江蘇沛縣水源地地下水化學(xué)特征及成因分析

何建國

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院(中國煤炭地質(zhì)總局檢測中心)，江蘇徐州 221006；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221006)

地下水具有水質(zhì)良好、不易被污染、多年調(diào)節(jié)性等優(yōu)勢，是我國城市和農(nóng)村地區(qū)生產(chǎn)生活用水的重要來源。徐州沛縣位于江蘇省西北部，區(qū)內(nèi)人口密集，是江蘇省重要的農(nóng)作基地，區(qū)域具有較豐富的地下水資源，然而，受區(qū)域自然、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及賦存于地下水與巖土相互作用等多種原生因素的影響，區(qū)域地下溶解性總固體和氟化物含量偏高[1-4]，在一定程度上制約了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展，因此開展區(qū)域地下水水質(zhì)特征及其成因分析具有重要的研究意義。

徐州市水文地質(zhì)工作開始于20世紀(jì)50年代末，后續(xù)省、市水文地質(zhì)隊、環(huán)境管理部門在江蘇豐沛銅等區(qū)域陸續(xù)開展了水文地質(zhì)調(diào)查工作，對第四系潛水，以及第四系、新近系承壓含水層水及巖溶地下水水資源利用、水質(zhì)特征及變化均開展過調(diào)查[5-8]。本文在深入分析沛縣水源地及周邊水質(zhì)監(jiān)測井第Ⅲ承壓含水層化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，對其成因進行了深入研究，為沛縣環(huán)境和水利主管部門地下水資源保護和利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

沛縣水源地位于沛縣縣城區(qū)域，面積約10km2，本次根據(jù)水源地及監(jiān)測點的分布情況，將沛縣整個縣城作為研究區(qū)域，面積100km2。沛縣主要發(fā)育地層有寒武系、奧陶系，石炭系中上統(tǒng)、二疊系，侏羅系上統(tǒng)，新近系和第四系，區(qū)內(nèi)主要的基底構(gòu)造豐-沛斷裂呈東西向。區(qū)域地下含水層按照含水層之間的水力聯(lián)系和富水程度從上而下可分為五個含水層，即全新統(tǒng)潛水含水層、上更新統(tǒng)承壓含水層(I承壓含水層)、中更新統(tǒng)承壓含水層(II承壓含水層)、下更新統(tǒng)承壓含水層(Ⅲ承壓含水層)和新近系承壓含水層。其中水源地主要賦層位為下更新統(tǒng)承壓含水層，含水層頂板埋深在72～150m，底板埋深在75～176m，含水巖組分布廣，富水性較好，在張莊—沛城東關(guān)以北地區(qū)含水層巖性為泥質(zhì)細(xì)砂，單井涌水量500～1 000m3/d，是豐沛區(qū)域供水主要含水層，水質(zhì)特征為HCO3-Ca·Na或Cl·SO4-Na·Ca·Mg型水。目前，下更新統(tǒng)承壓含水層以東北方向的側(cè)向徑流補給為主，因受開采影響，已形成以沛城-大屯為中心的水位降落漏斗，農(nóng)村地區(qū)對該層水的開采強度亦有所加大，人工開采成為其唯一排泄途徑。

2 水樣及巖土樣的采集與測試

筆者收集了研究區(qū)水文地質(zhì)報告、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等資料，在此基礎(chǔ)上，選取了沛縣區(qū)域內(nèi)9口水井的第Ⅲ含水層進行水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測，并委托阜陽某鉆探工程公司于2020年7月在沛縣縣城西南約10km，水源地流經(jīng)方向上游施工1口水文地質(zhì)勘探孔，采集下更新統(tǒng)承壓含水層第Ⅲ承壓含水層的水樣、含水層砂層樣和隔水層黏土樣品進行測試(圖1)。水質(zhì)測試分析方法和標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)為GB/T5750《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》和GB T14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，土樣測試方法主要依據(jù) GB/T50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，該井單井出水約111.36m3/d，水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布Figure 1 Study area position and sampling points distribution

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水化學(xué)基本特征

3.1.1 地下水參數(shù)統(tǒng)計特征

表1 地下水水化學(xué)成分統(tǒng)計Table 1 Statistics of groundwater hydrochemical components

3.1.2 水化學(xué)類型分析

在對研究區(qū)第III承壓含水層9個水井地下水水化學(xué)基本組分特征分析的基礎(chǔ)上，通過Piper三線圖法和舒卡列夫分類法分析其水化學(xué)類型[9-10]，由圖2可知，第III承壓水的水樣點分布在左側(cè)陽離子的三角形的右下側(cè)，對于陰離子，主要分布在陰離子三角形的中部偏右上側(cè)，表明其陽離子以Na++K+為主，陰離子以HCO3-為主。通過水樣點分布在菱形中的區(qū)域表明其水化學(xué)特征為Cl-+SO42->50%。按舒卡列夫分類，第III含水層水質(zhì)特征：HCO3-Na·Ca 或 HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水，研究區(qū)大部區(qū)域的礦化度在1 100～2 000 mg/L，為微咸水。

