保定平原地下水水化學特征及水質評價

摘要：自2014年水利部組織實施華北地下水超采綜合治理工作以來，保定平原地下水位逐步回升，然而地下水化學要素及質量變化缺乏系統研究。以2014～2022年采集的217組保定平原淺層地下水樣品為研究對象，運用數理統計分析、Piper三線圖、Gibbs圖及離子比例系數等方法，分析了地下水水化學特征、空間分布規律及主要控制因素，采用內梅羅指數法和模糊綜合評價法對地下水質量進行了評估。結果表明：① 研究區地下水中陰離子以HCO^-₃為主，陽離子在山前沖洪積平原區（Ⅰ區）主要為Ca²⁺、Mg²⁺，沖積平原區（Ⅱ區）主要為Ca²⁺、Na⁺，自西部山前到東部平原地下水化學類型由HCO₃-Ca·Mg型漸變為HCO₃-Na·Ca·Mg型或HCO₃-Na·Mg型。② 研究區地下水中Na⁺、Mg²⁺、HCO^-₃濃度多年間較為穩定，Ca²⁺、Cl^-、SO^2-₄、TDS濃度在2014～2021年波動下降，2021～2022年明顯上升，水化學成分主要受巖石風化、溶濾作用和陽離子交替吸附作用影響。③ 內梅羅指數法和模糊綜合評價法評價結果顯示，Ⅲ類及以上樣品占比分別為73.73%和97.24%，說明多年來該區域地下水質量較為穩定。研究成果可為該地區地下水資源的可持續利用提供科學依據。

關 鍵 詞：地下水；水化學特征；水質評價；保定平原

中圖法分類號：X824；P641.12

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.12.011

0 引 言

地下水資源具有分布廣泛、儲量豐富、水質良好、便于應用等特點，普遍被當作人類生產生活的主要供水水源，是保障社會經濟可持續發展的重要物質資源^［1］。近年來社會經濟快速發展，人類活動對自然環境的影響也日漸加劇，地下水環境狀況面臨著嚴重威脅，區域地下水質的評價和水環境的調查尤為重要^［2］。

保定市地處河北省腹地，是國務院批復確定的京津冀地區中心城市之一。隨著水利部門壓采政策的實施和河道生態補水工作的推進，保定平原地下水位逐步回升，水化學環境也受到一定影響。目前許多學者對保定地區的地下水環境開展了研究，如郭春艷等^［3］采用內梅羅指數法對2006～2009年保定平原地下水質進行了評價，認為水質總體相對較好；楊戈芝^［4］開展了2019年保定平原地下水污染風險評價，分析了地下水污染風險的空間分布規律，預測了氮對淺層地下水的污染趨勢。然而，以上研究時間較早，未曾涉及時間變化特征分析。針對相同點位不同年份的地下水化學組成和質量的研究，可以精確分析地下水化學特征變化的程度，對水資源合理利用具有參考意義。

本文選取保定平原31個監測井2014～2022年采集的217組水質檢測數據，運用數理統計分析^［5］、Piper三線圖^［6］、Gibbs圖^［7］、離子比例系數^［8］等方法探究水化學特征、時空分布規律及影響因素，采用當前應用較廣泛的內梅羅指數法^［9］、模糊綜合評價法^［10］評估水質狀況，以期為研究區地下水資源的可持續利用提供科學依據。

1 研究區概況

保定平原位于太行山東麓的華北平原區，西靠太行山，地貌類型屬山前傾斜平原，地勢由西北向東南逐漸降低，地面高程大部分在5～26 m之間，總面積為9 375.7 km²。研究區氣候類型為溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫12.3 ℃，年平均降水量526 mm，四季分明、雨熱同期。區內水系發育，河渠縱橫，主要河流包括南拒馬河、唐河、萍河、漕河、瀑河等。研究區淺層地下水主要指第Ⅰ、Ⅱ含水層組，自西向東可劃分為山前沖洪積平原區（Ⅰ區）和沖積平原區（Ⅱ區）兩個水文地質區，地下水由礫卵石和砂礫石組成的單一潛水含水層漸變為黏土、砂礫石、中砂組成的潛水-微承壓水含水層，補給來源為大氣降水和山區側向徑流，徑流方向與地形傾向、地表水流向大致相同，即北部由北西向南東方向運動，南部則由西向東方向運動，排泄方式主要為人工開采。

