安新縣地下水多組分含量分析及水質(zhì)評價

賈亮亮，田曉華，劉華杰

（1河北省水文工程地質(zhì)勘查院，石家莊 050021；2河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北保定 071002）

0 引言

地下水作為水資源的重要組成部分，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，保障了糧食安全生產(chǎn)[1]。地下水是與環(huán)境（自然地理、地質(zhì)背景以及人類活動）長期互相作用的產(chǎn)物，化學(xué)成分比較復(fù)雜[2-3]。河北省主要的供水水源就是地下水，特別是在河北平原的廣大農(nóng)村、壩上高原等地區(qū)，甚至是唯一可利用的水源。地下水分布范圍廣、儲存量大、自我調(diào)節(jié)能力強、能以豐補歉、供水安全保障程度高，但是一旦污染難以恢復(fù)[4-7]。

雄安新區(qū)生態(tài)文明建設(shè)非常重要，地下水水質(zhì)情況更是與人類健康息息相關(guān)，是雄安新區(qū)建設(shè)的重中之重。堅持生態(tài)優(yōu)先，全面落實習(xí)總書記“以水定城、以水定地、以水定產(chǎn)、以水定人”的重要指示精神為出發(fā)點。本研究結(jié)合安新縣地理位置和水文地質(zhì)條件，采取45組地下水，通過儀器分析和容量分析有機結(jié)合的方式對地下水中多種化學(xué)組分進(jìn)行快速準(zhǔn)確測定，對分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析及水化學(xué)特征研究，按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)對水質(zhì)現(xiàn)狀予以評價[8]。研究結(jié)果對該區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用和科學(xué)管理提供依據(jù)，摸清安新縣地下水水質(zhì)現(xiàn)狀的同時，對促進(jìn)該區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，具有重要的理論和實際意義[9-12]。

1 研究區(qū)概況

安新縣隸屬于河北省保定市，由雄安新區(qū)代管，屬暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候。安新縣因受歷史上冀中拗陷和黃河改道及太行山東麓永定河、滹沱河沖積扇的影響，形成特殊形貌，屬扇前洼地堆積區(qū)。西、南、北有沖積洼地平原，東有華北平原最大的淡水湖泊-白洋淀。含水層巖性以細(xì)砂為主，厚度一般60～100 m，地下水補給、徑流條件較差，深層地下水富水性呈現(xiàn)由北向南逐漸減小的趨勢，南部單井涌水量一般1000～3000 m3/d，北部一般3000～5000 m3/d。

2 試驗方法

2.1 樣品采集

為了了解安新縣地下水的水質(zhì)狀況，以評價適應(yīng)農(nóng)村人、畜飲用，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為目的，選取有代表性的地段采取水樣。本次調(diào)查共取地下水45組，研究區(qū)取樣點分布圖，見圖1。

圖1 取樣點分布圖

具體水樣采集方法如下：用聚乙烯瓶作為采樣瓶，水樣采集前先用蒸餾水清洗3次，再用待采集水樣潤洗3次。根據(jù)不同的測試指標(biāo)，加入相應(yīng)的保護(hù)劑，主要目的是為了防止采取的水樣發(fā)生氧化、還原、吸附等物理、化學(xué)變化。取樣后密封保存，送至實驗室檢測。樣品從取樣、保存、送檢均按標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格管理，操作過程按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法水樣的采集與保存》中所規(guī)定的方法進(jìn)行。

2.2 樣品測定

鉀、鈉、鎂、鈣采用ICP-OES測定；氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽采用離子色譜法測定；氟化物、偏硅酸采用紫外分光光度法測定；總硬度采用EDTA絡(luò)合滴定法；重碳酸鹽采用酸堿滴定法；溶解性總固體采用重量分析法。

2.3 統(tǒng)計分析

用Shapiro-Wilk test檢驗每個指標(biāo)的數(shù)據(jù)分布是否符合正態(tài)分布(P≥0.05)，發(fā)現(xiàn)14個指標(biāo)中僅pH和偏硅酸符合正態(tài)分布,。因此，以箱式圖展示各指標(biāo)的數(shù)據(jù)變異，以小提琴圖展示數(shù)據(jù)分布，以變異系數(shù)(coefficient of variation，CV')表示數(shù)據(jù)的離散程度，計算公式如(1)所示。

其中Q3為上四分位數(shù)，Q1為下四分位數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品測定結(jié)果

從野外采取的水質(zhì)樣品帶回實驗室，按照2.2要求，對采樣點各組分進(jìn)行檢測，測試結(jié)果見表1。

表1 采樣點各組分測試結(jié)果

續(xù)表1

3.2 地下水化學(xué)特征

研究區(qū)45組地下水水樣的水化學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 45組地下水水化學(xué)參數(shù)

由表2可知：該區(qū)地下水在pH 7.02～8.43之間，均值為pH 7.74，屬偏弱堿性水。在各評價指標(biāo)中，pH和偏硅酸空間變異最低(CV＜30%)；K+和NO3-的空間變異性最高(CV＞100%)；其余指標(biāo)的空間變異中等(CV：30%～100%)。地下水中陽離子均值由大到小順序為：Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，以Na+為主；陰離子均值由大到小依次為 HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-，以HCO3-為主。

