环境科学  2021, Vol. 42 Issue (2): 766-775   PDF    
引用本文
郑涛, 焦团理, 胡波, 龚建师, 侯香梦, 王赫生. 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 Tao, JIAO Tuan-li, HU Bo, GONG Jian-shi, HOU Xiang-meng, WANG He-sheng. Hydrochemical Characteristics and Origin of Groundwater in the Central Guohe River Basin[J]. Environmental Science, 2021, 42(2): 766-775.
涡河流域中部地区地下水化学特征及其成因分析
郑涛1, 焦团理1, 胡波1, 龚建师2, 侯香梦1, 王赫生2     
1. 安徽省地质调查院(安徽省地质科学研究所), 合肥 230001;
2. 中国地质调查局南京地质调查中心, 南京 210016
收稿日期: 2020-06-04; 修订日期: 2020-07-31
基金项目: 中国地质调查局地质调查工作项目（DD20190354）；安徽省公益性地质工作项目（2016-g-3-32）
作者简介: 郑涛(1988~), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为地下水环境, E-mail:ahddyzt@163.com
摘要: 地下水是涡河流域中部地区重要的供水水源，但普遍面临着污染及水质异常等问题.本文在调查采样的基础上，综合运用数理统计、Piper三线图、Gibbs图和离子比值等方法对不同深度地下水的水化学特征及其形成机制进行分析和探讨.结果表明：①研究区地下水总体为弱碱性水，不同深度地下水中的优势阴、阳离子均为HCO3-和Na+.浅层地下水的水化学类型以HCO3-Ca·Mg和HCO3-Na·Mg型水为主，中层和深层均以HCO3·SO4·Cl-Na型水为主.②基于含水层沉积环境差异及水-岩作用强度不同，地下水化学成分出现明显的垂向差异.随着深度的增加，地下水中TDS、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-平均质量浓度均呈现先增大后减小的趋势，Ca2+平均质量浓度呈逐渐降低趋势.③地下水水化学特征的形成受水-岩相互作用、阳离子交换作用和人类活动的共同影响，以水-岩作用为主.水-岩作用以含钠硅酸盐溶解作用为主.人类活动普遍对浅层地下水影响较大，对中层和深层地下水影响较小.④区内深层地下水水质明显优于浅层和中层地下水，为避免增加地面沉降及中层微咸水向深层淡水越流的风险，建议合理布局深层地下水开采井，并合理调控取水量.
关键词: 涡河流域      地下水      水化学特征      水化学成因      形成机制     
Hydrochemical Characteristics and Origin of Groundwater in the Central Guohe River Basin
ZHENG Tao1 , JIAO Tuan-li1 , HU Bo1 , GONG Jian-shi2 , HOU Xiang-meng1 , WANG He-sheng2     
1. Geological Survey of Anhui Province(Anhui Institude of Geological Sciences), Hefei 230001, China;
2. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing 210016, China
Abstract: Groundwater is an important water source in the central Guohe River basin but pollution and water quality deterioration present a significant challenge. Here, 80 groups of groundwater samples were collected between June and September 2019 including 61 groups of shallow groundwater samples, 9 groups of middle groundwater samples, and 10 groups of deep groundwater samples. The hydrochemical characteristics and formation mechanisms of groundwater at these different depths were analyzed using statiatical techniques, Piper triangular diagrams, Gibbs figures, and ion ratios. The following results were noted:① Groundwater is weakly alkaline overall, and the dominant anion and cation at different depths were HCO3- and Na+. The shallow and deep groundwater mainly consist of fresh water while the middle groundwater is mainly brackish water. The hydrochemical typology of the shallow groundwater was mainly HCO3-Ca·Mg and HCO3-Na·Mg. HCO3·SO4·Cl-Na was found to be the dominant hydrochemical typology in the middle and deep groundwater. ② The chemical composition of the groundwater shows notable vertical variations. With depth, the mean mass concentrations of TDS, Na+, Mg2+, Cl-, SO42-, and HCO3- first increase and then decreasing, while the mean mass concentration of Ca2+ gradually decreases. These vertical differences are closely related to the sedimentary environment of the aquifer and the intensity of water-rock interaction. ③ The formation of groundwater hydrochemical characteristics is influenced by water-rock interactions, cation exchange, and human activities, with water-rock interaction dominated by sodium silicate dissolution. Human activities generally have the greatest impact on the shallow groundwater. ④ The water quality of the deep groundwater is notably better than that of the shallow and middle groundwater. However, excessive exploitation of the deep groundwater resource has led to the formation of a regional groundwater funnel, enhancing the difference in middle and deep groundwater levels. To reduce the risk of ground subsidence and the contamination of the deep water with middle brackish water, deep groundwater exploitation wells should be carefully positioned and regulated.
Key words: Guohe River basin      groundwater      hydrochemical characteristics      hydrochemical origin      formation mechanism     

