王 瀟，劉德玉，湯 超，馬寶強

(1.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730050)

硫酸根(SO42-)是地下水中分布最廣的離子之一，與其他金屬離子常組合形成硫酸鹽類化合物。雖然飲用水中少量的硫酸鹽對人體健康影響不大，但是含量過高的硫酸鹽會造成水質(zhì)口感苦澀，引起腹瀉和腸胃炎等疾病[1-2]。水體中過量的硫酸鹽還會引起淡水無脊椎動物的死亡以及管道系統(tǒng)和混凝土建筑的腐蝕。近年來，我國部分地區(qū)硫酸根離子含量超標造成地下水污染的問題逐漸引起國內(nèi)學者的關注，并開展了相關的研究工作。田夏[3]基于長時間、多點位交叉動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及硫氧同位素技術對滹沱河超采區(qū)內(nèi)的地下水硫酸鹽來源進行了識別并分析了遷移轉(zhuǎn)化模式。曾小仙[4]利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計、相關性分析和主成分分析等方法對新疆喀什噶爾河流域高硫酸鹽地下水的水化學特征及成因進行了研究分析。李云[5]采用環(huán)境同位素方法分析了揚-泰-靖地區(qū)地下水中的硫酸鹽來源及污染狀況。

位于甘肅省隴中黃土高原區(qū)的天水市(秦州城區(qū)、麥積城區(qū))淺層地下中存在著硫酸根離子含量超標的問題，但相關研究成果較為匱乏。本文利用2019-2021年26個地下水采樣井水質(zhì)數(shù)據(jù)，對比分析了天水市區(qū)(秦州城區(qū)、麥積城區(qū))硫酸根離子含量的時空變化趨勢，并對超標成因進行了分析，旨在為當?shù)氐叵滤廴痉乐翁峁┛茖W依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

天水市地處甘肅省東南部，是省人民政府批復確定的省域副中心城市，地位特殊而重要。天水市區(qū)橫跨秦州城區(qū)以及麥積城區(qū)，屬于溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫11℃，多年平均降水量491 mm。區(qū)內(nèi)地勢總體南高北低，西高東低，屬于西秦嶺山地和隴中黃土高原的過渡地帶。秦州城區(qū)以及麥積城區(qū)整體坐落于藉河及渭河河谷區(qū)，地形相對平坦，呈近東西向帶狀分布，南北兩岸為黃土丘陵區(qū)。

1.2 水文地質(zhì)概況

區(qū)域內(nèi)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水，賦存于藉河、渭河河谷第四系松散巖類孔隙中。因水位埋藏淺，補給充足，水量豐富，水質(zhì)較好，成為天水市城區(qū)的主要供水水源。含水層巖性為第四系沖洪積相圓礫、卵石，在渭河河谷底部和各大支溝沖洪積扇部位往往含有大量漂石和塊石，在東部麥積區(qū)局部地段分布有淤泥質(zhì)亞粘土蓋層或夾層。含水層厚度在渭河河谷為5～36 m，藉河河谷為2～24 m，靠近河岸處的地下水水位埋深一般在3 m左右，遠離河岸處最深超過20 m。

2 地下水樣品采集及測試

本次研究選取的26個地下水采樣井均位于天水市區(qū)的藉河、渭河河谷區(qū)(圖1)，呈東西條帶狀分布，其中秦州區(qū)有12個井(S1-S12)，麥積區(qū)有14個井(S13-S26)，井深20～45 m，地下水位埋深3～30 m，均為淺層地下水。采樣及測試時間分別為2019年7月、2020年7月以及2021年7月。地下水樣品嚴格按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》進行采樣、保存和運送，實驗室(具備CMA資質(zhì))對SO42-采用離子色譜法進行測定。