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集與測定

水質樣品采集時間為每年5～7月（2015、2020年未采樣），數量共計217組，采樣點位置分布見圖1。水質樣品嚴格按照HJ/T 164—2020《地下水環境監測技術規范》進行采集、保存和運輸。樣品的測試由河北省地質環境監測院水環境檢測中心完成，測試項目包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO^2-₄、HCO^-₃、CO^2-₃、NO^-₃、NO^-₂、NH⁺₄、F^-、Mn、Cu、Zn、Hg、Cd、Cr⁶⁺、Pb、pH、總硬度（TH）、溶解性總固體（TDS）等無機指標。

2.2 數據處理與統計分析

水質數據的數理統計分析采用SPSS 20.0完成，使用MapGIS 6.7繪制采樣點分布圖和水化學離子分布圖，運用Origin 2021進行離子比例分析以及Piper三線圖和Gibbs圖的繪制。因內梅羅指數法^［9］過于凸顯濃度最大評價指標，而模糊綜合評價法^［10］考慮隸屬度關系，結果更為綜合，本次水質評價利用Matlab R2017b結合兩種方法進行討論。

3 結果與分析

3.1 主要化學組分特征統計

對研究區采集的217組水質樣品的水化學指標統計分析，結果見表1。地下水中pH介于6.80～8.51之間，均值7.62，略偏堿性；TDS含量為191.00～1 370.82 mg/L；TH均值360.34 mg/L，為硬水。不同水文地質分區地下水主要離子質量濃度差異明顯，Ⅰ區地下水主要陽離子平均濃度排序為Ca²⁺＞Mg²⁺＞Na⁺＞K⁺，陰離子平均濃度排序為HCO^-₃＞Cl^-＞SO^2-₄＞NO^-₃；Ⅱ區地下水主要陽離子平均濃度排序為Ca²⁺＞Na⁺＞Mg²⁺＞K⁺，陰離子平均濃度排序為HCO^-₃＞SO^2-₄＞Cl^-＞NO^-₃。全區地下水離子組分中K⁺、Na⁺、Cl^-、SO^2-₄、NO^-₃變異系數較大，存在較強的異質性。

3.2 水化學類型

Piper三線圖常被用于反映區域水化學特征^［11-12］，依據水質檢測數據，繪制了研究區不同水文地質單元的Piper三線圖，結果見圖2。由圖2可知，從陽離子來看，Ⅰ區大部分為鈣型，少部分為無主導型，Ⅱ區則主要為無主導型，自Ⅰ區至Ⅱ區Ca²⁺優勢逐漸減弱，Na⁺+K⁺逐漸增強；從陰離子來看，Ⅰ區和Ⅱ區均主要為重碳酸鹽型。

按照舒卡列夫分類法對地下水水化學類型分類，Ⅰ區水化學類型主要為HCO₃—Ca·Mg型水，廣泛分布于整個山前沖洪積平原，HCO₃·Cl—Ca·Mg型水在個別年份于河道兩旁出現，可能是受地表水影響導

致水力條件差異所致，位于山前沖洪積扇頂部的唐縣園子村多年來均為HCO₃-Ca型水，HCO₃·SO₄-Ca型水只在曲陽縣南養馬村小范圍出現，可能是地區煤礦富集地下水含硫較高所致。Ⅱ區水化學類型自西向東由HCO₃-Ca·Mg型漸變為HCO₃-Na·Ca·Mg型或HCO₃-Na·Mg型。

3.3 地下水水化學特征時空變化

研究區2014～2022年地下水水化學不同離子組分年際變化略有不同，由圖3可知，Na⁺、Mg²⁺、HCO^-₃濃度多年間較為穩定，Ca²⁺、Cl^-、SO^2-₄、TDS濃度在2014～2021年波動下降，2021～2022年明顯上升。結合保定市河道生態補水情況來看，2021、2022年補水量分別為14.82億，14.75億m³，遠超往年。2021年底主要河道常年有水，初步判斷地下水離子濃度的變化與地表水補給有關。

基于2014、2022年兩期水質檢測數據繪制研究區地下水水化學不同離子組分空間分布圖，結果見圖4。各離子組分在2014年和2022年的空間分布較為一致，TDS高值區主要分布在保定市區及其東部、涿州市區等地；Na⁺自西部山前到東部平原表現為逐漸增加，Ca²⁺則表現為逐漸減少；Mg²⁺高值區主要分布在保定市區及其東部區域；HCO^-₃在平原北部自西北向東南逐漸增加，在平原南部則規律不明顯；Cl^-、SO^2-₄高值區主要分布在涿州市區、保定市區及其東部、安國市南部、曲陽縣等地；NO^-₃在西部山前地帶明顯高于東部平原地區。整體來看，保定市區及其東部地處扇間洼地，水動力條件差，地下水徑流滯緩，為各類離子的富集創造了便利條件，加之人類活動的影響使得該區域各離子濃度明顯較高。

