安新县地下水多组分含量分析及水质评价

贾亮亮，田晓华，刘华杰

（1河北省水文工程地质勘查院，石家庄 050021；2河北大学生命科学学院，河北保定 071002）

0 引言

地下水作为水资源的重要组成部分，在社会经济发展中发挥了重要作用，保障了粮食安全生产[1]。地下水是与环境（自然地理、地质背景以及人类活动）长期互相作用的产物，化学成分比较复杂[2-3]。河北省主要的供水水源就是地下水，特别是在河北平原的广大农村、坝上高原等地区，甚至是唯一可利用的水源。地下水分布范围广、储存量大、自我调节能力强、能以丰补歉、供水安全保障程度高，但是一旦污染难以恢复[4-7]。

雄安新区生态文明建设非常重要，地下水水质情况更是与人类健康息息相关，是雄安新区建设的重中之重。坚持生态优先，全面落实习总书记“以水定城、以水定地、以水定产、以水定人”的重要指示精神为出发点。本研究结合安新县地理位置和水文地质条件，采取45组地下水，通过仪器分析和容量分析有机结合的方式对地下水中多种化学组分进行快速准确测定，对分析结果进行数理统计分析及水化学特征研究，按照《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)对水质现状予以评价[8]。研究结果对该区地下水资源的合理开发利用和科学管理提供依据，摸清安新县地下水水质现状的同时，对促进该区社会经济发展和生态环境保护，具有重要的理论和实际意义[9-12]。

1 研究区概况

安新县隶属于河北省保定市，由雄安新区代管，属暖温带半湿润大陆季风气候。安新县因受历史上冀中拗陷和黄河改道及太行山东麓永定河、滹沱河冲积扇的影响，形成特殊形貌，属扇前洼地堆积区。西、南、北有冲积洼地平原，东有华北平原最大的淡水湖泊-白洋淀。含水层岩性以细砂为主，厚度一般60～100 m，地下水补给、径流条件较差，深层地下水富水性呈现由北向南逐渐减小的趋势，南部单井涌水量一般1000～3000 m3/d，北部一般3000～5000 m3/d。

2 试验方法

2.1 样品采集

为了了解安新县地下水的水质状况，以评价适应农村人、畜饮用，工农业生产为目的，选取有代表性的地段采取水样。本次调查共取地下水45组，研究区取样点分布图，见图1。

图1 取样点分布图

具体水样采集方法如下：用聚乙烯瓶作为采样瓶，水样采集前先用蒸馏水清洗3次，再用待采集水样润洗3次。根据不同的测试指标，加入相应的保护剂，主要目的是为了防止采取的水样发生氧化、还原、吸附等物理、化学变化。取样后密封保存，送至实验室检测。样品从取样、保存、送检均按标准严格管理，操作过程按照《生活饮用水标准检验方法水样的采集与保存》中所规定的方法进行。

2.2 样品测定

钾、钠、镁、钙采用ICP-OES测定；氯化物、硫酸盐、硝酸盐采用离子色谱法测定；氟化物、偏硅酸采用紫外分光光度法测定；总硬度采用EDTA络合滴定法；重碳酸盐采用酸碱滴定法；溶解性总固体采用重量分析法。

2.3 统计分析

用Shapiro-Wilk test检验每个指标的数据分布是否符合正态分布(P≥0.05)，发现14个指标中仅pH和偏硅酸符合正态分布,。因此，以箱式图展示各指标的数据变异，以小提琴图展示数据分布，以变异系数(coefficient of variation，CV')表示数据的离散程度，计算公式如(1)所示。

其中Q3为上四分位数，Q1为下四分位数。

3 结果与讨论

3.1 样品测定结果

从野外采取的水质样品带回实验室，按照2.2要求，对采样点各组分进行检测，测试结果见表1。

表1 采样点各组分测试结果

续表1

3.2 地下水化学特征

研究区45组地下水水样的水化学参数，见表2。

表2 45组地下水水化学参数

由表2可知：该区地下水在pH 7.02～8.43之间，均值为pH 7.74，属偏弱碱性水。在各评价指标中，pH和偏硅酸空间变异最低(CV＜30%)；K+和NO3-的空间变异性最高(CV＞100%)；其余指标的空间变异中等(CV：30%～100%)。地下水中阳离子均值由大到小顺序为：Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，以Na+为主；阴离子均值由大到小依次为 HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-，以HCO3-为主。