地下水环境的变化与生态稳定和用水安全有着重要的联系[1].地下水化学成分是地下水环境的重要组成部分, 对地下水化学特征和形成机制的研究有助于了解地下水环境的变化过程, 便于科学合理地开发地下水资源[2].地下水化学特征受控于一系列自然因素(降水、地表水、沉积环境等)和人为因素(人为污染、地下水开采等), 是地下水与环境长期作用的产物[3].张智雄等[4]利用统计学、Piper三线图和主离子比例关系等对绵阳红层地区的浅层地下水分析, 得出地下水水化学类型主要源于硅酸盐、碳酸盐和蒸发盐岩的溶解.李政葵等[5]对洛阳盆地浅层地下水进行采样分析, 利用数理统计和离子比例系数等方法得出地下水水化学成因主要为碳酸盐岩和硅酸盐岩等矿物的风化溶解, 同时阳离子交换作用和人类活动对地下水水化学特征的形成也有一定影响.

涡河流域是淮河流域的一部分, 包括豫东平原东部和淮北平原西部, 是我国重要的粮食生产基地, 地下水是涡河流域重要的工农业生产和城乡饮用水水源, 地下水开发利用程度较高[6], 同时人口稠密, 人类活动频繁, 地下水已受到人类活动的影响[7].目前有关涡河流域的研究较少, 且在该区域未进行地下水化学特征及其成因分析的相关研究.综合运用数理统计、Piper三线图、Gibbs图和离子系数比值等方法, 结合水文地质条件和水文地球化学理论, 对涡河流域中部地区不同深度地下水进行水化学特征和成因分析, 以揭示该区地下水化学的分布特征, 探讨其水文地球化学过程.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于涡河流域中部(图 1), 行政区划包括安徽省亳州市和河南省周口市, 地理坐标为北纬33°40′~33°50′, 东经115°30′~115°45′.地势总体平坦, 自西北向东南微倾斜, 坡降约1/7 000, 地面标高35.8~39.0 m, 属典型的黄淮堆积型地貌.研究区属于暖温带半湿润季风气候区, 年平均气温14.7℃, 多年平均降雨量804.0 mm, 多年平均蒸发量1 668.8 mm.地表水均属于涡河水系, 包括赵王河、急三道河、宋汤河、油河、清水河和红旗一沟等, 多为过境河, 流向大多自西北向东南.

图 1 研究区采样点位置示意 Fig. 1 Location of the sampling points in the study area

区域上属华北地层大区晋冀鲁豫地层区徐淮地层分区淮北地层小区, 区内无基岩出露, 地表被厚厚的晚新生代松散层所覆盖, 厚度约800~1 000 m, 区内第四纪地层厚度约150~160 m, 自上而下为黏性土和砂性土组成的多层韵律结构, 成因类型以河流相沉积和湖相沉积为主.工作区以松散岩类孔隙水为主要工农业和城乡生活用水.彭玉怀等[8]基于晚新生代地层及其沉积结构、孔隙水与大气降水的联系、环境同位素等特征, 将淮北平原孔隙水由浅入深划分了三大流动系统.结合本次工作, 三大流动系统简述如下：①浅部循环系统, 处于开放状态, 与大气降水联系密切, 地下水位存在强烈的季节性波动.地下水年龄多小于5×103 a.该系统对应的浅层地下水, 主要赋存于第四纪晚更新世含水层中, 含水层底板埋深小于50 m, 厚度10.0~35.0 m, 富水性较好, 水位埋深2.0~4.6 m, 水位年变幅0.5~3.0 m. ②中间过渡系统, 处于半封闭状态, 与大气降水的联系随着深度增加逐渐减弱.地下水年龄多在10×103~20×103 a之间.该系统对应的中层地下水, 主要赋存于第四纪中更新世和早更新世含水层中, 含水层不连续, 底板埋深50~150 m, 厚度17.5~34.0 m, 富水性贫乏.水位埋深一般小于5 m, 仅在区内东北部和东南部由于地下水开采影响形成局部的地下水降落漏斗, 水位埋深超过10 m, 水位基本稳定. ③深部滞流系统, 基本上处于封闭状态, 与大气降水基本上没有联系, 地下水年龄超过20×103 a.该系统对应的深层地下水, 主要赋存于新近纪中新世含水层中, 含水层底板埋深150~480 m, 厚度42.4~118.5 m, 富水性中等, 水位埋深大多为30~40 m, 已形成区域性的降落漏斗, 区内东北部和东南部的漏斗中心埋深大于60 m, 并以3~5 m ·a-1的速度下降.该区浅层与中层地下水水力联系弱, 中层与深层地下水基本无水力联系.浅层地下水自西北向东南方向径流, 径流缓慢; 中层和深层地下水在天然状态下自西北向东南方向径流, 由于人工开采地下水形成了降落漏斗, 漏斗范围内地下水向漏斗中心径流.该区的水文地质剖面图见图 2.