圖1 研究區(qū)采樣點分布圖

3 淺層地下水硫酸根離子含量時空變化趨勢分析

對研究區(qū)2019-2021年的地下水SO42-離子采樣測試數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計分析，依照《地下水質(zhì)量標準》進行地下水質(zhì)量單指標評價，并分析SO42-離子含量變化趨勢，可得出各參數(shù)值如表1所示。

表1 SO42-離子含量統(tǒng)計特征值、水質(zhì)評價結(jié)果及變化趨勢一覽表

3.1 SO42-離子含量數(shù)理統(tǒng)計分析結(jié)果

如表1所示，研究區(qū)2019年7月，26個淺層地下水樣品中的SO42-離子含量值介于49.0～2151.0 mg/L，最小值出現(xiàn)在秦州城區(qū)的S1處，最大值出現(xiàn)在麥積城區(qū)的S15處。2020年7月，SO42-離子含量值介于43.8～1197.0 mg/L，最小值出現(xiàn)在秦州城區(qū)的S1處，最大值出現(xiàn)在秦州城區(qū)的S12處。2021年7月，SO42-離子含量值介于50.6～495.0 mg/L，最小值出現(xiàn)在秦州城區(qū)的S5處，最大值出現(xiàn)在麥積城區(qū)的S22處。

為掌握每個地下水樣品中的SO42-離子含量多年變化情況，計算得到其3 a(2019-2021年)的平均值介于48.1～822.7 mg/L，最小值出現(xiàn)在秦州城區(qū)的S1處，最大值出現(xiàn)在麥積城區(qū)的S15處。通過變異系數(shù)值可得出，S15的空間變異性最強(變異系數(shù)值為1.40)，其次為S12(變異系數(shù)值為0.78)，說明這兩個樣品的SO42-離子含量值年際變化較大，離散程度較高，影響因素較為復雜。其余24個樣品的空間變異性較弱(變異系數(shù)值<0.5)，說明SO42-離子含量值多年較為穩(wěn)定，離散程度較低，影響因素較為單一。

3.2 地下水質(zhì)量單指標評價結(jié)果

根據(jù)《地下水質(zhì)量標準》，Ⅰ類地下水中的SO42-離子含量值≤50 mg/L；Ⅱ類地下水中的SO42-離子含量值介于50～150 mg/L；Ⅲ類地下水中的SO42-離子含量值介于150～250 mg/L；Ⅳ類地下水中的SO42-離子含量值介于250～350 mg/L；Ⅴ類地下水中的SO42-離子含量值>350 mg/L。根據(jù)以上評價依據(jù)，得出研究區(qū)地下水質(zhì)量單指標評價結(jié)果如表1所示。

2019年，Ⅳ類地下水有4個，Ⅴ類地下水6個，超標率為38.5%，主要分布在麥積區(qū)，占比70.0%；2020年，Ⅳ類地下水有3個，Ⅴ類地下水5個，超標率為30.8%，主要分布在麥積區(qū)，占比62.5%；2021年，Ⅳ類地下水有4個，Ⅴ類地下水4個，超標率為30.8%，主要分布在麥積區(qū)，占比62.5%?？傮w上，從2019-2020年，SO42-離子超標率呈略微下降趨勢；從2020-2021年，SO42-離子超標率基本保持穩(wěn)定。超標地下水樣品主要分布在東部的麥積區(qū)。

3.3 SO42-離子含量時空變化趨勢分析結(jié)果

3.3.1 SO42-離子含量年際變化趨勢分析結(jié)果

由2019-2020年的地下水質(zhì)量單指標評價結(jié)果可反映SO42-離子含量的動態(tài)變化情況，根據(jù)其含量升高、降低、保持穩(wěn)定等特征可分析出SO42-離子含量的逐年變化趨勢。由表1可得出：在3年間，地下水中SO42-離子含量升高的樣品有4個，占比15.4%；SO42-離子含量降低的樣品有6個，占比23.1%；SO42-離子含量保持穩(wěn)定的樣品有16個，占比61.5%。由此說明，在2019-2021年間，研究區(qū)地下水中的SO42-離子含量年際變化趨勢總體呈現(xiàn)穩(wěn)定型，在少部分地區(qū)具有降低或者升高的波動趨勢。

