柳西亞

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響日趨嚴(yán)重，地下水的過量開采和水質(zhì)污染等問題日漸突出，嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展[1]。通過地下水監(jiān)測(cè)工程的實(shí)施，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全國地下水動(dòng)態(tài)的有效監(jiān)測(cè)，以及對(duì)大型平原、盆地及巖溶山區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的區(qū)域性監(jiān)控和地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、各部門和社會(huì)提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的地下水動(dòng)態(tài)信息，滿足科學(xué)研究和社會(huì)公眾對(duì)地下水信息的基本需求，為優(yōu)化配置、科學(xué)管理地下水資源，防治地質(zhì)災(zāi)害，保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，為水資源可持續(xù)利用和國家重大戰(zhàn)略決策提供基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。該工程實(shí)施后，雖全面掌握了地下水水位、水質(zhì)等現(xiàn)狀基本情況，卻未對(duì)水質(zhì)成因進(jìn)行進(jìn)一步分析。由于過量使用農(nóng)藥化肥、工業(yè)中各種污染物的不斷排放，導(dǎo)致淺層地下水水質(zhì)不斷惡化。本文通過地下水水化學(xué)成分分析，研究離子間的相關(guān)性與演變規(guī)律，可以更好地揭示地下水與環(huán)境的相互作用機(jī)制，為環(huán)境資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省南部地區(qū)，主要包括南陽、平頂山、駐馬店、信陽地區(qū)，除南陽屬江漢平原南陽盆地外，其余屬黃淮沖洪積平原。

南陽盆地是一個(gè)西、北、東三面環(huán)山、微向東南傾斜開口的半開啟扇形盆地，處于我國“第二臺(tái)階”與“第三臺(tái)階”的交匯處，北部開闊，向南逐漸收縮，河流間的部分河間地塊之中有槽型洼地的存在，平原和山區(qū)之間的交接帶零星分布有壟狀和鼓狀崗地[2]。

平頂山地區(qū)為豫西山地向淮河平原的過渡地帶，海拔高度大多在300～700 m之間[3]。西部以山地為主，最高山峰位于魯山縣西部邊界的堯山，海拔2 153.10 m。東部以平原為主，襄城縣于莊村海拔64.50 m。在低山和平原之間，分布著高低起伏的丘陵。從北往南看，大體有三列山地夾兩組河谷平原。北部是箕山，中部是外方山的東段及平頂山市區(qū)以北的落鳧山等低山，南部則是伏牛山東段及其余脈。北部夾北汝河沖積平原，南部夾沙河、澧河等沖積平原[4]。

駐馬店和信陽地區(qū)除西部小部分(泌陽縣西部)屬于長江流域外，大部分屬于淮河流域。主要有山地、丘陵、平原。山地分布在西部與南部，主要以低山為主，部分地區(qū)為中山，海拔高程一般500～1 500 m，相對(duì)高度200～600 m。在商城縣東南部的中山區(qū)域其山坡陡峻，陡崖峭壁林立，河流橫切山體，多呈峽谷；低山地區(qū)山勢(shì)相對(duì)較低緩。組成巖性為變質(zhì)巖、侵入巖及沉積巖。丘陵分布于西部及南部的山前地帶，海拔高程一般200～500 m，相對(duì)高度一般小于200 m。組成巖性為變質(zhì)巖、侵入巖、沉積巖。平原分布在中、東部的廣大地區(qū)，按形態(tài)分為崗狀平原和低緩平原。坡洪積崗狀平原零星分布于泌陽縣等地區(qū)的山前地帶。地形起伏不平，海拔高程100～220 m。沖溝發(fā)育，切割深度2～15 m，由下更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)坡洪積物組成。沖洪積崗狀平原分布于西部、南部山前地帶，地形起伏較大，淮河以南海拔高程50～120 m，南高北低，向北偏東方向傾斜，淮河以北，海拔高程80～150 m。沖溝發(fā)育，切割深度10～20 m，由中更新統(tǒng)和上更新統(tǒng)沖洪積物組成。崗狀平原在低緩平原區(qū)亦有分布—上蔡縣的上蔡崗狀平。 低緩平原分布中東部廣大地區(qū)，低緩平原按成因分為沖湖積低緩平原和沖積低緩平原。

