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化学杂志/2021/文章
特殊的问题

变化环境中的地下水化学和污染:监测、机制和修复

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体积 2021 |文章的ID 5591892 | https://doi.org/10.1155/2021/5591892

张云辉，李晓，罗明，魏昌利，黄迅，肖勇，秦立茂，裴秋明， ＂基于水化学和熵的遂宁地区地下水水质评价"，化学杂志， 卷。2021， 文章的ID5591892， 11 页面， 2021． https://doi.org/10.1155/2021/5591892

基于水化学和熵的遂宁地区地下水水质评价

张案，1，2 小李，3. 明罗，4 昌黎魏，4 荀黄，1 永肖，1，2 Limao秦，1 和 Quiumpei.1

1西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都611756

22 .西南交通大学宜宾研究院，四川宜宾644000

3.2 .成都理工大学环境与土木工程学院地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059

42 .四川省地质调查院，四川成都610081

学术编辑器:Xubo高
收到了 2021年2月10
接受 2021年5月27日
发表 08年6月2021年

摘要

地下水是可持续发展的基本资源，其质量对人类健康至关重要。本研究采集了中国西南遂宁地区生活管井和公共供水井的28个地下水样品。结合统计分析、离子相关性分析、地质建模和熵权水质指数(EWQI)，对研究区水化学和地下水水质进行了研究。通过统计分析，阳离子的浓度顺序为Ca2+> Na+>毫克2+> K+，而阴离子的浓度为HCO3.−>所以42−> Cl−>没有3.− > F−．吹笛式三线性图显示了水化学类型的特征为CA-HCO3.．离子与地质模型的相关性表明，主要离子的浓度主要由碳酸盐溶解和离子交换过程和NO决定3.−浓度受农业活动控制。EWQI计算表明，大部分地下水样品的EWQI值均大于100。因此，遂宁地区地下水水质低于世界卫生组织(WHO)允许值，适合饮用。本文的研究为遂宁等类似地区的地下水管理提供了重要的知识。

1.介绍

地下水是人类赖以生存的基本和重要资源。然而，由于工业化和城市化的快速发展、人口的大量增长和化肥的过度使用，地下水水质正在恶化[1- - - - - -3.］．目前地下水已被硝酸盐、氟化物、砷、重金属元素等污染，严重威胁人类健康[4- - - - - -8］．地下水化学、机理分析和质量演化的综合调查可以为地下水保护提供可靠的信息，这已经在全球范围内开展[9- - - - - -11］．

地下水化学是地下水形成机理分析和水质演变的重要基础[12- - - - - -14］．对于众多的水利化学数据，统计方法用于分析一般范围，该范围在盒子晶须图中显示[15］．Piper三线形图可以清晰地呈现水型[16］．地下水化学机制主要由自然过程和人为活动决定[17- - - - - -19］．自然过程一般包括水-岩相互作用、降水和蒸发。吉布斯图被认为是区分影响地下水化学的自然控制因素的经典方法[20.］．不同离子的相关性和地质建模可以进一步约束含水岩石类型[21.］．地下水水质评价是众多研究人员关注的热点问题。在前人的研究中，首先引入了传统的水质指数(WQI)对地下水水质进行评价[22.- - - - - -24.］．由于水化学参数的多样性，WQI方法不能有效地揭示地下水水质。地下水水质评价方法经历了从传统水质指数到熵水质指数的几个阶段。EWQI的熵值包含了各种水化学参数，由于其计算更为全面，被认为是一种更为稳健的方法[19，25.- - - - - -29.］．地理信息系统(GIS)有助于揭示EWQI值的空间分布。因此，EWQI分析在地下水水质评价中得到广泛应用。

成都平原是工业​​化和城市化在2020年成都的国家发展战略以来的国家发展战略以来，遂宁地区是成都平原的一个重要城市，人口360万。农业产业积极参与遂宁地区，其中389千公顷的土地被利用广泛的农业活动。然而，到目前为止，已经进行了稀缺研究，以了解遂宁地区的地下水化学和质量的综合评价。因此，我们研究的目标如下：（1）调查地下水化学的初步特征，（2）鉴定控制地下水化学的因素，（3）使用EWQI评估地下水质量。我们研究的成就希望为未来提供有效地下水保护和管理的参考。

2.材料和方法

2．1．研究区域

遂宁地区位于中国西南部四川省东部，位于E105°03 ' 26″-106°59 ' 49″和N30°10 ' 50″-31°10 ' 50″范围内(图1)1）.研究区属于亚热带湿润季风气候，年气温17°C，年降水量900 mm。地貌以丘陵、低山区为特征，海拔300-600米。遂宁地区河流发达，富河是主要河流(图)1）.

