下水阴离子浓度排序为：HCO3- > SO42- > Cl- > NO3- > F-, 沿江丘陵平原为：HCO3- > Cl- > SO42- > NO3- > F-. 江淮波状平原和沿江丘陵平原地下水阳离子浓度关系为：Ca2+ > Na+ > Mg2+ > K+, 而皖西山地为：Na+ > Ca2+ > Mg2+ > K+. 地下水的主要离子的变异性系数在0.32~2.54, 不同水文地质分区地下水水化学空间变异性较大. 另外K+、SO42-和NO3-变异系数大于1, 表明这3种元素具有明显的空间差异性, 推测地下水可能受人类活动的影响导致局部离子富集严重[3].
2.2 浅层地下水水化学类型特征基于Piper三线图可以直观反映浅层地下水水化学的类型及演化特征[10, 36]. 阳离子主要分布在Ca2+端元, 而在Na++K+端元有少量分布. 优势阴离子以HCO3-为主, 其次为SO42-, 表明郯庐断裂带周边浅层地下水水化学形成主要受碳酸盐岩的溶解控制. 按舒卡列夫分类法, 江淮波状平原地下水化学类型以HCO3-Ca·Mg型为主, 其次为HCO3·SO4-Ca·Mg型. 沿江丘陵平原地北部以HCO3-Na·Ca型为主, 其次为HCO3·Cl-Na·Ca型；南部以HCO3-Ca型为主, 其次为HCO3-Ca·Mg型, 局部区域为HCO3·SO4-Ca和HCO3·SO4-Na·Ca型. 皖西山地水化学类型以HCO3-Na·Ca型和HCO3-Ca型为主, 其次HCO3·SO4-Na·Ca型, 局部地区为SO4-Na·Ca型（图 3）.
|
图 3 研究区浅层地下水化学Piper三线图 Fig. 3 Piper diagram of shallow groundwater in the study area |
研究区从南部到北部, 大别山区及南部沿江丘陵平原区为补给区, 地下水主要为HCO3-Ca型；中北部江淮丘陵平原区为地下水径流和排泄区, 地下水径流较为滞缓, 水化学类型为HCO3-Na·Ca·Mg型和HCO3-Na·Ca型；江淮之间地下水赋存贫乏, 地下水交替缓慢、径流滞缓, 水化学类型主要为HCO3·Cl-Na·Ca型.
2.3 水化学组分控制因素 2.3.1 水化学指标之间的相关关系相关性分析可以判断水化学组分中的离子是否为同一来源[36 ~ 38]. 研究区浅层地下水中TDS与TH、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-具有较显著的正相关性（r > 0.6, P < 0.01, 图 4）, 说明以上离子对TDS具有较大的贡献. 但不同水文地质分区略有差异, 如沿江丘陵平原TDS和SO42-、皖西山地TDS和HCO3-、Mg2+相关性不明显. 研究区地下水Na+和Cl-具有显著的正相关性（r > 0.6, P < 0.01）, 其相关系数分别为0.70（江淮波状平原）、0.64（沿江丘陵平原）和0.74（皖西山地）. 江淮波状平原和皖西山地地下水中SO42-和Na+具有显著的正相关性, 尤其是在皖西山地, 其相关系数达0.97；沿江丘陵平原和皖西山地SO42-和SO42-具有显著的正相关性, 表明地下水可能存在岩盐溶解、蒸发岩或者硅酸盐矿物的风化. 而HCO3-和Na+仅在沿江丘陵平原中存在显著的相关关系（r > 0.6, P < 0.01）, 说明沿江丘陵平原地下水中的HCO3-与Na+可能受岩盐以及碳酸盐矿物的风化溶解控制. 研究区地下水中HCO3-和Ca2+、Mg2+均具有显著的正相关性（r > 0.6, P < 0.01）, 表明地下水中发生碳酸盐和硅酸盐的溶解[39]. 地下水中NO3-和K+、Ca2+、Mg2+和Cl-具有显著的正相关性, 但仅有沿江丘陵平原的相关系数大于0.5, 反映出人类活动对沿江丘陵平原地下水组分造成一定的影响[38]. Ca2+和Mg2+呈显著的正相关性, 表明其来源于相同的岩石风化过程[40]. 此外, 皖西山地H2SiO3与Na+具有显著的正相关性（r > 0.6, P < 0.01）, 说明含钠硅酸盐矿物（如钠长石和斜长石）参与了风化溶解作用.
|
*表示在0.05水平上显著, **表示在0.01水平上显著；椭圆长轴方向表示相关系数的正负, 右上-左下方向为正值, 左上-右下方向为负值, 椭圆越扁, 表示为绝对值较大的相关系数, 反之越小 图 4 研究区地下水化学组分相关性 Fig. 4 Correlation of chemical components of groundwater in the study area |
地下水与周围介质之间的水岩相互作用, 导致地下水化学组分发生变化[10], 水岩相互作用可以揭示水化学演化机制[41, 42]. 从Gibbs图[43, 44]可以得出（图 5）, 阳离子N（Na+）/ N（Na++Ca2+）在0.02~0.89之间, 阴离子N（Cl-）/N（Cl-+HCO3-）在0.02~0.66之间. 地下水样品点大部分指向水岩相互作用端元（岩石风化控制区域）, 表明研究区地下水的水文地球化学过程及水化学特征受水岩相互作用主导控制, 少量样品落在蒸发-浓缩区域, 指示本区部分地下水还受到蒸发-浓缩作用的影响, 但影响远不及水岩相互作用. 样品点分布远离降雨控制端元, 表明大气降水对研究区内地下水主要离子来源贡献较小. 沿江丘陵平原和皖西山地存在部分样品N（Cl-）/N（Cl-+HCO3-）大于0.5, 沿江丘陵平原和皖西山地为典型的农作物区, 说明这些样品受农业活动等人类活动影响[45].