图 2 A-A′水文地质剖面 Fig. 2 A-A′ hydrogeological profile

根据地下水质量标准(GB/T 14848-2017), 该区浅层地下水主要以Ⅳ类水为主, 占比65.5%, 其次为Ⅴ类水, 占比31.2%, Ⅰ类~Ⅲ类水分布较少, 占比3.3%, 这与2018年淮北平原的浅层地下水水质现状一致[7].中层地下水以Ⅳ类水为主, 占比66.7%, 其次为Ⅴ类水, 占比33.3%.深层地下水均为Ⅳ类水.

1.2 研究方法

2019年6~9月采集了地下水样品80组(图 1), 其中浅层地下水样品61组, 中层地下水样品9组, 深层地下水样品10组.浅层地下水样品来自农村分散式的小型供水井、农田灌溉机井和钻孔, 井深8~60 m; 中层地下水样品来自村镇集中式供水井和钻孔, 井深138~150 m; 深层地下水均来自村镇集中式供水井, 井深300~480 m.每组水样使用两个聚乙烯塑料瓶采集, 采样前样品瓶用水样清洗3遍.一瓶水样体积为500 mL, 加入1 :1硝酸溶液, 使其pH <2, 用于测定水样中的阳离子浓度; 另一瓶水样体积为1 000 mL, 不作处理, 用于测定水样中的阴离子浓度.水样采取后24 h内送往国土资源部华东矿产资源监督检测中心进行检测. pH值在水样采集现场使用SD150型便携式多参数水质测试仪测定;

SO42-、Cl-和NO3-使用Dionex-2500型离子色谱仪测定; K+、Na+、Ca2+和Mg2+采用ICAP 6300Duo型电感耦合等离子体光谱仪测定; HCO3-采用滴定法测定.对所有样品进行了阴阳离子总量平衡与可溶性固体总量平衡的检验, 结果合格率分别为97.80%和97.40%.地下水主要离子的化学特征、离子比例系数和Gibbs图使用Microsoft Excel 2007统计和绘制, 主要离子的Piper三线图使用Origin 2016软件进行绘制.

2 结果与讨论 2.1 水化学特征 2.1.1 主要指标统计特征

地下水中主要指标的质量浓度数理统计分析见图 3和表 1.地下水均为弱碱性水.浅层地下水中微咸水占比27.9%, 淡水占比72.1%;中层地下水中微咸水占比88.9%, 淡水占比11.1%;深层地下水均为淡水.浅层地下水中硬水和极硬水分别占比32.8%、50.8%, 软水和微硬水分别占比4.9%和11.5%;中层地下水中微硬水、硬水和极硬水的占比分别为11.2%、44.4%和44.4%, 无软水分布; 深层地下水中均为软水.地下水中最主要的阳离子均为Na+, 最主要的阴离子均为HCO3-.地下水中各指标的质量浓度具有明显的垂向差异.随着深度的增加, 地下水中的TDS、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-平均质量浓度均呈现先增大后减小的趋势, pH值有逐渐增大的趋势, Ca2+平均质量浓度有逐渐降低的趋势.

