地下水环境的变化与生态稳定和用水安全有着重要的联系[1].地下水化学成分是地下水环境的重要组成部分, 对地下水化学特征和形成机制的研究有助于了解地下水环境的变化过程, 便于科学合理地开发地下水资源[2].地下水化学特征受控于一系列自然因素(降水、地表水、沉积环境等)和人为因素(人为污染、地下水开采等), 是地下水与环境长期作用的产物[3].张智雄等[4]利用统计学、Piper三线图和主离子比例关系等对绵阳红层地区的浅层地下水分析, 得出地下水水化学类型主要源于硅酸盐、碳酸盐和蒸发盐岩的溶解.李政葵等[5]对洛阳盆地浅层地下水进行采样分析, 利用数理统计和离子比例系数等方法得出地下水水化学成因主要为碳酸盐岩和硅酸盐岩等矿物的风化溶解, 同时阳离子交换作用和人类活动对地下水水化学特征的形成也有一定影响.

涡河流域是淮河流域的一部分, 包括豫东平原东部和淮北平原西部, 是我国重要的粮食生产基地, 地下水是涡河流域重要的工农业生产和城乡饮用水水源, 地下水开发利用程度较高[6], 同时人口稠密, 人类活动频繁, 地下水已受到人类活动的影响[7].目前有关涡河流域的研究较少, 且在该区域未进行地下水化学特征及其成因分析的相关研究.综合运用数理统计、Piper三线图、Gibbs图和离子系数比值等方法, 结合水文地质条件和水文地球化学理论, 对涡河流域中部地区不同深度地下水进行水化学特征和成因分析, 以揭示该区地下水化学的分布特征, 探讨其水文地球化学过程.

研究区位于涡河流域中部(图 1), 行政区划包括安徽省亳州市和河南省周口市, 地理坐标为北纬33°40′~33°50′, 东经115°30′~115°45′.地势总体平坦, 自西北向东南微倾斜, 坡降约1/7 000, 地面标高35.8~39.0 m, 属典型的黄淮堆积型地貌.研究区属于暖温带半湿润季风气候区, 年平均气温14.7℃, 多年平均降雨量804.0 mm, 多年平均蒸发量1 668.8 mm.地表水均属于涡河水系, 包括赵王河、急三道河、宋汤河、油河、清水河和红旗一沟等, 多为过境河, 流向大多自西北向东南.

区域上属华北地层大区晋冀鲁豫地层区徐淮地层分区淮北地层小区, 区内无基岩出露, 地表被厚厚的晚新生代松散层所覆盖, 厚度约800~1 000 m, 区内第四纪地层厚度约150~160 m, 自上而下为黏性土和砂性土组成的多层韵律结构, 成因类型以河流相沉积和湖相沉积为主.工作区以松散岩类孔隙水为主要工农业和城乡生活用水.彭玉怀等[8]基于晚新生代地层及其沉积结构、孔隙水与大气降水的联系、环境同位素等特征, 将淮北平原孔隙水由浅入深划分了三大流动系统.结合本次工作, 三大流动系统简述如下：①浅部循环系统, 处于开放状态, 与大气降水联系密切, 地下水位存在强烈的季节性波动.地下水年龄多小于5×103 a.该系统对应的浅层地下水, 主要赋存于第四纪晚更新世含水层中, 含水层底板埋深小于50 m, 厚度10.0~35.0 m, 富水性较好, 水位埋深2.0~4.6 m, 水位年变幅0.5~3.0 m. ②中间过渡系统, 处于半封闭状态, 与大气降水的联系随着深度增加逐渐减弱.地下水年龄多在10×103~20×103 a之间.该系统对应的中层地下水, 主要赋存于第四纪中更新世和早更新世含水层中, 含水层不连续, 底板埋深50~150 m, 厚度17.5~34.0 m, 富水性贫乏.水位埋深一般小于5 m, 仅在区内东北部和东南部由于地下水开采影响形成局部的地下水降落漏斗, 水位埋深超过10 m, 水位基本稳定. ③深部滞流系统, 基本上处于封闭状态, 与大气降水基本上没有联系, 地下水年龄超过20×103 a.该系统对应的深层地下水, 主要赋存于新近纪中新世含水层中, 含水层底板埋深150~480 m, 厚度42.4~118.5 m, 富水性中等, 水位埋深大多为30~40 m, 已形成区域性的降落漏斗, 区内东北部和东南部的漏斗中心埋深大于60 m, 并以3~5 m ·a-1的速度下降.该区浅层与中层地下水水力联系弱, 中层与深层地下水基本无水力联系.浅层地下水自西北向东南方向径流, 径流缓慢; 中层和深层地下水在天然状态下自西北向东南方向径流, 由于人工开采地下水形成了降落漏斗, 漏斗范围内地下水向漏斗中心径流.该区的水文地质剖面图见图 2.

根据地下水质量标准(GB/T 14848-2017), 该区浅层地下水主要以Ⅳ类水为主, 占比65.5%, 其次为Ⅴ类水, 占比31.2%, Ⅰ类~Ⅲ类水分布较少, 占比3.3%, 这与2018年淮北平原的浅层地下水水质现状一致[7].中层地下水以Ⅳ类水为主, 占比66.7%, 其次为Ⅴ类水, 占比33.3%.深层地下水均为Ⅳ类水.

2019年6~9月采集了地下水样品80组(图 1), 其中浅层地下水样品61组, 中层地下水样品9组, 深层地下水样品10组.浅层地下水样品来自农村分散式的小型供水井、农田灌溉机井和钻孔, 井深8~60 m; 中层地下水样品来自村镇集中式供水井和钻孔, 井深138~150 m; 深层地下水均来自村镇集中式供水井, 井深300~480 m.每组水样使用两个聚乙烯塑料瓶采集, 采样前样品瓶用水样清洗3遍.一瓶水样体积为500 mL, 加入1 :1硝酸溶液, 使其pH