典型乡镇地下水水化学特征及离子来源多元统计分析<br/>——以皖北解集乡为例

典型乡镇地下水水化学特征及离子来源多元统计分析
——以皖北解集乡为例

2021-06-21袁政莲颜晓龙王燕龙崔希铜

科技视界 2021年14期

袁政莲马杰，2＊颜晓龙王燕龙崔希铜

（1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州 234000；2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心，安徽宿州 234000）

0 引言

当前，乡镇经济正处于生态友好型的循环发展状态，对水质的要求也越来越高。与此同时，随着乡镇经济的发展，人类活动与地下水水量和水质的变化有着密切的联系。地下水水化学组分特征不仅能反映地下水循环模式，同时也可用于深入解析其溶质的形成机制及水文地球化学行为[1]。国内诸多学者对地下水化学特征及演化规律展开了众多研究[2-5]，黄望望等[6]对淮南新集矿区主要充水含水层进行水化学成因进行分析研究，结果表明其控制因素主要为硅酸盐和蒸发盐岩的溶解及阳离子交替吸附作用。目前，针对皖北城镇及其周边地区，地下水的水文地球化学研究成果颇多[7-9]，而针对皖北乡镇区域的松散层地下水化学综合研究相对较少。本研究选取皖北典型传统农业乡镇——解集乡为研究区，对该区域的松散层地下水进行采样，并分析了地下水水化学特征和形成机制。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区处于安徽省宿州市埇桥区东北部，连接苏皖两省，东临安徽省宿州市灵璧县，北接江苏省徐州市铜山区，从地质构造上看，地处华北台地的鲁西隆起东南段。地理坐标范围介于东经 117°19′20″～117°20′40″，北纬 33°54′0″～33°54′50″之间。

1.2 材料与方法

采样步骤参照HT164—2020《地下水环境监测技术规范》，共采集水样26 件。现场使用便携式测试仪，测定pH、TDS 和EC 等指标。样品送至安徽省煤矿勘探工程技术中心，进行常规离子测试。测试仪器、试剂及方法参照国家相关标准和要求[10]。

2 水化学特征及离子来源分析

2.1 地下水化学特征与类型

对研究区26 件水样的10 项水化学指标进行统计分析（见表 1）。 TDS 在 350.00～845.00 mg/L 之间，平均值为 550.50 mg/L，属于淡水。EC 在 740.00～1 754.00 μs/cm之间，平均值为 1 151.12 μs/cm。 pH 在 7.34～8.89 之间，其中pH 大于8.50 的水样仅1 组，表明地下水大部分呈弱碱性。阳离子质量浓度平均值由大到小依次为：Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+，Ca2+为相对优势离子；阴离子质量浓度平均值由大到小依次为：HCO-3＞SO2-4＞Cl-，HCO-3为相对优势离子。

表1 水化学成分描述统计

研究区Piper 三线图中的菱形图中，水样集中在1 区、3 区和5 区，即地下水样中碱土金属离子含量（Ca2+和Mg2+）大于碱金属离子含量（Na+和K+），弱酸根离子含量（HCO3-）大于强酸根离子含量（SO42-和 Cl-），且碳酸盐硬度大于50%。阳离子靠近Ca2+端元，Mg2+和Na+、K+相对较少，即阳离子以Ca2+为主；阴离子靠近HCO3-端元，远离SO42-和Cl-端元，即阴离子主要以HCO3-为主。由以上分析可知，地下水水化学类型以Ca-Mg-HCO3型为主，离子组分的形成与碳酸盐岩的溶滤作用密切相关。

