馮國平，高宗軍，蔡五田，呂永高，郭 林

（1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；3.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001）

1 研究背景

地下水是人類賴以生存的重要資源，是我國城鎮(zhèn)化快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)糧食增產(chǎn)的戰(zhàn)略保障［1］。地下水質(zhì)量的優(yōu)劣對居民生活飲用水和糧食安全具有重要影響，地下水水質(zhì)對污染因子較為敏感，容易受到自然因素和人為因素等影響，主要是受工礦企業(yè)廢水、農(nóng)田化肥和城鎮(zhèn)居民生活污水影響［2］。因此，進行區(qū)域地下水水質(zhì)評價及影響因素分析是較為迫切的任務(wù)，對地下水污染防治和水資源保護具有重要意義。目前，有關(guān)地下水水化學(xué)及水質(zhì)的研究頗多，如劉偉坡等［3］開展了海原縣山前地下水化學(xué)特征分析，得知從南華山、西華山補給區(qū)至鴨兒澗排泄區(qū)，地下水水化學(xué)類型由重碳酸型漸變?yōu)橹靥妓?硫酸型、硫酸-氯型等，從補給區(qū)至徑流區(qū)至排泄區(qū)，水化學(xué)類型形成先以溶濾作用為主，變?yōu)橐躁栯x子交替吸附作用為主，最后變?yōu)橐哉舭l(fā)-濃縮作用為主；錢聲源等［4］開展了焦作地區(qū)地下水水化學(xué)特征分析及水質(zhì)評價研究，得知水體離子組分變化主要受碳酸鹽、硫酸鹽和巖鹽等風(fēng)化溶濾作用影響，研究區(qū)淺層、深層地下水水質(zhì)狀況整體較好；何澤等［5］對滹沱河流域淺層地下水污染的分子生物學(xué)響應(yīng)特征進行研究，采用累積概率分布法將樣品分為背景（B）、硝酸鹽污染（N）、有機污染（Y）3組，該分類閾值與地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅲ類水閾值可較好對應(yīng)；柳鳳霞等［6］開展了銀川地區(qū)地下水水化學(xué)特征演化規(guī)律研究及水質(zhì)評價，得知1991—2016年研究區(qū)地下水化學(xué)組分未發(fā)生明顯變化，為偏堿性硬水，地下水水質(zhì)基本滿足生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，地下水化學(xué)組分及水質(zhì)受到水文地質(zhì)條件、蒸發(fā)濃縮作用、巖石風(fēng)化作用、補給水成分及人類活動的綜合影響。然而，針對豫北山前修武地區(qū)地下水水化學(xué)及水質(zhì)方面的研究較少，修武地區(qū)人口密度較大，分布有大量煤炭、化工、機械電子及金屬加工等企業(yè)，受工礦企業(yè)生產(chǎn)活動影響，地下水開采量逐年增多，受污染面積不斷增大。為此，于2018年6月在修武地區(qū)分層采集地下水樣品42件、地表水樣品3件，利用數(shù)理統(tǒng)計、Piper三線圖、模糊數(shù)學(xué)綜合法、相關(guān)性分析和Gibbs圖等開展地下水化學(xué)特征分析及水質(zhì)評價，并分析其主要影響因素，以期為該區(qū)地下水污染防治及可持續(xù)開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

修武縣位于太行山南麓焦作市東部，研究區(qū)范圍為113°18′05″E—113°30′00″E，35°04′36″N—35°27′53″N，主要包括修武縣城及周邊地區(qū)，面積約400 km2。研究區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量560.4 mm，主要集中在6—8月份；總體地勢呈“北高南低、西高東低”，地貌類型由北向南為構(gòu)造侵蝕低山（Ⅰ1）、構(gòu)造侵蝕丘陵（Ⅰ2）、坡洪積斜地（Ⅱ1）、沖洪積扇形地（Ⅱ2）、沖洪積扇間洼地（Ⅱ3）、沖洪積扇前洼地（Ⅱ4）及黃沁河沖積平原（Ⅲ1）；主要河流有大沙河、新河、南水北調(diào)渠、山門河和紙坊河，見圖1，屬海河流域的衛(wèi)河水系。

