焦作太行山前复合含水结构中地下水水化学特征及其形成作用

种凯琳

(郑州商学院，河南 巩义 451200)

地下水水化学特征的组成是研究水文地质学和水化学的重要内容，且受到基岩性质、地形、矿物溶解等多方面的影响[1，2]。山前冲洪积扇水质好、水量大，工农业生产、工业园区都在这里选址；是下游平原的补给区，大量工业企业会造成污染且多为复合结构含水层，具有独特的水力性质和迁移转化特征，特别是地表河流出山口部位，含水层结构复杂具有典型的意义。

前人对山前冲洪积扇的地下水化学特征及其形成作用开展了较多的研究工作，取得了一系列成果。汪生斌等[3]对格尔木河冲洪积平原区的水位动态特征影响因素分析，划分出不同地下水位动态区域；张运涛[4]等运用环境同位素和水化学的方法对南太行山前平原不同水体的来源进行分析，得出影响地下水动态的原因；顾晓敏等[5]用ArcGIS的地统计学模块，对昌平区山前地下水的空间变异性进行分析，得出人类活动和自然原因对地下水的影响程度。本文以焦作市太行山前冲洪积扇为例，对地下水水化学特征及其形成作用进行探讨。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

研究区大地构造位于太行山复背斜隆起带南段东翼，属山前倾斜平原地带，地层走向北东向，倾向南东向，倾角8°～12°。研究区岩溶裂隙发育，为地下水提供了良好的储水空间和径流通道。地下水总体流向受构造控制，尤其在断层带附近岩溶裂隙相对发育，常常形成强富水、导水带，是研究区的补给边界。地下水主要补给来源为大气降水，属石灰岩岩溶水系统。

本文以焦作市北部太行山前关河以南九里山断层以北范围作为研究区。地貌以低山侵蚀沟谷向山前平原(孔隙水的主要富水层位)过渡为主，地势总体来说北高南低。研究区四季分明，年平均降水量560.4 mm，属于暖温带大陆性季风气候。根据以往矿山工作，研究区地层出露主要为第四系，岩性为坡积碎石(Q4dl)、冲洪积黄土状土及碎石、人工填土为(Qml)冲洪积粉质粘土及碎石，下部为中奥陶统(O2)。研究区主要含水层为第四系松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类岩溶裂隙水，前者较薄且不连续，以卵砾石、中细沙和细沙为主；后者主要为石炭系奥陶系灰岩和寒武系鲕粒灰岩，分布在山前地带，总厚度约为800 m，是焦作市主要的供水水源含水层。补给来源为大气降水，排泄以人工开采、泉、蒸发和侧向径流为主，岩溶裂隙水主要以大气降水和地表水的渗漏补给为主，以泉群、人工开采，矿坑排水为主。

1.2 研究方法

本次地下水水质分析数据均来自野外调查取样， 2018年5月，对焦作市山前冲洪积扇区进行了系统的野外考察和采样，采样点的分布情况如图1，采集水样共28个(均采自民井)。采样时用RTK定点并现场记录井深、水温、pH、溶解氧、电导率等指标。

图1 研究区取样分布图

测试指标包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、NO3-、Cl-、F-、HCO3-、其中HCO3-采用酸碱滴定法测定，其余采用离子色谱法测定，样品送至河南理工大学重点实验室进行水样化学全分析。根据实验室测试结果，结合SPSS分析软件对所测实验数据进行多元统计分析(描述性统计、Pearson相关性分析等)，并用AqoQA软件绘制主要阴阳离子piper三线图，利用excle软件绘制Gibbs图及结合因子分析的方法，并依据研究区相关地质研究资料，分析水化学的主要成因。

2 结果与分析

2.1 地下水水化学组成

基于测试结果对研究区水化学参数特征进行初步统计，结果见表1。由表1可知：地下水中K+的浓度为0.76～3.50 mg/L，Na+的浓度为3.26～48.10 mg/L，Ca2+的浓度为28.92～75.52 mg/L，Mg2+的浓度为0.73～3.39 mg/L，Cl-的浓度为4.95～33.12 mg/L，SO42-的浓度为28.31～133.66 mg/L，HCO3-的浓度为184.79～341.861 mg/L。地下水pH值为7.34～8.38，均值7.78，呈中性偏弱碱性。TDS 介于207.05～385.95 mg·L-1之间，矿化度较高。

研究区地下水常量组分为HCO3-、SO42-、Cl-、Na+，其次为Ca2+、Mg2+。从离子浓度均值来看HCO3->SO42->Ca2+>NO3->Na+>Cl->F-，阳离子以Ca2+为主，阴离子以HCO3-为主。Na+、Cl-离子的变异系数相对较大，说明这两种离子是随着环境因素变化的敏感因子，也是决定地下水水化学组分盐化的作用的主要变量。此外pH的均值为7.78，TDS的均值为270.67 mg/L，F-含量平均值为0.29 mg/L。研究区地下水总体为弱碱性，硫酸盐、氯化物、氟化物均达到一类水质标准，与之前研究者对该区浅层地下水研究结果水质情况较好，说明研究区多层复合结构对地下水的水质起到了净化作用。