3.4 地下水水化學特征成因分析

Gibbs圖廣泛應用于分析水化學的形成機制，其將天然水的控制因素分為降雨作用控制型、巖石風化控制型和蒸發濃縮控制型3種^［13-15］。依據水質檢測數據，繪制了研究區不同水文地質單元的Gibbs圖，結果見圖5。Ⅰ區和Ⅱ區水樣點均分布在中間區域，說明研究區巖石風化作用在Ⅰ區和Ⅱ區水化學組分的形成中起主導作用。

利用Ca²⁺/Na⁺、Mg²⁺/Na⁺和HCO^-₃/Na⁺的離子的毫克當量（γ）比值，可以進一步探討地下水化學離子組分來源^［16］。由圖6可知，Ⅰ區和Ⅱ區水樣點均分布在硅酸鹽巖和碳酸鹽巖控制區，這說明研究區地下水受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風化溶解影響，落點位置差異表示硅酸鹽巖與碳酸鹽巖風化溶解的參與比例不同，隨著地下水徑流運動，自Ⅰ區至Ⅱ區，碳酸鹽巖風化溶解逐漸減小，硅酸鹽巖風化溶解逐漸增大。Ⅰ區落點更靠近碳酸鹽巖控制區，可能是由于該區域地下水受山區側向徑流補給，且山區地層多為元古界白云巖及寒武系灰巖等可溶性碳酸鹽巖類。Ⅱ區落點更靠近硅酸鹽巖控制區，可能是該區域地層巖性主要為砂礫石、砂、黏土等，富含硅酸鹽礦物導致。

Na⁺與Cl^-的毫克當量濃度之比可以用來判斷Na⁺和Cl^-來源。地下水在不受人類活動因素影響的條件下，水中Na⁺和Cl^-主要來源于鹽巖礦物的溶解^［17］。研究區的γ（Na⁺+K⁺）與γ（Cl^-）比值介于0.22～10.13之間，平均值為1.80。由圖7（a）可知，Ⅰ區和Ⅱ區水樣點大部分都分布在1∶1線附近，表明研究區地下水中的Na⁺是通過鹽巖（NaCl）風化溶解而來。部分水樣點分布在1∶1線上方，且該部分水樣點均位于Ⅱ區，可能是由于含鈉的硅酸鹽礦物溶解或者存在陽離子交替吸附作用導致。

地下水中的Ca²⁺和Mg²⁺主要是來自碳酸鹽或硅酸鹽及蒸發鹽的溶解，常用（Ca²⁺+Mg²⁺）和（HCO^-₃+SO^2-₄）的毫克當量之比來分析地下水中Ca²⁺、Mg²⁺的主要來源^［18］。由圖7（b）可知，Ⅰ區和Ⅱ區水樣點大部分都分布在1∶1線附近，說明研究區地下水化學組分受到碳酸鹽和硅酸鹽的雙重影響。Ⅰ區水樣落點大多位于1∶1線偏上，說明碳酸鹽溶解為該區域Ca²⁺、Mg²⁺的主要來源，Ⅱ區水樣落點大多位于1∶1線偏下，說明硅酸鹽溶解為該區域Ca²⁺、Mg²⁺的主要來源。

（Na⁺-Cl^-）與［（Ca²⁺+Mg²⁺）-（HCO^-₃+SO^2-₄）］的毫克當量之比可以判斷地下水是否發生陽離子交替吸附作用，若存在陽離子交替吸附作用，則二者比值應該在-1左右^［19］。由圖7（c）可知，二者呈現顯著的負相關性，擬合直線斜率為-0.718 2（R²=0.754 6），說明陽離子交替吸附作用是研究區地下水化學組分成因的一個重要影響機制。

運用氯堿指數^［20］可以判斷陽離子交替吸附的強弱與方向，由圖7（d）可知，大部分水樣落點位于第三象限，說明研究區發生的為陽離子交替吸附正向反應，即地下水中的Ca²⁺進入含水介質而Na⁺進入地下水，導致Na⁺含量增大，Ca²⁺含量減小，且Ⅱ區水樣落點與原點距離相對Ⅰ區較遠，表明在Ⅱ區陽離子交替吸附反應強于Ⅰ區。