圖1 修武地區(qū)地下水取樣點位置分布Fig.1 Location of groundwater sampling points in Xiuwu area

地下水主要類型有碳酸鹽巖巖溶水和松散巖類孔隙水。巖溶水分布在北部奧陶系和寒武系灰?guī)r山區(qū)，巖溶水動態(tài)變化受大氣降水和人工開采影響。松散巖類孔隙水分布在山前平原區(qū)，含水層以卵礫石、中細(xì)砂為主，具有良好的賦水條件，補給來源主要是大氣降水補給、基巖山區(qū)側(cè)向補給及河渠入滲補給；自然徑流方向是從北部基巖山區(qū)、南部黃沁河沖積平原向中部扇前洼地徑流，但受人工開采和礦坑排水影響，局部地區(qū)地下水流場發(fā)生變化，導(dǎo)致大沙河水補給地下水，地下水主徑流方向變?yōu)槲鞅?東南向；排泄方式主要是人工開采、礦坑排水和潛水蒸發(fā)。研究區(qū)上、下含水巖組之間有一層10～20 m的粉質(zhì)黏土和黏土（圖2），圖中XZ4代表鉆孔4，橫線下方的數(shù)值60代表鉆孔深度為60 m，依此類推。地下水水力聯(lián)系較弱，根據(jù)含水巖層埋深情況，可以分為淺層水和深層水，以埋深70 m為界線，淺層水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，深層水主要用于工業(yè)用水及居民生活用水。

3 數(shù)據(jù)來源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

修武地區(qū)地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心“豫北山前沖洪積扇含水層水質(zhì)調(diào)查”項目，地下水取樣點位置見圖1，現(xiàn)場測試指標(biāo)為pH值、水溫、電導(dǎo)率、溶解氧和氧化還原電位，委托譜尼測試集團實驗室測試無機組分37項、有機組分28項。

3.2 研究方法

運用SPSS 20統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)理統(tǒng)計分析水化學(xué)參數(shù)指標(biāo)，利用Piper三線圖和舒卡列夫分類法探討修武地區(qū)地下水水化學(xué)類型及空間分布特征，運用模糊數(shù)學(xué)綜合法進行水質(zhì)評價，同時運用相關(guān)性分析和Gibbs圖等分析其主要影響因素。

圖2 修武地區(qū)西北-東南向水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Northwest-Southeast hydrogeological profile of Xiuwu area

4 地下水水化學(xué)特征分析

4.1 水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征

修武地區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)特征統(tǒng)計結(jié)果見表1。如表1所示，淺層水、深層水和地表水整體呈弱堿性，地下水水樣pH值范圍為6.67～7.82，均值為7.32；淺層水的TDS（Total Dissolved Solids，溶解性固體總量）平均值為1 296.44 mg/L，屬于微咸水，而深層水和地表水的TDS均＜1 000 mg/L，屬于淡水；淺層水的總硬度（Total Hardness，TH）、TDS均大于深層水和地表水，這是由于淺層水埋深較淺且徑流緩慢，水巖作用充分，蒸發(fā)濃縮作用強烈，導(dǎo)致水中離子濃度升高。淺層水和深層水的陽離子濃度排序均為Na＋＞Ca2＋＞Mg2＋＞K＋，陰離子濃度排序均為說明淺層水和深層水的水化學(xué)組分相同，兩者可能存在水力聯(lián)系；而地表水的陽離子濃度排序為Ca2＋＞Na＋＞Mg2＋＞K＋，陰離子濃度排序為分析可知地下水與地表水水化學(xué)組分相似，地表水滲漏補給地下水可能會影響地下水水質(zhì)。地下水中陰陽離子平均濃度呈淺層水＞深層水的關(guān)系，說明淺層水水質(zhì)相對較差。一般情況下，變異系數(shù)CV≤0.1為弱變異，0.1＜CV＜1.0為中等變異，CV≥1.0為強變異［7］。分 析 可 知 淺 層 水 的和屬于強變異，深層水的和F-屬于強變異，說明這些離子在地下水中分布不穩(wěn)定，可能受到人類污染影響。地表水的K＋和屬于強變異，說明河流兩岸的煤場、電廠和化工廠等排放的廢水對地下水水質(zhì)影響較大。

4.2 水化學(xué)類型及空間分布特征

修武地區(qū)地下水Piper三線圖見圖3。如圖3所示，淺層水和深層水點分布特征具有規(guī)律性。淺層水點分布規(guī)律：在陽離子三線圖中，從北部沖洪積扇至南部黃沁河沖洪積平原，沿地下水主徑流方向，Ca2＋減小，Na＋＋K＋增大，而Mg2＋變化不大；在陰離子三線圖中，表現(xiàn)為減小，Cl-和增大。深層水點水化學(xué)分布規(guī)律與淺層水相似。3個地表水點均位于地下水陰陽離子濃度區(qū)間內(nèi)，說明地表水對地下水水化學(xué)特征有影響。

