種凱琳

(鄭州商學院，河南 鞏義 451200)

地下水水化學特征的組成是研究水文地質(zhì)學和水化學的重要內(nèi)容，且受到基巖性質(zhì)、地形、礦物溶解等多方面的影響[1，2]。山前沖洪積扇水質(zhì)好、水量大，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)園區(qū)都在這里選址；是下游平原的補給區(qū)，大量工業(yè)企業(yè)會造成污染且多為復合結構含水層，具有獨特的水力性質(zhì)和遷移轉化特征，特別是地表河流出山口部位，含水層結構復雜具有典型的意義。

前人對山前沖洪積扇的地下水化學特征及其形成作用開展了較多的研究工作，取得了一系列成果。汪生斌等[3]對格爾木河沖洪積平原區(qū)的水位動態(tài)特征影響因素分析，劃分出不同地下水位動態(tài)區(qū)域；張運濤[4]等運用環(huán)境同位素和水化學的方法對南太行山前平原不同水體的來源進行分析，得出影響地下水動態(tài)的原因；顧曉敏等[5]用ArcGIS的地統(tǒng)計學模塊，對昌平區(qū)山前地下水的空間變異性進行分析，得出人類活動和自然原因對地下水的影響程度。本文以焦作市太行山前沖洪積扇為例，對地下水水化學特征及其形成作用進行探討。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)大地構造位于太行山復背斜隆起帶南段東翼，屬山前傾斜平原地帶，地層走向北東向，傾向南東向，傾角8°～12°。研究區(qū)巖溶裂隙發(fā)育，為地下水提供了良好的儲水空間和徑流通道。地下水總體流向受構造控制，尤其在斷層帶附近巖溶裂隙相對發(fā)育，常常形成強富水、導水帶，是研究區(qū)的補給邊界。地下水主要補給來源為大氣降水，屬石灰?guī)r巖溶水系統(tǒng)。

本文以焦作市北部太行山前關河以南九里山斷層以北范圍作為研究區(qū)。地貌以低山侵蝕溝谷向山前平原(孔隙水的主要富水層位)過渡為主，地勢總體來說北高南低。研究區(qū)四季分明，年平均降水量560.4 mm，屬于暖溫帶大陸性季風氣候。根據(jù)以往礦山工作，研究區(qū)地層出露主要為第四系，巖性為坡積碎石(Q4dl)、沖洪積黃土狀土及碎石、人工填土為(Qml)沖洪積粉質(zhì)粘土及碎石，下部為中奧陶統(tǒng)(O2)。研究區(qū)主要含水層為第四系松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類巖溶裂隙水，前者較薄且不連續(xù)，以卵礫石、中細沙和細沙為主；后者主要為石炭系奧陶系灰?guī)r和寒武系鮞?；?guī)r，分布在山前地帶，總厚度約為800 m，是焦作市主要的供水水源含水層。補給來源為大氣降水，排泄以人工開采、泉、蒸發(fā)和側向徑流為主，巖溶裂隙水主要以大氣降水和地表水的滲漏補給為主，以泉群、人工開采，礦坑排水為主。

1.2 研究方法

本次地下水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)均來自野外調(diào)查取樣， 2018年5月，對焦作市山前沖洪積扇區(qū)進行了系統(tǒng)的野外考察和采樣，采樣點的分布情況如圖1，采集水樣共28個(均采自民井)。采樣時用RTK定點并現(xiàn)場記錄井深、水溫、pH、溶解氧、電導率等指標。

圖1 研究區(qū)取樣分布圖

測試指標包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、NO3-、Cl-、F-、HCO3-、其中HCO3-采用酸堿滴定法測定，其余采用離子色譜法測定，樣品送至河南理工大學重點實驗室進行水樣化學全分析。根據(jù)實驗室測試結果，結合SPSS分析軟件對所測實驗數(shù)據(jù)進行多元統(tǒng)計分析(描述性統(tǒng)計、Pearson相關性分析等)，并用AqoQA軟件繪制主要陰陽離子piper三線圖，利用excle軟件繪制Gibbs圖及結合因子分析的方法，并依據(jù)研究區(qū)相關地質(zhì)研究資料，分析水化學的主要成因。

