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摘 要:了解地下水水质状态及影响因素对于区域水资源管理具有重要意义。为了解宿州市浅层地下水水质及其影响因素,采用WQI饮用评价法对地下水水质进行评价,并通过Gibbs图、离子比值和空间插值对其影响因素进行了分析。结果表明:研究区地下水适合饮用,Mg2+、F-和Na+是影响水质的主要水化学参数。Gibbs图表明地下水离子组成受水岩相互作用控制,进一步通过离子比值分析得出Na+和Mg2+主要来源于硅酸盐矿物的溶解。此外,空间插值显示F-主要来源于含氟矿物的溶解。
关键词:浅层地下水;水质评价;水岩相互作用;影响因素
中图分类号 P597+2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2021)19-0136-05
Shallow Groundwater Quality Assessment and Its Influencing Factors
——Take Suzhou City as an Example
QIU Xinyi1,2 et al.
(1School of Earth and Environment, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China; 2School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University, Suzhou 234000, China)
Abstract: Understanding the groundwater quality and its influencing factors are important to manage regional groundwater resources. In this study, the Water Quality Index (WQI), Gibbs diagram, ion relationship and spatial interpolation method were applied for identifying the quality and influencing factors in shallow groundwater of Suzhou city, Anhui province. The results indicated that groundwater was suitable for drinking, and Mg2+, F- and Na+ were the main parameters for affecting the groundwater quality in the study area. Gibbs diagram showed that the hydrochemical composition of groundwater was controlled by water-rock interactions. According to ion relationship method, Na+ and Mg2+ were mainly originated from the weathering of silicate minerals. In addition, spatial interpolation showed that F- was mainly derived from the dissolution of fluorinated minerals.
Key words: Shallow groundwater; Water quality assessment; Water-rock interaction; Influencing factors
1 引言
隨着社会高速发展和人口的不断增加,全球水资源短缺已成为普遍存在的现象[1]。中国作为世界的一部分,也面临同样的问题[2]。华北地区多年平均水资源量仅占全国的4%,人均水资源量仅为全国平均水平的1/7[3]。与此同时,皖北地区人口及耕地分别占全省的45.4%、50.3%,而水资源总量仅占全省的13.68%[4]。
水资源短缺、水资源分布不均、水环境污染等问题日益突出,因此,对水资源的科学利用显得尤为重要。从目前看来,对于水资源利用的研究主要分为水量、水质2个方面[5-6]。在这些研究中,水质评价作为重要的定量化研究手段,在水资源利用方面发挥了极其重要的作用,并主要集中于各种评价方法运用(单因子评价法、内梅罗污染指数法等)[7-10]。与此同时,对于水质影响因素分析也同样至关重要[11-12]。
对于中国北方而言,大部分地区采用地下水作为居民生活及工农业活动的主要水源[13]。作为苏皖北部的代表性城市,宿州市是国家重要的工农业城市。因此,对宿州市地下水资源利用的研究已然成为焦点。对此,前人已经开展了一部分与宿州市有关地下水资源利用的研究,但截至目前,这些研究主要集中于地下水资源量的评价方面[14-16],而对于浅层地下水水质及影响因素的研究尚未深入,这对于地下水保护及可持续管理无疑是不足的。