依據(jù)舒卡列夫分類法（即水中主要離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)＞25%的離子參與命名，由大到小排列，陰離子在前，陽離子在后，中間用橫杠隔開）［8］進行地下水水化學(xué)類型分類，可知淺層水水化學(xué)類型分為18種，TDS范圍為450～3 980 mg/L，說明研究區(qū)淺層水水化學(xué)類型較為復(fù)雜。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件、水化學(xué)類型及潛在污染源分布情況，將淺層水概化為7個水化學(xué)分區(qū)，結(jié)果見圖4。由圖4可知，淺層水水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Mg型為主，這是研究區(qū)背景水質(zhì)狀況。周莊鎮(zhèn)-小張莊村-亮馬村-五里源鄉(xiāng)以北的沖洪積扇含水層為粗、中砂，透水性較好，水化學(xué)類型主要是HCO3-Ca·Mg型；五里源鄉(xiāng)、東板橋村和東韓王村地下水受到工廠、養(yǎng)殖場和生活廢水等影響，出現(xiàn)HCO3·SO4-Ca·Mg型。至扇前洼地，地勢較為平坦，含水介質(zhì)主要是中細(xì)砂，地下水徑流緩慢且埋深較淺，蒸發(fā)濃縮作用強烈，造成大沙河沿岸主要是HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca型；而且局部地區(qū)受到工礦企業(yè)廢水影響，較高濃度的和Cl-通過溶濾作用穿過包氣帶進入地下水，造成東板橋村以南地區(qū)和高村鄉(xiāng)東部地區(qū)出現(xiàn)SO4·Cl-Na·Mg·Ca型，周莊鎮(zhèn)以南地區(qū)出現(xiàn)Cl-Na·Mg·Ca型。過渡到黃沁河沖洪積平原，受大沙河上游較差水質(zhì)和工礦企業(yè)廢水影響，高村鄉(xiāng)以南地區(qū)出現(xiàn)條帶狀SO4-Na·Mg型；大沙河中下游HCO3·SO4型地表水補給下游地下水，造成修武縣城出現(xiàn)HCO3·SO4-Na·Mg型。

表1 地下水水化學(xué)參數(shù)特征統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical results of groundwater's chemical parameters

圖3 Piper三線圖Fig.3 Piper's plot

圖4 修武地區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型分布Fig.4 Hydrochemical plot of shallow groundwater in Xiuwu area

5 水質(zhì)評價

修武地區(qū)地下水系統(tǒng)較為脆弱，地下水容易受到污染，水質(zhì)評價能夠科學(xué)地掌握地下水質(zhì)量整體情況，為研究區(qū)地下水污染防治和保護提供理論支撐［6］。選取耗氧量和Mn 12項評價因子，依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）［9］，運用模糊數(shù)學(xué)綜合法對42個地下水樣品進行水質(zhì)評價。結(jié)果顯示，研究區(qū)Ⅰ類水樣品有18個，Ⅱ類水的有1個，Ⅲ類水的有7個，Ⅳ類水的有3個，Ⅴ類水的有13個?？梢?，Ⅰ類—Ⅲ類水（即Ⅲ類水及以上）水樣占總樣品的61.9%，修武地區(qū)地下水水質(zhì)整體較好。修武地區(qū)地下水水質(zhì)影響因子統(tǒng)計情況見圖5。如圖5所示，除外，其它11項評價因子對水質(zhì)均有影響，影響程度依次為耗氧量，這些影響因子主要來源于工礦企業(yè)、農(nóng)田化肥及生活廢水，說明地下水水質(zhì)受人類活動影響較大。

圖5 水質(zhì)影響因子柱狀圖Fig.5 Histogram of impact factors of water quality

根據(jù)水質(zhì)評價結(jié)果進行水質(zhì)分區(qū)，見圖6。結(jié)果顯示，Ⅲ類水及以上水質(zhì)在全區(qū)分布廣泛，主要分布在大沙河以北地區(qū)，也分布在周莊鎮(zhèn)南部河流交匯地區(qū)和修武縣城，接受北部基巖山區(qū)HCO3型水側(cè)向補給、新河水或大沙河中游水滲漏補給，受人為污染影響較?。虎纛愃植荚跂|板橋村西南、縣城以東和河流上游局部地區(qū)；Ⅴ類水主要分布在研究區(qū)南部及東南部地區(qū)，在五里源鄉(xiāng)北局部地區(qū)及周莊鎮(zhèn)東部地區(qū)也有分布，這些地區(qū)分布有大量工礦企業(yè)和養(yǎng)殖場，地下水水質(zhì)受人為污染較為嚴(yán)重。