图 3 地下水中宏量指标平均质量浓度 Fig. 3 Histogram of the mean mass concentrations of macro-quantity indexes in groundwater

表 1 主要水化学指标质量浓度统计1)/mg ·L-1 Table 1 Mass concentration statistics of main hydrochemical indexes/mg ·L-1

地下水中人类活动导致的输入性物质往往具有离散程度高、波动性高的特点[9].浅层地下水中K+和NO3-的变异系数极大, Na+、Ca2+、Cl-和SO42-变异系数较大, 表明浅层地下水已受到人类活动的影响.十河镇西侧的污水处理厂周边水样点Q43、Q48、Q49、Q50、Q51和Q54的NO3-质量浓度均超标, 该区域地下水可能受该厂影响, 其它NO3-超标点位则零星分布.来自农村分散式小型供水井中浅层地下水的Na+、Cl-和TDS质量浓度明显高于农田灌溉井, 表明村庄中的生活污水、垃圾等对地下水造成一定影响.中层和深层地下水的NO3-变异系数极大, 但仅水样点Z04、Z05、Z06、S03和S10中出现NO3-, 可能是因为局部中层和深层地下水受到浅层地下水的补给.

2.1.2 水化学类型

将不同深度的地下水绘制在Piper三线图中, 并可用舒卡列夫式对地下水中的化学成分进行分类[10, 11].由图 4可知, 浅层地下水化学类型共分为10种, HCO3-Ca ·Mg、HCO3-Na ·Mg、HCO3-Na ·Mg和HCO3-Na ·Mg型4种主要的水化学类型占到总数的78.7%, 占比分别为24.6%、24.6%、16.4%和13.1%.中层地下水以HCO3 ·SO4 ·Cl-Na和HCO3 ·Cl-Na型水为主; 深层地下水化学类型为HCO3 ·SO4 ·Cl-Na、HCO3 ·Cl-Na和HCO3-Na型, 占比分别为40.0%、30.0%和30.0%.浅层地下水中含氯的水化学类型绝大部分出现于农村分散式小型供水井中.不同深度地下水中弱酸根离子毫克当量百分比均显著, 浅层地下水中碱金属和碱土金属毫克当量百分比相差不大, 中层和深层地下水中的阳离子均以碱金属离子为主.地下水化学特征在地下水径流方向上并未出现其他学者在其它流域描述的水平分带特征[12, 13].

图 4 地下水水化学Piper三线图 Fig. 4 Piper diagram of groundwater hydrochemistry

2.2 水化学特征成因分析 2.2.1 主要离子控制因素

天然地下水化学成分主要受大气降雨、水-岩作用和蒸腾作用影响[14], 地下水在径流过程中往往伴随着方解石、白云石、石膏、硅酸盐等矿物的溶解[15]. Gibbs图可宏观地反映水体中主要离子的控制因素[16~18].

如图 5所示, 阳离子质量浓度比值Na+/(Na++Ca2+)范围为0.20~0.98, 阴离子质量浓度比值Cl-/(Cl-+HCO3-)范围为0.01~0.45, 大部分地下水指向水-岩作用区域, 表明水-岩相互作用主导了水文地球化学过程, 从而决定地下水的水文地球化学特征.部分水样落在蒸发-浓缩作用区域, 表明部分地下水还受到了蒸发-浓缩作用的影响, 但影响作用远不及水-岩相互作用.地下水样点中无落在图形下部的水样点, 表明大气降水对地下水化学组分的影响较小[19].

图 5 不同深度地下水Gibbs图 Fig. 5 Gibbs diagram of groundwater at different depths

2.2.2 主要离子风化过程

水体中各主要离子的比值关系, 可以用于研究水体中主要离子的来源及水化学的演化过程[20~22].

(Ca2+/Na+)-(HCO3-/Na+)和(Ca2+/Na+)-(Mg2+/Na+)的量浓度关系可以定性判别研究区内不同岩石风化溶解作用对地下水溶质的影响[23].从图 6可以看出, 工作区浅层地下水水样点主要分布在硅酸盐岩端元附近, 只有部分水样点靠近碳酸盐岩和蒸发盐岩端元, 表明浅层地下水水化学成分来源复杂, 主要来源于硅酸盐岩矿物的风化溶解, 部分还来自碳酸盐岩和蒸发盐岩风化溶解; 中层地下水水样点则主要分布在硅酸盐岩端元, 表明中层地下水水化学过程中硅酸盐岩的风化溶解明显占主导作用, 同时还可能受到蒸发盐岩矿物溶解作用的影响; 深层地下水水样点则主要分布于硅酸盐岩和蒸发盐岩端元之间, 且远离碳酸盐岩端元, 表明深层地下水水化学过程受硅酸盐岩和蒸发盐岩矿物的风化溶解作用影响较大, 而不受碳酸盐岩矿物溶解作用影响.