|
图 5 研究区浅层地下水Gibbs图 Fig. 5 Gibbs diagram for shallow groundwater of the study area |
地下水系统水文地球化学过程受矿物的溶解-沉淀作用控制[16], 一般情况下, 硅酸盐和铝硅酸盐是地下水含水层中主要矿物, 且控制着地下水系统矿物间的溶解-沉淀平衡状态[46, 47]. 基于研究区地下水硅酸盐体系稳定场可知（图 6）, 研究区浅层地下水样点绝大部分位于斜长石和蒙脱石稳定区域内, 地下水中SiO2含量绝大部分超过石英饱和线, 但远未达到非晶质硅饱和线, 推测研究区地下水可能发生了钙长石、钠长石和云母等矿物的溶解, 且水解为高岭石和蒙脱石等黏土矿物, 指示浅层地下水硅酸盐矿物发生了非全等溶解. 原生矿物在研究区地下水中远未达到饱和状态, 具备溶解形成次生矿物能力. 表明研究区浅层地下水径流循环过程中, 除水解产生高岭土和蒙脱石等黏土矿物外, K+、Mg2+、Ca2+、Na+和HCO3-等离子也随之析出[16]. 其反应过程如下：
|
|
图 6 硅酸盐稳定场 Fig. 6 Silicate stability field |
受碳酸盐、硅酸盐和蒸发岩矿物风化程度的影响, 地下水系统产生的Na+、Ca2+和Mg2+等离子浓度差别明显, 基于N（Mg2+）/N（Na+）、N（Ca2+）/N（Na+）和N（HCO3-）/N（Na+）值（毫克当量比）大致可判别不同风化溶解作用对地下水水化学组分的贡献程度[12, 48]. 根据图 7所示, 研究区绝大部分地下水样品分布于硅酸盐岩和碳酸盐岩风化控制区域之中间部位, 说明研究区浅层地下水水化学的形成受硅酸盐岩和碳酸盐岩风化溶解作用共同控制, 推测其与郯庐断裂带周边区域广泛裸露及隐伏在第四系下部的碎屑岩含水层及碳酸盐岩含水层发育有关. 仅有皖西山地少量地下水样品靠近蒸发岩盐区域, 这可能与皖西山地分布的硫铁矿有关. 但整体上研究地下水受蒸发岩盐风化溶解作用较弱.
|
图 7 地下水N（Mg2+）/N（Na+）、N（Ca2+）/N（Na+）和N（HCO3-）/N（Na+）关系 Fig. 7 Relationship between N(Mg2+)/N(Na+), N(Ca2+)/N(Na+), and N(HCO3-)/N(Na+) of groundwater |
地下水与围岩之间发生水岩相互作用形成地下水的化学成分, 故通过不同离子间的关系大致可识别浅层地下水中离子的来源及与此发生的水文地球化学过程作用[34, 41]. 一般情况下, 若地下水系统中仅发生岩盐溶解, 则N（Na++K+）/N（Cl-）的值为1, 而存在硅酸盐风化溶解则产生的N（Na++K+）/N（Cl-）大于1[43]. 研究区绝大部分地下水样品点落在N（Na++K+）/N（Cl-）的上方[图 8（a）], 说明地下水水化学组分除了受岩盐溶解作用外, 还受到其他钠盐的溶解. 且地下水中Na++K+明显偏离1∶1线, 可能受到阳离子交换作用, 导致Na++K+浓度大于Cl-.
|
图 8 主要离子比例关系 Fig. 8 Relationship between major ions |
研究区绝大部分地下水样品落在N（Na+）/N（HCO3-）关系下方, 即位于1∶1直线下方[图 8（b）], 表明研究区浅层地下水矿物溶解产生的Na+难以平衡HCO3-含量, 指示着碳酸盐岩矿物的溶解产生了多余的HCO3-[49].
N（Na+）/N（SO42-）的值可以反映地下水组分是否来源于芒硝的风化作用[50]. 研究区绝大部分地下水样品Na+与SO42-的比值高于1或接近1[图 8（c）], 说明SO42-和Na+可能主要来源于芒硝的风化作用, 除了芒硝风化外, 阳离子交换作用导致Na+增多[34].
蒸发岩和碳酸岩风化溶解作用对地下水离子的贡献程度可依据N（Cl-+SO42-）/N（HCO3-）关系来判断[34, 41]. 研究区地下水样品点绝大部分均落在N（Cl-+SO42-）/N（HCO3-）= 1的直线上方. 说明研究区地下水离子化学组分来源受碳酸盐岩的溶解作用控制. 由于皖西山地地层中普遍存在硫铁矿矿物, 导致部分水样点的组分受硫铁矿的溶解影响[图 8（d）].
