地下水是半干旱地区重要的灌溉水源，也是大部分城市的供水水源^{[1 − 2]}。淮北平原位于我国南北气候过渡带，是淮河流域典型平原区，地下水在区域社会经济发展中发挥着至关重要的作用。根据2021年淮河流域水资源公报^[3]，在跨流域调水占总供水量12.9%的前提下，地下水源供水量仍占淮北平原（含淮河上游及淮河中游）总供水量的30.6%。农业用水占总用水量的57.2%，淮北平原农业用水主要取用浅层地下水。浅层地下水受大气降水补给水循环速度较快，在淮北平原农村地区被广泛开采，是重要的农业灌溉水源和农村分散生活供水水源。

淮河流域平原地区地下水质量较差^{[4 − 7]}，开展水化学和水质演变研究是淮河流域水资源调查研究的重要工作内容之一。叶念军等^[8]调查研究认为淮河流域浅层地下水质量普遍较差，且存在广泛的原生劣质水；龚建师等^{[9 − 10]}研究认为淮河流域浅层地下水受人类活动影响，水污染在城镇周边呈点状、沿河沿路呈条带状、广大农村呈面状；赵贵章等^[11]、朱春芳等^[12]以豫东黄泛区、丰沛平原黄河影响区为例研究认为蒸渗交替强度较大区域原生、次生水质因子交互影响作用更强烈；顾慰祖^[13]研究认为黄泛区黄河南岸至涡阳—阜阳一线水文地球化学过程仍然受近代黄河地下水循环影响；葛伟亚等^[14]提出了控制城镇极重污染源和农村面域污染源的地下水污染防治策略；Xu等^{[15 − 16]}研究认为豫东皖北鲁西南集中存在以铁锰氟砷普遍叠加的天然劣质水，并提出劣质因子共富集机理。以上研究积累了大量基础数据和规律性认识，从空间维度较全面刻画了淮河流域平原区地下水化学特征及部分成因机理。但对典型水文地质单元如淮北平原水化学物质来源及水质演变及影响因子动态分析研究较少。本文以整合分析历史数据为基础，从时空变化格局下的水化学演化分析淮北平原浅层地下水质量演化机制，为流域尺度地下水环境评价提供基础支撑，为区域水资源安全提供决策参考，具有现实意义。

1.   研究区概况

淮北平原位于黄淮海平原南缘，面积约为13×10⁴ km²，覆盖河南省东部、安徽省北部，东部与江苏省、山东省相交（图1）。地处我国南北气候过渡带，降雨量南北差异较大，年际、年内分布极不均匀，汛期（6—9月）降水占全年降水的50%～70%。

图  1  淮北平原浅层地下水采样点分布图

Figure  1.  Distribution of shallow groundwater sampling points in Huaibei Plain

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淮北平原地下水主要分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和基岩裂隙水3种类型。其中分布最广且具供水意义的为松散岩类孔隙水。在淮北平原地下30～55 m，广泛分布有一层14～20 m厚的黏性土层，层位稳定、连续、结构紧密，目前农灌井很少贯穿，天然状态下浅、深含水层间无水力联系。水文地质剖面见图2。浅层孔隙含水岩组多由上更新统亚黏土、亚砂土、粉砂和细砂组成，仅北部黄泛区及河谷地带为全新统砂性土和黏性土。地下水自西北流向东南方向，由于地势平坦，流动十分缓慢。浅层地下水主要受大气降水补给，以地面蒸发、植物蒸腾、农村分散开采为主要排泄方式。北部低缓平原区地下水水位埋深大部分为2～4 m，南部大部分小于2 m。浅层孔隙地下水水位主要受降水、蒸发及地表水影响，水位变幅一般为1.5～2.5 m。

图  2  淮北平原水文地质剖面图

Figure  2.  Hydrogeological profile in Huaibei Plain

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淮河中上游水系呈南北不对称分布，北部沙颍河、涡河等主要支流汇水面积较大，在冲洪积作用下形成广袤平原，即淮北平原。本研究依据淮河流域地下水资源评价分区^[17]，参照淮河北翼主要支流汇流分区和黄泛区界线，结合淮河地表水分区^[18]，大致以涡河西侧与西淝河分水岭为界，将淮北平原划分为淮河上游淮北平原和淮河中游淮北平原（图1）。

