冯国平，高宗军，蔡五田，吕永高，郭 林

（1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；3.河南省地质调查院，郑州 450001）

1 研究背景

地下水是人类赖以生存的重要资源，是我国城镇化快速发展和农业粮食增产的战略保障［1］。地下水质量的优劣对居民生活饮用水和粮食安全具有重要影响，地下水水质对污染因子较为敏感，容易受到自然因素和人为因素等影响，主要是受工矿企业废水、农田化肥和城镇居民生活污水影响［2］。因此，进行区域地下水水质评价及影响因素分析是较为迫切的任务，对地下水污染防治和水资源保护具有重要意义。目前，有关地下水水化学及水质的研究颇多，如刘伟坡等［3］开展了海原县山前地下水化学特征分析，得知从南华山、西华山补给区至鸭儿涧排泄区，地下水水化学类型由重碳酸型渐变为重碳酸-硫酸型、硫酸-氯型等，从补给区至径流区至排泄区，水化学类型形成先以溶滤作用为主，变为以阳离子交替吸附作用为主，最后变为以蒸发-浓缩作用为主；钱声源等［4］开展了焦作地区地下水水化学特征分析及水质评价研究，得知水体离子组分变化主要受碳酸盐、硫酸盐和岩盐等风化溶滤作用影响，研究区浅层、深层地下水水质状况整体较好；何泽等［5］对滹沱河流域浅层地下水污染的分子生物学响应特征进行研究，采用累积概率分布法将样品分为背景（B）、硝酸盐污染（N）、有机污染（Y）3组，该分类阈值与地下水质量标准的Ⅲ类水阈值可较好对应；柳凤霞等［6］开展了银川地区地下水水化学特征演化规律研究及水质评价，得知1991—2016年研究区地下水化学组分未发生明显变化，为偏碱性硬水，地下水水质基本满足生活饮用水的标准，地下水化学组分及水质受到水文地质条件、蒸发浓缩作用、岩石风化作用、补给水成分及人类活动的综合影响。然而，针对豫北山前修武地区地下水水化学及水质方面的研究较少，修武地区人口密度较大，分布有大量煤炭、化工、机械电子及金属加工等企业，受工矿企业生产活动影响，地下水开采量逐年增多，受污染面积不断增大。为此，于2018年6月在修武地区分层采集地下水样品42件、地表水样品3件，利用数理统计、Piper三线图、模糊数学综合法、相关性分析和Gibbs图等开展地下水化学特征分析及水质评价，并分析其主要影响因素，以期为该区地下水污染防治及可持续开发利用提供理论依据。

2 研究区概况

修武县位于太行山南麓焦作市东部，研究区范围为113°18′05″E—113°30′00″E，35°04′36″N—35°27′53″N，主要包括修武县城及周边地区，面积约400 km2。研究区属暖温带大陆性季风气候，年平均降水量560.4 mm，主要集中在6—8月份；总体地势呈“北高南低、西高东低”，地貌类型由北向南为构造侵蚀低山（Ⅰ1）、构造侵蚀丘陵（Ⅰ2）、坡洪积斜地（Ⅱ1）、冲洪积扇形地（Ⅱ2）、冲洪积扇间洼地（Ⅱ3）、冲洪积扇前洼地（Ⅱ4）及黄沁河冲积平原（Ⅲ1）；主要河流有大沙河、新河、南水北调渠、山门河和纸坊河，见图1，属海河流域的卫河水系。

图1 修武地区地下水取样点位置分布Fig.1 Location of groundwater sampling points in Xiuwu area

地下水主要类型有碳酸盐岩岩溶水和松散岩类孔隙水。岩溶水分布在北部奥陶系和寒武系灰岩山区，岩溶水动态变化受大气降水和人工开采影响。松散岩类孔隙水分布在山前平原区，含水层以卵砾石、中细砂为主，具有良好的赋水条件，补给来源主要是大气降水补给、基岩山区侧向补给及河渠入渗补给；自然径流方向是从北部基岩山区、南部黄沁河冲积平原向中部扇前洼地径流，但受人工开采和矿坑排水影响，局部地区地下水流场发生变化，导致大沙河水补给地下水，地下水主径流方向变为西北-东南向；排泄方式主要是人工开采、矿坑排水和潜水蒸发。研究区上、下含水岩组之间有一层10～20 m的粉质黏土和黏土（图2），图中XZ4代表钻孔4，横线下方的数值60代表钻孔深度为60 m，依此类推。地下水水力联系较弱，根据含水岩层埋深情况，可以分为浅层水和深层水，以埋深70 m为界线，浅层水主要用于农业灌溉，深层水主要用于工业用水及居民生活用水。