为了显示45组地下水多组化学成分数据的分布状态以及概率密度，通过数理统计分析，做了小提琴箱式图，图中清晰显示了所有化学组分实验数据的分布特征，详见图2。

图2 箱式图

3.3 地下水水化学类型

本研究采用前苏联学者舒卡列夫分类法对水化学分类[13]，以毫克当量大于25%作为划分类型，研究区水样的分析结果共计6种，但以HCO3-Na型为主，HCO3·SO4-Na·Mg型次之。为进一步反映水样的化学类型及各种离子的相对含量，采用三元相图对研究区内的地下水进行水化学分析及统计，结果如图3所示。在阳离子三角图中（图3a），水样点大部分落在三角形的顶部，钙镁离子缺乏；在阴离子三角图中（图3b），水样点落在三角形的右上部，氯化物贫乏。地下水水化学类型以为HCO3-Na型水为主，与舒卡列夫分类法研究结果一致。

图3 三元相图

3.4 空间分布格局

使用主成分分析(PCA)将水化学参数根据其相关系数进行降维，简化水化学特征的空间分布格局。由于pH和偏硅酸含量符合国家III类水标准且变异低，故对除这二项之外的其他水化学参数进行的PCA分析，见图4。

图4 45个样点地下水水化学参数的空间分布图

通过PCA作图可知，B2481和B2487点位的F-、Na+异常；B0480点位的SO42-异常；B2381和B2656点位的总硬度异常。原因分析如下：

本次调查取样，B2481点位氟化物高于地下水质量III类标准，可能是地下沉积物中有CaF、NaF等无机形态存在，外加含氟量较高的母质矿物遇水溶解造成的，这与氟化物的分布规律与地貌类型相吻合[14]。

B0480点位SO42-高于地下水质量III类标准，可能是因为安新县部分区属壤质土冲积平原，由于河流多次交互沉积以及剥蚀沉积作用，形成了微度起伏的地形和一些中小地貌，而这种特殊的地形地貌有可能造成此地下水中硫酸盐偏高[15]。

B2381和B2656点位的总硬度远高于地下水质量III类标准，有可能是盐效应的影响。B2381和B2656点位的TDS均＞1000 mg/L，在TDS较高的地下水中，离子强度增大，离子对数量增多，游离态离子数量减少，外加方解石、白云岩、含镁的硅酸盐的溶解效应，使更多的钙、镁进入地下水中从而导致总硬度升高[16]。

3.5 水质评价

地下水水质现状评价是地下水资源评价和保护的重要内容，通过对地下水水化学资料的分析，可以科学地评价区域地下水体的质量状况。本研究参照《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)作为评价依据，对有地下水质量分类（Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类）赋予值的5个化学组分进行水质评价。单指标评价，按指标值所在的限值范围确定地下水质量类别，指标限值相同时，从优不从劣；地下水质量综合评价，按单指标评价结果最差的类别确定，评价结果如图5。

图5 45个样点地下水气泡图

4 结论

通过野外调查取样，对研究区内的45组地下水进行快速准确检测，获得实验结果。综合运用描述性数理统计分析，分析了安新县地下水的主要离子特征，并在此基础上进行了水质评价，得到以下结论：

（1）该区地下水偏弱碱性，水化学类型以HCO3-Na型为主。

（2）在各个指标中，pH和偏硅酸的变异系数小于30%，说明pH和偏硅酸值相对较稳定；K+和NO3-的变异系数大于100%，说明其含量在空间上存在较强的变异性；其余评价指标的变异系数介于30%～100%，显示出中等变异性。

（3）水质评价结果表明，改区地下水水质总体情况较好，多为Ⅲ类水。少数地区地下水化学组分含量较高，评价结果为Ⅳ类，适用于农业和部分农业用水，但适当处理后仍可做生活饮用水。