N（Ca2++Mg2+）/N（HCO3-+SO42-）值关系可以揭示地下水中的离子是否由蒸发岩（石膏）和碳酸盐岩平衡控制[51]. 研究区地下水N（Ca2++Mg2+）/N（HCO3-+SO42-）呈线性关系, 大部分样品点分布在1∶1等当量线两侧, 表明研究区浅层地下水水岩相互作用复杂. 大部分地下水样品落在N（Ca2++Mg2+）/N（HCO3-+SO42-）=1的直线附近, 说明研究地下水主要受碳酸盐岩（方解石、白云石）和蒸发岩矿物溶解控制. 部分浅层地下水水样位于1∶1等当量线下方, 且远离该线[图 8（e）]. 表明研究区浅层地下水中的Ca2+和Mg2+含量远少于HCO3-和SO42-, 缺少部分需要更多的Na+和K+来维持溶质中离子平衡[48].
N（Ca2+）/N（Mg2+）可用于判断碳酸盐岩矿物的风化溶解是由白云石或方解石控制[52]. 研究区地下水N（Ca2+）/N（Mg2+）值大于1[图 8（f）], 说明碳酸盐岩以方解石溶解为主.
从图 9（a）可以看出, 地下水中绝大部分样点落在石膏和碳酸溶解碳酸盐岩线的中间区域, 少量样品靠近硫酸溶解碳酸盐岩线, 推测碳酸对碳酸盐岩的溶解及石膏溶解是研究区浅层地下水中Ca2+和Mg2+的主要来源, 少量可能来自硫酸对碳酸盐岩的溶解. 另外, 根据N（Ca2++Mg2+- HCO3-）与N（SO42-+Cl-- Na+）的毫克当量关系可以识别SO42-是否来源于石膏的溶解[48]. 如图 9（b）所示, 研究区绝大部分地下水样品靠近1∶1直线, 部分样品稍偏离且位于直线的上部, 表明研究地下水更多是受碳酸参与碳酸盐岩的风化过程控制, 其控制程度远高于硫酸对碳酸盐岩溶解.
|
图 9 地下水中N（Ca2++Mg2+）/N（HCO3-）与N（SO42-）/N（HCO3-）及N（Ca2++Mg2+-HCO3-）与N（SO42-+Cl--Na+）的关系 Fig. 9 Relationships between N(Ca2++Mg2+)/N(HCO3-) vs. N(SO42-)/N(HCO3-) and N(Ca2++Mg2+-HCO3-) vs. N(SO42-+Cl--Na+) of groundwater |
一般情况下可采用（Na++K+-Cl-）/（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）值（毫克当量比）来判断地下水中阳离子交替吸附作用[48]. 若发生阳离子交换作用, 则两者的比值一般在-1左右[49]. 如图 10（a）所示, 研究区大部分样品点均表现出负相关性, 地下水相关系数达0.85, 且斜率接近-1. 表明阳离子交替吸附作用在研究区地下水普遍存在.
|
图 10 研究区水化学阳离子交替吸附作用以及氯碱指数 Fig. 10 Cation exchange and adsorption of groundwater and Chlor-alkali index of groundwater in the study area |
地下水中阳离子交换反应作用的类型和强度可通过氯碱指数（CAI-1和CAI-2）来检验. 若地下水中的氯碱指数（CAI-1和CAI-2）为正直, 则表示为地下水中Na+和K+置换含水介质中的Ca2+和Mg2+, 反之亦然. 而其绝对值越大, 则表明地下水中发生阳离子交替吸附作用就越强 [38, 53]. 氯碱指数计算过程可参考文献[34]. 研究区地下水CAI-1值介于在-24.31~0.65之间, 均值为-2.06；而CAI-2值范围为-0.98~0.35, 均值为-0.16. 表明研究区地下水中的Ca2+和Mg2+离子置换含水介质中的Na+和K+离子, 导致Na+和K+离子盈余. 推测可能为硫酸溶解碳酸盐岩使水中Ca2+和Mg2+浓度增加, 使其趋于饱和. 而多余的SO42-则由Ca2+和Mg2+不断置换Na+和K+离子来维持平衡, 这也导致了Na+与SO42-呈正相关性（图 4）.
2.3.5 饱和指数研究区地下水水样中方解石的饱和指数（SI）在1.09~3.69之间, 均值为2.96；白云石的SI介于1.75~7.07之间, 均值为5.31；上述两种矿物的SI值均大于0, 说明研究区方解石和白云石过饱和, 具有生成沉淀, 析出晶体的可能. 萤石的SI介于-0.65~3.79之间, 均值为1.15, 仅有2个样品的SI小于0, 说明研究区萤石基本处于过饱和状态, 具有沉淀析出的可能. 岩盐的SI在-7.07~-3.51, 均值为-5.23, 所有样品的岩盐SI均小于0, 说明研究区岩盐处于不饱和状态, 岩盐不断溶解进入浅层地下水中. 石膏的SI在-1.18~1.57, 均值为0.04, 表明研究地下水石膏大体趋于平衡状态[图 11（a）].