3 数据来源及研究方法

3.1 数据来源

修武地区地下水水质数据来源于中国地质调查局水文地质环境地质调查中心“豫北山前冲洪积扇含水层水质调查”项目，地下水取样点位置见图1，现场测试指标为pH值、水温、电导率、溶解氧和氧化还原电位，委托谱尼测试集团实验室测试无机组分37项、有机组分28项。

3.2 研究方法

运用SPSS 20统计分析软件进行数理统计分析水化学参数指标，利用Piper三线图和舒卡列夫分类法探讨修武地区地下水水化学类型及空间分布特征，运用模糊数学综合法进行水质评价，同时运用相关性分析和Gibbs图等分析其主要影响因素。

图2 修武地区西北-东南向水文地质剖面图Fig.2 Northwest-Southeast hydrogeological profile of Xiuwu area

4 地下水水化学特征分析

4.1 水化学参数统计特征

修武地区地下水化学参数特征统计结果见表1。如表1所示，浅层水、深层水和地表水整体呈弱碱性，地下水水样pH值范围为6.67～7.82，均值为7.32；浅层水的TDS（Total Dissolved Solids，溶解性固体总量）平均值为1 296.44 mg/L，属于微咸水，而深层水和地表水的TDS均＜1 000 mg/L，属于淡水；浅层水的总硬度（Total Hardness，TH）、TDS均大于深层水和地表水，这是由于浅层水埋深较浅且径流缓慢，水岩作用充分，蒸发浓缩作用强烈，导致水中离子浓度升高。浅层水和深层水的阳离子浓度排序均为Na＋＞Ca2＋＞Mg2＋＞K＋，阴离子浓度排序均为说明浅层水和深层水的水化学组分相同，两者可能存在水力联系；而地表水的阳离子浓度排序为Ca2＋＞Na＋＞Mg2＋＞K＋，阴离子浓度排序为分析可知地下水与地表水水化学组分相似，地表水渗漏补给地下水可能会影响地下水水质。地下水中阴阳离子平均浓度呈浅层水＞深层水的关系，说明浅层水水质相对较差。一般情况下，变异系数CV≤0.1为弱变异，0.1＜CV＜1.0为中等变异，CV≥1.0为强变异［7］。分 析 可 知 浅 层 水 的和属于强变异，深层水的和F-属于强变异，说明这些离子在地下水中分布不稳定，可能受到人类污染影响。地表水的K＋和属于强变异，说明河流两岸的煤场、电厂和化工厂等排放的废水对地下水水质影响较大。

4.2 水化学类型及空间分布特征

修武地区地下水Piper三线图见图3。如图3所示，浅层水和深层水点分布特征具有规律性。浅层水点分布规律：在阳离子三线图中，从北部冲洪积扇至南部黄沁河冲洪积平原，沿地下水主径流方向，Ca2＋减小，Na＋＋K＋增大，而Mg2＋变化不大；在阴离子三线图中，表现为减小，Cl-和增大。深层水点水化学分布规律与浅层水相似。3个地表水点均位于地下水阴阳离子浓度区间内，说明地表水对地下水水化学特征有影响。

依据舒卡列夫分类法（即水中主要离子毫克当量百分数＞25%的离子参与命名，由大到小排列，阴离子在前，阳离子在后，中间用横杠隔开）［8］进行地下水水化学类型分类，可知浅层水水化学类型分为18种，TDS范围为450～3 980 mg/L，说明研究区浅层水水化学类型较为复杂。根据区域水文地质条件、水化学类型及潜在污染源分布情况，将浅层水概化为7个水化学分区，结果见图4。由图4可知，浅层水水化学类型以HCO3-Ca·Mg型为主，这是研究区背景水质状况。周庄镇-小张庄村-亮马村-五里源乡以北的冲洪积扇含水层为粗、中砂，透水性较好，水化学类型主要是HCO3-Ca·Mg型；五里源乡、东板桥村和东韩王村地下水受到工厂、养殖场和生活废水等影响，出现HCO3·SO4-Ca·Mg型。至扇前洼地，地势较为平坦，含水介质主要是中细砂，地下水径流缓慢且埋深较浅，蒸发浓缩作用强烈，造成大沙河沿岸主要是HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca型；而且局部地区受到工矿企业废水影响，较高浓度的和Cl-通过溶滤作用穿过包气带进入地下水，造成东板桥村以南地区和高村乡东部地区出现SO4·Cl-Na·Mg·Ca型，周庄镇以南地区出现Cl-Na·Mg·Ca型。过渡到黄沁河冲洪积平原，受大沙河上游较差水质和工矿企业废水影响，高村乡以南地区出现条带状SO4-Na·Mg型；大沙河中下游HCO3·SO4型地表水补给下游地下水，造成修武县城出现HCO3·SO4-Na·Mg型。

