開封市區近黃河地區地下水化學特征及成因分析

杜青輝，屈吉鴻，宋全香

(1.河南省水利勘測設計研究有限公司，鄭州 450016；2.華北水利水電大學，鄭州 450045)

0 引 言

在北方干旱平原地區，地下水在各種水資源中占據著十分重要的地位，是非常理想的飲用水源。開封市作為河南省新興副中心城市，用水需求不斷擴大，水量短缺和水質污染現象頻發，對生產生活造成嚴重影響。因此，了解研究區地下水演化規律，分析其水質變化及趨勢至關重要。李松青等[1]利用遺傳算法-BP神經網絡法對開封市地下水水質進行評價,并從埋深、富水性兩個方面分析了水質特征的分布規律。劉君等[2]探討了北方主要盆地和平原的地下水水化學變化規律，得出北方區域地下水水化學特征在時間和空間上均各有差異，其原因是長期大規模開采和人類活動產生的污染。王雅欣[3]等研究了南水北調通水對梁濟運河流域地下水化學成分影響。蔣萬軍[4]、劉偉坡[5]、王明君等[6]通過Piper 三線圖、皮爾遜相關系數、Gibbs 圖以及離子比例系數等方法分析各自研究區的地下水化學特征及成因。

本文在水文地質調查和樣品采集分析的基礎上，研究其水質變化及趨勢，并揭示地表水對地下水水化學特征及成因的影響，對地下水資源可持續開發利用具有重要意義，為滿足今后研究區高質量發展和生產生活用水需要提供科學依據。

1 研究區概況

開封市地處中原腹地河南省東部的豫東平原黃河下游南岸(見圖1)，屬黃河沖積扇平原尖端，地勢平坦，區域內廣泛分布新生代新近紀和第四紀松散堆積物，以細砂、中細砂為主[7]。本區地下水的含水類型均為松散巖類孔隙水。根據地層的傾向推測及深層地下水的補給徑流，在開封市城區人工開采是主要的排泄途徑。

2 數據來源和研究方法

本文以開封市水文地質勘察報告地下水采樣數據為依據，分析水質循環演化規律，取樣點共12個，其中地表水4個，沿黃河分布，地下水8個，垂直于黃河分布，位置見圖1。首先運用SPSS 軟件計算研究區地表水和地下水水化學基本組分特征，通過Piper 三線圖和舒卡列夫分類法分析地下水水化學類型，從不同方面分析比較地表水和地下水水質的不同；然后通過皮爾遜相關系數和離子比例系數分析地下水水化學成因規律，并進一步判斷地表水對地下水水質產生的影響；在此基礎上，利用主成分法分析研究區水質污染狀況，以期為地下水資源的管理和保護提供科學指導。

圖1 研究區采樣點分布Fig.1 Location of the sampling points in the study area

3 地下水水化學特征分析

3.1 水化學組分特征

表1 研究區水化學組分特征表Tab.1 Statistics of hydro-chemical parameters in the study area

3.2 水化學類型分析

在分析研究區地表水和地下水水化學基本組分特征的基礎上，通過piper三線圖和舒卡列夫分類法分析其水化學類型，進一步探討地表水對地下水的影響。由表2可以看出，地表水水化學類型主要是HCO·SO4·Cl·Na·Ca型，個別點是HCO·SO4·Na·Ca·Mg型；地下水水化學類型HCO· Ca ·Na ·Mg型，個別點是HCO ·Na ·Ca型、HCO ·Na ·Mg型和 HCO ·Mg· Ca型。這與前文陰陽離子占比分析結果相一致。由圖2可以看出，地表水堿土金屬超過堿金屬，地下水基本與其保持一致，只有極個別點相反；而在酸度方面，地表水強酸超過弱酸；地下水則相反，弱酸超過強酸。

圖2 地下水化學piper三線圖Fig.2 Piper Diagram of groundwater chemical

表2 舒卡列夫分類水化學類型表Tab.2 Hydro-chemical types of shukalev classification

3.3 水化學成因分析

本文進一步從成分間相關關系、地下水化學成分的自然機制及離子來源三方面對比分析地表水和地下水水化學成因。

表3 地表水各指標間的相關系數Tab.3 Correlation coefficient of surface water indexes

表4 地下水各指標間的相關系數Tab.4 Correlation coefficient of groundwater indexes

根據前人研究可知，地下水化學形成機制主要有蒸發作用、水巖作用和大氣降雨3種[8]。Gibbs圖是通過分析部分離子比值和TDS含量的關系來定性地判斷水化學成因機制的一種方法，優點是能夠簡潔直觀地反映分析結果。如圖3所示，水樣點基本處于圖中部，TDS含量較高，說明地下水化學形成主要受水巖作用的控制，個別點陽離子比值較大，水樣點偏向蒸發沉淀區域。即研究區內水體主要受水巖作用的控制，少量地下水偏右，受到蒸發作用和水巖作用共同控制。

圖3 地下水化學Gibbs圖Fig.3 Gibbs diagram of groundwater chemistry

圖4 γNa+-γCl-關系圖Fig.4 γNa+-γCl- relationship diagram

圖關系圖Fig.5 relationship diagram

圖關系圖Fig.6 relationship diagram

圖關系圖 relationship diagram

在地下水化學形成作用中，有2組離子比例系數的分析至關重要。γCl--γCa2+經常被用來作為衡量地下水動力強弱的指標；γNa+-γCl-主要反映地下水中 Na+的富集程度，被稱為地下水的成因系數[10]。為進一步探明地表水對地下水的影響，本文自北向南，沿垂直地表水徑流的方向進行分析。由圖8可見，H1～H4為地表水取樣點，2組離子比值基本保持穩定，而隨著距離地表水越來越遠，地下水中γCl--γCa2+除極個別點劇增外，基本呈現下降趨勢，說明地下水水流動力作用總體增強；γNa+-γCl-則大體呈現上升趨勢，但趨勢緩慢。推測是由于Cl-含量下降，這與前文中離子濃度含量百分比分析中地下水中Cl-含量小于地表水中相一致。

圖8 離子比值沿程變化趨勢圖Fig.8 Trend chart of ion ratio along the path

4 水質污染狀況分析

表5 特征值和主成分貢獻率及累計貢獻率Tab.5 Eigenvalues and principal components contribution rate and cumulative contribution rate

表6 主成分得分系數矩陣Tab.6 Principal component score coefficient matrix

表7 地下水主成分得分及排序Tab.7 Score and sequence of principal components of groundwater

5 結 論

(2)地表水和地下水中主要離子間相關系數相差不大。區內水體主要受水巖作用的控制，少量地下水受到蒸發作用和水巖作用共同控制。Na+的來源是鹽巖溶解和其他含鈉礦物的溶解；Ca2+、Mg2+主要來源于碳酸鹽和硅酸鹽礦物，如白云石、方解石和石膏等，此外，陽離子吸附交換作用明顯。

(3)自北向南，沿垂直地表水徑流的方向分析地下水化學形成作用強弱，地表水水化學形成作用基本穩定，而隨著距離地表水越來越遠，地下水中γCl--γCa2+基本呈現下降趨勢，地下水水流動力作用有小幅度增強；γNa+-γCl-則大體呈現上升趨勢，趨勢緩慢。

(4)地表水污染小于地下水，污染物主要來源于水巖作用；地下水中靠近鐵路和地表水的取樣點水質污染小于市中心取樣點，污染物來源除礦物溶解外，人為活動也造成大量污染。