基于此,本研究以宿州市唯一的饮用水源地——城西水源地作为研究对象,重点开展了水质评价及影响因素分析,了解城区地下水水质状况,确定影响水质的主要影响因素,对于阐明研究区水源地水质状况及成因分析具有重要意义,有助于全面了解饮用水安全,同时也为区域水资源保护及水资源管理提供科学依据。
2 材料与方法
2.1 研究区概况 研究区坐落于宿州市埇桥区境内,东北以沱河为界,西南以浍河为界,南至桃园煤矿。地理坐标为116°55′~117°05′E,33°30′~33°41′N,总面积约为134.69km2,(见图1)。为温带半湿润季风气候,夏季酷热,冬季干冷,四季气候分明。据宿州市气象资料显示,研究区年平均气温达14.4℃,最高温度达40.3℃,多年平均降水量达858.1mm,多年平均蒸发量达1589.4mm。研究区有地表水如沱河、新汴河穿境而过,更有铁路由东南向北西贯穿其中。 研究区总体地势较平坦,属淮北平原的一部分。本文研究城西水源地浅层地下水,其隶属于松散岩类孔隙含水组。根据地下水的埋藏情况及与大气降水、地表水的交替强弱,将城西水源地松散层自上而下划分为第一含水层组、第一弱透水层组、第二含水层组、第二弱透水层组和第三含水层组。本文主要研究第一含水层组和第二含水层组,第一含水层组岩性主要以粉砂为主,次为粉细砂、亚砂,局部细砂和粉土,埋深多在30m以内。第二含水层组岩性主要以细砂为主,次为中细砂、粉砂,局部粗砂,埋深多在30~100m。
2.2 样品采集与测试 根据宿州市城西水源地的水文地质条件,在2019年10月份,共采集浅层地下水22个样品。其中第一含水层(记作FA)及第二含水层(记作SA)各11个,一含及二含样品编号分别记作F1~F11、S1~S11(图1c)。用清洗过的聚乙烯瓶进行样品采集,且装样前润洗3次,并記录采样经纬度等信息。样品采集完成后,经0.45μm水系微孔滤膜过滤后,用于常规水化学测定。共测试了10种离子,分别为F-、Cl-、NO3-、PO43-、SO42-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+和HCO3-。HCO3-用酸碱滴定法测试[17],其它离子利用戴安离子色谱测试(ICS-600-900)。
2.3 地下水WQI饮用评价方法 采用WQI(water quality index)分析研究区地下水水质状况。运用WQI分析水质具备在多因子复杂环境下,能直观且定量显示水质状况[17-18]。其计算过程如下:
(Ⅰ)以Na+、K+等10项水化学指标对其进行WQI分析和计算(如表1),根据世界卫生组织(WHO)水质标准[19],赋予每个参数相应的权重,如F-、PO43-、NO3-因其对人体影响相对较大,给予赋值最大值5,其余指标则在2~4不等。
(Ⅱ)根据式(1)式计算各项指标的相对权重:
Wi=wi/∑wiT (1)
(Ⅲ)对各项水质指标的评价指数Qi运用式(2)计算
Qi=(Ci/Si)×100 (2)
其中:Ci为样品指定指标的浓度,而Si则为WHO水质标准值,单位均为mg/L。
(Ⅳ)采用式(3)对各个样品进行WQI计算:
[WQI=∑Wi×Qi] (3)
其中:[WQI]的值越小,表明水质状况越好。根据[WQI]分类,可将水质状况分5类:[WQI]<50,表明水质很好;50>[WQI]>100,表明水质好;100>[WQI]>200,表明水质差;200>[WQI]>300,表明水质很差;[WQI]>300,表明水不适宜饮用[20]。
3 结果与分析
3.1 离子含量及统计学特征 城西地区地下水各项指标显示(表2),一含地下水中F-的含量在0.01~0.83mg/L,平均值为0.31mg/L。PO43-的含量在1.75~1.80mg/L,平均值为1.77mg/L。地下水常规阴阳离子平均浓度总体关系分别为HCO3->SO42->Cl-,Na+>Mg2+>Ca2+>K+,阴离子以HCO3-为主导,占阴离子总浓度的83.3%,阳离子以Na+为主导,占阳离子总浓度的55.7%。研究区二含地下水中F-的含量在0.01~0.83mg/L,平均值为0.44mg/L。PO43-的含量在1.72~1.79mg/L,平均值为1.74mg/L。地下水常规阴阳离子平均浓度总体关系分别为HCO3->SO42->Cl-,Na+>Mg2+>Ca2+>K+,阴离子以HCO3-为主导,占阴离子总浓度的85.7%,阳离子以Na+为主导,占阳离子总浓度的66.9%。
对变异系数(CV)而言,若CV<0.1,则表明所处环境受单一来源影响。而CV>0.9,则表明可能受多种来源影响[21]。由表2可知,一含以K+、F-和NO3-变异系数最大,二含则以K+、Ca2+、NO3-和SO42-变系数最大,且均大于0.9,因此说明这些离子所处的环境可能受多种来源影响。
3.2 WQI饮用评价 地下水WQI值见图2a,图中显示城西水源地浅层地下水所有样品点的WQI值,其值均位于50以下,说明地下水水质状况很好。从图2b可知,地下水中Mg2+、F-以及Na+指标对WQI贡献率最大,分别达到38%、19%、15%。其中F-应该引起足够的重视。
3.3 控制机制与来源
3.3.1 控制机制 Gibbs图利用Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/(Cl-+HCO3-)比例关系,可揭示控制区域水化学机制[22]。水化学控制机制又可以分为三类:降水主导、水岩作用、蒸发-结晶。由图3可知,研究区一含、二含地下水水化学作用是由水岩作用为主导。