|
图 11 矿物饱和指数（SI）与TDS关系 Fig. 11 Relation between mineral saturation index (SI) and TDS |
浅层地下水中的方解石、白云石和萤石的SI值与TDS相互独立[图 11（b）、图 11（c）和图 11（d）]. 相关研究表明, 研究区内含水层中碳酸盐岩矿物普遍存在[25]. 虽然方解石和白云石均处于饱和状态, 但碳酸盐岩的溶解作用很可能在地下水水化学演变的初始阶段迅速完成[42]. 故可以认为碳酸盐岩溶解是研究区浅层地下水中HCO3-、Ca2+和Mg2+的重要来源. 而地下水样品中萤石的SI绝大部分大于0, 浅层黏土矿物中钙质成分含量较多, 有利于氟离子和钙离子等结合形成CaF2. 浅层地下水中岩盐和石膏的SI大体上随着TDS的增大而增加[图 11（e）和图 11（f）], 说明研究区浅层地下水TDS的增加与岩盐和石膏的溶解相关.
地下水中溶解的CO2可以导致诸多矿物的溶解, 特别是碳酸盐岩等矿物的溶解. 研究区浅层地下水CO2分压（pCO2）的范围为10-3.20~10-0.14Pa之间, 均值为10-1.19Pa. 从图 12可见, 浅层地下水中pCO2值与pH值呈显著的负相关, 且随着pCO2的减小而pH值增大[图 12（a）]. 研究区含水介质中普遍存在钠长石、钾长石等长石类矿物[33], 长石类矿物在溶解过程中不断消耗CO2从而使得HCO3-离子浓度增加, 导致pH值升高. 从饱和指数SI可知, 研究区方解石处于饱和沉淀析出, pCO2与方解石饱和指数SI相关性不明显[图 12（b）].
|
图 12 CO2分压与pH值、方解石饱和指数关系 Fig. 12 Relationship between partial pressure CO2 versus pH and calcite saturation index |
矿业活动、农业活动或工业活动等人类活动制约并影响着地下水水化学的演变[54]. 如SO42-为矿业活动的特征因子, 而农业活动和生活污水的特征因子主要为Cl-、NO3-和Na+. 一般情况下, 农业活动产生的N（NO3-）/N（Ca2+）值较高, 而矿业活动则表现为较高的N（SO42-）/N（Ca2+）值[38], 因此, 可通过N（SO42-）/N（Ca2+）与N（NO3-）/N（Ca2+）关系来判别不同人类活动对地下水水化学的影响. 也可以采用N（NO3-）/N（Na+）与N（Cl-）/N（Na+）的关系来表征人类活动对地下水硝酸盐组分的影响[48]. 从图 13（a）可知, 江淮波状平原部分地下水具有较高N（NO3-）/N（Ca2+）值和较低N（SO42-）/N（Ca2+）值, 表明该地区受农业活动和生活污水影响较大. 而从图 13（b）可以发现, 研究区地下水样品绝大部分分布于硅酸盐岩风化区域, 少量样品点向农业活动端元迁移, 指示着研究浅层地下水在一定程度上受到农业污染的影响.
|
图 13 地下水N（NO3-）/N（Na+）与N（Cl-）/N（Na+）和N（SO42-）/N（Ca2+）与N（NO3-）/N（Ca2+）关系 Fig. 13 Relationships of N(NO3-)/N(Na+)vs. N(Cl-)/N(Na+) and N(SO42-)/N(Ca2+)vs N(NO3-)/N(Ca2+) of groundwater |
研究区浅层地下水的EWQI值在5.32~339.29, 均值为52.20. 根据EWQI等级划分, EWQI小于25的地下水占30.23%, 在25~50之间的占33.72%, 在50~100之间的占24.42%, 在100~150之间的占4.65%, 大于150的占6.98%[图 14（a）]. 研究区浅层地下水中质量为1和2级的样品点占63.95%, 达到优秀和良好等级, 可直接用于饮用；可作家用的地下水样品占29.07%, 有6.98%的地下水质量为5级, 质量较差, 处于完全非饮用质量等级[55]. 质量差~较差的水样主要分布在江淮波状平原, 江淮波状平原为典型的农业种植区, 从水化学控制因素分析得知, 地下水受到农业面源污染的影响, 故判断地下水水质变差必然受到农业活动和工业活动等的影响.
|
图 14 研究区地下水水质 Fig. 14 Groundwater quality of the study area |
根据TH[ρ（TH） < 100 mg·L-1表示软水、ρ（TH）≥100 mg·L-1表示硬水）]和TDS[ρ（TDS） < 1 000 mg·L-1为淡水、1 000 mg·L-1 ≤ TDS < 3 000 mg·L-1为微咸水、ρ（TDS）≥ 3 000 mg·L-1为咸水]的比值关系, 将地下水分为软水-淡水、软水-微咸水、软水-咸水、硬水-淡水、硬水-微咸水和硬水-咸水共6类[56, 57]. 其中软水-淡水的比例为24.42%（21组）, 硬水-淡水占66.28%（57组）, 硬水-微咸水占9.30%（8组）[图 14（b）]. 软水-淡水的样品点主要分布在皖西山地, 江淮波状平原和沿江丘陵平原零星分布. 表明皖西山地地下水的水质较江淮波状平原和沿江丘陵平原好. 江淮波状平原和沿江丘陵平原大部分地下水都不适合直接饮用, 应进行适当的处理.