2.   材料与方法

2.1   水化学测试数据

研究区分别在2010、2018和2021年采集浅层地下水样品。2010年为淮河流域首轮地下水污染调查，共采集浅层地下水样品1370组；2018和2021年为国家地下水监测工程采样，共采集布设的浅层孔隙水水质监测点307个。采样时间控制在平水期，样品采集遵循中国地质调查局地下水样品采集规范，样品分析主要指标包括溶解性总固体（total dissolved solids，TDS）、总硬度、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、Cl⁻、${\mathrm{SO}}_4^{2- }$、${\mathrm{HCO}}_3^-$、${\mathrm{CO}}^{2-}_ 3$、${\mathrm{NO}}^-_3$、${\mathrm{NO}}^-_2$、${\mathrm{NH}}^+_4$、F⁻、I⁻、Mn、Fe、Zn、Hg、Cr⁶⁺、As、Pb、Cd、Se、pH值等30余项。样品水化学测试2010年由国土资源部华东矿产资源监督检测中心完成，2018和2021年由国家地下水监测工程地下水水质测试与质量控制实验室完成。采样点分布见图1。

2.2   数理统计及分析方法

选取2021年浅层地下水化学采集测试数据，运用数理统计分析淮北平原水化学特征及水质现状。影响淮北平原地下水质量的水质指标众多，且具有较大的空间变异性^{[19 − 20]}，采用主成分分析法（principal component analysis，PCA），能有效克服评价指标间的重叠信息和离散信息，筛选出水质典型影响因子从而进一步分析水质时空演变规律^{[21 − 22]}。运用SPSS26软件开展主成分分析，首先对水质参数进行标准化处理，计算相关系数矩阵，确认其变量间存在较强的相关性适用于主成分分析。根据相关矩阵的特征值和特征向量，筛选出特征值大于1的主成分，计算主成分贡献率和方差累计贡献率，确认其可接受性，计算主成分荷载值，筛选得出影响淮北平原浅层地下水质量的典型指标。对选取的典型指标运用arcgis10.6软件绘制2010、2018 和2021年浓度空间分布图，研究其时空动态演化特征。

3.   结果

3.1   水化学特征

浅层地下水中主要离子的质量浓度数理统计见表1。淮北平原pH值变化范围为6.60～8.61，86%水样pH值在7.0～8.0区间，浅层地下水多呈弱碱性；总硬度（以CaCO₃计）变化范围为70～2481 mg/L，硬水（300～450 mg/L）占35%，微硬水（150～300 mg/L）和极硬水（>450 mg/L）各占30%。溶解性总固体变化范围为192～5302 mg/L，淡水（<1000 mg/L）占80%，微咸水（1000～3000 mg/L）占19%；浅层地下水最主要的阳离子为Na⁺，离子当量浓度Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺，最主要的阴离子为${\mathrm{HCO}}_3^-$，离子当量浓度${\mathrm{HCO}}_3^-$>Cl⁻>${\mathrm{SO}}_4^{2- }$>${\mathrm{NO}}^-_3$。一般用变异系数表征地下水中水溶性化学物质呈现出的离散度和空间差异^[23]，K⁺、I⁻、${\mathrm{NO}}^-_3$、${\mathrm{SO}}_4^{2- }$、Cl⁻和Na⁺变异系数较大，I⁻为淮北平原原生性劣质水指标，较大的变异系数呈现了其明显的空间变异性。${\mathrm{NO}}^-_3$、${\mathrm{SO}}_4^{2- }$变异系数较大多与人类活动影响相关。

表  1  样品水化学特征

Table  1.  Statistics of major ions in groundwater

项目	pH值	总硬度 /（mg·L−1）	溶解性总固体 /（mg·L−1）	质量浓度（ρ）/（mg·L−1）
				Ca2+	Mg2+	K+	Na+	${\mathrm{SO}}_4^{2- }$	Cl−	${\mathrm{HCO}}_3^-$	${\mathrm{NO}}^-_3$	F−	I−	Mn
平均值	7.61	411	798	84.5	48.8	1.5	131.9	138.0	102.4	489.2	3.4	0.86	0.04	0.37
中位值	7.60	362	596	77.6	38.5	0.7	70.0	64.7	52.8	457.0	0.4	0.72	0	0.26
最小值	6.60	70	192	14.7	6.0	0.04	7.9	0.16	1.8	13.9	—	0.06	—	0.002
最大值	8.61	2481	5302	280.6	432.7	67.4	984.4	1911.1	1546.3	1305.8	63.1	5.00	0.93	2.68
标准差	0.34	232	672	40.3	43.0	4.7	163.1	236.4	156.9	191.0	6.8	0.63	0.11	0.36
变异系数	0.04	0.56	0.84	0.65	0.99	3.06	1.24	1.71	1.53	0.39	1.98	0.74	2.59	0.97
注：—表示未检出。