3.5 地下水水質評價

選取檢出率較高且存在超標的pH、TH、TDS、

SO^2-₄、Cl^-、Mn、Zn、NH⁺₄、Na⁺、NO^-₃、F^-、Cr⁶⁺等12項評價因子，運用內梅羅指數法和模糊綜合評價法開展研究區的地下水質量評價，結果見表2。

內梅羅指數法評價結果顯示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水樣品數共計160個，占比73.73%，Ⅳ類和Ⅴ類水樣品數共計57個，占比26.27%。從年際變化來看，2016年和2019年超Ⅲ類水占比最低為19.35%，2021年超Ⅲ類水占比最高為35.48%，2022年相比2014年超Ⅲ類水占比不變，均為25.81%。保定市區與清苑區、徐水區交界地帶和涿州市范蓮鄧村、高碑店市北平景村地下水質量在較多年份超Ⅲ類水標準，主要影響指標為TDS、TH、NO^-₃、Mn、F^-。

模糊綜合評價法評價結果顯示，Ⅲ類水及以上樣品數共計211個，占比97.24%，Ⅳ類水和Ⅴ類水樣品數共計6個，占比2.76%。從年際變化來看，僅2022年超Ⅲ類水占比稍高為9.68%，相比2014年增加了6.45%。在不同年份超Ⅲ類水標準的點位不同，整體來看主要出現在保定市區與清苑區交界地帶和涿州市范蓮鄧村、東田城村，主要影響指標為TDS、TH、NO^-₃。

4 結 論

（1） 研究區地下水略偏堿性，TH均值360.34 mg/L，為硬水。地下水中陰離子以HCO^-₃為主，陽離子在不同水文地質分區略有不同，Ⅰ區陽離子主要為Ca²⁺、Mg²⁺，Ⅱ區陽離子主要為Ca²⁺、Na⁺。自西部山前到東部平原地下水化學類型由HCO₃-Ca·Mg型漸變為HCO₃-Na·Ca·Mg型或HCO₃-Na·Mg型。

（2）研究區地下水中Na⁺、Mg²⁺、HCO^-₃濃度多年間較為穩定，Ca²⁺、Cl^-、SO^2-₄、TDS濃度在2014～2021年波動下降，2021～2022年明顯上升。水化學成分主要受巖石風化、溶濾作用和陽離子交替吸附作用影響。

（3）內梅羅指數法評價結果顯示，Ⅲ類水及以上樣品數占比73.73%，保定市區與清苑區、徐水區交界地帶和涿州市范蓮鄧村、高碑店市北平景村地下水在較多年份超Ⅲ類水標準，主要影響指標為TDS、TH、NO^-₃、Mn、F^-。模糊綜合評價法評價結果顯示，Ⅲ類水及以上樣品數占比97.24%，在不同年份超Ⅲ類水標準的點位不同，整體來看主要出現在保定市區與清苑區交界地帶和涿州市范蓮鄧村、東田城村，主要影響指標為TDS、TH、NO^-₃。

參考文獻：

［1］胡云虎，張付海，鈕志遠，等.皖北地區集中式深層地下水飲用水源地水化學特征及水質評價［J］.中國科學技術大學學報，2014，44（11）：913-920，925.

［2］唐利君，康錦輝，劉桂環，等.銀川平原地下水水化學特征分析及灌溉適用性評價［J］.水利水電快報，2023，44（10）：99-103.

［3］郭春艷，張兆吉，費宇紅.保定市平原區地下水水質特征［J］.環境科學與技術，2014，37（3）：132-135，179.

［4］楊戈芝.白洋淀流域平原區淺層地下水污染風險評價及預測［D］.西安：長安大學，2021.

［5］劉宜鑫，商佳濤，錢會，等.西安主城區地下水化學特征及水質評價［J］.環境化學，2022，41（6）：1976-1987.

［6］楊森，李義連，姜鳳成，等.高店子幅水化學特征及水質評價［J］.地質科技情報，2019，38（2）：226-234.

［7］韓宇，卞建民，谷天雪，等.松原市地下水水化學參數特征及變化規律［J］.吉林農業大學學報，2016，38（2）：175-181.

［8］江宇威，李巧，陶洪飛，等.奎屯河流域地下水水化學特征及成因分析［J］.人民長江，2024，55（5）：66-74.

［9］李亞松，張兆吉，費宇紅，等.內梅羅指數評價法的修正及其應用［J］.水資源保護，2009，25（6）：48-50.