圖2 第III承壓含水層Piper 三線圖Figure 2 Piper trilinear chart of confined aquifer III

3.1.3 地下水各組分的相關(guān)性分析

表2 第III含水層中常規(guī)離子與TDS值的Spearman相關(guān)系數(shù)Table 2 Spearman correlation coefficients between routine ions and TDS values in confined aquifer III

3.2 地下水控制因素分析

3.2.1 自然因素

圖3 第III承壓含水層Gibbs圖Figure 3 Gibbs diagram of confined aquifer III

3.2.2 地質(zhì)與水文地質(zhì)因素

華北平原屬于黃河沖積平原，在沖積平原的形成過程，由于多沙性黃河不斷淤積和決口改道，形成主要由沙組成的河道帶，十分有利于地下水組分的溶濾及遷移，而處于河間地帶的豐沛區(qū)域成為泛流地帶，易使地下水鹽分積累，黃河再泛濫時，形成洼地沉積物，導(dǎo)致區(qū)域Na+、K+、Cl-含量增高[13-14]。此外，研究區(qū)內(nèi)深層水補給源來自北東地勢較高的魯西南山區(qū)[15]，區(qū)域碳酸鹽巖和變質(zhì)巖、花崗巖發(fā)育，由于碳酸鹽巖易溶蝕及部分巖石中易被淋濾元素遷移，同時研究區(qū)位于黃河沖積平原下游及泛流帶洼地，含水砂層薄，顆粒細(xì)，砂性土與黏性土交互沉積，地下水的徑流條件較差，造成補給區(qū)域地下水化學(xué)組分不易遷移的元素在含水層內(nèi)濃縮聚集，導(dǎo)致區(qū)域地下水硬度偏高，溶解性總固體(TDS)濃度也呈上升趨勢，這也與前文中的地下水各離子組分的相關(guān)性分析相對應(yīng)。

對于地下水中氟化物，整個華北平原含量普遍偏高，究其原因主要是黃河沖積平原形成的巨厚黏土、粉質(zhì)黏土中含有大量的氟化物，加之區(qū)域偏干旱的氣候條件導(dǎo)致土壤鹽漬化加重形成偏堿性的水土環(huán)境，促進了氟化物的活化和富集；其次，魯西南沖積平原區(qū)的更新統(tǒng)和新近系孔隙含水層中的氟化物溶解遷移至處于地勢低洼的河間地帶，也推動了氟化物濃度進一步提高[15-16]。

3.3 含水層介質(zhì)溶釋因素

圖4 第III承壓含水層砂巖浸出離子濃度與地下水中離子濃度對比Figure 4 Comparison between confined aquifer III sandstone leaching-out ion concentration and ion concentration in groundwater

表3 第III承壓含水層砂巖水溶性試驗結(jié)果Table 3 Confined aquifer III sandstone water-solubility tested results mg·kg-1

4 結(jié)論

1)沛縣地下水應(yīng)急水源地第III承壓含水層pH值6.58～7.91，平均值為7.46，屬弱堿性，變異系數(shù)0.04，可以看出研究區(qū)地下水酸堿變化幅度較小，整體較穩(wěn)定；研究區(qū)TDS值在441.00～1 660.00mg/L，平均值為1 104mg/L，屬微咸水，水質(zhì)類型以HCO3-Na·Ca 或 HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水為主。

2)由Gibbs圖可知，研究區(qū)第III承壓含水層地下水化學(xué)類型主要受巖石風(fēng)化作用影響，基本不受大氣降雨作用影響和蒸發(fā)結(jié)晶影響。

3)研究區(qū)位于黃河沖積平原河間泛流地帶，易形成洼地沉積物導(dǎo)致，同時魯西南山區(qū)碳酸鹽地下水補給以及區(qū)域平原區(qū)地下水徑流不暢，導(dǎo)致地下水化學(xué)組元素在含水層內(nèi)濃縮聚集升高，造成溶解性總固體(TDS)濃度偏高；含水層中砂巖的溶釋作用，也是造成溶解性總固體(TDS)濃度偏高原因。

4)黃河沖積平原形成的巨厚黏土、粉質(zhì)黏土中含有大量的氟化物以及區(qū)域偏干旱的氣候條件和魯西南沖積平原區(qū)的含有氟化物地下水的補給，是導(dǎo)致氟化物偏高的原因。