藍(lán) 坤，梁 杏，李 靜

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

江漢平原位于我國(guó)長(zhǎng)江中下游、湖北省中南部地區(qū)，區(qū)內(nèi)河湖眾多，水資源豐富，是湖北省乃至我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)、畜牧、淡水養(yǎng)殖業(yè)等生產(chǎn)基地。近年來(lái)，隨著人口的增長(zhǎng)，受工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及城鎮(zhèn)化發(fā)展等人類(lèi)活動(dòng)的影響，江漢平原內(nèi)地下水污染及水質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越突出，水體中某些指標(biāo)均有不同程度的超標(biāo)，形成了嚴(yán)重的水質(zhì)型缺水問(wèn)題[1-6]。地下水作為平原地區(qū)重要的水資源之一，無(wú)論是天然或是人為污染導(dǎo)致的水質(zhì)問(wèn)題都將會(huì)直接威脅人體健康。由于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等人類(lèi)活動(dòng)已造成江漢平原內(nèi)地下水硝酸鹽[2]、有機(jī)磷農(nóng)藥[7-8]、抗生素[9]、氨氮[10-11]等污染問(wèn)題突出，引起人們的廣泛關(guān)注并進(jìn)行了大量的研究工作。除了人類(lèi)活動(dòng)引發(fā)的一系列地下水水質(zhì)問(wèn)題外，江漢平原內(nèi)還存在不同地質(zhì)成因的原生劣質(zhì)水，如高鐵、高錳、高砷、高氟地下水，也是造成人體健康危害的重要原因。而針對(duì)江漢平原內(nèi)的原生劣質(zhì)水問(wèn)題，也有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作[3,12-16]。

基于江漢平原地區(qū)一系列的地下水污染及水質(zhì)問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者們對(duì)該地區(qū)地下水水化學(xué)特征等進(jìn)行了大量的研究，但多集中在盆地中心、東部、東北部地區(qū)，或是集中在淺層地下水，系統(tǒng)地分析江漢平原漢江帶不同層位地下水水化學(xué)特征的研究相對(duì)較少。因此，對(duì)江漢平原開(kāi)展不同層位地下水水化學(xué)特征的研究，對(duì)于揭示該地區(qū)地下水水化學(xué)特征的形成、分布以及天然劣質(zhì)水的成因具有重要的理論與實(shí)際意義。

本文以江漢平原腹地至丘陵崗地漢江帶為研究區(qū)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線圖、相關(guān)性分析等方法，重點(diǎn)分析了江漢平原漢江帶不同層位地下水水化學(xué)特征及其空間分布規(guī)律，特別是中層地下水，為當(dāng)?shù)氐叵滤拈_(kāi)發(fā)與利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為江漢平原漢江帶，位于江漢平原腹地至盆地北部邊緣丘陵山區(qū)(見(jiàn)圖1)，地理坐標(biāo)為北緯 30°20′～31°00′、東經(jīng) 112°30′～113°30′， 總面積約為2 700 km2。江漢平原三面環(huán)山，一面傍水，河湖眾多且規(guī)模不一、混雜，溝渠交錯(cuò)縱橫，長(zhǎng)江、漢江穿境而過(guò)且控制著江漢平原眾多水系的整體流向，其主要由長(zhǎng)江和漢江及其支流沖積、沖湖積沉積物堆積而成；自燕山運(yùn)動(dòng)以后，受強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，江漢平原沉積了巨厚且?guī)r相復(fù)雜多變的第四系地層，厚度由平原腹地300余米過(guò)渡到邊緣的100 m以內(nèi)。江漢平原基底斷裂廣布，屬于強(qiáng)烈構(gòu)造沉降的斷坳盆地，受眾多斷裂控制，形成了一個(gè)相對(duì)完整的盆地含水系統(tǒng)。

