宿州市城西水源地地下水化學(xué)特征及水質(zhì)評價(jià)

梁華

（宿州市水政監(jiān)察支隊(duì)，安徽 宿州 234000）

引言

水是人類及自然界賴以生存的重要資源，也是生物體最重要的組成部分。近年來，在世界范圍內(nèi)，由于工農(nóng)業(yè)污染的輸入，地表水環(huán)境狀況已不容樂觀。相比而言，地下水賦存于地面以下巖石空隙之中，由于眾多隔水層的存在，其儲存環(huán)境相對封閉，不易受外界污染，這恰恰是地下水作為生產(chǎn)、生活用水的優(yōu)勢所在。有研究統(tǒng)計(jì)，在華北平原，有超過1 億人口的日常用水來自地下水，且地下水已占據(jù)總淡水供應(yīng)的90%[1]。

宿州是一個(gè)極其依賴地下水資源的城市，《2019 年宿州市水資源公報(bào)》顯示，2019 年埇橋區(qū)總用水量為3.3147 億m3，其中地下水用量高達(dá)2.091 億m3。城西水源地作為宿州市主要供水水源地之一，每年可向城區(qū)近60 萬人口供水5400 余萬m3，其水質(zhì)的優(yōu)劣事關(guān)重大。近年來有關(guān)宿州市地表水的研究已有大量報(bào)道，但地下水水質(zhì)問題并未受到相應(yīng)的關(guān)注[2-5]。

基于此，本文以宿州市城西水源地淺部含水層（一含和二含）中的地下水為研究對象，在系統(tǒng)采樣并測試其常規(guī)離子含量的基礎(chǔ)上，通過多種水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)（中國地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14848-2017）、內(nèi)梅羅污染指數(shù)、鈉百分比）分析，對水樣進(jìn)行系統(tǒng)的水質(zhì)污染、飲用和灌溉評價(jià)，以期為后續(xù)宿州地下水資源的管理提供一定依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及含水層簡介

宿州市位于安徽省北部，素有安徽省北大門之稱，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)116°09′-118°10′，北緯33°18′-34°38′。宿州地屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，夏季多雨，冬季干旱，四季氣候分明。年均降水量為865mm，且降雨集中于6 至8 月份，占全年降水量的57%。年均氣溫為14.6℃，最低氣溫為-23.2℃，最高氣溫達(dá)40.3℃。

依據(jù)地下水貯水介質(zhì)的特征及含水孔隙的類型，研究區(qū)主要含水層從淺至深依次可劃分為：松散巖類孔隙含水層、碎屑巖類孔隙含水層、碳酸鹽巖類含水層以及巖漿巖類裂隙含水層。其中，松散巖類孔隙含水層又可進(jìn)一步劃分為三個(gè)次生含水層：第一含水層（以下簡稱“一含”）、第二含水層（以下簡稱“二含”）和第三含水層（以下簡稱“三含”）。

表1 水樣主要離子(單位：mg/L)和理化參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2 數(shù)據(jù)收集與分析

2.1 采樣及測試

本文一共收集宿州市城西水源地淺層地下水樣品43 個(gè)，包括：一含水樣20 個(gè)，二含水樣23 個(gè)。采樣時(shí)首先現(xiàn)場測試pH值，后用預(yù)清潔的聚乙烯瓶裝樣、密封送至實(shí)驗(yàn)室恒溫（4℃）保存，并于 一 周內(nèi) 完 成常規(guī)離子（Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-）濃度測試。其中，Na+、Ca2+和Mg2+通過陽離子色譜儀（ICS-900）進(jìn)行測試，Cl-和SO42-通過陰離子色譜儀（ICS-600）進(jìn)行測試，HCO3-通過酸堿滴定法測試。

2.2 分析方法

數(shù)據(jù)分析主要通過以下兩個(gè)方面進(jìn)行：（1）描述離子含量特征及劃分水化學(xué)類型；（2）通過中國地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)梅羅污染指數(shù)（NPI）、鈉百分比（%Na+）分別進(jìn)行水質(zhì)類型、污染和灌溉評價(jià)。

3 結(jié)果與討論

3.1 離子含量特征

宿州市城西水源地淺層地下水常規(guī)水化學(xué)濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。從表1 中可知，一含水樣常規(guī)離子含量平均值從大到小 為：HCO3-（519mg/L）＞Na+（118mg/L）＞SO42-（72mg/L）＞Ca2+（54mg/L）＞Cl-（45mg/L）＞Mg2+（42mg/L）。此外，TDS 含量變化范圍為532-1328mg/L（平均值為847mg/L）。pH 變化范圍為7.1-8.8（平均值為7.7），為中至微堿性水。相比而言，二含水樣具有更高的Ca2+、Cl-、HCO3-及更低的Na+、Mg2+、SO42-、TDS 含量平均值。其常 規(guī) 離 子 含 量 變 化 范 圍 為：51-202mg/L（Na+）、35-116mg/L（Ca2+）、25-68mg/L（Mg2+）、11-230mg/L（Cl-）、14-110mg/L（SO42-）和437-869mg/L（HCO3-）。TDS 變化范圍為427-816mg（平均值為563mg/L），且所有水樣的TDS 值均符合淡水標(biāo)準(zhǔn)。pH 變化范圍和平均值與一含水樣一致。