［10］白凡，周金龍，曾妍妍.吐魯番盆地平原區地下水水化學特征及水質評價［J］.干旱區研究，2022，39（2）：419-428.

［11］蔡小虎，康叢軒.錢塘江下游濱江地區地下水水化學特征與水質評價［J］.人民長江，2023，54（6）：27-33.

［12］QIAN C，WU X，MU W，et al.Hydrogeochemical characterization and suitability assessment of groundwater in an agro-pastoral area，Ordos Basin，NW China［J］.Environmental Earth Sciences，2016，75（20）：1-16.

［13］GIBBS R J.Mechanisms controlling world water chemistry［J］.Science，1970，170（3962）：1088-1090.

［14］LI Z，YANG Q，YANG Y，et al.Isotopic and geochemical interpretation of groundwater under the influences of anthropogenic activities［J］.Journal of Hydrology，2019，576：685-697.

［15］MARANDI A，SHAND P.Groundwater chemistry and the Gibbs Diagram［J］.Applied Geochemistry，2018，97：209-212.

［16］馮建國，魯統民，高宗軍，等.新泰市地下水水化學特征及成因探討［J］.山東科技大學學報（自然科學版），2020，39（1）：11-20.

［17］魏興，周金龍，乃尉華，等.新疆喀什三角洲地下水化學特征及演化規律［J］.環境科學，2019，40（9）：4042-4051.

［18］劉偉江，袁祥美，張雅，等.貴陽市巖溶地下水水化學特征及演化過程分析［J］.地質科技情報，2018，37（6）：245-251.

［19］朱春芳，龔建師，周鍇鍔，等.豐沛平原淺層地下水化學特征分析［J］.地球與環境，2022，50（6）：797-804.

［20］THAKUR T，RISHI M S，NAIK P K，et al.Elucidating hydrochemical properties of groundwater for drinking and agriculture in parts of Punjab，India［J］.Environmental Earth Sciences，2016，75（6）：1-15.

（編輯：劉 媛）

Hydrochemical characteristics and water quality assessment of groundwater in

Baoding Plain，Hebei Province

YE Fei^1，2，ZUO Tianyuan³，ZHAO Yuchuan^1，2，ZHANG Ce^1，2，FU Qiang^1，2

（1.Hebei Geological Environmental Monitoring Institute，Shijiazhuang 050021，China； 2.Hebei Key Laboratory of Geological Resources and Environment Monitoring and Protection，Shijiazhuang 050021，China； 3.College of Water Resources and Environment，Hebei GEO University，Shijiazhuang 050031，China）

Abstract： Since comprehensive management of excessive groundwater exploitation in the North China Plain was carried out by the Ministry of Water Resources in 2014，the groundwater level in the Baoding Plain has gradually risen.However，there remains a lack of systematic research on the chemical elements and quality changes of groundwater in the Baoding Plain.Using 217 sets of shallow groundwater samples collected from the Baoding Plain between 2014 and 2022，we first used Mathematical statistics，the Piper diagram，Gibbs diagram，and ion ratio method to analyze the hydrochemical characteristics，spatial distribution，and major controlling factors，and then adopt the Nemerow index method and fuzzy comprehensive evaluation method to evaluate the groundwater quality.The results showed that：① The anions in the groundwater were dominated by HCO^-₃，while the cations were dominated by Ca²⁺ and Mg²⁺ in the piedmont alluvial plain area （Zone I），and Ca²⁺ and Na⁺in the alluvial plain area （Zone Ⅱ）.From the western piedmont to the eastern plain，the hydrochemical types of groundwater gradually changed from HCO₃-Ca·Mg type to HCO₃-Na·Ca·Mg type or HCO₃-Na·Mg type.② The concentrations of Na⁺，Mg^2+， and HCO^-₃ in the groundwater of the study area have remained relatively stable，while the concentrations of Ca²⁺，Cl^-，SO^2-₄ and TDS fluctuated and decreased from 2014 to 2021，and then increased significantly from 2021 to 2022.The chemical composition of groundwater was mainly affected by rock weathering，dissolution and filtration，and alternate cation adsorption.③ The water samples evaluated as Class Ⅲ and above by the Nemerow index method and the fuzzy comprehensive evaluation method accounted for 73.73% and 97.24%，respectively，indicating that the groundwater quality has been relatively stable over the years.The findings provide valuable scientific data for the sustainable utilization of groundwater resources in the Baoding Plain.

Key words： groundwater；hydrochemical characteristics；water quality assessment；Baoding Plain