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3.2   水化学类型

用舒卡列夫分类法对地下水中化学组分进行分类，绘制Piper三线图^[24]（图3）。淮北平原浅层地下水化学阴离子多靠近${\mathrm{HCO}}_3^-$端，阳离子多靠近Na⁺和Ca²⁺端；水化学类型共28类，其中主要水化学类型8类占比78.8%，分别为HCO₃—Na•Ca•Mg型（26.4%）、HCO₃—Ca•Mg型（16.3%）、HCO₃·Cl—Na•Ca•Mg型（7.5%）、HCO₃—Na•Mg型（6.8%）、HCO₃•SO₄•Cl—Na•Mg型（6.2%）、HCO₃—Na•Ca型（5.9%）、HCO₃•SO₄•Cl—Na•Ca•Mg型（5.2%）和HCO₃—Ca型（4.6%）。

图  3  淮北平原浅层地下水Piper三线图

Figure  3.  Piper diagram of shallow groundwater in Huaibei Plain

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从淮北平原浅层地下水化学类型分区图（图4）看，阳离子Ca和Ca•Mg型主要分布在西部山前平原，Na•Ca•Mg型全区分布最多，Na•Mg型集中分布于淮北平原中部沙颍河—涡河一带，Na型呈零星分布。阴离子HCO₃型全区分布最广占60%以上，HCO₃•SO₄型和HCO₃•SO₄•Cl型主要分布在淮河北翼支流水系上游和中游，下游多为HCO₃•Cl型，SO₄•Cl型和Cl型全区分布较少。

图  4  淮北平原浅层地下水水化学类型分区图

Figure  4.  Zoning map of hydrochemical types of shallow groundwater in Huaibei Plain

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对比2010年水化学历史数据^[25]，上游淮北平原浅层地下水主要水化学类型从HCO₃—Na•Ca•Mg型、HCO₃—Ca•Mg型和HCO₃•Cl—Na•Ca•Mg型主导向HCO₃—Ca•Mg型、HCO₃—Na•Ca•Mg型和HCO₃—Na•Ca型主导转变，HCO₃型显著增加；中游淮北平原从HCO₃—Na•Ca•Mg型、HCO₃•Cl—Na•Ca•Mg型和HCO₃—Ca•Mg型主导转变为以HCO₃—Na•Ca•Mg型主导，Ca型、HCO₃型减少，水化学类型趋于多样化且较为分散。

3.3   地下水质量评价

依据《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017） ^[26]对淮北平原浅层地下水进行质量综合评价，评价指标共26项，包括一般化学指标15项和毒理学指标11项。本次评价把仅由铁、锰、总硬度指标影响的Ⅳ类水单独列为原生易处理型劣质水，归类统计时纳入Ⅰ～Ⅲ类水。评价结果表明，淮北平原浅层地下水以水化学组分含量较高，适用于农业和部分工业用水，适当处理后可做生活饮用水的Ⅳ类水为主，占比约50%。主要影响指标为锰、总硬度、氟化物、溶解性总固体、碘化物等。

图5为淮北平原2010、2018和2021年水化学样品采集测试分析所得的浅层地下水质量适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水（Ⅰ～Ⅲ类水）所占百分比变化图。由图可知，2010—2018年间Ⅰ～Ⅲ类水增幅明显，特别是上游淮北平原增幅较大，约为中游的3倍。2018—2021年间Ⅰ～Ⅲ类水有所下降，中游淮北平原降幅约为上游的3倍。总体来看，2010—2021年淮北平原浅层地下水质量先经历明显趋好后略有劣化，总体仍为明显趋好态势，特别是上游淮北平原Ⅰ～Ⅲ类水增长近一倍，但中游淮北平原水质先经历略有趋好后呈现明显劣化态势，Ⅰ～Ⅲ类水减少了30%。