3 结论（1）郯庐断裂带（安徽段）地下水整体呈弱碱性, 江淮波状平原地下水化学类型以HCO3-Ca·Mg型为主, 沿江丘陵平原地北部以HCO3-Na·Ca型为主, 皖西山地水化学类型以HCO3-Na·Ca型和HCO3-Ca型为主.
（2）研究区地下水水化学的形成主要受硅酸盐岩和碳酸盐岩风化作用等水岩相互作用影响, 大气降水及蒸发浓缩对地下水的形成具有一定的影响. 岩盐、长石和碳酸盐岩（方解石和白云石）的溶解/沉淀作用制约着地下水水化学的演化. 研究区地下水普遍存在正向阳离子交替吸附作用.
（3）研究区地下水整体质量较好, 皖西山地地下水较江淮波状平原和沿江丘陵平原好, 但受到一定程度人类活动的污染, 大部分地下水都不适合直接饮用, 应进行适当处理.
| [1] |
张勇, 郭纯青, 朱彦光, 等. 云南荞麦地流域地下水水化学特征及物质来源分析[J]. 环境科学, 2019, 40(6): 2686-2695. Zhang Y, Guo C Q, Zhu Y G, et al. Chemical characteristics of groundwater and material sources analysis in buckwheat field, Yunnan Province[J]. Environmental Science, 2019, 40(6): 2686-2695. |
| [2] |
唐金平, 张强, 胡漾, 等. 湔江冲洪积扇地下水化学特征及控制因素分析[J]. 环境科学, 2019, 40(7): 3089-3098. Tang J P, Zhang Q, Hu Y, et al. Groundwater chemical characteristics and analysis of their controlling factors in an alluvial fan of Jianjiang River[J]. Environmental Science, 2019, 40(7): 3089-3098. |
| [3] |
彭红霞, 侯清芹, 曾敏, 等. 雷州半岛地下水化学特征及控制因素分析[J]. 环境科学, 2021, 42(11): 5375-5383. Peng H X, Hou Q Q, Zeng M, et al. Hydrochemical characteristics and controlling factors of groundwater in the Leizhou Peninsula[J]. Environmental Science, 2021, 42(11): 5375-5383. |
| [4] |
李书鉴, 韩晓, 王文辉, 等. 无定河流域地表水地下水的水化学特征及控制因素[J]. 环境科学, 2022, 43(1): 220-229. Li S J, Han X, Wang W H, et al. Hydrochemical characteristics and controlling factors of surface water and groundwater in Wuding River Basin[J]. Environmental Science, 2022, 43(1): 220-229. |
| [5] |
崔佳琪, 李仙岳, 史海滨, 等. 河套灌区地下水化学演变特征及形成机制[J]. 环境科学, 2020, 41(9): 4011-4020. Cui J Q, Li X Y, Shi H B, et al. Chemical evolution and formation mechanism of groundwater in Hetao irrigation area[J]. Environmental Science, 2020, 41(9): 4011-4020. |
| [6] |
寇永朝, 华琨, 李洲, 等. 泾河支流地表水地下水的水化学特征及其控制因素[J]. 环境科学, 2018, 39(7): 3142-3149. Kou Y C, Hua K, Li Z, et al. Major ionic features and their possible controls in the surface water and groundwater of the Jinghe River[J]. Environmental Science, 2018, 39(7): 3142-3149. |
| [7] | Xiao J, Zhang F, Jin Z D. Spatial characteristics and controlling factors of chemical weathering of loess in the dry season in the middle Loess Plateau, China[J]. Hydrological Processes, 2016, 30(25): 4855-4869. DOI:10.1002/hyp.10959 |
| [8] |
张涛, 蔡五田, 李颖智, 等. 尼洋河流域水化学特征及其控制因素[J]. 环境科学, 2017, 38(11): 4537-4545. Zhang T, Cai W T, Li Y Z, et al. Major ionic features and their possible controls in the water of the Niyang River Basin[J]. Environmental Science, 2017, 38(11): 4537-4545. |
| [9] |
黄奇波, 覃小群, 刘朋雨, 等. 乌江中上游段河水主要离子化学特征及控制因素[J]. 环境科学, 2016, 37(5): 1779-1787. Huang Q B, Qin X Q, Liu P Y, et al. Major ionic features and their controlling factors in the upper-middle reaches of Wujiang River[J]. Environmental Science, 2016, 37(5): 1779-1787. |
| [10] | Gibbs R J. Mechanisms controlling world water chemistry[J]. Science, 1970, 170(3962): 1088-1090. DOI:10.1126/science.170.3962.1088 |
| [11] | Piper A M. A graphic procedure in the geochemical interpretation of water-analyses[J]. Eos, Transactions American Geophysical Union, 1944, 25(6): 914-928. DOI:10.1029/TR025i006p00914 |
| [12] | Gaillardet J, Dupré B, Louvat P, et al. Global silicate weathering and CO2 consumption rates deduced from the chemistry of large rivers[J]. Chemical Geology, 1999, 159(1-4): 3-30. DOI:10.1016/S0009-2541(99)00031-5 |
| [13] |
刘江涛, 蔡五田, 曹月婷, 等. 沁河冲洪积扇地下水水化学特征及成因分析[J]. 环境科学, 2018, 39(12): 5428-5439. Liu J T, Cai W T, Cao Y T, et al. Hydrochemical characteristics of groundwater and the origin in alluvial-proluvial fan of Qinhe River[J]. Environmental Science, 2018, 39(12): 5428-5439. |
| [14] | Chen K P, Jiao J J, Huang J M, et al. Multivariate statistical evaluation of trace elements in groundwater in a coastal area in Shenzhen, China[J]. Environmental Pollution, 2007, 147(3): 771-780. DOI:10.1016/j.envpol.2006.09.002 |