3.3.2 基于离子比值的离子来源分析 离子之间的比例关系可以判断地下水物质来源及形成过程,并且进一步突出水化学组分时空演化的规律[23-24]。图4显示了各种离子之间的比例关系。研究显示,T(Na+)与T(Cl-)比例关系常被用于判断Na+和Cl-是否来源于盐岩溶解[24]。由图4中(a)显示,一含与二含采样点均位于T(Na+)/T(Cl-)=1直线上方,并且极其靠近Na+轴,表明Na+来源不只是盐岩溶解。大气降水中Na+与Cl-的比值约为0.86,研究区地下水样品中Na+与Cl-的比值在1.22-22.5,平均值为7.75,所有样品值均大于1,不仅说明Na+主要来源于硅酸盐溶解,而且表明地下水化学组成受大气降水的影响很小[23]。地下水中Ca2+、Mg2+通常情况下来源于碳酸盐溶解或硅酸盐溶解,从图4(b)中可知,大多数样品的 T(Mg2+)\T(Ca2+)>1,则说明Mg2+含量高于Ca2+,且地层中主要由细沙和粉砂组成,由此可得Mg2+主要由硅酸盐的溶解为主导。
3.3.3 F-含量空间插值分析 氟既是人及动植物不可或缺的微量元素,也是具有毒性的元素之一。过多的摄入F-,将会对人体造成极大的危害。地下水中的F-主要来源于自然及人为因素的输入,自然因素主要来源于萤石等矿物的溶解,人为因素则主要为工业氟污染等[24]。从图5来看,F-含量较高的区域主要位于最西侧及东偏北方向。结合图1可知,F-含量较高的区域均偏离市区及工业区,因此F-主要来源于含氟矿物的溶解。 4 结论
本研究运用WQI水质评价法对城西水源地地下水饮用适宜性进行评价,采用Gibbs图、离子比值等方法分析了研究区地下水水化学组分的主要控制因素。主要结论如下:
(1)从WQI水质评价中显示,城西水源地地下水适合饮用,Mg2+、F-以及Na+指标对WQI贡献率最大。
(2)Gibbs图得出地下水中离子组成主要受水岩相互作用控制。离子比值得出Mg2+和Na+主要来源于硅酸盐的溶解。对F-含量的空间插值分析,结果F-主要来源于含氟矿物的溶解。
参考文献
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[24]张强国,谢果.氟危害及重庆氟污染的对策[J].重庆科技学院学报,2005,7(4):17-19,27.
(责编:张宏民)
关键词:浅层地下水;水质评价;水岩相互作用;影响因素
中图分类号 P597+2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2021)19-0136-05
Shallow Groundwater Quality Assessment and Its Influencing Factors
——Take Suzhou City as an Example
QIU Xinyi1,2 et al.
(1School of Earth and Environment, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China; 2School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University, Suzhou 234000, China)
Abstract: Understanding the groundwater quality and its influencing factors are important to manage regional groundwater resources. In this study, the Water Quality Index (WQI), Gibbs diagram, ion relationship and spatial interpolation method were applied for identifying the quality and influencing factors in shallow groundwater of Suzhou city, Anhui province. The results indicated that groundwater was suitable for drinking, and Mg2+, F- and Na+ were the main parameters for affecting the groundwater quality in the study area. Gibbs diagram showed that the hydrochemical composition of groundwater was controlled by water-rock interactions. According to ion relationship method, Na+ and Mg2+ were mainly originated from the weathering of silicate minerals. In addition, spatial interpolation showed that F- was mainly derived from the dissolution of fluorinated minerals.