图  5  淮北平原浅层地下水适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水比例变化图

Figure  5.  Shallow groundwater in Huaibei Plain suitable for centralized drinking water source and changes of industrial and agricultural water

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淮北平原2010、2018和2021年地下水质量综合评价分区见图6，根据地下水质量综合评价结果，划分为Ⅰ～Ⅲ类水、Ⅳ类水和Ⅴ类水。从地下水质量变化情况看，2010—2018年Ⅰ～Ⅲ类水扩大区域主要集中在上游淮北平原山前的河南平顶山—漯河—驻马店一带，以及下游淮北平原淮河支流下游的阜阳—亳州—淮南—淮北—宿州和江苏洪泽湖以西；2018—2021年Ⅰ～Ⅲ类水区域在上游淮北平原山前地带进一步扩大，但在淮河支流下游地区呈显著减少。Wang等^[27]研究表明淮河流域在2010—2018年人为干扰强度呈下降趋势，干扰程度高的地区主要集中在城市地区；自然度高的区域主要分布在淮河流域中游的西南部和西部，这些地区以林地、草地和水体为主。2010—2018年淮北平原污染物排放和资源消耗得到有效控制，同时退耕还林和淮河流域水污染防治条例的实施大大降低了人类活动对环境的干扰，使得淮北平原Ⅰ～Ⅲ类水区域显著增长，但根据2018—2021年地下水质量评价结果，淮北平原特别是中游淮北平原Ⅰ～Ⅲ类水区域呈现面积大幅缩小趋势，建议进一步加强对淮北平原的动态监测和保护。

图  6  淮北平原地下水质量综合评价分区图

Figure  6.  Zoning map of groundwater quality comprehensive evaluation in Huaibei Plain

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4.   分析与讨论

4.1   水化学物质来源分析

地下水中化学物质来源及演化多与地下水与岩石矿物发生的水岩作用相关，用Gibbs图离子比值关系分析大气降水、岩石风化作用和蒸发浓缩作用对本区浅层地下水主要离子的控制和影响^{[28 − 29]}，如图7。研究区Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺）当量浓度比值为0.15～0.99，Cl⁻/（Cl⁻+${\mathrm{HCO}}_3^-$）当量浓度比值为0.01～0.96，表征大部分样品受岩石风化影响为主，少部分样品受蒸发浓缩作用影响。把研究区以涡河西侧与西淝河分水岭为界分为上游淮北平原和中游淮北平原，可以看出，水岩作用从上游淮北平原到中游由岩石风化作用主导向蒸发浓缩作用主导演变，上游淮北平原受大气降水控制影响大于中游。上游淮北平原从西部山前倾斜平原到低缓平原松散岩类孔隙含水层厚度逐渐变大，含水层颗粒由粗变细；上游淮北平原西部第四系松散堆积层相对较薄，含水层多含砂局部含砂砾石，结构松散分选性好，补给条件好透水性强径流较快，有利于岩石风化溶解作用过程。

图  7  淮北平原浅层地下水Gibbs图

Figure  7.  Gibbs diagram of shallow groundwater in Huaibei Plain

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用${\mathrm{HCO}}_3^-$/Na⁺、Mg²⁺/Na⁺ 和Ca²⁺/Na⁺离子当量浓度比值关系（图8）进一步分析岩石风化溶解的水岩作用中不同岩石种类来源^{[30 − 31]}。研究区${\mathrm{HCO}}_3^-$/Na⁺当量浓度比值为0.07～10.49，Mg²⁺/Na⁺当量浓度比值为0.04～1.95，研究区浅层地下水样品大部分受硅酸盐岩-碳酸盐岩风化溶解的水文地球化学作用影响，少部分受硅酸盐岩-蒸发盐岩风化溶解的水文地球化学作用影响。以涡河为界可以看出，从上游淮北平原到中游淮北平原，岩石风化溶解的水岩作用由碳酸盐岩慢慢向硅酸盐岩再向蒸发盐岩演化。