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图1
研究区位置和采样点分布。

研究区位于川中褶皱带[30.］．地层由第四纪沉积物、侏罗系-白垩系钙质泥岩和砂岩、三叠纪灰岩组成(图)2) ［31.］．季沉积物含有沙子，砾石，粉质粘土和粘土。侏罗纪 - 白垩纪钙质泥岩和砂岩由粘土矿物（水米，高岭石和蒙脱土），滴乳矿物（石英，长石和云母）和方解石组成。三叠架石灰岩由方解石占主导地位，较少的白云石。除了一些E-W趋势宽褶皱之外，遂宁地区不会开发结构。地下水主要包括孔隙裂缝水和裂缝水，通过渗透和局部径流来充电。侏罗纪 - 白垩纪钙质砂岩是主要的含水层，而泥岩被认为是限制床[12］．地下水埋深较浅，小于20 m。到目前为止，当地居民为了家庭和灌溉的目的已经开发了地下水。


图2.
研究区地质剖面A-A '。
2．2.现场取样和实验室测量

在这项研究中，在2016年6月，在地下水井的遂宁地区共收集了28个地下水样本。采样部位在研究区内平均分布。在取样之前，至少10分钟被取向井中的停滞水。通过样品水冲洗每个样品瓶三次。分析了四川省地质局和矿产资源实验室的水化学组合物的所有地下水样品。总溶解固体（TDS）和主要阳离子（例如，K.+，Na.+、钙2+,毫克2+通过原子吸收分光光度计（AA6100; TechComp，中国）分析。Cl−,所以42−,没有3.−和F−采用离子色谱法(IC6100;Wayee,中国)。化学需氧量(COD)、总硬度(TH)和HCO3.−用滴定法测定。电荷平衡误差(CBE)范围为−4.14% ~ +0.43%(根据式(1)，验证实验分析的准确性:

2．3.数据处理与分析

水化学参数的统计分析采用spss25软件进行。水产养殖软件3.0版绘制了Piper图，显示了水化学类型。

材料和方法部分应含有足够的细节，以便可以重复所有程序。如果描述了几种方法，它可以被分成头部部分。使用Phreeqc 3.0基于以下等式计算特定矿物质的饱和度指数（Si）： 其中IAP代表地下水中的离子活动和K为在特定温度下的溶解度常数。

熵权水质指数(entropy weighted water quality index, EWQI)是一种利用熵值来评价水质的方法。一般情况下，EWQI值的计算有以下四个步骤:第一步:特征值矩阵X获取方式如下: 在哪里 水样的总数是多少 表示水化学参数的个数。第二步:标准评价矩阵Y的计算方法如下: 在哪里 和 水样的水化学参数分别是水样的最大值和最小值，并“ 就是标准化的过程。第三步:信息熵ej，获得如下: 在哪里 参数值是否与参数的比值 为样本 ，根据公式(6)： 然后，熵权 “可以如下取得： 第四步:《质量评定量表》问j“每个参数都可以通过以下等式计算： 在哪里 是每个水化学参数的浓度 和 表示世界卫生组织对特定水化学参数标准的允许限度 ．最后, 可以使用以下等式计算值：

基于EWQI的水质分类如表所示1．
排名 ewqi. 水的质量
1 <50 优秀的
2 50 - 100 好
3. 100 - 150 媒介
4 150 - 200 可怜的
5 > 200 极度贫困
表格1
基于EWQI的水质分类标准，根据参考文献[25.］．