圖6 地下水水質(zhì)分區(qū)Fig.6 Zoning of groundwater quality

6 影響因素分析

6.1 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可以反映地下水化學(xué)組分間關(guān)聯(lián)程度及水化學(xué)來源的一致性及差異性［10］。如表2所示，淺層水和深層水的TDS與除pH值、K＋、NO3-外的其它7項指標(biāo)相關(guān)性均較好，其中淺層水的TDS與呈高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)＞0.8，說明淺層水的Na＋、Mg2＋、Cl-和含量對TDS影響較大；而深層水的Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、和F-對TDS影響較大。淺層水中Cl-與Na＋、Ca2＋和Mg2＋相關(guān)性較好，可能產(chǎn)生巖鹽礦物溶解，Cl-也可能來源于工礦企業(yè)和生活污水輸入［4］。與Na＋、Ca2＋和Mg2＋呈中等相關(guān)，可能發(fā)生石灰?guī)r和白云巖等碳酸鹽巖礦物風(fēng)化溶解［3］。與Na＋、Mg2＋呈高度相關(guān)，與Ca2＋呈中等相關(guān)，可能發(fā)生含石膏或其它硫酸鹽沉積巖溶解，SO42-也可能來源于煤場、焦化廠及電廠等排放廢水。F-與Na＋、Mg2＋呈中等相關(guān)，說明F-能促進Na＋、Mg2＋溶解，F(xiàn)-主要來源于含氟礦物溶解及化工廠排放廢水［11］。深層水的與Na＋、Ca2＋和Mg2＋均呈高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)＞0.8，說明其陰離子與陽離子之間關(guān)聯(lián)程度較高，共同作用于地下水。與其它離子相關(guān)性較弱，單獨對地下水水化學(xué)產(chǎn)生影響。

表2 修武地區(qū)地下水化學(xué)影響因素相關(guān)系數(shù)Table 2 Coefficient of correlation among impact factors of groundwater chemical in Xiuwu area

6.2 原因分析

修武地區(qū)地下水水質(zhì)是受自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果，自然因素包括大氣降水、地表水、北部基巖山區(qū)巖溶水及地下水徑流過程中發(fā)生的物理化學(xué)作用，而人為因素主要包括工礦企業(yè)、養(yǎng)殖場、農(nóng)業(yè)活動及生活廢水等。此外，地下水徑流條件也對地下水水質(zhì)有影響。

6.2.1 自然因素對地下水的影響

圖7 修武地區(qū)地下水Gibbs圖Fig. 7 Gibbs plot of groundwater in Xiuwu area

為研究地下水徑流過程中發(fā)生的物理化學(xué)作用，將淺、深層水點進行 Gibbs圖解［13］。由圖7可知，淺層水的 TDS范圍為 450～3420mg/L，陽離子質(zhì)量濃度比值為 0.1387～0.8056，數(shù)據(jù)點分布在 巖石控制區(qū)，并在蒸發(fā)濃縮作用下向右上角方向移動，說明淺層水水化學(xué)主要受巖石作用控制，也受蒸發(fā)濃縮作用影響。范圍外的地下水點受人為污染較嚴(yán)重。深層水跟淺層水發(fā)生的水化學(xué)作用大致相同。修武地區(qū)地下水水化學(xué)類型受北部基巖山區(qū)石灰?guī)r含水巖組控制，在山前沖洪積扇為 HCO3-Ca·Mg型水，水中溶解了大量的和Mg2＋，沿地下水徑流方向與含水砂巖發(fā)生水巖作用，砂巖中富含鈣、硅等礦物，地下水中 Ca2＋、Mg2＋達到濃度飽和后會發(fā)生沉淀作用，巖鹽礦物溶解達到平衡后會發(fā)生陽離子交換作用，Na＋置換水中高濃度Ca2＋和Mg2＋，造成地下水中Na＋離子含量增大，而且蒸發(fā)濃縮作用也會增加Na＋、Cl-濃度，進而影響修武地區(qū)地下水水質(zhì)。