圖1 研究區(qū)調(diào)查范圍圖Fig.1 Map of the study area

該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年氣候溫和，降水豐富；多年平均降水量為1 208 mm，但降雨時(shí)間分布不均，主要集中于5～8月份，約占全年總降水的50%；年平均蒸發(fā)量約為1 379 mm，主要集中于6～8月份。

研究區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給、排泄與地表水系聯(lián)系緊密。區(qū)內(nèi)地表水系眾多，漢江、通順河、天南長(zhǎng)渠、西荊河、東荊河、興隆河、天門(mén)河、老河、忿河等是區(qū)內(nèi)主要河流，大小不一的湖泊廣泛分布；漢江是區(qū)內(nèi)最大的河流，貫穿了整個(gè)研究區(qū)并控制著整個(gè)研究區(qū)的水流系統(tǒng)；受區(qū)域地形的影響，區(qū)內(nèi)地下水總體由北向東徑流，在地勢(shì)低洼的湖泊和河流處排泄，從而通過(guò)水系網(wǎng)絡(luò)最終匯入漢江。區(qū)內(nèi)地下水資源豐富，平原過(guò)渡區(qū)地下水水位埋深淺，一般為1～2 m，局部地下水與地表水交替明顯。

江漢平原得天獨(dú)厚的地下水資源量主要得益于區(qū)內(nèi)第四系地層厚度大、滲透性好且儲(chǔ)水能力強(qiáng)。研究區(qū)第四系地層從上至下為全新統(tǒng)郭河組(Qhg)—上更新統(tǒng)沙湖組(Qp3s)—中更新統(tǒng)江漢組(Qp2j)—下更新統(tǒng)東荊河組(Qp1d)，以沖積、湖積、沖洪積及沖湖積沉積物為主，其巖性主要為黏土、粉土、砂和砂礫石，構(gòu)成了研究區(qū)第四系孔隙含水巖組，而下部新近系碎屑巖則是第四系孔隙含水巖組的隔水底板(見(jiàn)圖2)。根據(jù)地下水埋藏條件和水動(dòng)力特征，研究區(qū)第四系孔隙水可劃分為淺層孔隙潛水、中層孔隙承壓水和深層孔隙承壓水。研究區(qū)第四系地層厚度變化較大，不同段位工作區(qū)內(nèi)含水層厚度差異明顯，根據(jù)野外調(diào)查資料，將研究區(qū)分為三段：上段——沙洋縣以北地段(也稱漢江夾道沙洋段)、中段——沙洋縣—潛江、下段——潛江毛咀鎮(zhèn)—仙桃市，見(jiàn)圖1。

研究區(qū)淺層孔隙含水巖組主要由全新統(tǒng)郭河組(Qhg)和上更新統(tǒng)沙湖組(Qp3s)上部組成，含水巖組巖性主要為黏土、粉質(zhì)黏土及粉砂，厚度由上段地帶的10 m過(guò)渡到下段地區(qū)的20 m左右，粉砂及粉質(zhì)黏土是該含水巖組中主要的含水介質(zhì)；中層孔隙承壓含水巖組主要由上更新統(tǒng)沙湖組(Qp3s)、中更新統(tǒng)江漢組(Qp2j)組成，厚度變化范圍為50～60 m，研究區(qū)丘陵地帶相比平原地區(qū)較小，該含水巖組中含水介質(zhì)主要為厚層砂、砂礫石、礫石層，含水介質(zhì)厚度大，釋水、儲(chǔ)水能力強(qiáng)，是研究區(qū)主要的地下水開(kāi)采層位，也是本文研究的重點(diǎn)；深層孔隙承壓含水巖組主要由下更新統(tǒng)東荊河組(Qp1d)、新近系上新統(tǒng)廣華寺組(Ng)組成，含水巖組埋藏深度在60 m以上。由此可見(jiàn)，研究區(qū)不同層位含水層總體厚度變化表現(xiàn)為：上段<中段<下段。