3.结果与讨论

3．1.地下水化学的一般特征

水化学参数统计结果见表2和图3.，并与世界卫生组织(WHO)的标准限值进行了比较。pH值从7.1到8.4(平均值= 7.6)，表明中性到微碱性，可用于饮用。总溶解固体(TDS)浓度为20-830 mg/L，在允许的饮用标准范围内。总硬度(TH)为160.14 mg/L ~ 550.50 mg/L，平均值为389.99 mg/L。17.86%的地下水样品在超过允许限值4500.00 mg/L时表现为硬-极硬亲和(图)4(一))，也不适合饮酒。根据统计结果，主要阳离子和阴离子的浓度顺序为:Ca2+(46.10-184.40 mg/L+(8.70-78.00 mg/L2+(6.10-42.60 mg/L+(0.90-25.00 mg/L)和HCO3.−(140.30-530.90 mg/L42−(45.90-207.00 mg/L−(7.20 - -90.50 mg / L)。Ca2+和HCO3.−是主要的阳离子和阴离子，分别是Ca-HCO的水化学类型3.(图4 (b)）.大多数主要离子（除了CA除外2+)的浓度低于容许的饮用限度(见下表2）.值得注意的是，NO3.−,没有2−, NH4+地下水样品的浓度超过了允许的限度。其中,不3.−最高浓度为0.20 ~ 244.00 mg/L, 50%的地下水样品超过50 mg/L的最大允许限值。没有2−和NH4+在0.01 ~ 6.05 mg/L和0.03 ~ 1.53 mg/L范围内，地下水样品超标的比例分别为18.57%和11.43%。因此，在遂宁地区发现了硝酸盐污染。F−浓度(0.2 ~ 0.6 mg/L)明显低于推荐饮用水标准。
参数 马克斯 最小值 意思 SD. 简历 （％） 指导方针 %的选取
pH值 8.4 7.10 7．6 0．25 3.37 6.5 - -8.5 0．00
TDS. 830 201 563 140. 24.90 1000 0．00
钍 550.50 160.14 389.99 89.04 22.83 450.00 17.86
K+ 25.00 0．90 3.75 4.77 126.98 - - - - - - - - - - - -
Na+ 78.00 8.70 31.66 14.81 46.76 200 0．00
Ca2+ 184.40 46.10 118.68 30.67 25.85 75 92.86
毫克2+ 42.60 6．10 22.75 8.68 38.14 50. 0．00
Cl− 90.50 7.20 30.62 22.98 75.06 250. 0．00
所以42− 207.00 45.90 93.60 42.20 45.09 250. 0．00
HCO3.− 530.90 140.30 348.31 89.41 25.67 - - - - - - - - - - - -
没有3.− 244.00 0．20 68.12 61.42 90.17 50. 50．00
没有2− 6.05 0．01 0．43 1.41 327.39 0．02 18.57
NH4+ 1.53 0．03 ０．２３ 0．30 129.05 0．2 11.43
F− 0．6 0．2 0．4 0．10 27.16 1．0 0．00
SD,标准偏差;CV(%):变异系数; 中国的指导方针32.]; 谁的指导方针[33.];% SEL， %样品超出可接受限度。
表2
水化学参数和饮用水标准的统计结果。

图3.
地下水水化学参数的盒须图。
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(b)
图4.
(a) TH与TDS显示地下水质量的散点图和(b)地下水样品的Piper三线性图。
３．２．地下水化学控制因素

控制离子浓度的天然来源通常包括蒸发，岩石风化和沉淀。吉布斯提出了区分不同自然来源的分类图[34.］．在吉布斯图中，所有地下水样品都绘制在岩石优势区(图)5)，说明水岩相互作用是决定地下水离子浓度的自然过程。

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图5.
说明地下水化学机制的吉布斯图。(一)TDSvs。Cl−/ (Cl−+ HCO3. −）;(b) TDSvs。Na+/ (Na++ Ca2+）.
3．3．主要离子来源
3.3.1。矿物溶解主要离子的相关性

主要离子的相关性已被广泛用于阐明涉及水-岩相互作用的矿物类型(图)6）.当盐溶解是主要过程时，CL之间的摩尔比−和钠+等于1。大部分地下水样本在y=x线，反对岩盐溶解的可能性。多余的钠+浓度可能来源于硅酸盐溶解或离子交换。石膏的溶解会导致SO的摩尔比42−和Ca2+等于1。所有的地下水样本都在y=x线。石膏的溶解不太可能是主要的自然过程，这意味着某些过程可能贡献了钙2+．在Ca2+与HCO.3.−，地下水取样跟随y=x线，表示方解石溶解的发生。Ca的摩尔浓度2+，mg.2+，Na.+和HCO3.−由Gaillardet et al.(1999)构建的，被认为是评价碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发岩对水化学成分影响的有效方法[35］．在本研究中，地下水样品落在碳酸盐岩和硅酸盐岩石之间的区域。因此，硅酸盐和碳酸盐而不是蒸发岩对地下水化学有贡献。地下水样品分布在硅酸盐风化区和方解石溶蚀区。