图  8  淮北平原${\mathrm{HCO}}_3^-$/ Na⁺、Mg²⁺/Na⁺ 与Ca²⁺/Na⁺离子浓度比值关系

Figure  8.  Relationship of ${\mathrm{HCO}}_3^-$/Na⁺, Mg²⁺/Na⁺, and Ca²⁺/Na⁺ in shallow groundwater in Huaibei Plain

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4.2   主成分分析

影响地下水质量的水质指标众多，且具有较大的空间变异性。水质指标是多个分类有序变量且变量间存在较强的相关性，剔除检出率较低指标，选取对水质综合评价结果有影响的16个因子采用主成分分析法，能有效克服评价指标间的重叠信息和离散信息，筛选出水质典型影响因子以便进一步分析水质演变规律。

使用SPSS26软件对水质数据进行标准化处理后，选取特征值大于1的6个主成分，累计方差贡献率达76.5%（表2），认为在可接受范围内能包含原始指标主要信息。与主成分1正相关系数较大的因子为溶解性总固体、硫酸盐、钠、氯化物、总硬度、氟化物和碘化物，反映区域原生地质环境影响。与主成分2正相关系数较大的因子为耗氧量、亚硝酸盐和砷，指示还原型氧化还原条件。与主成分3正相关系数较大的因子为硝酸盐，反映农业活动和人类生活输入的污染源。与主成分4正相关系数较大的因子为挥发酚，多与化工生产污染有关。与主成分5正相关系数较大的因子为锌和铅 ，多与工矿开采活动有关。与主成分6正相关系数较大的因子为氨氮，指示强还原环境。

表  2  特征值、主成分贡献率及累计贡献值

Table  2.  Eigenvalues, contribution rate, and cumulative contribution rate of the principal components

成分	初始特征值				提取载荷平方和
	总计	方差百分比/%	累积/%		总计	方差百分比/%	累积/%
1	4.676	29.222	29.222		4.676	29.222	29.222
2	2.009	12.557	41.780		2.009	12.557	41.780
3	1.760	10.997	52.777		1.760	10.997	52.777
4	1.436	8.975	61.752		1.436	8.975	61.752
5	1.292	8.074	69.825		1.292	8.074	69.825
6	1.069	6.680	76.506		1.069	6.680	76.506
7	0.962	6.016	82.521
8	0.849	5.308	87.829
9	0.591	3.693	91.522
10	0.409	2.556	94.078
11	0.323	2.021	96.099
12	0.233	1.456	97.555
13	0.159	0.993	98.548
14	0.108	0.674	99.223
15	0.096	0.603	99.825
16	0.028	0.175	100.000

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4.3   地下水质量动态演变分析

地下水质量综合评价结果按单因子评价最差的类别确定，直接分析水质综合评价结果受多因子交互作用影响，无法客观反映其演化细节，主成分分析法能剥离出影响水质的典型主成分指标，通过分析与主成分相关系数较大的典型因子的演化过程，探寻水质演化规律。

根据主成分因子荷载（表3），选取与主成分1正相关系数达0.941的溶解性总固体、与主成分2正相关系数达0.820的耗氧量、与主成分3正相关系数达0.751的硝酸盐，分析淮北平原浅层地下水质量演化规律。

表  3  主成分因子载荷

Table  3.  Various factors loading in principle components

指标	主成分1	主成分2	主成分3	主成分4	主成分5	主成分6
锰	0.240	0.479	−0.002	0.449	−0.490	0.130
总硬度	0.811	0.088	0.388	−0.046	−0.172	−0.043
溶解性总固体	0.941	−0.096	0.049	−0.084	−0.019	0.015
硫酸盐	0.930	−0.093	0.114	−0.081	−0.089	0.046
氯化物	0.898	−0.050	0.132	−0.145	−0.169	0.036
锌	0.007	−0.109	0.128	0.092	0.426	0.258
硝酸盐	−0.014	0.054	0.751	−0.101	0.202	0.090
挥发性酚类	0.397	0.086	−0.141	0.684	0.378	0.059
耗氧量	0.198	0.820	−0.082	−0.405	0.243	−0.011
氨氮	0.055	0.422	−0.103	0.513	−0.071	0.616
钠	0.920	−0.178	−0.170	−0.085	0.074	0.025
亚硝酸盐	0.032	0.785	0.062	−0.318	0.384	−0.065
氟化物	0.483	−0.258	−0.548	−0.032	0.440	−0.003
碘化物	0.217	0.185	−0.508	−0.324	−0.197	0.042
砷	0.084	0.359	−0.132	0.287	−0.244	−0.609
铅	0.259	0.039	0.166	0.336	0.354	−0.460