| [15] | Pu J B, Yuan D X, Zhang C, et al. Hydrogeochemistry and possible sulfate sources in karst groundwater in Chongqing, China[J]. Environmental Earth Sciences, 2013, 68(1): 159-168. DOI:10.1007/s12665-012-1726-8 |
| [16] |
刘海, 康博, 沈军辉. 基于反向地球化学模拟的地下水形成作用: 以安徽省泗县为例[J]. 现代地质, 2019, 33(2): 440-450. Liu H, Kang B, Shen J H. Formation of groundwater based on inverse geochemical modeling: a case study from the Sixian county, Anhui province[J]. Geoscience, 2019, 33(2): 440-450. |
| [17] | Machiwal D, Jha M K. Identifying sources of groundwater contamination in a hard-rock aquifer system using multivariate statistical analyses and GIS-based geostatistical modeling techniques[J]. Journal of Hydrology: Regional Studies, 2015, 4: 80-110. DOI:10.1016/j.ejrh.2014.11.005 |
| [18] |
鲁涵, 曾妍妍, 周金龙, 等. 新疆祁漫塔格地区地下水化学特征及成因分析[J]. 水资源与水工程学报, 2022, 33(2): 85-92. Lu H, Zeng Y Y, Zhou J L, et al. Hydrochemical characteristics of the groundwater in qimantage area of Xinjiang and the formation causes[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2022, 33(2): 85-92. |
| [19] |
杨锐, 周金龙, 魏兴, 等. 新疆和田东部平原区地下水化学特征及演化规律[J]. 环境化学, 2022, 41(4): 1367-1379. Yang R, Zhou J L, Wei X, et al. Hydrochemical characteristics and evolution of groundwater in the eastern plain of Hotian Prefecture, Xinjiang[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(4): 1367-1379. |
| [20] | Ali S, Shekhar S, Chandrasekhar T, et al. Influence of the water–sediment interaction on the major ions chemistry and fluoride pollution in groundwater of the older alluvial plains of Delhi, India[J]. Journal of Earth System Science, 2021, 130(2): 98. DOI:10.1007/s12040-021-01585-3 |
| [21] | Tian H, Du J Z, Ma S M, et al. Application of water quality index and multivariate statistical analysis in the hydrogeochemical assessment of shallow groundwater in Hailun, northeast China[J]. Human and Ecological Risk Assessment: An International Journal, 2021, 27(3): 651-667. DOI:10.1080/10807039.2020.1749827 |
| [22] | Zhang Z Y, Guo Y N, Wu J H, et al. Surface water quality and health risk assessment in Taizhou city, Zhejiang Province (China)[J]. Exposure and Health, 2022, 14(1): 1-16. DOI:10.1007/s12403-021-00408-6 |
| [23] | Mthembu P P, Elumalai V, Li P Y, et al. Integration of heavy metal pollution indices and health risk assessment of groundwater in semi-arid coastal aquifers, South Africa[J]. Exposure and Health, 2022, 14(2): 487-502. DOI:10.1007/s12403-022-00478-0 |
| [24] | Li P Y, Qian H, Wu J H. Groundwater quality assessment based on improved water quality index in Pengyang County, Ningxia, Northwest China[J]. Journal of Chemistry, 2010, 7. DOI:10.1155/2010/451304 |
| [25] |
汤加富, 许卫. 郯庐断裂带南段并无巨大平移——来自安徽境内的证据[J]. 地质评论, 2002, 48(5): 449-456. Tang J F, Xu W. No huge strike slip in the southern sector of the Tancheng-Lujiang fault-tectonic evidence from Anhui province[J]. Geological Review, 2002, 48(5): 449-456. |
| [26] |
宋仁亮. 基于大地热流的郯庐断裂带(安徽段)构造控热探讨[J]. 上海国土资源, 2021, 42(4): 61-67. Song R L. Discussion on tectonic control heat of the Tan-Lu fault zone (Anhui section) based on terrestrial heat flow[J]. Shanghai Land & Resources, 2021, 42(4): 61-67. |
| [27] |
宋仁亮, 钱家忠, 马雷, 等. 郯庐断裂带(安徽段)地质环境调查与评价研究[J]. 安徽地质, 2021, 31(1): 57-62. Song R L, Qian J Z, Ma L, et al. Investigation and evaluation of the geo-environment of the Tan-Lu fault zone (Anhui section)[J]. Geology of Anhui, 2021, 31(1): 57-62. |
| [28] | 王兆荣. 郯庐断裂温泉水氧和氢同位素与断裂关系探讨[J]. 矿物岩石地球化学通讯, 1992, 31(2): 92-93. |
| [29] |
上官志冠, 都吉夔, 臧伟, 等. 郯庐断裂及胶辽断块区现代地热流体地球化学[J]. 中国科学(D辑), 1998, 41(1): 23-29. Shangguang Z G, Du J K, Zang W, et al. Modern hot spring geochemistry at the Tanlu fault and Jiaoliao block in eastern China[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 1998, 41(1): 87-94. |
| [30] |