图 6 地下水中Ca2+/Na+与HCO3-/Na+、Ca2+/Na+与Mg2+/Na+的关系 Fig. 6 Relationships between HCO3-/Na+ and Ca2+/Na+, and Mg2+/Na+ and Ca2+/Na+ in groundwater

Na+和Cl-的浓度比值称为地下水的成因系数, 是表征地下水中Na+富集程度的水文地球化学参数[24].大气降水、硅酸盐矿物溶解和盐岩矿物溶解是水体中Na+的主要来源[12]. 图 7(a)中地下水大部分水样位于Na+和Cl-毫克当量浓度比值为1的直线上方, 其中浅层、中层和深层地下水中的Na+和Cl-的毫克当量浓度比值分别为4.65、2.25和3.85, 表明地下水中Na+毫克当量浓度明显大于Cl-, Na+除来自于盐岩矿物溶解外, 主要来源于硅酸盐岩矿物的风化溶解[25], 或是来自于阳离子交换作用[26].不同深度地下水中HCO3-和Na+均为优势阴、阳离子, 表明地下水中以硅酸盐岩溶解为主的水-岩作用始终占主导作用, Na+与HCO3-主要来自于含钠硅酸盐岩矿物的风化溶解.浅层地下水中少数水样点的Na+和Cl-比值小于1, 可能与人为污染有关.含钠硅酸盐矿物的溶解过程如下：
图 7 地下水中Na+与Cl-、Na+与HCO3-的关系 Fig. 7 Relationships between Na+ and Cl-, and Na+ and HCO3- in groundwater

该溶解过程在研究区晚新生代地层钻孔较为常见, 长石的风化普遍清晰可见, 部分已经风化成高岭石、蒙脱石等黏土矿物.

图 7(b)显示了不同深度地下水中Na+与HCO3-的毫克当量浓度关系, 从中可知, 浅层地下水中Na+不足以平衡HCO3-, 表明HCO3-可能还来自碳酸盐岩矿物的溶解.中层和深层地下水中HCO3-又不足以平衡Na+, 表明中层和深层地下水中蒸发盐岩矿物溶解作用增强.由浅层至中层, 地下水中HCO3-和Na+的毫克当量浓度均增大, 表明地下水中硅酸盐矿物溶解作用增强进一步释放了HCO3-和Na+, 同时以石盐为代表的蒸发盐岩进一步溶解释放了更多的Na+和Cl-, 从而使Cl-毫克当量浓度增大[图 7(b)].由中层至深层, 地下水中HCO3-和Na+的毫克当量浓度均减小, 表明地下水中硅酸盐岩矿物溶解作用减弱, 而Cl-毫克当量浓度减小表明含氯蒸发盐岩矿物溶解作用减弱. HCO3-毫克当量浓度的降幅明显大于Na+, 表明还有其他因素导致HCO3-毫克当量浓度大幅减小, 比如碳酸盐岩矿物的沉淀作用.

图 7(a)中反映了Na+可能来源于阳离子交换吸附作用, 研究区内地层中黏性土比例较高, 有利于吸附作用的发生.运用(Na+-Cl-)与(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)的毫克当量浓度关系可以很好地指示阳离子交换吸附作用[27, 28]. 图 8(a)结果显示, 地下水中阳离子交换作用均显著, 其中浅层、中层和深层地下水水样分别分散在斜率为-1.1(R2为0.944 5)、-0.82(R2为0.782 2)和-0.97(R2为0.753 9)附近, 即随着深度的增加, 地下水中的阳离子交换吸附作用呈现先减弱后增强的趋势.阳离子交换反应主要包括以下典型反应方式[29, 30]：
图 8 地下水中(Na+-Cl-)与[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]以及(Ca2++Mg2+)与(HCO3-+SO42-)的关系 Fig. 8 Relationships between (Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-) and (Na+-Cl-), and (Ca2++Mg2+) and (HCO3-+SO42-) in groundwater