Key words: Shallow groundwater; Water quality assessment; Water-rock interaction; Influencing factors
1 引言
隨着社会高速发展和人口的不断增加,全球水资源短缺已成为普遍存在的现象[1]。中国作为世界的一部分,也面临同样的问题[2]。华北地区多年平均水资源量仅占全国的4%,人均水资源量仅为全国平均水平的1/7[3]。与此同时,皖北地区人口及耕地分别占全省的45.4%、50.3%,而水资源总量仅占全省的13.68%[4]。
水资源短缺、水资源分布不均、水环境污染等问题日益突出,因此,对水资源的科学利用显得尤为重要。从目前看来,对于水资源利用的研究主要分为水量、水质2个方面[5-6]。在这些研究中,水质评价作为重要的定量化研究手段,在水资源利用方面发挥了极其重要的作用,并主要集中于各种评价方法运用(单因子评价法、内梅罗污染指数法等)[7-10]。与此同时,对于水质影响因素分析也同样至关重要[11-12]。
对于中国北方而言,大部分地区采用地下水作为居民生活及工农业活动的主要水源[13]。作为苏皖北部的代表性城市,宿州市是国家重要的工农业城市。因此,对宿州市地下水资源利用的研究已然成为焦点。对此,前人已经开展了一部分与宿州市有关地下水资源利用的研究,但截至目前,这些研究主要集中于地下水资源量的评价方面[14-16],而对于浅层地下水水质及影响因素的研究尚未深入,这对于地下水保护及可持续管理无疑是不足的。
基于此,本研究以宿州市唯一的饮用水源地——城西水源地作为研究对象,重点开展了水质评价及影响因素分析,了解城区地下水水质状况,确定影响水质的主要影响因素,对于阐明研究区水源地水质状况及成因分析具有重要意义,有助于全面了解饮用水安全,同时也为区域水资源保护及水资源管理提供科学依据。
2 材料与方法
2.1 研究区概况 研究区坐落于宿州市埇桥区境内,东北以沱河为界,西南以浍河为界,南至桃园煤矿。地理坐标为116°55′~117°05′E,33°30′~33°41′N,总面积约为134.69km2,(见图1)。为温带半湿润季风气候,夏季酷热,冬季干冷,四季气候分明。据宿州市气象资料显示,研究区年平均气温达14.4℃,最高温度达40.3℃,多年平均降水量达858.1mm,多年平均蒸发量达1589.4mm。研究区有地表水如沱河、新汴河穿境而过,更有铁路由东南向北西贯穿其中。 研究区总体地势较平坦,属淮北平原的一部分。本文研究城西水源地浅层地下水,其隶属于松散岩类孔隙含水组。根据地下水的埋藏情况及与大气降水、地表水的交替强弱,将城西水源地松散层自上而下划分为第一含水层组、第一弱透水层组、第二含水层组、第二弱透水层组和第三含水层组。本文主要研究第一含水层组和第二含水层组,第一含水层组岩性主要以粉砂为主,次为粉细砂、亚砂,局部细砂和粉土,埋深多在30m以内。第二含水层组岩性主要以细砂为主,次为中细砂、粉砂,局部粗砂,埋深多在30~100m。
2.2 样品采集与测试 根据宿州市城西水源地的水文地质条件,在2019年10月份,共采集浅层地下水22个样品。其中第一含水层(记作FA)及第二含水层(记作SA)各11个,一含及二含样品编号分别记作F1~F11、S1~S11(图1c)。用清洗过的聚乙烯瓶进行样品采集,且装样前润洗3次,并記录采样经纬度等信息。样品采集完成后,经0.45μm水系微孔滤膜过滤后,用于常规水化学测定。共测试了10种离子,分别为F-、Cl-、NO3-、PO43-、SO42-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+和HCO3-。HCO3-用酸碱滴定法测试[17],其它离子利用戴安离子色谱测试(ICS-600-900)。
2.3 地下水WQI饮用评价方法 采用WQI(water quality index)分析研究区地下水水质状况。运用WQI分析水质具备在多因子复杂环境下,能直观且定量显示水质状况[17-18]。其计算过程如下:
(Ⅰ)以Na+、K+等10项水化学指标对其进行WQI分析和计算(如表1),根据世界卫生组织(WHO)水质标准[19],赋予每个参数相应的权重,如F-、PO43-、NO3-因其对人体影响相对较大,给予赋值最大值5,其余指标则在2~4不等。
(Ⅱ)根据式(1)式计算各项指标的相对权重:
Wi=wi/∑wiT (1)
(Ⅲ)对各项水质指标的评价指数Qi运用式(2)计算
Qi=(Ci/Si)×100 (2)
其中:Ci为样品指定指标的浓度,而Si则为WHO水质标准值,单位均为mg/L。