表1 水化学参数统计特征

2.2 水化学类型

地下水的水化学特征是含水层与地下水流速之间内在机理相互作用的结果，所以含水层的矿物岩石特征与地下水的水化学特征是有密切联系的[6-8]。水化学类型的分类是对地下水化学成分相同或相近的水进行分类，目前使用最广泛的是舒卡列夫分类法。利用AqoQA软件绘制研究区水样主要阴阳离子piper三线图，结果见图2。从图2中可以看出，研究区地下水水样水化学类型主要有Ca-HCO3、Ca-HCO3-SO4、Ca-Na-HCO3-SO4、Na-Ca-HCO3-SO4。地下水样品中有90%的水样位于5区，水化学性质以碱土和弱酸为主；地表水样位于7区，水化学类型以碱金属和强酸为主。说明该区地下水中阳离子以Ca2+为主，阴离子以HCO3-、SO42-为主，结合研究区地质构造、水文地质条件，说明是碳酸盐和石灰岩风化的结果；地表水样品中阳离子以Na+、Ca2+为主，阴离子以SO42-、HCO3-为主。

图2 研究区水样Piper三线图解

2.3 水化学参数相关性分析

对研究区28个采样点的11个水化学参数作Pearson相关性分析，结果见表2，从表2中可以看出，Na+、Mg2+、SO42-、Cl-与TDS 之间有明显的正相关关系，相关系数达到0.75以上为研究区地下水的主要组分，也是溶解性总固体的主要控制者。Cl-与TDS质量浓度之间相关系数达0.918，相对较高，说明Cl-浓度大小与空间分布对TDS 有着较重要的作用。Cl-与Na+、Mg2+、SO42-的相关性均在0.89以上，成显著相关关系，这表明地下水的Na+和Mg2+主要来自于氯盐和硫酸盐；SO42-与Na+、Mg2+、Ca2+之间也存在较高的相关性。大气降水吸收空气和土壤中的CO2，渗入到裸漏的基岩含水层，溶解碳酸盐中的方解石、白云石、石膏等，同时由于太行山区地质构造复杂，地下水的排泄径流条件较好，水交替作用强烈，不断进行溶滤作用，形成了HCO3-Ca型为主的水化学类型。

表2 研究区水化学关系相关系数矩阵

2.4 岩石风化与矿物溶解作用

为了定性的分析水化学的控制因素，采用Gibbs图法来分析，结果见图3，根据TDS与地下水或地表水中阴离子Cl-/(Cl-+HCO3-)和阳离子(Na+/Na++Ca2+)的比值来确定水化学作用是受到降水控制、岩石风化和蒸发浓缩的影响。高TDS高比值为蒸发浓缩型，代表此种类型的点分布在图的右上角；中TDS中低比值为岩石风化型，代表此种类型的点分布在图的中左部；低TDS高比值为降水控制型，代表此种类型的点分布在图的右下角。从图3中的分布可以看出，TDS的范围在200～500 mg/L之间，且分布较为集中，主要为岩石风化控制区，差异不明显。

图3 研究区水样Gibbs图

2.5 因子分析

从补给区到排泄区，天然水一直与周围岩石或者沉积物发生水岩交互作用，因此不同的岩性成分和沉积物会造成地下水水化学组分的差异，因此可以根据水中某些离子内部规律来推测其来源，通常来说，可溶性矿物的溶解(硅酸盐、碳酸岩盐、蒸发岩盐、硫化物矿物)会改变地下水水化学组分的变化。而因子分析能够有效的通过降低数量维数的方法来融合水化学常规离子间的信息，系统的反应地下水水化学的某种成因，通过研究众多变量之间的内部依赖关系，解释存在于水化学之间的错综复杂的关系[9-11]。

表3 旋转因子荷载表

对由原始测试数据中TDS、EC、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-等十项水质指标运用主成分提取、方差最大正交旋转等因子分析方法进行因子分析，计算得到的相关系数矩阵的特征值、贡献率、累计贡献率以及旋转因子荷载表见表3。根据特征值大于1的原则，选取了2个公因子，即F1、F2，他们的累积贡献率达到79.092%，可以反应样品79.092%的信息。因子1以TDS、EC、Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO42-为主，其贡献率为57.275%，Na+、K+和Cl-的相关性，表明含水介质易溶于盐对化学组分的影响，含水层中岩盐矿物的溶解产生的Na+、K+和Cl-影响着水化学的组分。Mg2+和SO42-的相关性说明硫酸盐的溶解使得Mg2+、SO42-的含量增多，使得TDS增大，白云石矿物的溶解对水化学组分有一定的影响。因子2的贡献率为21.818%，其中TDS、Ca2+、HCO3-、NO3-的因子荷载值较大，表明方解石矿物的溶滤作用对水化学组分的影响；该区初露的大量的碳酸盐，当雨水渗入到土壤时，氧化土壤中的有机物，溶解CaCO3使Ca2+和HCO3-富集。NO3-是农业工业生活的污染源，由于研究区位于某工厂附近，反应了工业对水化学的影响。

3 结语

(1)焦作市太行山前复合含水结构中地下水总体为弱碱性，硫酸盐、氯化物、氟化物均达到一类水质标准，水质较好。

(2)研究区地下水阳离子以阳离子以Ca2+为主，阴离子以HCO3-为主，水化学类型主要有Ca-HCO3、Ca-HCO3·SO4、Ca·Na-HCO3·SO4、Na·Ca-HCO3·SO4。

(3)Gibbs图表明研究区的水化学类型形成的原因主要为岩石风化和矿物溶解。因子分析结果进一步表明含水层中岩盐矿物的溶解产生的Na+、K+和Cl-影响着水化学的组分；Mg2+和SO42-的相关性说明硫酸盐的溶解控制着Mg2+、SO42-的含量，表明方解石矿物的溶滤作用对水化学组分的影响；碳酸盐的风化，溶解CaCO3使Ca2+和HCO3-富集。