陶士振, 刘德良. 郯庐断裂带及邻区地热场特征、温泉形成因素及气体组成[J]. 天然气工业, 2000, 20(6): 42-47. Tao S Z, Liu D L. Gerothermal field characteristics of Tanlu fault zone and its neighbouring regions, thermal spring genesis and its gas composition[J]. Natural Gas Industry, 2000, 20(6): 42-47. |
| [31] |
童颜. 郯庐断裂带安徽段饮用天然矿泉水形成机理与开发利用研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2018. Tong Y. Study on formation mechanism, exploitation and utilization of drinking natural mineral water in Anhui Section of Tanlu Fault zone[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2018. |
| [32] |
章浩南. 基于GIS的郯庐断裂带安徽段红层地下水水质评价及其空间分布规律研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2019. Zhang H N. GIS-based red-bed groundwater in the Anhui segment of the Tan-lu fault zone water quality assessment and spatial distribution characteristics[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2019. |
| [33] |
卫佳佳. 基于GIS的郯庐断裂带安徽段地下水水质空间分布特征分析与预测[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2020. Wei J J. Analysis and prediction of spatial distribution characteristics of groundwater quality in Anhui Section of Tan-Lu Fault Zone based on GIS[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2020. |
| [34] |
邹嘉文, 刘飞, 张靖坤. 南水北调典型受水区浅层地下水水化学特征及成因[J]. 中国环境科学, 2022, 42(5): 2260-2268. Zou J W, Liu F, Zhang J K. Hydrochemical characteristics and formation mechanism of shallow groundwater in typical water-receiving areas of the South-to-North Water Diversion Project[J]. China Environmental Science, 2022, 42(5): 2260-2268. |
| [35] | Wang Y H, Li P Y. Appraisal of shallow groundwater quality with human health risk assessment in different seasons in rural areas of the Guanzhong Plain (China)[J]. Environmental Research, 2022, 207. DOI:10.1016/j.envres.2021.112210 |
| [36] |
何锦, 张幼宽, 赵雨晴, 等. 鲜水河断裂带虾拉沱盆地断面地下水化学特征及控制因素[J]. 环境科学, 2019, 40(3): 1236-1244. He J, Zhang Y K, Zhao Y Q, et al. Hydrochemical characteristics and possible controls of Groundwater in the Xialatuo Basin Section of the Xianshui River[J]. Environmental Science, 2019, 40(3): 1236-1244. |
| [37] |
张涛, 王明国, 张智印, 等. 然乌湖流域地表水水化学特征及控制因素[J]. 环境科学, 2020, 41(9): 4003-4010. Zhang T, Wang M G, Zhang Z Y, et al. Hydrochemical characteristics and possible controls of the surface water in Ranwu Lake basin[J]. Environmental Science, 2020, 41(9): 4003-4010. |
| [38] |
涂春霖, 尹林虎, 和成忠, 等. 珠江源区小黄泥河流域地表水水化学组成特征及控制因素[J]. 环境科学, 2022, 43(4): 1885-1897. Tu C L, Yin L H, He C Z, et al. Hydrochemical composition characteristics and control factors of Xiaohuangni River Basin in the Upper Pearl River[J]. Environmental Science, 2022, 43(4): 1885-1897. |
| [39] |
罗进, 安艳玲, 吴起鑫, 等. 赤水河中下游冬季河水化学空间分布特征分析[J]. 地球与环境, 2014, 42(3): 297-305. Luo J, An Y L, Wu Q X, et al. Spatial distribution of surface water chemical components in the middle and lower reaches of the Chishui River Basin[J]. Earth and Environment, 2014, 42(3): 297-305. |
| [40] |
李晓强, 韩贵琳, 董爱国, 等. 九龙江丰水期水化学组成特征及其控制因素[J]. 生态学杂志, 2018, 37(3): 697-706. Li X Q, Han G L, Dong A G, et al. Hydrogeochemical characteristics and controlling factors in Jiulong river (Fujian Province) during the flood season[J]. Chinese Journal of Ecology, 2018, 37(3): 697-706. |
| [41] |
魏兴, 周金龙, 乃尉华, 等. 新疆喀什三角洲地下水化学特征及演化规律[J]. 环境科学, 2019, 40(9): 4042-4051. Wei X, Zhou J L, Nai W H, et al. Hydrochemical characteristics and evolution of groundwater in the Kashgar Delta area in Xinjiang[J]. Environmental Science, 2019, 40(9): 4042-4051. |
| [42] | Qu S, Duan L M, Shi Z M, et al. Hydrochemical assessments and driving forces of groundwater quality and potential health risks of sulfate in a coalfield, northern Ordos Basin, China[J]. Science of the Total Environment, 2022, 835. DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.155519 |
