典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水水化學(xué)特征及離子來(lái)源多元統(tǒng)計(jì)分析
——以皖北解集鄉(xiāng)為例

袁政蓮 馬 杰 ，2＊ 顏曉龍 王燕龍 崔希銅

（1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000）

0 引言

當(dāng)前， 鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)正處于生態(tài)友好型的循環(huán)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，對(duì)水質(zhì)的要求也越來(lái)越高。 與此同時(shí)，隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 人類(lèi)活動(dòng)與地下水水量和水質(zhì)的變化有著密切的聯(lián)系。 地下水水化學(xué)組分特征不僅能反映地下水循環(huán)模式， 同時(shí)也可用于深入解析其溶質(zhì)的形成機(jī)制及水文地球化學(xué)行為[1]。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律展開(kāi)了眾多研究[2-5]，黃望望等[6]對(duì)淮南新集礦區(qū)主要充水含水層進(jìn)行水化學(xué)成因進(jìn)行分析研究， 結(jié)果表明其控制因素主要為硅酸鹽和蒸發(fā)鹽巖的溶解及陽(yáng)離子交替吸附作用。目前，針對(duì)皖北城鎮(zhèn)及其周邊地區(qū)，地下水的水文地球化學(xué)研究成果頗多[7-9]，而針對(duì)皖北鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的松散層地下水化學(xué)綜合研究相對(duì)較少。 本研究選取皖北典型傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)——解集鄉(xiāng)為研究區(qū)， 對(duì)該區(qū)域的松散層地下水進(jìn)行采樣，并分析了地下水水化學(xué)特征和形成機(jī)制。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)處于安徽省宿州市埇橋區(qū)東北部，連接蘇皖兩省，東臨安徽省宿州市靈璧縣，北接江蘇省徐州市銅山區(qū)，從地質(zhì)構(gòu)造上看，地處華北臺(tái)地的魯西隆起東南段。 地理坐標(biāo)范圍介于東經(jīng) 117°19′20″～117°20′40″，北緯 33°54′0″～33°54′50″之間。

1.2 材料與方法

采樣步驟參照HT164—2020《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，共采集水樣26 件。 現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式測(cè)試儀，測(cè)定pH、TDS 和EC 等指標(biāo)。 樣品送至安徽省煤礦勘探工程技術(shù)中心，進(jìn)行常規(guī)離子測(cè)試。 測(cè)試儀器、試劑及方法參照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[10]。

2 水化學(xué)特征及離子來(lái)源分析

2.1 地下水化學(xué)特征與類(lèi)型

對(duì)研究區(qū)26 件水樣的10 項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)表 1）。 TDS 在 350.00～845.00 mg/L 之間，平均值為 550.50 mg/L，屬于淡水。EC 在 740.00～1 754.00 μs/cm之間，平均值為 1 151.12 μs/cm。 pH 在 7.34～8.89 之間，其中pH 大于8.50 的水樣僅1 組，表明地下水大部分呈弱堿性。 陽(yáng)離子質(zhì)量濃度平均值由大到小依次為：Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+，Ca2+為相對(duì)優(yōu)勢(shì)離子；陰離子質(zhì)量濃度平均值由大到小依次為：HCO-3＞SO2-4＞Cl-，HCO-3為相對(duì)優(yōu)勢(shì)離子。

表1 水化學(xué)成分描述統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)Piper 三線(xiàn)圖中的菱形圖中，水樣集中在1 區(qū)、3 區(qū)和5 區(qū)，即地下水樣中堿土金屬離子含量（Ca2+和Mg2+）大于堿金屬離子含量（Na+和K+），弱酸根離子含量（HCO3-）大于強(qiáng)酸根離子含量（SO42-和 Cl-），且碳酸鹽硬度大于50%。陽(yáng)離子靠近Ca2+端元，Mg2+和Na+、K+相對(duì)較少，即陽(yáng)離子以Ca2+為主；陰離子靠近HCO3-端元，遠(yuǎn)離SO42-和Cl-端元，即陰離子主要以HCO3-為主。 由以上分析可知， 地下水水化學(xué)類(lèi)型以Ca-Mg-HCO3型為主， 離子組分的形成與碳酸鹽巖的溶濾作用密切相關(guān)。