表1 地下水水化学参数特征统计结果Table 1 Statistical results of groundwater's chemical parameters

图3 Piper三线图Fig.3 Piper's plot

图4 修武地区浅层地下水水化学类型分布Fig.4 Hydrochemical plot of shallow groundwater in Xiuwu area

5 水质评价

修武地区地下水系统较为脆弱，地下水容易受到污染，水质评价能够科学地掌握地下水质量整体情况，为研究区地下水污染防治和保护提供理论支撑［6］。选取耗氧量和Mn 12项评价因子，依据《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）［9］，运用模糊数学综合法对42个地下水样品进行水质评价。结果显示，研究区Ⅰ类水样品有18个，Ⅱ类水的有1个，Ⅲ类水的有7个，Ⅳ类水的有3个，Ⅴ类水的有13个。可见，Ⅰ类—Ⅲ类水（即Ⅲ类水及以上）水样占总样品的61.9%，修武地区地下水水质整体较好。修武地区地下水水质影响因子统计情况见图5。如图5所示，除外，其它11项评价因子对水质均有影响，影响程度依次为耗氧量，这些影响因子主要来源于工矿企业、农田化肥及生活废水，说明地下水水质受人类活动影响较大。

图5 水质影响因子柱状图Fig.5 Histogram of impact factors of water quality

根据水质评价结果进行水质分区，见图6。结果显示，Ⅲ类水及以上水质在全区分布广泛，主要分布在大沙河以北地区，也分布在周庄镇南部河流交汇地区和修武县城，接受北部基岩山区HCO3型水侧向补给、新河水或大沙河中游水渗漏补给，受人为污染影响较小；Ⅳ类水分布在东板桥村西南、县城以东和河流上游局部地区；Ⅴ类水主要分布在研究区南部及东南部地区，在五里源乡北局部地区及周庄镇东部地区也有分布，这些地区分布有大量工矿企业和养殖场，地下水水质受人为污染较为严重。

图6 地下水水质分区Fig.6 Zoning of groundwater quality

6 影响因素分析

6.1 相关性分析

相关性分析可以反映地下水化学组分间关联程度及水化学来源的一致性及差异性［10］。如表2所示，浅层水和深层水的TDS与除pH值、K＋、NO3-外的其它7项指标相关性均较好，其中浅层水的TDS与呈高度相关，相关系数＞0.8，说明浅层水的Na＋、Mg2＋、Cl-和含量对TDS影响较大；而深层水的Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、和F-对TDS影响较大。浅层水中Cl-与Na＋、Ca2＋和Mg2＋相关性较好，可能产生岩盐矿物溶解，Cl-也可能来源于工矿企业和生活污水输入［4］。与Na＋、Ca2＋和Mg2＋呈中等相关，可能发生石灰岩和白云岩等碳酸盐岩矿物风化溶解［3］。与Na＋、Mg2＋呈高度相关，与Ca2＋呈中等相关，可能发生含石膏或其它硫酸盐沉积岩溶解，SO42-也可能来源于煤场、焦化厂及电厂等排放废水。F-与Na＋、Mg2＋呈中等相关，说明F-能促进Na＋、Mg2＋溶解，F-主要来源于含氟矿物溶解及化工厂排放废水［11］。深层水的与Na＋、Ca2＋和Mg2＋均呈高度相关，相关系数＞0.8，说明其阴离子与阳离子之间关联程度较高，共同作用于地下水。与其它离子相关性较弱，单独对地下水水化学产生影响。

表2 修武地区地下水化学影响因素相关系数Table 2 Coefficient of correlation among impact factors of groundwater chemical in Xiuwu area

6.2 原因分析

修武地区地下水水质是受自然因素和人为因素综合作用的结果，自然因素包括大气降水、地表水、北部基岩山区岩溶水及地下水径流过程中发生的物理化学作用，而人为因素主要包括工矿企业、养殖场、农业活动及生活废水等。此外，地下水径流条件也对地下水水质有影响。