有研究表明[13], 水体中Ca2+和Mg2+主要是来自碳酸盐岩和蒸发盐岩, SO42-可能来源于蒸发盐岩的风化溶解.因此可利用(Ca2++Mg2+)/(HCO3-+SO42-)离子当量浓度比值来分析地下水中Ca2+、Mg2+和SO42-的来源[31, 32]. 图 8(b)中浅层地下水分布于1 :1等当量线两侧, 少量水样远离1 :1等当量线两侧, 表明浅层地下水中水-岩作用较为复杂, 但大部分浅层地下水的(Ca2++Mg2+)/(HCO3-+SO42-)比值接近1, 表明工作区浅层地下水中Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐矿物(方解石、白云石)以及蒸发盐矿物(石膏)的溶解.部分浅层地下水以及所有的中层和深层地下水的水样均位于1 :1等当量线下方, 且大部分点均远离该线, 表明Ca2+和Mg2+不足以平衡HCO3-和SO42-, 还需要大量的Na+和K+来维持离子平衡, 这进一步说明地下水的水-岩相互作用以硅酸盐岩矿物溶解占主导作用, 而碳酸盐岩和蒸发盐岩溶解只占次要作用.

(Ca2++Mg2+)/HCO3-与SO42-/HCO3-的比例关系可用来判定碳酸盐岩和石膏溶解对地下水组分的贡献[33, 34]. 图 9(a)可以看出, 浅层地下水中大部分水样点主要位于石膏溶解线和碳酸溶解碳酸盐岩线之间, 部分还靠近硫酸溶解碳酸盐岩线, 表明浅层地下水中的Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸对碳酸盐岩的溶解及石膏溶解, 部分还来自硫酸对碳酸盐岩的溶解.中层和深层的水样点则更靠近石膏溶解线, 表明随着深度增加, 石膏溶解作用增强, 中层和深层地下水中Ca2+主要来源于石膏的溶解.

图 9 地下水中(Ca2++Mg2+)/HCO3-与SO42-/HCO3-以及[(Ca2++Mg2+)-HCO3-]与[(SO42-)-(Na+-Cl-)]的关系 Fig. 9 Relationships between (Ca2++Mg2+)/(HCO3-) and (SO42-)/(HCO3-), and [(Ca2++Mg2+)-(HCO3-)] and [(SO42-)-(Na+-Cl-)] in groundwater

利用(Ca2++Mg2+)-(HCO3-)与(SO42-)-(Na+-Cl-)的毫克当量比值可以判定SO42-是否来源于石膏的溶解, 其中(Ca2++Mg2+)-(HCO3-)代表地下水中石膏溶解产生的Ca2+浓度, (SO42-)-(Na+-Cl-)代表石膏溶解产生的SO42浓度[35]. 图 9(b)显示, 研究区除浅层地下水部分样点偏离毫克当量比值为1 :1的直线外, 其它点均在该直线附近, 说明地下水中的SO42-主要来自于石膏的溶解.研究区中更新世及以前地层中特别是新近纪地层中存在石膏夹层, 故石膏矿物应当普遍存在[8].

图 7(b)和图 8(b)显示的深层地下水中Ca2+、Mg2+和HCO3-毫克当量浓度的大幅降低, 表明深层地下水相比于浅层和中层地下水有更大量的碳酸盐岩沉淀生成.当pH值大于7.4和TDS大于0.60g ·L-1时[36], Ca2+与HCO3-结合生成CaCO3沉淀, 而且随着碱度的升高, 进一步促进白云石沉淀CaMg(CO3)2的生成[26].区内各地层中普遍存在各类形状的钙质结核, 其成分就是CaCO3以及少量MgCO3[37].

2.2.3 人类活动

在广大农村地区, 农业施肥、未经处理的生活污水和垃圾会产生大量的污染物, 如氯离子和硝酸盐类等, 会随雨水或地表水进入浅层地下水.一般地下水受到人类活动影响时, 地下水中的Cl-/Na+和NO3-/Na+的比值会较高[38, 39].通过NO3-/Na+和Cl-/Na+关系图(图 10), 可以看出大部分浅层地下水样品主要位于硅酸盐风化端元, 但已有部分样品靠近或处于农业污染端元, 表明浅层地下水已经受到一定程度的农业污染影响.中层地下水和深层地下水则由于其相对的封闭环境, NO3-/Na+和Cl-/Na+的比值较低, 说明中层和深层地下水几乎不受人类活动形成的污染物的影响.