2.2 离子来源分析

Gibbs 图常用于刻画水岩相互作用，研究区内TDS 质量浓度在 350～845 mg/L 之间，ρ（Na++K+）/ρ（Na++K++Ca2+）较小（小于 0.5），总体表现呈 TDS 分布较为集中，离子组合比例相对分散的分布特征。所有水样点均分布在中间及左侧区域，即位于岩石风化类型控制区，表明解集乡地下水的水化学组分形成以水-岩作用为主。同时，离子比例分析也可揭示地下水离子来源问题。研究区大部分样品的 ρ（Cl-）/ρ（Na+）＞1，说明可能发生了硅酸盐矿物和岩盐的风化溶滤[2]，还可能存在离子的交替吸附作用。ρ（Ca2+）/ρ（SO42-）＞1，说明研究区地下水化学组分中Ca2+除硫酸盐矿物风化溶滤外，还有其他来源[3]。 ρ（SO42-+HCO3-）/ρ（Ca2++Mg2+）＜1，即研究区发生的水岩作用主要为碳酸盐矿物的风化溶滤[4]。大部分样品的 ρ（Ca2+）/ρ（Mg2+）＞2，即研究区发生的水岩作用可能为硅酸盐矿物的风化溶滤ρ（Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-）/ρ（Na++K+-Cl-）含量关系中，y=-0.86x+1.73（R2=0.54）为其拟合方程，大部分样品点落在斜率为0.86 的直线附近，表明解集乡地下水化学组分发生了阳离子交换作用，地下水中的Na+和K+置换出含水层中的 Ca2+和 Mg2+，与 ρ（Cl-）/ρ（Na+）分析结果相同。综上所述，影响解集乡地下水离子来源的因素有碳酸盐矿物、硅酸盐矿物、硫酸盐矿物、岩盐的风化溶滤及阳离子交换作用。

3 多元统计分析

3.1 相关性分析

以岩石风化溶滤作用为主导的水化学形成机理可通过水化学参数之间的相关系数来进一步分析。对研究区地下水水化学指标进行相关性分析，阳离子Ca2+、Na+、Mg2+和与 TDS 的相关性较强（P＜0.01），阴离子 HCO3-、Cl-、SO42-与 TDS 的相关性较强（P＜0.01）。其中 TDS 与 Ca2+之间的相关性最强（R=0.89，P＜0.01），进一步说明TDS 的空间分布与Ca2+的含量大小有一定联系。此外，Ca2+和 Cl-、HCO3-相关性较大（R=0.88、R=0.75，P＜0.01），Na+与 SO42-相关性显著（R=0.84，P＜0.01）。

由此可推断，方解石、白云石等碳酸盐矿物，芒硝等硫酸盐矿物，岩盐以及硅酸盐矿物的风化溶滤是该区域地下水的主要离子来源。

3.2 因子（主成分）分析

因子分析可使因子变量具有较好的解释性，可通过因子分析处理研究区水化学参数。运用主成分法确定因子荷载，方差最大旋转法对因子旋转获得分析指标旋转因子荷载矩阵。对旋转后因子荷载矩阵选取特征值大于 1 的三个因子 F1、F2、F3进行分析，其方差累计贡献率为84.47%，解释效果较好（见表2）。第一主因子 F1贡献率达 42.22%，Ca2+、Cl-、HCO3-、TDS、EC 因子载荷较大。结合离子比例系数和相关性分析可推断，地下水中Ca2+和HCO3-的共同来源为碳酸盐矿物风化溶滤，Cl-来源与岩盐的风化溶滤有关。因此，主因子F1反映水岩作用以碳酸盐矿物风化溶滤和岩盐风化溶滤为主。第二主因子F2贡献率达21.13%，Na+、SO42-、pH 因子荷载较大，Na+和 SO42-有共同的来源，可能为芒硝等硫酸盐岩的风化溶滤。因此，主因子F2反映水岩作用以硫酸盐矿物风化溶滤为主。第三主因子F3贡献率达 21.12%，K+、Mg2+、HCO3-因子载荷较大，K+来源有硅酸盐矿物的风化溶滤，而Mg2+与HCO3-共同来源为碳酸盐矿物风化溶滤作用。因此，主因子F3反映水岩作用以碳酸盐矿物和硅铝酸盐矿物风化溶滤为主。