2 樣品采集與測(cè)試

2. 1 樣品采集

地下水樣品均為研究區(qū)野外環(huán)境地質(zhì)調(diào)查時(shí)(2016—2018年7、8月份)統(tǒng)一采集。地下水水樣采集之前先抽取一定的水量，排除已經(jīng)受外界或人為干擾的地下水后采集500 mL未過(guò)濾水樣；然后經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾后使用4個(gè)50 mL聚氯乙烯瓶收集，測(cè)試水樣中常規(guī)陰、陽(yáng)離子和氫氧同位素含量，其中用于測(cè)試陽(yáng)離子含量的水樣中加入純硝酸使水樣pH<2，并將所有采集的水樣蓋緊、密封，置于4℃以下環(huán)境中保存。

本次基于標(biāo)準(zhǔn)圖幅1∶5萬(wàn)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作區(qū)，采集了調(diào)查區(qū)內(nèi)不同深度地下水井點(diǎn)樣品共552個(gè)，其中淺層(深度0～20 m)孔隙潛水點(diǎn)樣品109個(gè)，中層(深度20～80 m)孔隙承壓水點(diǎn)樣品430個(gè)，深層(深度>80 m)孔隙承壓水點(diǎn)樣品13個(gè)；61個(gè)地表水點(diǎn)樣品，其中漢江水樣21個(gè)。

2. 2 樣品測(cè)試

采用HACH雙通道多參數(shù)水質(zhì)分析儀(HQ40D，美國(guó))現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試水樣的pH值、電導(dǎo)率(Ec)、氧化還原電位(Eh)、溶解氧(DO)、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)和水溫。

測(cè)試單位為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院。測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)離子平衡檢驗(yàn)，剔除不符合條件的數(shù)據(jù)，所有水樣的陰、陽(yáng)離子電荷平衡誤差保持在10%以內(nèi)。

3 結(jié)果與分析

3. 1 研究區(qū)不同層位地下水水化學(xué)特征分析

3.1.1 地下水水化學(xué)類(lèi)型分析

地下水Piper三線圖可以揭示地下水水化學(xué)類(lèi)型，分析地下水水化學(xué)特征[17]。將研究區(qū)3段不同水體主要離子組分分別繪制Piper三線圖，見(jiàn)圖3。

圖3 研究區(qū)地表水與地下水Piper三線圖Fig.3 Piper diagrams of surface and groundwater in the study area

由圖3可以看出：

3.1.2 地下水水化學(xué)特征分析

根據(jù)測(cè)試結(jié)果將地下水中水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，可以大致了解地下水中水化學(xué)成分的富集及變化規(guī)律[19]。研究區(qū)不同層位地下水和地表水水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)不同層位地下水和地表水水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表1可以看出：

(1) 研究區(qū)內(nèi)漢江水的pH值范圍為6.95～8.18，平均值為7.85，其中pH值為6.95是調(diào)查點(diǎn)中唯一一個(gè)pH值小于7的地表水點(diǎn)，該點(diǎn)位于仙桃市黃家場(chǎng)渡口附近；區(qū)內(nèi)其他地表水的pH值范圍為6.80～9.76，平均值為7.88，與漢江水相近。江漢平原大氣降水的pH值平均值為6.36[5]，可見(jiàn)區(qū)內(nèi)地表水pH值的平均值要比大氣降水高得多，兩者酸堿度相差較大。研究區(qū)淺-中層地下水的pH值范圍為6.17～7.94，平均值6.94，以弱酸-弱堿性為主，個(gè)別井點(diǎn)pH值低于飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值6.5，這些pH值低于6.5的地下水點(diǎn)大部分分布在潛江毛咀鎮(zhèn)-仙桃市地段，可能受到人為有機(jī)物的污染[20]；深層地下水則以弱堿性為主(pH值為7.61～6.96)。淺層地下水的Ec值(240.00～2 171.00 μs/cm)明顯大于地表水的Ec值(260.00～618.00 μs/cm)，可指示研究區(qū)夏季河流補(bǔ)給地下水較弱[5]。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的研究區(qū)地下水的Eh值范圍為-187.50～+921.00 mV，沙洋縣以北地段淺層地下水Eh值均為正值，屬于氧化環(huán)境；平原地區(qū)中層地下水Eh值以負(fù)值為主，Eh值范圍為-187.50～-1.40 mV，平均值為-102.63 mV，表現(xiàn)為典型的強(qiáng)還原環(huán)境；研究區(qū)丘陵地帶中層地下水Eh值均為正值，Eh值范圍為31.10～298.30 mV，屬于強(qiáng)氧化環(huán)境，地下水賦存的氧化還原環(huán)境分區(qū)見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，研究區(qū)不同地段地下水的Eh值存在差異，淺層地下水氧化環(huán)境強(qiáng)弱依次為上段地區(qū)>中段、下段地區(qū)；上段平原區(qū)中層地下水還原環(huán)境稍微弱于其他地區(qū)。