本次研究的地下水主要為賦存在第四系含水層中的孔隙潛水，由細(xì)砂、中細(xì)砂、中砂、含礫粗砂、粉土及粉質(zhì)粘土等組成。

1-采樣點(diǎn)位；2-高速公路；3-河流；4-市界；5-城市；6-鄉(xiāng)村圖1 淺層地下水采樣位置圖

2 工作方法

2.1 樣品采集

本次研究的數(shù)據(jù)來源為國家地下水監(jiān)測(cè)工程河南省部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，共采集淺層地下水(采樣深度為50 m以淺)121組，分布于南陽55組，平頂山12組，駐馬店35組，信陽19組。布置原則主要為：(1)在水文地質(zhì)單元和含水層層序劃分的基礎(chǔ)上，依據(jù)地質(zhì)環(huán)境背景和水文地質(zhì)條件進(jìn)行布設(shè)。(2)以順沿地下水流向?yàn)橹髋c垂直地下水流向?yàn)檩o相結(jié)合布設(shè)，做到點(diǎn)線面相結(jié)合，垂向上層次分明。(3)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與面上控制相結(jié)合的原則。對(duì)重要人口密集區(qū)、糧食基地、工業(yè)基地、能源基地、國家重點(diǎn)工程建設(shè)區(qū)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)、地質(zhì)環(huán)境問題突出區(qū)等，進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)；對(duì)人口稀疏、地下水開發(fā)程度低的地區(qū)，進(jìn)行一般性控制。野外采用GPS定位，采樣時(shí)間為2016年7-9月。

2.2 測(cè)試指標(biāo)

測(cè)試指標(biāo)有：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、Al3+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、NO2-、F-、Br-、I-、Zn、Cu、Pb、Cd、Se、Hg、Mn、As、Ag、Cr6+、Sb、H2SiO3、總 硬 度、游離CO2、CODMn、洗滌劑、氰化物、酚類、溶解性總固體(TDS)、色度、濁度、口味、氣味、pH等。

2.3 測(cè)試結(jié)果

淺層地下水分析結(jié)果表明，Cu、Cr6+、Cd、Se、Ag、Cr6+、Sb、洗滌劑、氰化物、酚類指標(biāo)含量除個(gè)別水樣外，均未檢出，檢出值均低于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)[5]中Ⅰ類水上限，因此，在做統(tǒng)計(jì)時(shí)將這些指標(biāo)舍棄。從其余指標(biāo)的含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出(表1)，原始數(shù)據(jù)中最大值與最小值相差幾倍到幾十倍，最大的145倍(K+)。

表1 水樣檢測(cè)結(jié)果

河南省南部地區(qū)淺層地下水pH值介于6.80～8.36之間，平均值為7.29，屬于中性偏弱堿性水。按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB14848-2017)中Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)嚴(yán)重的離子為NO3-，超標(biāo)率為31.40%；其次為Mn、Fe3+、Al3+、總硬度，超標(biāo)率大于10%；Pb、F-、CODMn、TDS、I-、Zn、Cl-、SO42-、Hg、NO2-，有個(gè)別點(diǎn)超標(biāo)。

從數(shù)據(jù)上看，研究區(qū)淺層地下水中Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、F-、I-等指標(biāo)變異系數(shù)小于1，說明這些指標(biāo)在淺層地下水中的分布相對(duì)穩(wěn)定；Zn、Hg、NO2-指標(biāo)變異系數(shù)大于2，說明這些指標(biāo)對(duì)地下水的質(zhì)量起到影響作用，雖然背景值低，但是分布不均勻，在某些地段含量偏高。

3 地下水化學(xué)特征

3.1 地下水化學(xué)類型

根據(jù)水質(zhì)測(cè)試結(jié)果，繪制研究區(qū)淺層地下水Piper三線圖(如圖2)。由圖2可見，在陽離子三角形中水樣點(diǎn)落在左邊，Ca2+含量最多，其次為Mg2+、Na+，在陰離子三角形中水樣點(diǎn)落在左部和下部，HCO3-含量最多；水樣大多集中在5區(qū)，說明碳酸鹽硬度超過50%，地下水化學(xué)特征以堿土金屬與弱酸為主。

研究內(nèi)淺層地下水的化學(xué)類型以HCO3-Ca型為主，占總體的45.5%，其次為HCO3-Ca·Mg型，占總體的34.7%，這兩種類型占總體的80.2%，分布在研究區(qū)的廣大地區(qū)。剩余少量的HCO3·SO4-Ca型、HCO3·Cl-Ca·Mg型等水化學(xué)類型呈斑塊狀、片狀分布。地下水化學(xué)類型分布見圖3。

圖2 淺層地下水Piper三線圖

圖3 淺層地下水化學(xué)類型及水質(zhì)類型分布圖

3.2 離子成分分析

地下水中各離子之間的比值也能反映出其演變過程，如圖4所示。通過(Na++K+)/Cl-的相互關(guān)系可以進(jìn)一步確定離子是否存在硅鋁酸鹽礦物的溶解[6]，通過圖4a看出，大多樣品位于Cl-=Na++K+線上方，說明硅酸鹽礦物的分解是水體中堿性離子存在的主要原因。通過圖4b看出，含鎂和鈣的硅鋁酸鹽或碳酸鹽的溶解是水體中Mg2+、Ca2+離子存在的主要原因。圖4b顯示，地下水多位于(HCO3-+SO42-)=(Mg2++Ca2+)線的兩側(cè)，γ(Mg2++Ca2+)/γ(HCO3-+SO42-)的平均值為0.96，說明該區(qū)的地下水化學(xué)特征是在碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物的溶解作用下形成的。γHCO3--γ(Cl-+SO42-)散點(diǎn)圖(圖4c)反映水體溶解碳酸鹽的情況。圖4c顯示地下水位于(Cl-+SO42-)=HCO3-線的上側(cè)，表明地下水化學(xué)特征是在碳酸鹽的溶解作用下形成的。