| [43] | Li Z J, Yang Q C, Yang Y S, et al. Isotopic and geochemical interpretation of groundwater under the influences of anthropogenic activities[J]. Journal of Hydrology, 2019, 576: 685-697. DOI:10.1016/j.jhydrol.2019.06.037 |
| [44] | Marandi A, Shand P. Groundwater chemistry and the Gibbs Diagram[J]. Applied Geochemistry, 2018, 97: 209-212. DOI:10.1016/j.apgeochem.2018.07.009 |
| [45] |
张涛, 何锦, 李敬杰, 等. 蛤蟆通河流域地下水化学特征及控制因素[J]. 环境科学, 2018, 39(11): 4981-4990. Zhang T, He J, Li J J, et al. Major ionic features and possible controls in the groundwater in the Hamatong river basin[J]. Environmental Science, 2018, 39(11): 4981-4990. |
| [46] | Tardy Y. Characterization of the principal weathering types by the geochemistry of waters from some European and African crystalline massifs[J]. Chemical Geology, 1971, 7(4): 253-271. DOI:10.1016/0009-2541(71)90011-8 |
| [47] |
张宏鑫, 吴亚, 罗炜宇, 等. 雷州半岛岭北地区地下水水文地球化学特征[J]. 环境科学, 2020, 41(11): 4924-4935. Zhang H X, Wu Y, Luo W Y, et al. Hydrogeochemical investigations of groundwater in the Lingbei area, Leizhou Peninsula[J]. Environmental Science, 2020, 41(11): 4924-4935. |
| [48] |
郑涛, 焦团理, 胡波, 等. 涡河流域中部地区地下水化学特征及其成因分析[J]. 环境科学, 2021, 42(2): 766-775. Zheng T, Jiao T L, Hu B, et al. Hydrochemical characteristics and origin of groundwater in the central Guohe River Basin[J]. Environmental Science, 2021, 42(2): 766-775. |
| [49] |
郭小娇, 王慧玮, 石建省, 等. 白洋淀湿地地下水系统水化学变化特征及演化模式[J]. 地质学报, 2022, 96(2): 656-672. Guo X J, Wang H W, Shi J S, et al. Hydrochemical characteristics and evolution pattern of groundwater system in Baiyangdian wetland, North China Plain[J]. Acta Geologica Sinica, 2022, 96(2): 656-672. |
| [50] | Liu F, Song X F, Yang L H, et al. Identifying the origin and geochemical evolution of groundwater using hydrochemistry and stable isotopes in the Subei Lake basin, Ordos energy base, Northwestern China[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2015, 19(1): 551-565. DOI:10.5194/hess-19-551-2015 |
| [51] | Ma B, Jin M G, Liang X, et al. Groundwater mixing and mineralization processes in a mountain-oasis-desert basin, northwest China: hydrogeochemistry and environmental tracer indicators[J]. Hydrogeology Journal, 2018, 26(1): 233-250. DOI:10.1007/s10040-017-1659-0 |
| [52] | Guo Y L, Zhang C, Xiao Q, et al. Hydrogeochemical characteristics of a closed karst groundwater basin in North China[J]. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2020, 325(2): 365-379. DOI:10.1007/s10967-020-07247-w |
| [53] |
余冲, 徐志方, 刘文景, 等. 韩江流域河水地球化学特征与硅酸盐岩风化——风化过程硫酸作用[J]. 地球与环境, 2017, 45(4): 390-398. Yu C, Xu Z F, Liu W J, et al. River water geochemistry of Hanjiang River, implications for silicate weathering and sulfuric acid participation[J]. Earth and Environment, 2017, 45(4): 390-398. |
| [54] |
吕婕梅, 安艳玲, 吴起鑫, 等. 贵州清水江流域丰水期水化学特征及离子来源分析[J]. 环境科学, 2015, 36(5): 1565-1572. Lü J M, An Y L, Wu Q X, et al. Hydrochemical characteristics and sources of Qingshuijiang River basin at wet season in Guizhou Province[J]. Environmental Science, 2015, 36(5): 1565-1572. |
| [55] |
吴通航, 刘海燕, 张卫民, 等. 鄱阳湖流域赣江下游水化学特征及人类健康风险评价[J]. 现代地质, 2022, 36(2): 427-438. Wu T H, Liu H Y, Zhang W M, et al. Hydrochemical characteristics and human health risk assessment in downstream Ganjiang river of the Poyang lake basin[J]. Geoscience, 2022, 36(2): 427-438. |
| [56] | Wu H W, Wu J L, Li J, et al. Spatial variations of hydrochemistry and stable isotopes in mountainous river water from the Central Asian headwaters of the Tajikistan Pamirs[J]. CATENA, 2020, 193. DOI:10.1016/j.catena.2020.104639 |
| [57] |
刘鑫, 向伟, 马小军, 等. 黄土高原中部浅层地下水化学特征及影响因素[J]. 中国环境科学, 2021, 41(11): 5201-5209. Liu X, Xiang W, Ma X J, et al. Hydrochemical characteristics and controlling factors of shallow groundwater in the Chinese Loess Plateau[J]. China Environmental Science, 2021, 41(11): 5201-5209. |