图 10 地下水中NO3-/Na+与Cl-/Na+的关系 Fig. 10 Relationship between NO3-/Na+ and Cl-/Na+ in groundwater

2.3 水化学垂向差异成因分析

与区内相似, 天津平原[40]、河北平原[41]及黄河冲积平原[42]也普遍存在一层咸水, 即地下水的矿化度由浅至深, 呈现低-高-低的变化特征.地下水水化学垂向差异与含水层的沉积环境及后期水-岩作用有着密切的关系[43].

2.3.1 沉积环境

结合古地理、古气候环境和水文地球化学特征, 一般认为咸水有大陆盐化和滨海型海侵两种成因, 或二者混合[40].天津平原和河北平原东部沿海地区咸水即为海侵成因.黄河冲积平原普遍存在着一层矿化度大于2 g ·L-1的咸水(厚度通常为50~200 m), 一般认为是早更新世晚期干旱气候下大陆盐化作用的产物[42].该时期气候干燥, 蒸发浓缩作用强烈.而新近纪晚期湿润气候期的水文过程为深层地下水提供了淡化的水环境条件[43].

2.3.2 水-岩作用

沉积环境、含水介质及循环特征的差异使得不同深度地下水水-岩作用强度也不尽相同.地下水均以含钠硅酸盐岩矿物的溶解为主, 该过程为地下水输送了浓度占优势的Na+和HCO3-.浅层地下水还受碳酸盐岩矿物和蒸发盐岩矿物溶解作用影响, 该过程为地下水输送了Ca2+、Mg2+、Cl-和SO42-, 同时阳离子交换作用也起着重要作用, 该过程也为地下水中输送了Na+; 与浅层地下水相比, 中层地下水中硅酸盐和蒸发盐岩溶解作用增强, 但碳酸盐岩溶解作用和离子交换作用减弱, 使得中层地下水中的Na+、Cl-、SO42-和HCO3-浓度增加; 与中层地下水相比, 深层地下水中硅酸盐岩和蒸发盐岩溶解作用减弱, 碳酸盐岩以沉淀作用为主, 同时阳离子交换作用增强, 使得地下水中各主要离子浓度减少, 且Ca2+和Mg2+浓度大幅降低.

3 结论

(1) 研究区地下水为弱碱性水, 占优势的阴、阳离子为HCO3-和Na+, 浅层地下水的水化学类型以HCO3-Ca ·Mg和HCO3-Na ·Mg型水为主, 中层和深层均以HCO3 ·SO4 ·Cl-Na型水为主.

(2) 水化学成分出现明显的垂向差异, 由浅至深, TDS、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-的平均质量浓度均呈现先增大后减小的趋势, Ca2+的平均质量浓度呈现逐渐降低趋势, 总硬度的平均质量浓度呈现先平稳后减小的趋势.地下水化学特征的水平分带规律虽不明显, 但部分地下水已有受人类活动影响的迹象.

(3) 地下水化学特征受水-岩作用、阳离子交换作用和人类活动的共同影响, 受降水和蒸发影响小, 以水-岩作用为主.水-岩作用以含钠硅酸盐岩矿物的溶解作用为主.浅层地下水受人类活动影响较大, 而中层和深层地下水几乎不受其影响.

(4) 水化学垂向差异与含水层沉积环境和水-岩作用密切相关, 中层地下水所赋含水层相对干燥的沉积环境以及相对较强的硅酸盐岩和蒸发盐岩溶解作用使部分主要指标质量浓度明显高于浅层和深层地下水.

(5) 从TDS、总硬度和水质评价结果来看, 深层地下水水质明显优于浅层和中层地下水, 目前也是区内主要的饮用水源.但过量集中开采深层地下水, 导致形成了区域性降落漏斗, 使中层和深层地下水位差不断加大, 增加地面沉降以及中层微咸水向深层淡水越流的风险.当地应合理布局深层地下水开采井, 并合理调控取水量.

致谢: 感谢安徽省地质调查院彭玉怀教授级高工在论文修改方面的指导; 感谢项目组成员赵家厚、李玉明、吴剑雄和刘中刚在野外调查和采样方面的工作.

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