(a) (b) (c)圖4 離子比值相關(guān)圖

4 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法

影響地下水質(zhì)量的因素眾多，本次研究，參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 (GB/T 14848-2017)，并以調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取了Na+、Fe3+、Al3+、NH4+、Cl-、SO42-、NO3-，NO2-、I-、F-、Zn、Cu、Pb、Cd、Se、Hg、Mn、As、Ag、Cr6+、總硬度、COD(Mn)、溶解性總固體、pH共24項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)本區(qū)淺層地下水進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文評(píng)價(jià)方法采用單因子結(jié)合多因子參數(shù)評(píng)價(jià)法，按照單因子評(píng)價(jià)法的需要，把水質(zhì)分為5類，當(dāng)遇到標(biāo)準(zhǔn)值相同的不同類別地下水時(shí)，選擇結(jié)果較為優(yōu)良的一個(gè)。其中Ⅰ類、Ⅱ類水主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量，水質(zhì)優(yōu)良，適用于各種用途；Ⅲ類水質(zhì)較好，適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水；Ⅳ類水適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水，適當(dāng)處理后可做生活用水；Ⅴ類為不宜飲用地下水。

淺層地下水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，采用加附注的評(píng)分法，具體步驟為：先劃分單項(xiàng)組分所屬類別，各單項(xiàng)組分Ⅰ～Ⅴ類對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)分值分別為0、1、3、6、10。再按公式計(jì)算綜合評(píng)價(jià)分值F： ，其中F為綜合評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)值，為各單項(xiàng)組分評(píng)分值Fi的平均值；Fmax為單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)分值中的最大值；n為樣本數(shù)。最后根據(jù)F值劃分地下水質(zhì)量級(jí)別，F(xiàn)<0.8，優(yōu)良；0.8～2.5良好；2.5～4.2較好；4.2～7.2較差；F>7.2，極差[7-9]

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB14848-2017)，通過單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)得出：淺層地下水中Ⅱ類水28組，Ⅲ類水5組，Ⅳ類水65組，V類水23組，分別占總量的23.14%、4.13%、53.72%、19.01%，主要超標(biāo)項(xiàng)目為Mn、Fe3+、Al3+、NO3-、總硬度等，具體分布情況見表2及圖3。

表2 單因子評(píng)價(jià)結(jié)果

通過綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)得出：淺層地下水中水質(zhì)優(yōu)良8組，水質(zhì)良好29組，其余84組水質(zhì)較差，分別占總量的6.6%、24%、69.4%(見表3)。

表3 綜合因子評(píng)價(jià)結(jié)果

由評(píng)價(jià)結(jié)果可知，河南省南部地區(qū)淺層地下水質(zhì)量由山區(qū)向盆地、盆地向平原呈現(xiàn)出由優(yōu)變劣的特點(diǎn)，優(yōu)良及良好水質(zhì)主要分布在南陽盆地；較差水質(zhì)主要分布在主要城市、工礦企業(yè)及其周邊地區(qū)，如平頂山地區(qū)的汝州大部、寶豐、葉縣東部，信陽光山北部、潢川、息縣，駐馬店大部分地區(qū)，如泌陽、正陽、新蔡、平輿等；研究區(qū)無極差水樣，綜合環(huán)境質(zhì)量狀況較差。

5 結(jié)語

(1)研究區(qū)水化學(xué)類型以HCO3-Ca型為主，占總體的45.5%，其次為HCO3-Ca·Mg型，占總體的34.7%，少量的HCO3·SO4-Ca型、HCO3·Cl-Ca·Mg型等水化學(xué)類型呈斑塊狀、片狀分布。

(2)研究區(qū)淺層地下水超標(biāo)嚴(yán)重的離子為NO3-，超標(biāo)率為31.40%；其次為Mn、Fe3+、Al3+、總硬度，超標(biāo)率大于10%。通過綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)得出水質(zhì)較差的水樣占總數(shù)69.4%，無極差水樣，綜合環(huán)境質(zhì)量狀況較差。

(3)地下水水質(zhì)是淮河流域當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期面臨的重大問題，查明地下水水質(zhì)狀況，為今后該區(qū)域制定相關(guān)防治規(guī)劃、建立預(yù)警系統(tǒng)、保護(hù)地下水資源提供依據(jù)。