6.2.1 自然因素对地下水的影响

图7 修武地区地下水Gibbs图Fig. 7 Gibbs plot of groundwater in Xiuwu area

为研究地下水径流过程中发生的物理化学作用，将浅、深层水点进行 Gibbs图解［13］。由图7可知，浅层水的 TDS范围为 450～3420mg/L，阳离子质量浓度比值为 0.1387～0.8056，数据点分布在 岩石控制区，并在蒸发浓缩作用下向右上角方向移动，说明浅层水水化学主要受岩石作用控制，也受蒸发浓缩作用影响。范围外的地下水点受人为污染较严重。深层水跟浅层水发生的水化学作用大致相同。修武地区地下水水化学类型受北部基岩山区石灰岩含水岩组控制，在山前冲洪积扇为 HCO3-Ca·Mg型水，水中溶解了大量的和Mg2＋，沿地下水径流方向与含水砂岩发生水岩作用，砂岩中富含钙、硅等矿物，地下水中 Ca2＋、Mg2＋达到浓度饱和后会发生沉淀作用，岩盐矿物溶解达到平衡后会发生阳离子交换作用，Na＋置换水中高浓度Ca2＋和Mg2＋，造成地下水中Na＋离子含量增大，而且蒸发浓缩作用也会增加Na＋、Cl-浓度，进而影响修武地区地下水水质。

6.2.2 水动力条件对地下水的影响

如图8所示，受研究区地势及水文地质条件影响，地下水主径流方向是由西北冲洪积扇向东南部黄沁河冲洪积平原径流，沿程水力梯度逐渐减小，径流速度逐渐减慢，蒸发浓缩作用增强，地下水中Ca2＋、Mg2＋和含量逐渐减小和Cl-含量逐渐增大，造成大沙河沿岸地下水出现HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca型、SO4·Cl-Na·Mg·Ca型、SO4-Na·Mg型和Cl-Na·Mg·Ca型水。地下水径流过程中包气带厚度逐渐增大，水岩作用充分，导致地下水的TH、TDS增大。县城地区大量开采地下水用于城市建设、居民生活饮用和农业灌溉，导致局部地下水水位下降，改变了自然状态下的地下水流场，大沙河水补给下游地下水，导致县城地区出现HCO3·SO4-Na·Mg型水。水源地联合井大量开采地下水，造成亮马村地区出现地下水下降漏斗，而北王庄东北、五里源乡及马村街道局部地区地下水抽采量较大，水位也有小幅度下降，人工开采改变了研究区地下水水动力场，影响地下水水质。

图8 修武地区地下水流场Fig.8 Groundwater flow field in Xiuwu area

6.2.3 人为因素对地下水的影响

修武地区分布有电厂、煤矿、铝业、化工厂等十余家工矿企业，也有化学制剂厂、皮毛加工厂、设备制造厂等20余家高污染企业，分布位置见图9。电厂和煤矿主要排放物是含硫废水，铝业主要排放物是赤泥，主要污染因子是氟化物、硫酸盐等，化工厂和化学制剂厂主要排放物是化工废水，皮毛加工厂和设备制造厂主要排放物是工业废水，含有大量重金属等。煤矿排放废水造成五里源乡北部地区出现V类地下水，而小张庄村、修武县城地区分布有大量高污染工业，排放的污染物通过溶滤作用等途径污染地下水水质，造成大沙河沿岸、县城周边地区出现IV、V类水，主要是SO4型、SO4·Cl型及Cl型水。研究区农田面积较广，村镇居民区及养殖场较多，由于主要来源于农田化肥、养殖场及生活污水等，分析可知研究区地下水中平均含量较低，超标水点主要位于大沙河沿岸农田区及五里源乡北局部地区。此外，修武地区西部是焦作市工业园区，工业活动导致大沙河水受到污染，污染的大沙河水流入研究区后侧向补给地下水，也造成大沙河南部地区地下水质较差。

图9 修武地区人类活动分布示意图Fig.9 Distribution of human activities in Xiuwu area

7 结 论

（2）浅层水和深层水主要以HCO3-Ca·Mg型为主，呈明显水平分带特征。大沙河以北地区浅层地下水主要是HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca·Mg型，大沙河沿岸地下水主要是HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca型，大沙河以南地区地下水较为复杂，有HCO3·SO4-Na·Mg型、SO4·Cl-Na·Mg·Ca型和SO4-Na·Mg型这3种类型。

（3）水质评价结果显示，Ⅲ类水及以上水样占总样品的61.9%，认为修武地区地下水水质整体较好，主要影响指标是总硬度、TDS、硫酸盐、钠盐、氟化物和铁。

（4）地下水水化学主要受岩石作用控制，也受蒸发浓缩作用影响，局部地区地下水受大气降水、地表水、水动力条件及人为因素影响。煤炭、铝业和化工等工矿企业排放的废水废渣是造成修武地区地下水污染的主要原因。