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（1）溶解性总固体

溶解性总固体是溶解于水中的无机盐和有机物的总称，水中溶解物质越多，溶解性总固体值越高，根据主成分分析，主要指征原生地质环境。根据本区浅层地下水化学物质来源及过程分析，岩石风化的水岩溶滤作用也是本区浅层地下水中水化学组分的主要水文地球化学来源。将淮北平原浅层地下水中溶解性总固体划分为5个等级，分别为TDS<500 mg/L，500～<1000 mg/L，1000～<2000 mg/L，2000～3000 mg/L和>3000 mg/L，见图9。

图  9  淮北平原浅层地下水溶解性总固体分区图

Figure  9.  Zoning map of total dissolved solids in shallow groundwater in Huaibei Plain

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从图9可知， 溶解性总固体空间分布呈现两级分化，500～<1000 mg/L面积不断缩小，增长最多的是TDS<500 mg/L区域，主要位于淮北平原西部山前冲积平原和淮河上游北岸驻马店—信阳—阜阳—淮南一带以及宿州西部；1000～<2000 mg/L区域从破碎点状分布变为面状集中分布，主要位于淮河北岸支流上游和中游的商丘—周口—开封—许昌东部、安徽淮北中部和山东菏泽南部； TDS≥2000 mg/L区域有较大变动，缩小区域位于开封和漯河东部以及江苏宿迁南部，扩大区域主要位于商丘北部、许昌东部、周口中部一带及安徽淮北中部。

本区浅层地下水为松散岩类孔隙地下水，埋藏较浅，主要受大气降水补给，含水层岩性多为亚砂亚黏互层，受岩石风化溶滤作用影响较大。在TDS>2000 mg/L的商丘、淮北等地，孔隙潜水高水位期水位埋深多在1.8～3.0 m，季风气候影响加之全球气温升高、平坦的地形地貌条件、砂黏交错的土壤类型、较高的地下水水位，使该区成为土壤易盐碱化和有盐碱化威胁的地区之一。

（2）耗氧量

耗氧量又称高锰酸盐指数，地下水中耗氧量与亚硝酸盐、亚铁、腐殖质等密切相关，根据主成分分析，主要指征还原型氧化还原条件。根据淮北平原浅层地下水中耗氧量质量浓度，划分为五个等级，分别为耗氧量<1 mg/L、1～<2 mg/L、2～<3 mg/L、3～10 mg/L和>10 mg/L，见图10。

图  10  淮北平原浅层地下水耗氧量质量浓度分区图

Figure  10.  Zoning map of oxygen consumption in shallow groundwater in Huaibei Plain

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由图10可知，淮北平原氧化还原条件整体向氧化环境演变，特别是上游淮北平原的许昌—漯河—周口一带和开封南部从还原环境演变为氧化环境较为明显，此外中游的安徽淮北北部也从强还原环境演变为氧化环境。淮北平原农村地区2010年以来广泛实施农村灌溉井工程，在农田区布置高密度的灌溉井抽取浅层地下水用于农田灌溉和农村生活，促进了浅层地下水的循环交替，使地下水氧化还原环境向氧化环境演变。而在地表水丰富的中游淮北平原淮安—宿迁一带，多建地表灌溉水渠用于农田浇灌，且江苏承压地下水禁采令实施多年，浅层地下水氧化还原条件有慢慢向还原环境演变的趋势。

（3）硝酸盐

硝酸盐是地下水中普遍的污染物，也是地下水污染特别关注的目标^{[32 − 33]}，高浓度的硝酸盐主要与农业化肥使用和生活污水养殖废水排放有关^[34]，淮北平原是我国主要粮食产地之一，农业化肥施撒引发的硝酸盐污染是本区最重要的人为污染源。根据淮北平原浅层地下水中硝酸盐质量浓度，划分为5个等级，分别为硝酸盐<2 mg/L、2～<5 mg/L、5～<20 mg/L、20～30 mg/L和>30 mg/L，见图11。

图  11  淮北平原浅层地下水硝酸盐质量浓度分区图

Figure  11.  Zoning map of nitrate concentration in shallow groundwater in Huaibei Plain