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图6.
(a) Cl的相关图− vs。Na+, (b)4 2− vs。Ca2+HCO (c)3. − vs。Ca2+(d)(毫克2+/ na.+）vs。(Ca2+/ na.+), (HCO (e)3. −/ na.+）vs。(Ca2+/ na.+), HCO (f)3. −+所以4 2− vs。Ca2++毫克2+, (g) (Ca2++毫克2+)−(HCO3. −+所以4 2−）vs．Na++ K+−Cl−， (h)氯碱指数CAI-Ivs。cai-ii，和（i）sivs．TDS。

离子交换已被报道为地下水系统中普遍存在的自然过程[36.- - - - - -38.］．(Ca2++毫克2+)−(所以42−+ HCO3.−)和(Na++ K+−Cl-)可以用来识别离子交换。地下水样品图呈负相关，说明Ca与Ca之间存在离子交换2+和钠+．此外，氯碱指数(CAI-I和CAI-I)可以有效地约束离子交换的类型。当CAI-I和CAI-II值大于零时，发生反向离子交换。相比之下，CAI-I和CAI-II值都小于零，支持离子交换。在本研究中，大部分地下水样品的CAI-I和CAI-II值均小于零。因此，Ca之间的离子交换2+和钠+在研究区提出。

3.3.2。估计可能的矿物阶段的饱和度指数

饱和指数(SI)是反映地下水系统中矿物平衡状态的可行指标。本研究采用Phreeqc 3.0计算方解石、白云石、石膏、岩盐的饱和指数，如图所示6(我)．石膏和岩盐的饱和指数明显低于零，表明处于不饱和状态。白云石和方解石以大于零的饱和指数表示过饱和状态。水化学成分主要来源于碳酸盐矿物的溶蚀作用。

3.3.3。基于EWQI的地下水水质评价

EWQI方法已被广泛用于评价水化学参数对整体水质的综合影响[25.，26.，39.］．当EWQI值低于100时，表明水质已达到饮用水允许限值。在本研究中，Ca2+，mg.2+，Na.+K+,Cl−,所以42−, HCO3.−F−,没有3.−， TDS参与EWQI的计算。其中EWQI值的范围为95-235(平均值= 175)，评估等级为2 - 5(图5)7（a））.大部分地下水样本显示:4级差，低于世界卫生组织允许的饮用水标准。

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(b)
图7.
(a)熵权水质指数(EWQI)与TDS的关系;(b)基于EWQI等级的地下水水质空间分布。

在地理信息系统软件(GIS)中，采用正态克里格插值方法显示EWQI等级的空间分布(图)7（b））.在图7（b），研究区绝大多数地下水样品不允许饮用。研究区西部和中部部分地区地下水EWQI值明显超过安全饮用允许值。因此，研究区西部和中部地下水保护应受到重视。

4.结论

为了更好地开发利用地下水资源，本文在遂宁地区采集了28个地下水样品，进行了水文地球化学分析和质量评价。主要结论如下:（1）地下水样品与Ca-HCO具有较高的碱性亲和和TDS值3.类型。平均阳离子和阴离子浓度遵循CA的顺序2+> Na+>毫克2+> K+和HCO3.−>所以42−> Cl−>没有3.−> F−．硝酸盐污染通过NO3.−浓度为0.20-244.00 mg/L。（2)主要离子和地球化学建模的比例集体揭示了水源性化学组合物通过碳酸酯溶解和离子交换占主导地位。（3）熵权水质指数(EWQI)表明，大部分样品不适宜饮用。研究区西部和中部地区EWQI值较高，今后应重视地下水保护工作。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者根据要求提供。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

国家自然科学基金项目(no . 42072313);中央高校基本科研业务费专项资金(no . 2682020CX10);西南交通大学学生科研训练计划项目(no . 202010613072和no . 201019)。关键词:岩石力学，岩石力学，数值模拟，数值模拟

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