圖1 一含和二含水樣Piper 圖

表2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果

3.2 水化學(xué)類型

地下水從補(bǔ)給區(qū)流向排泄區(qū)的過程中，其水化學(xué)類型會相應(yīng)從HCO3-型向Cl-和SO42-型轉(zhuǎn)變。因此，劃分水化學(xué)類型對于研究地下水的演化具有重要意義。本文采用Piper 圖來劃分水化學(xué)類型（圖1）。從圖1 中可看出，一含和二含水樣分布位置相互交錯(cuò)，陽離子三線圖中呈中偏右的趨勢，表明兩個(gè)含水層中的地下水陽離子以Na+和Mg2+為主，陰離子三線圖中集中于左側(cè)三角區(qū)域，表明一含和二含水中陰離子中HCO3-占據(jù)絕對優(yōu)勢。因此，宿州市城西水源地地下水水化學(xué)類型可劃分為：Na-HCO3型（一含14 個(gè)、二含17 個(gè)）、Mg-HCO3型（一含5 個(gè)、二含4 個(gè)）和Ca-HCO3型（一含1 個(gè)、二含2 個(gè)）。

以上結(jié)果顯示，兩個(gè)含水層的徑流條件良好，大氣降雨可能是主要的補(bǔ)給源，且含水層中水巖相互作用程度低，水化學(xué)組成較為相似，表明二者存在一定程度的水力聯(lián)系，也進(jìn)一步證實(shí)了越流補(bǔ)給的存在。

4 水質(zhì)評價(jià)

4.1 基于國標(biāo)的地下水質(zhì)量評價(jià)

根據(jù)我國2017 年最新頒布的地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848-2017）[6]，III 類水中Na+、SO42-、Cl-、TDS 的標(biāo)準(zhǔn)限值分別為200mg/L、250mg/L、250mg/L 和1000mg/L，此外，pH 的范圍為6.5 pH 8.5。結(jié)合表1 可以看出，一含和二含水中Na+、SO42-、Cl-、TDS 和pH 平均值均可達(dá)到國家III 類水標(biāo)準(zhǔn)，僅個(gè)別一含水中的Na+和TDS 含量存在輕微超標(biāo)。

4.2 水質(zhì)污染評價(jià)

內(nèi)梅羅指數(shù)法是目前國內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算最常用的幾個(gè)方法之一[7]。本文選取Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和TDS 六個(gè)因子進(jìn)行污染評價(jià)，具體的計(jì)算公式如下：

式(1)中：Px、Cx和Sx分別為評價(jià)因子x 的污染指數(shù)、實(shí)測濃度和標(biāo)準(zhǔn)濃度值（根據(jù)世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)[8]規(guī)定各評價(jià)因子濃度限值如下：TDS 為1000mg/L，Na+為200mg/L，Ca2+為300mg/L，Mg2+為30mg/L，Cl-為250mg/L，SO42-為250mg/L）。式(2)中：PN為內(nèi)梅羅污染指數(shù)，Pmax和Pavg分別為Px的最大值和平均值。根據(jù)PN 值大小可將水質(zhì)劃分為五個(gè)等級（表2）。由表2 可知，兩個(gè)含水層的水質(zhì)均達(dá)到II 類水及以上。此外，一含水中I 類水占比45%，相對而言，二含水水質(zhì)更為優(yōu)良，I 類水占比達(dá)74%。這種情況是由于一含距離地表較近，更容易受到污染（地表污水入滲、灌溉水回滲等），而且部分污染物質(zhì)可通過層間越流向二含傳遞。

4.3 水質(zhì)灌溉評價(jià)

對于水質(zhì)灌溉評價(jià)的方法目前有多種，例如鈉吸附比（SAR）、鈉百分比（%Na+）、殘留碳酸鈉（RSC）、滲透指數(shù)（PI）等。本文采用最常用的鈉百分比對水樣進(jìn)行水質(zhì)灌溉評價(jià)。各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表4 所示。研究表明，若灌溉水中Na+濃度過高，則Na+會置換粘土顆粒中的Ca2+和Mg2+，使土的滲透性變差，從而導(dǎo)致土壤的結(jié)構(gòu)被破壞，影響農(nóng)作物的生長。因此，查明灌溉水陽離子中Na+的相對含量具有重要意義。鈉百分比可以量化Na+與Ca2+和Mg2+之間的交換強(qiáng)度。二者計(jì)算公式如下：

如表3 所示，鈉百分比法表明，一含水中優(yōu)質(zhì)、良好、中等和下等灌溉水分別為2、6、8 和4 個(gè)，二含水中9 個(gè)為良好型灌溉水、13 個(gè)水樣為中等型灌溉水，僅一個(gè)水樣為下等型灌溉水。

表3 水質(zhì)灌溉評價(jià)結(jié)果

5 結(jié)論

5.1 研究區(qū)淺部地下水呈中至微堿性，陽離子以Na+和Mg2+為主，陰離子中HCO3-占絕對優(yōu)勢，水化學(xué)類型主要為Na-HCO3型，其次為Mg-HCO3型。除5 個(gè)一含水樣外，其余水樣TDS 值均符合淡水標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 與國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對比發(fā)現(xiàn)，絕大部分地下水符合III 類水標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)梅羅指數(shù)分析，部分淺層地下水受到輕微污染，且二含水質(zhì)優(yōu)于一含。

5.3 水質(zhì)灌溉指標(biāo)（%Na+）表明，除4 個(gè)一含水樣和1 個(gè)二含水樣外，其余水樣均能達(dá)到灌溉要求。