為了顯示45組地下水多組化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)的分布狀態(tài)以及概率密度，通過數(shù)理統(tǒng)計分析，做了小提琴箱式圖，圖中清晰顯示了所有化學(xué)組分實驗數(shù)據(jù)的分布特征，詳見圖2。

圖2 箱式圖

3.3 地下水水化學(xué)類型

本研究采用前蘇聯(lián)學(xué)者舒卡列夫分類法對水化學(xué)分類[13]，以毫克當(dāng)量大于25%作為劃分類型，研究區(qū)水樣的分析結(jié)果共計6種，但以HCO3-Na型為主，HCO3·SO4-Na·Mg型次之。為進(jìn)一步反映水樣的化學(xué)類型及各種離子的相對含量，采用三元相圖對研究區(qū)內(nèi)的地下水進(jìn)行水化學(xué)分析及統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。在陽離子三角圖中（圖3a），水樣點大部分落在三角形的頂部，鈣鎂離子缺乏；在陰離子三角圖中（圖3b），水樣點落在三角形的右上部，氯化物貧乏。地下水水化學(xué)類型以為HCO3-Na型水為主，與舒卡列夫分類法研究結(jié)果一致。

圖3 三元相圖

3.4 空間分布格局

使用主成分分析(PCA)將水化學(xué)參數(shù)根據(jù)其相關(guān)系數(shù)進(jìn)行降維，簡化水化學(xué)特征的空間分布格局。由于pH和偏硅酸含量符合國家III類水標(biāo)準(zhǔn)且變異低，故對除這二項之外的其他水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行的PCA分析，見圖4。

圖4 45個樣點地下水水化學(xué)參數(shù)的空間分布圖

通過PCA作圖可知，B2481和B2487點位的F-、Na+異常；B0480點位的SO42-異常；B2381和B2656點位的總硬度異常。原因分析如下：

本次調(diào)查取樣，B2481點位氟化物高于地下水質(zhì)量III類標(biāo)準(zhǔn)，可能是地下沉積物中有CaF、NaF等無機形態(tài)存在，外加含氟量較高的母質(zhì)礦物遇水溶解造成的，這與氟化物的分布規(guī)律與地貌類型相吻合[14]。

B0480點位SO42-高于地下水質(zhì)量III類標(biāo)準(zhǔn)，可能是因為安新縣部分區(qū)屬壤質(zhì)土沖積平原，由于河流多次交互沉積以及剝蝕沉積作用，形成了微度起伏的地形和一些中小地貌，而這種特殊的地形地貌有可能造成此地下水中硫酸鹽偏高[15]。

B2381和B2656點位的總硬度遠(yuǎn)高于地下水質(zhì)量III類標(biāo)準(zhǔn)，有可能是鹽效應(yīng)的影響。B2381和B2656點位的TDS均＞1000 mg/L，在TDS較高的地下水中，離子強度增大，離子對數(shù)量增多，游離態(tài)離子數(shù)量減少，外加方解石、白云巖、含鎂的硅酸鹽的溶解效應(yīng)，使更多的鈣、鎂進(jìn)入地下水中從而導(dǎo)致總硬度升高[16]。

3.5 水質(zhì)評價

地下水水質(zhì)現(xiàn)狀評價是地下水資源評價和保護(hù)的重要內(nèi)容，通過對地下水水化學(xué)資料的分析，可以科學(xué)地評價區(qū)域地下水體的質(zhì)量狀況。本研究參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)作為評價依據(jù)，對有地下水質(zhì)量分類（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類）賦予值的5個化學(xué)組分進(jìn)行水質(zhì)評價。單指標(biāo)評價，按指標(biāo)值所在的限值范圍確定地下水質(zhì)量類別，指標(biāo)限值相同時，從優(yōu)不從劣；地下水質(zhì)量綜合評價，按單指標(biāo)評價結(jié)果最差的類別確定，評價結(jié)果如圖5。

圖5 45個樣點地下水氣泡圖

4 結(jié)論

通過野外調(diào)查取樣，對研究區(qū)內(nèi)的45組地下水進(jìn)行快速準(zhǔn)確檢測，獲得實驗結(jié)果。綜合運用描述性數(shù)理統(tǒng)計分析，分析了安新縣地下水的主要離子特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了水質(zhì)評價，得到以下結(jié)論：

（1）該區(qū)地下水偏弱堿性，水化學(xué)類型以HCO3-Na型為主。

（2）在各個指標(biāo)中，pH和偏硅酸的變異系數(shù)小于30%，說明pH和偏硅酸值相對較穩(wěn)定；K+和NO3-的變異系數(shù)大于100%，說明其含量在空間上存在較強的變異性；其余評價指標(biāo)的變異系數(shù)介于30%～100%，顯示出中等變異性。

（3）水質(zhì)評價結(jié)果表明，改區(qū)地下水水質(zhì)總體情況較好，多為Ⅲ類水。少數(shù)地區(qū)地下水化學(xué)組分含量較高，評價結(jié)果為Ⅳ類，適用于農(nóng)業(yè)和部分農(nóng)業(yè)用水，但適當(dāng)處理后仍可做生活飲用水。