(3) 研究區(qū)地下水中TDS含量范圍為117.50～1 644.03 mg/L，淺層地下水中TDS含量平均值為662.35，明顯大于中層地下水的437.45 mg/L和深層地下水的365.14 mg/L，說(shuō)明淺層地下水中整體TDS含量要大于中-深層地下水；同時(shí)，沿漢江水流向(上段→中段→下段)，淺層地下水中TDS含量逐漸變小，但中層、深層地下水中TDS含量則變化穩(wěn)定。

圖4 研究區(qū)地下水賦存的氧化還原環(huán)境分區(qū)圖Fig.4 Partition map of redox storage environment of groundwater in the study area

圖5為研究區(qū)地下水水化學(xué)組分質(zhì)量濃度的累計(jì)頻率分布曲線，它是根據(jù)對(duì)應(yīng)指標(biāo)的質(zhì)量濃度累計(jì)小于某一濃度值出現(xiàn)的頻率所繪制的關(guān)系曲線圖。

圖5 研究區(qū)地下水水化學(xué)組分質(zhì)量濃度的累計(jì)頻率分布曲線Fig.5 Comulative frequency distribution diagram of mass concentration of groundwater geochemical components in the study area

由圖5可以看出：

(1) 區(qū)內(nèi)地下水中陽(yáng)離子Na+、Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度累計(jì)頻率分布曲線變化窄而陡，其中Na+和Mg2+濃度都很低，Ca2+濃度高，Ca2+是區(qū)內(nèi)地下水中的優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子；而地下水中K+質(zhì)量濃度累計(jì)頻率分布曲線變化可分為兩段，其中前段(質(zhì)量濃度范圍為0.08～2.50 mg/L)曲線變化窄而陡，后段曲線變化則是較平緩。根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，地下水中K+質(zhì)量濃度累計(jì)頻率分布曲線后段的平緩趨勢(shì)主要受淺層地下水的影響，尤其是較沙洋縣以北地段淺層地下水中K+含量的干擾，地下水點(diǎn)井深越小，水體中K+含量越高，這部分區(qū)域地下水可能受到農(nóng)業(yè)施肥等人類(lèi)活動(dòng)的影響。

(3) 研究區(qū)地下水中Fe、Mn質(zhì)量濃度累計(jì)頻率分布曲線也呈現(xiàn)緩變的“S”型，說(shuō)明采集的水樣中有近半數(shù)屬于富含“鐵、錳”的地下水。

(4) 研究區(qū)地下水中F-質(zhì)量濃度累計(jì)頻率分布曲線呈現(xiàn)較陡的“階地式”變化，F(xiàn)-質(zhì)量濃度大于10 mg/L的地下水點(diǎn)數(shù)占比為15%，這15%的地下水點(diǎn)分布集中，主要集中在沙洋縣以北地段山前平原區(qū)中層(深度12～60 m)地下水中，F(xiàn)-質(zhì)量濃度在7.50～20.50 mg/L之間，而在沙洋縣以北地段丘陵地帶中層地下水中F-質(zhì)量濃度基本低于1 mg/L；另外，研究區(qū)地下水中F-質(zhì)量濃度累計(jì)頻率分布曲線水平變化部分也表明其質(zhì)量濃度介于1～10 mg/L時(shí)，百分比沒(méi)有發(fā)生明顯變化，分布在該濃度范圍的地下水點(diǎn)少，F(xiàn)-超標(biāo)濃度大部分大于10 mg/L。