3.3.2 SO42-離子含量空間變化趨勢分析結(jié)果

通過繪制2019-2021年的SO42-離子含量折線圖(圖2)，得出SO42-離子含量在空間分布上的規(guī)律為：在不同年份，SO42-離子含量均呈現(xiàn)出自西向東逐漸升高的總體變化趨勢。即地處東部的麥積城區(qū)地下水中的SO42-離子含量要比西部的秦州城區(qū)普遍偏高(基本以S12采樣點為界，西邊為秦州區(qū)，東邊為麥積區(qū))。從曲線波動趨勢來看，自西向東方向，秦州城區(qū)地下水中的SO42-離子含量總體呈現(xiàn)“先緩后陡”的單調(diào)增長態(tài)勢，而麥積城區(qū)地下水中的SO42-離子含量則總體呈現(xiàn)“陡緩”交替式的波動增長態(tài)勢。此外，在麥積城區(qū)靠近南北兩岸黃土丘陵山前地帶地下水樣品(如S15、S17、S18、S20、S22、S24、S25)中的SO42-離子含量總體較中部河谷區(qū)偏高。

4 淺層地下水硫酸根離子含量超標成因分析

通常地下水中的硫酸鹽主要來源有：硫酸鹽巖的溶解、硫化礦物的氧化(如煤系地層的黃鐵礦氧化)、大氣沉降和人類活動的輸入[3]。研究區(qū)屬于典型的“兩山夾一谷”地貌，其南、北兩山均為黃土丘陵，中部為狹長河谷地帶。區(qū)內(nèi)黃土丘陵的地層巖性結(jié)構(gòu)為：上部披覆第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土，下伏新近系泥巖。上部黃土中富含硫酸鹽類的易溶鹽，下部新近系泥巖中沉積有石膏等可溶性硫酸鹽，在大氣降水淋濾以及地下水的長期溶濾作用下，黃土及泥巖中的大量硫酸鹽類溶解進入河谷區(qū)淺層地下水[6]，引起了SO42-離子含量超標。這是造成麥積城區(qū)黃土丘陵山前區(qū)地下水樣品中的SO42-離子含量普遍高于河谷區(qū)的主要原因。同時黃土地區(qū)地下水中的SO42-離子含量背景值偏高與水巖相互作用過程密切相關。

此外，零星點狀的人類活動，如生活污水、工業(yè)廢水的排放或滲漏也可能會造成研究區(qū)內(nèi)個別地段地下水中的SO42-離子含量異常超標。如2019年，麥積城區(qū)S15樣品的SO42-離子含量達到了2 151 mg/L，超標7.6倍。2020年，秦州城區(qū)S12樣品的SO42-離子含量達到了1 197 mg/L，超標3.8倍。這兩處采樣點四周分布有村莊、學校和工廠，且其上、下游地下水樣品中的SO42-離子含量均遠小于該數(shù)值，說明受到人為污染的可能性較大。

圖2 不同年份地下水采樣點SO42-離子含量變化圖

5 結(jié)語

(1)在2019-2021年間，研究區(qū)淺層地下水中的SO42-離子含量年際變化趨勢總體為穩(wěn)定型，僅在部分地區(qū)具有降低或者升高的波動趨勢。

(2)淺層地下水中的SO42-離子含量高低具有明顯的空間分布規(guī)律性：東部的麥積城區(qū)普遍高于西部的秦州城區(qū)；麥積城區(qū)的南北兩岸黃土丘陵山前區(qū)普遍高于中部河谷區(qū)。

(3)造成淺層地下水中SO42-離子含量超標的主要原因為第四系馬蘭黃土及新近系泥巖等地層中硫酸鹽類礦物的溶解，其次可能與零星點狀的人類活動污染有關。