6.2.2 水動力條件對地下水的影響

如圖8所示，受研究區(qū)地勢及水文地質(zhì)條件影響，地下水主徑流方向是由西北沖洪積扇向東南部黃沁河沖洪積平原徑流，沿程水力梯度逐漸減小，徑流速度逐漸減慢，蒸發(fā)濃縮作用增強，地下水中Ca2＋、Mg2＋和含量逐漸減小和Cl-含量逐漸增大，造成大沙河沿岸地下水出現(xiàn)HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca型、SO4·Cl-Na·Mg·Ca型、SO4-Na·Mg型和Cl-Na·Mg·Ca型水。地下水徑流過程中包氣帶厚度逐漸增大，水巖作用充分，導(dǎo)致地下水的TH、TDS增大?？h城地區(qū)大量開采地下水用于城市建設(shè)、居民生活飲用和農(nóng)業(yè)灌溉，導(dǎo)致局部地下水水位下降，改變了自然狀態(tài)下的地下水流場，大沙河水補給下游地下水，導(dǎo)致縣城地區(qū)出現(xiàn)HCO3·SO4-Na·Mg型水。水源地聯(lián)合井大量開采地下水，造成亮馬村地區(qū)出現(xiàn)地下水下降漏斗，而北王莊東北、五里源鄉(xiāng)及馬村街道局部地區(qū)地下水抽采量較大，水位也有小幅度下降，人工開采改變了研究區(qū)地下水水動力場，影響地下水水質(zhì)。

圖8 修武地區(qū)地下水流場Fig.8 Groundwater flow field in Xiuwu area

6.2.3 人為因素對地下水的影響

修武地區(qū)分布有電廠、煤礦、鋁業(yè)、化工廠等十余家工礦企業(yè)，也有化學(xué)制劑廠、皮毛加工廠、設(shè)備制造廠等20余家高污染企業(yè)，分布位置見圖9。電廠和煤礦主要排放物是含硫廢水，鋁業(yè)主要排放物是赤泥，主要污染因子是氟化物、硫酸鹽等，化工廠和化學(xué)制劑廠主要排放物是化工廢水，皮毛加工廠和設(shè)備制造廠主要排放物是工業(yè)廢水，含有大量重金屬等。煤礦排放廢水造成五里源鄉(xiāng)北部地區(qū)出現(xiàn)V類地下水，而小張莊村、修武縣城地區(qū)分布有大量高污染工業(yè)，排放的污染物通過溶濾作用等途徑污染地下水水質(zhì)，造成大沙河沿岸、縣城周邊地區(qū)出現(xiàn)IV、V類水，主要是SO4型、SO4·Cl型及Cl型水。研究區(qū)農(nóng)田面積較廣，村鎮(zhèn)居民區(qū)及養(yǎng)殖場較多，由于主要來源于農(nóng)田化肥、養(yǎng)殖場及生活污水等，分析可知研究區(qū)地下水中平均含量較低，超標(biāo)水點主要位于大沙河沿岸農(nóng)田區(qū)及五里源鄉(xiāng)北局部地區(qū)。此外，修武地區(qū)西部是焦作市工業(yè)園區(qū)，工業(yè)活動導(dǎo)致大沙河水受到污染，污染的大沙河水流入研究區(qū)后側(cè)向補給地下水，也造成大沙河南部地區(qū)地下水質(zhì)較差。

圖9 修武地區(qū)人類活動分布示意圖Fig.9 Distribution of human activities in Xiuwu area

7 結(jié) 論

（2）淺層水和深層水主要以HCO3-Ca·Mg型為主，呈明顯水平分帶特征。大沙河以北地區(qū)淺層地下水主要是HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca·Mg型，大沙河沿岸地下水主要是HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca型，大沙河以南地區(qū)地下水較為復(fù)雜，有HCO3·SO4-Na·Mg型、SO4·Cl-Na·Mg·Ca型和SO4-Na·Mg型這3種類型。

（3）水質(zhì)評價結(jié)果顯示，Ⅲ類水及以上水樣占總樣品的61.9%，認(rèn)為修武地區(qū)地下水水質(zhì)整體較好，主要影響指標(biāo)是總硬度、TDS、硫酸鹽、鈉鹽、氟化物和鐵。

（4）地下水水化學(xué)主要受巖石作用控制，也受蒸發(fā)濃縮作用影響，局部地區(qū)地下水受大氣降水、地表水、水動力條件及人為因素影響。煤炭、鋁業(yè)和化工等工礦企業(yè)排放的廢水廢渣是造成修武地區(qū)地下水污染的主要原因。