2.2 離子來(lái)源分析

Gibbs 圖常用于刻畫(huà)水巖相互作用，研究區(qū)內(nèi)TDS 質(zhì)量濃度在 350～845 mg/L 之間，ρ（Na++K+）/ρ（Na++K++Ca2+）較小（小于 0.5），總體表現(xiàn)呈 TDS 分布較為集中，離子組合比例相對(duì)分散的分布特征。 所有水樣點(diǎn)均分布在中間及左側(cè)區(qū)域，即位于巖石風(fēng)化類(lèi)型控制區(qū)， 表明解集鄉(xiāng)地下水的水化學(xué)組分形成以水-巖作用為主。 同時(shí)，離子比例分析也可揭示地下水離子來(lái)源問(wèn)題。 研究區(qū)大部分樣品的 ρ（Cl-）/ρ（Na+）＞1， 說(shuō)明可能發(fā)生了硅酸鹽礦物和巖鹽的風(fēng)化溶濾[2]，還可能存在離子的交替吸附作用。ρ（Ca2+）/ρ（SO42-）＞1，說(shuō)明研究區(qū)地下水化學(xué)組分中Ca2+除硫酸鹽礦物風(fēng)化溶濾外，還有其他來(lái)源[3]。 ρ（SO42-+HCO3-）/ρ（Ca2++Mg2+）＜1，即研究區(qū)發(fā)生的水巖作用主要為碳酸鹽礦物的風(fēng)化溶濾[4]。 大部分樣品的 ρ（Ca2+）/ρ（Mg2+）＞2，即研究區(qū)發(fā)生的水巖作用可能為硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶濾ρ（Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-）/ρ（Na++K+-Cl-）含量關(guān)系中，y=-0.86x+1.73（R2=0.54）為其擬合方程，大部分樣品點(diǎn)落在斜率為0.86 的直線(xiàn)附近，表明解集鄉(xiāng)地下水化學(xué)組分發(fā)生了陽(yáng)離子交換作用， 地下水中的Na+和K+置換出含水層中的 Ca2+和 Mg2+，與 ρ（Cl-）/ρ（Na+）分析結(jié)果相同。 綜上所述，影響解集鄉(xiāng)地下水離子來(lái)源的因素有碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、巖鹽的風(fēng)化溶濾及陽(yáng)離子交換作用。

3 多元統(tǒng)計(jì)分析

3.1 相關(guān)性分析

以巖石風(fēng)化溶濾作用為主導(dǎo)的水化學(xué)形成機(jī)理可通過(guò)水化學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)來(lái)進(jìn)一步分析。 對(duì)研究區(qū)地下水水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析， 陽(yáng)離子Ca2+、Na+、Mg2+和與 TDS 的相關(guān)性較強(qiáng)（P＜0.01），陰離子 HCO3-、Cl-、SO42-與 TDS 的相關(guān)性較強(qiáng)（P＜0.01）。 其中 TDS 與 Ca2+之間的相關(guān)性最強(qiáng)（R=0.89，P＜0.01），進(jìn)一步說(shuō)明TDS 的空間分布與Ca2+的含量大小有一定聯(lián)系。 此外，Ca2+和 Cl-、HCO3-相關(guān)性較大（R=0.88、R=0.75，P＜0.01），Na+與 SO42-相關(guān)性顯著（R=0.84，P＜0.01）。

由此可推斷，方解石、白云石等碳酸鹽礦物，芒硝等硫酸鹽礦物， 巖鹽以及硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶濾是該區(qū)域地下水的主要離子來(lái)源。

3.2 因子（主成分）分析

因子分析可使因子變量具有較好的解釋性，可通過(guò)因子分析處理研究區(qū)水化學(xué)參數(shù)。 運(yùn)用主成分法確定因子荷載，方差最大旋轉(zhuǎn)法對(duì)因子旋轉(zhuǎn)獲得分析指標(biāo)旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣。 對(duì)旋轉(zhuǎn)后因子荷載矩陣選取特征值大于 1 的三個(gè)因子 F1、F2、F3進(jìn)行分析，其方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.47%，解釋效果較好（見(jiàn)表2）。 第一主因子 F1貢獻(xiàn)率達(dá) 42.22%，Ca2+、Cl-、HCO3-、TDS、EC 因子載荷較大。 結(jié)合離子比例系數(shù)和相關(guān)性分析可推斷， 地下水中Ca2+和HCO3-的共同來(lái)源為碳酸鹽礦物風(fēng)化溶濾，Cl-來(lái)源與巖鹽的風(fēng)化溶濾有關(guān)。因此，主因子F1反映水巖作用以碳酸鹽礦物風(fēng)化溶濾和巖鹽風(fēng)化溶濾為主。 第二主因子F2貢獻(xiàn)率達(dá)21.13%，Na+、SO42-、pH 因子荷載較大，Na+和 SO42-有共同的來(lái)源，可能為芒硝等硫酸鹽巖的風(fēng)化溶濾。 因此，主因子F2反映水巖作用以硫酸鹽礦物風(fēng)化溶濾為主。 第三主因子F3貢獻(xiàn)率達(dá) 21.12%，K+、Mg2+、HCO3-因子載荷較大，K+來(lái)源有硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶濾， 而Mg2+與HCO3-共同來(lái)源為碳酸鹽礦物風(fēng)化溶濾作用。 因此，主因子F3反映水巖作用以碳酸鹽礦物和硅鋁酸鹽礦物風(fēng)化溶濾為主。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）研究區(qū)地下水水化學(xué)類(lèi)型以Ca-Mg-HCO3為主。 陽(yáng)離子質(zhì)量濃度平均值由大到小：Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+，Ca2+為相對(duì)優(yōu)勢(shì)離子；陰離子質(zhì)量濃度平均值由大到小：HCO3-＞SO42-＞Cl-，HCO3-為相對(duì)優(yōu)勢(shì)離子。

（2）水樣點(diǎn)多數(shù)位于Gibbs 圖的中間及左側(cè)位置，即研究區(qū)地下水形成受巖石風(fēng)化溶濾作用較大，受蒸發(fā)濃縮和大氣降水作用影響較小。

（3）離子比例系數(shù)和多元統(tǒng)計(jì)分析表明，影響解集鄉(xiāng)地下水離子來(lái)源的水巖作用為碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、巖鹽的風(fēng)化溶濾。 同時(shí)，研究區(qū)內(nèi)的地下水離子來(lái)源與陽(yáng)離子交換作用有關(guān)。

表2 因子分析結(jié)果