3.1.3 地下水中離子組分相關(guān)性分析

根據(jù)樣品測(cè)試結(jié)果，本文運(yùn)用SPSS22.0軟件對(duì)研究區(qū)地下水中主要離子成分進(jìn)行了相關(guān)性分析，其分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)地下水中主要離子組分的相關(guān)性分析

3. 2 劣質(zhì)水組分統(tǒng)計(jì)與分布

由表3和圖6可以看出：

表3 研究區(qū)不同層位地下水水化學(xué)組分超標(biāo)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 劣質(zhì)水水化學(xué)指標(biāo)垂向分布圖Fig.6 Vertical change chart of hydrochemical indicators of poor-quality water

(2) 研究區(qū)地下水中F-質(zhì)量濃度變化范圍為0～20.52 mg/L，中層地下水中F-質(zhì)量濃度平均值為1.99 mg/L。根據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，沙洋縣以北地段山前平原區(qū)(山前地下水排泄區(qū))中層地下水質(zhì)量點(diǎn)共57個(gè)，只有2個(gè)地下水點(diǎn)未超標(biāo)，其中1個(gè)未超標(biāo)的點(diǎn)非?？拷鹆晟絽^(qū)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)該區(qū)域中層地下水中F-含量超標(biāo)率高達(dá)96.5%；同時(shí)，該區(qū)域內(nèi)51個(gè)淺層地下水調(diào)查點(diǎn)中只存在個(gè)別地下水點(diǎn)中F-含量超標(biāo)，超標(biāo)率不足6%，深層地下水無(wú)超標(biāo)地下水點(diǎn)。研究區(qū)中層地下水pH值對(duì)F-質(zhì)量濃度可能具有一定的控制作用，該區(qū)域中層地下水中F-質(zhì)量濃度的pH值變化區(qū)間為6.68～7.20，pH值大于7.20時(shí)中層地下水中F-質(zhì)量濃度穩(wěn)定在10 mg/L，見(jiàn)圖7。

圖7 研究區(qū)中層地下水中F-質(zhì)量濃度與pH值的 關(guān)系圖Fig.7 Relationship between F- mass concentration and pH value in the middle layer groundwater ofthe study area

4 結(jié) 論

(2) 在潛江毛咀鎮(zhèn)—仙桃市一帶受工農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，淺-中層地下水水質(zhì)存在較為嚴(yán)重的人為有機(jī)污染，例如有機(jī)氯農(nóng)藥、化肥、工農(nóng)業(yè)廢水等污染，深層地下水水質(zhì)未明顯受到人為活動(dòng)的影響；研究區(qū)丘陵崗地與平原區(qū)地下水賦存環(huán)境不同，中層地下水賦存環(huán)境顯示丘陵地區(qū)基本屬于氧化環(huán)境，而平原區(qū)為還原環(huán)境。沿地下水徑流方向，地下水水質(zhì)逐漸變好。

(3) 江漢平原內(nèi)不僅廣泛分布原生高鐵高錳高砷地下水，同時(shí)還存在高氟地下水。研究區(qū)高氟地下水分布于上段——沙洋縣以北地段除丘陵以外的平原區(qū)中層含水層(深度10～60 m)中，為原生劣質(zhì)水，自然地質(zhì)條件(包括地形地貌、水文地質(zhì)條件等)是其形成的控制因素，且與其他劣質(zhì)組分物質(zhì)來(lái)源不同；中層地下水是研究區(qū)較為理想的供水水源，若作為飲用水源，仍需要對(duì)地下水中鐵、錳進(jìn)行處理，沙洋縣以北平原區(qū)則還需要對(duì)地下水中氟進(jìn)行處理。