(Ⅳ)采用式(3)对各个样品进行WQI计算:
[WQI=∑Wi×Qi] (3)
其中:[WQI]的值越小,表明水质状况越好。根据[WQI]分类,可将水质状况分5类:[WQI]<50,表明水质很好;50>[WQI]>100,表明水质好;100>[WQI]>200,表明水质差;200>[WQI]>300,表明水质很差;[WQI]>300,表明水不适宜饮用[20]。
3 结果与分析
3.1 离子含量及统计学特征 城西地区地下水各项指标显示(表2),一含地下水中F-的含量在0.01~0.83mg/L,平均值为0.31mg/L。PO43-的含量在1.75~1.80mg/L,平均值为1.77mg/L。地下水常规阴阳离子平均浓度总体关系分别为HCO3->SO42->Cl-,Na+>Mg2+>Ca2+>K+,阴离子以HCO3-为主导,占阴离子总浓度的83.3%,阳离子以Na+为主导,占阳离子总浓度的55.7%。研究区二含地下水中F-的含量在0.01~0.83mg/L,平均值为0.44mg/L。PO43-的含量在1.72~1.79mg/L,平均值为1.74mg/L。地下水常规阴阳离子平均浓度总体关系分别为HCO3->SO42->Cl-,Na+>Mg2+>Ca2+>K+,阴离子以HCO3-为主导,占阴离子总浓度的85.7%,阳离子以Na+为主导,占阳离子总浓度的66.9%。
对变异系数(CV)而言,若CV<0.1,则表明所处环境受单一来源影响。而CV>0.9,则表明可能受多种来源影响[21]。由表2可知,一含以K+、F-和NO3-变异系数最大,二含则以K+、Ca2+、NO3-和SO42-变系数最大,且均大于0.9,因此说明这些离子所处的环境可能受多种来源影响。
3.2 WQI饮用评价 地下水WQI值见图2a,图中显示城西水源地浅层地下水所有样品点的WQI值,其值均位于50以下,说明地下水水质状况很好。从图2b可知,地下水中Mg2+、F-以及Na+指标对WQI贡献率最大,分别达到38%、19%、15%。其中F-应该引起足够的重视。
3.3 控制机制与来源
3.3.1 控制机制 Gibbs图利用Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/(Cl-+HCO3-)比例关系,可揭示控制区域水化学机制[22]。水化学控制机制又可以分为三类:降水主导、水岩作用、蒸发-结晶。由图3可知,研究区一含、二含地下水水化学作用是由水岩作用为主导。
3.3.2 基于离子比值的离子来源分析 离子之间的比例关系可以判断地下水物质来源及形成过程,并且进一步突出水化学组分时空演化的规律[23-24]。图4显示了各种离子之间的比例关系。研究显示,T(Na+)与T(Cl-)比例关系常被用于判断Na+和Cl-是否来源于盐岩溶解[24]。由图4中(a)显示,一含与二含采样点均位于T(Na+)/T(Cl-)=1直线上方,并且极其靠近Na+轴,表明Na+来源不只是盐岩溶解。大气降水中Na+与Cl-的比值约为0.86,研究区地下水样品中Na+与Cl-的比值在1.22-22.5,平均值为7.75,所有样品值均大于1,不仅说明Na+主要来源于硅酸盐溶解,而且表明地下水化学组成受大气降水的影响很小[23]。地下水中Ca2+、Mg2+通常情况下来源于碳酸盐溶解或硅酸盐溶解,从图4(b)中可知,大多数样品的 T(Mg2+)\T(Ca2+)>1,则说明Mg2+含量高于Ca2+,且地层中主要由细沙和粉砂组成,由此可得Mg2+主要由硅酸盐的溶解为主导。
3.3.3 F-含量空间插值分析 氟既是人及动植物不可或缺的微量元素,也是具有毒性的元素之一。过多的摄入F-,将会对人体造成极大的危害。地下水中的F-主要来源于自然及人为因素的输入,自然因素主要来源于萤石等矿物的溶解,人为因素则主要为工业氟污染等[24]。从图5来看,F-含量较高的区域主要位于最西侧及东偏北方向。结合图1可知,F-含量较高的区域均偏离市区及工业区,因此F-主要来源于含氟矿物的溶解。 4 结论
本研究运用WQI水质评价法对城西水源地地下水饮用适宜性进行评价,采用Gibbs图、离子比值等方法分析了研究区地下水水化学组分的主要控制因素。主要结论如下:
(1)从WQI水质评价中显示,城西水源地地下水适合饮用,Mg2+、F-以及Na+指标对WQI贡献率最大。
(2)Gibbs图得出地下水中离子组成主要受水岩相互作用控制。离子比值得出Mg2+和Na+主要来源于硅酸盐的溶解。对F-含量的空间插值分析,结果F-主要来源于含氟矿物的溶解。
参考文献
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