2 結果與分析

2.1 地下水水化學組成

基于測試結果對研究區(qū)水化學參數(shù)特征進行初步統(tǒng)計，結果見表1。由表1可知：地下水中K+的濃度為0.76～3.50 mg/L，Na+的濃度為3.26～48.10 mg/L，Ca2+的濃度為28.92～75.52 mg/L，Mg2+的濃度為0.73～3.39 mg/L，Cl-的濃度為4.95～33.12 mg/L，SO42-的濃度為28.31～133.66 mg/L，HCO3-的濃度為184.79～341.861 mg/L。地下水pH值為7.34～8.38，均值7.78，呈中性偏弱堿性。TDS 介于207.05～385.95 mg·L-1之間，礦化度較高。

研究區(qū)地下水常量組分為HCO3-、SO42-、Cl-、Na+，其次為Ca2+、Mg2+。從離子濃度均值來看HCO3->SO42->Ca2+>NO3->Na+>Cl->F-，陽離子以Ca2+為主，陰離子以HCO3-為主。Na+、Cl-離子的變異系數(shù)相對較大，說明這兩種離子是隨著環(huán)境因素變化的敏感因子，也是決定地下水水化學組分鹽化的作用的主要變量。此外pH的均值為7.78，TDS的均值為270.67 mg/L，F(xiàn)-含量平均值為0.29 mg/L。研究區(qū)地下水總體為弱堿性，硫酸鹽、氯化物、氟化物均達到一類水質(zhì)標準，與之前研究者對該區(qū)淺層地下水研究結果水質(zhì)情況較好，說明研究區(qū)多層復合結構對地下水的水質(zhì)起到了凈化作用。

表1 水化學參數(shù)統(tǒng)計特征

2.2 水化學類型

地下水的水化學特征是含水層與地下水流速之間內(nèi)在機理相互作用的結果，所以含水層的礦物巖石特征與地下水的水化學特征是有密切聯(lián)系的[6-8]。水化學類型的分類是對地下水化學成分相同或相近的水進行分類，目前使用最廣泛的是舒卡列夫分類法。利用AqoQA軟件繪制研究區(qū)水樣主要陰陽離子piper三線圖，結果見圖2。從圖2中可以看出，研究區(qū)地下水水樣水化學類型主要有Ca-HCO3、Ca-HCO3-SO4、Ca-Na-HCO3-SO4、Na-Ca-HCO3-SO4。地下水樣品中有90%的水樣位于5區(qū)，水化學性質(zhì)以堿土和弱酸為主；地表水樣位于7區(qū)，水化學類型以堿金屬和強酸為主。說明該區(qū)地下水中陽離子以Ca2+為主，陰離子以HCO3-、SO42-為主，結合研究區(qū)地質(zhì)構造、水文地質(zhì)條件，說明是碳酸鹽和石灰?guī)r風化的結果；地表水樣品中陽離子以Na+、Ca2+為主，陰離子以SO42-、HCO3-為主。

圖2 研究區(qū)水樣Piper三線圖解

2.3 水化學參數(shù)相關性分析

對研究區(qū)28個采樣點的11個水化學參數(shù)作Pearson相關性分析，結果見表2，從表2中可以看出，Na+、Mg2+、SO42-、Cl-與TDS 之間有明顯的正相關關系，相關系數(shù)達到0.75以上為研究區(qū)地下水的主要組分，也是溶解性總固體的主要控制者。Cl-與TDS質(zhì)量濃度之間相關系數(shù)達0.918，相對較高，說明Cl-濃度大小與空間分布對TDS 有著較重要的作用。Cl-與Na+、Mg2+、SO42-的相關性均在0.89以上，成顯著相關關系，這表明地下水的Na+和Mg2+主要來自于氯鹽和硫酸鹽；SO42-與Na+、Mg2+、Ca2+之間也存在較高的相關性。大氣降水吸收空氣和土壤中的CO2，滲入到裸漏的基巖含水層，溶解碳酸鹽中的方解石、白云石、石膏等，同時由于太行山區(qū)地質(zhì)構造復雜，地下水的排泄徑流條件較好，水交替作用強烈，不斷進行溶濾作用，形成了HCO3-Ca型為主的水化學類型。