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由图11可知，淮北平原浅层地下水受硝酸盐污染影响总体呈大幅下降趋势。2010年硝酸盐质量浓度≥20 mg/L区域以小片面状分散分布于上游淮北平原、中游腹地和江苏洪泽湖西北，到2018年，硝酸盐质量浓度≥20 mg/L区域聚集成面集中分布在上游淮北平原郑州—许昌—平顶山、漯河和驻马店一带，在中游面积缩小仅余商丘东南部、菏泽南部和阜阳西部集中分布区，洪泽湖以北地区消失；及至2021年，硝酸盐质量浓度≥20 mg/L区域大幅缩小，仅余许昌、驻马店、商丘3小片局部分布。

总体来看，上游淮北平原浅层地下水高浓度硝酸盐分布区经历了从小片面状分散到局部集中范围扩大聚集成面，最后面积大幅缩小仅剩小片少量分布的过程。2002—2017年是我国氮肥施用高峰期^[35]，在山前平原，松散层较薄，地下水受降雨垂直入渗补给，径流较快，广泛分布的农田灌溉井抽取浅层地下水用作农田灌溉也促进了水循环交替，使得2010—2018年淮北平原西部浅层地下水中硝酸盐富集；随着农业化肥的使用得到控制，2018—2021年上游淮北平原浅层地下水中硝酸盐含量大幅下降，2021年≥20 mg/L范围仅剩小片零星分布。

地下水质量受多因素影响，包括农业、城市化、工业、采矿、人口增长和气候变化，以及砷和氟化物等原生劣质因子迁移影响。本文从主成分分析入手，找出影响本区浅层地下水质量的3个主成分强相关指标因子，分析其时空演变，进而总结淮北平原浅层地下水质量演化规律。从溶解性总固体看，淮北平原受原生地质环境影响，经水岩溶滤作用溶解于浅层地下水中的可溶物质总量呈两级分化趋势，TDS<500 mg/L区域大幅增加，1000～<2000 mg/L区域从破碎点状分布慢慢变为面状集中分布，TDS≥2000 mg/L区域增多且多分布于中游淮北平原。从耗氧量看，淮北平原特别是上游淮北平原浅层地下水氧化还原条件从还原环境向氧化环境演变。从硝酸盐看，淮北平原浅层地下水受农业生产等人为污染源影响经历了2010—2018年在上游淮北平原局部加重，在2018年后整体得到大幅改善。

5.   结论

（1）淮北平原浅层地下水多呈弱碱性，淡水为主，少量微咸水，浅层地下水最主要的阳离子为Na⁺，阳离子当量浓度Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺，最主要的阴离子为${\mathrm{HCO}}_3^-$，阴离子当量浓度${\mathrm{HCO}}_3^-$>Cl⁻>${\mathrm{SO}}_4^{2- }$>${\mathrm{NO}}^-_3$。

（2）淮北平原主要的水化学类型共8类，HCO₃—Na•Ca•Mg型和HCO₃—Ca•Mg型占比最多。阳离子以Na•Ca•Mg型分布面积最大，Ca和Ca•Mg型水主要分布在西部山前平原。阴离子以HCO₃型在全区分布最广。

（3）淮北平原浅层地下水质量现状以Ⅳ类水为主，占比约50%。2010—2021年地下水质量在经历了明显好转后略有下降，总体仍为趋好态势；上游淮北平原水质改善幅度较大，但中游淮北平原呈水质劣化态势。

（4）淮北平原浅层地下水化学组分受岩石风化作用影响为主，其次为蒸发浓缩作用。从上游淮北平原到中游淮北平原，水岩作用由岩石风化作用主导向蒸发浓缩作用主导演变，受大气降水控制影响上游淮北平原大于中游。岩石风化作用主要为硅酸盐岩−碳酸盐岩风化溶解的水岩作用，其次是硅酸盐岩−蒸发盐岩，从上游淮北平原到中游淮北平原，由碳酸盐岩慢慢向硅酸盐岩再向蒸发盐岩演化。

（5）淮北平原浅层地下水中的可溶物质总量分布呈两级分化，氧化还原条件总体从还原环境向氧化环境演变，浅层地下水受农业活动等人为污染影响于2018年整体得到较大改善。