表2 研究區(qū)水化學關系相關系數(shù)矩陣

2.4 巖石風化與礦物溶解作用

為了定性的分析水化學的控制因素，采用Gibbs圖法來分析，結果見圖3，根據(jù)TDS與地下水或地表水中陰離子Cl-/(Cl-+HCO3-)和陽離子(Na+/Na++Ca2+)的比值來確定水化學作用是受到降水控制、巖石風化和蒸發(fā)濃縮的影響。高TDS高比值為蒸發(fā)濃縮型，代表此種類型的點分布在圖的右上角；中TDS中低比值為巖石風化型，代表此種類型的點分布在圖的中左部；低TDS高比值為降水控制型，代表此種類型的點分布在圖的右下角。從圖3中的分布可以看出，TDS的范圍在200～500 mg/L之間，且分布較為集中，主要為巖石風化控制區(qū)，差異不明顯。

圖3 研究區(qū)水樣Gibbs圖

2.5 因子分析

從補給區(qū)到排泄區(qū)，天然水一直與周圍巖石或者沉積物發(fā)生水巖交互作用，因此不同的巖性成分和沉積物會造成地下水水化學組分的差異，因此可以根據(jù)水中某些離子內(nèi)部規(guī)律來推測其來源，通常來說，可溶性礦物的溶解(硅酸鹽、碳酸巖鹽、蒸發(fā)巖鹽、硫化物礦物)會改變地下水水化學組分的變化。而因子分析能夠有效的通過降低數(shù)量維數(shù)的方法來融合水化學常規(guī)離子間的信息，系統(tǒng)的反應地下水水化學的某種成因，通過研究眾多變量之間的內(nèi)部依賴關系，解釋存在于水化學之間的錯綜復雜的關系[9-11]。

表3 旋轉因子荷載表

對由原始測試數(shù)據(jù)中TDS、EC、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-等十項水質(zhì)指標運用主成分提取、方差最大正交旋轉等因子分析方法進行因子分析，計算得到的相關系數(shù)矩陣的特征值、貢獻率、累計貢獻率以及旋轉因子荷載表見表3。根據(jù)特征值大于1的原則，選取了2個公因子，即F1、F2，他們的累積貢獻率達到79.092%，可以反應樣品79.092%的信息。因子1以TDS、EC、Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO42-為主，其貢獻率為57.275%，Na+、K+和Cl-的相關性，表明含水介質(zhì)易溶于鹽對化學組分的影響，含水層中巖鹽礦物的溶解產(chǎn)生的Na+、K+和Cl-影響著水化學的組分。Mg2+和SO42-的相關性說明硫酸鹽的溶解使得Mg2+、SO42-的含量增多，使得TDS增大，白云石礦物的溶解對水化學組分有一定的影響。因子2的貢獻率為21.818%，其中TDS、Ca2+、HCO3-、NO3-的因子荷載值較大，表明方解石礦物的溶濾作用對水化學組分的影響；該區(qū)初露的大量的碳酸鹽，當雨水滲入到土壤時，氧化土壤中的有機物，溶解CaCO3使Ca2+和HCO3-富集。NO3-是農(nóng)業(yè)工業(yè)生活的污染源，由于研究區(qū)位于某工廠附近，反應了工業(yè)對水化學的影響。

3 結語

(1)焦作市太行山前復合含水結構中地下水總體為弱堿性，硫酸鹽、氯化物、氟化物均達到一類水質(zhì)標準，水質(zhì)較好。

(2)研究區(qū)地下水陽離子以陽離子以Ca2+為主，陰離子以HCO3-為主，水化學類型主要有Ca-HCO3、Ca-HCO3·SO4、Ca·Na-HCO3·SO4、Na·Ca-HCO3·SO4。

(3)Gibbs圖表明研究區(qū)的水化學類型形成的原因主要為巖石風化和礦物溶解。因子分析結果進一步表明含水層中巖鹽礦物的溶解產(chǎn)生的Na+、K+和Cl-影響著水化學的組分；Mg2+和SO42-的相關性說明硫酸鹽的溶解控制著Mg2+、SO42-的含量，表明方解石礦物的溶濾作用對水化學組分的影響；碳酸鹽的風化，溶解CaCO3使Ca2+和HCO3-富集。