趙幸悅子,肖 攀,黎義勇,邵長生
(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心, 武漢 430205)
水是影響人類生存和發(fā)展的重要因素之一,水質(zhì)的好壞對人類健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重大的影響。地下水中各化學(xué)組分濃度大小、存在形式及分布演化規(guī)律直接影響著地下水水質(zhì)狀況[1],因此,研究地下水水化學(xué)特征及變化原因,對地下水資源的合理開發(fā)和利用具有重要意義。
常用的分析地下水水化學(xué)特征的方法有數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、相關(guān)分析法、Piper三線圖法、Gibbs圖解法和離子比值法等。楊森等[1]運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、離子比例分析和水化模擬分析等方法研究了高子店幅地下水和地表水的水化學(xué)特征,發(fā)現(xiàn)地下水主要離子組分受陽離子交換作用、蒸發(fā)濃縮作用和人類活動(dòng)的共同影響;劉慧等[2]采用描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)分析、Piper三線圖法、Gibbs圖解法和離子比例系數(shù)法對窟野河流域2011年和2016年的地下水化學(xué)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究,得出地下水主要離子濃度空間分布差異日益明顯,主要離子形成受巖石風(fēng)化作用、陽離子交替吸附作用與人為因素共同影響;張濤等[3]綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線圖、Gibbs模型和離子比等方法分析了蛤蟆通河流域地下水水化學(xué)特征,研究表明蛤蟆通河流域水化學(xué)離子組成受巖石風(fēng)化作用控制,主要離子來源于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解。
贛南地區(qū)是我國嚴(yán)重的缺水地區(qū),長期以來地表水是當(dāng)?shù)鼐用耧嬘盟闹饕獊碓矗绾握业絻?yōu)質(zhì)穩(wěn)定的地下水成為制約該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問題。在國家脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)略布署下,開展研究區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查研究對助力當(dāng)?shù)孛撠毠?jiān)及鄉(xiāng)村振興工作極其重要[4]。本文依托“贛江流域水文地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目,以銀坑幅為例,綜合采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、Gibbs圖解及離子比例系數(shù)等方法,全面系統(tǒng)的對研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征及形成演化機(jī)制進(jìn)行分析,為此地居民地下水用水安全及地下水資源合理開發(fā)與保護(hù)提供科學(xué)的理論依據(jù)。
銀坑幅位于江西省贛州市于都縣東北角,地理坐標(biāo)范圍為:東經(jīng)115°30′-115°45′,北緯26°10′-26°20′(圖1a)。研究區(qū)總體地勢由西向東逐漸降低,中部為典型河谷平原,以低山丘陵地貌為主。該區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,年平均氣溫19.7℃,雨量充沛,年降雨量在881.3 ~ 2309.9 mm之間,多年平均降雨量為1535.1 mm,降水時(shí)間多集中在3-6月,約占該地區(qū)全年降雨量的55.4%,降雨總體表現(xiàn)為四周丘陵山區(qū)降雨量大于中部盆地地區(qū)[5]。主要河流有銀坑河、江背河和杰村河,銀坑河屬梅江水系,長約50 km,流域面積約為350 km2,江背河、杰村河屬平江水系,長度約為10 km,流域面積約為50 km2,三大主要河流匯入貢江。該區(qū)位于雩山隆起與寧(都)于(都)坳陷接觸部位,構(gòu)造類型復(fù)雜多樣,出露地層從老到新依次為震旦系-青白口系、泥盆系-侏羅系、白堊系和第四系[5]。
研究區(qū)地下水類型包括松散巖類孔隙水、紅層裂隙孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖孔隙裂隙水及巖漿巖變質(zhì)巖裂隙水[5]。松散巖類孔隙水主要分布于梅江流域及其支流兩岸;紅層裂隙孔隙水主要分布于南東部銀坑山一帶;碳酸鹽巖裂隙溶洞水主要分布于圖幅中部的高興圩、平安寨等地;碎屑巖類孔隙裂隙水主要分布于馬安、銀坑巖溶盆地兩翼,呈北東向帶狀展布;巖漿巖變質(zhì)巖裂隙水在圖中廣泛分布且不均勻。大氣降水是區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來源,通過巖土體裂隙、孔隙和巖溶等構(gòu)造滲入地下,形成地下水。地下水流向一般與地表水流向相同,徑流途徑大多較短,至河溪或地形低洼處,以股狀或散流狀形式排泄于地表。
在對銀坑幅進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查評價(jià)的基礎(chǔ)上,調(diào)查小組于2020年7月進(jìn)行取樣,綜合考慮研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特點(diǎn)、地形地貌以及水文地質(zhì)條件,所取水樣覆蓋區(qū)內(nèi)全部地下水類型,其中采集松散巖類孔隙水16組,紅層裂隙孔隙水17組,碳酸巖鹽裂隙溶洞水10組,碎屑巖類孔隙裂隙水5組以及巖漿巖變質(zhì)巖裂隙水49組,共97組淺層地下水樣品,均取自泉水或民井。樣品采集嚴(yán)格按照送樣實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,采集前對聚乙烯樣品瓶進(jìn)行硝酸浸泡和去離子水清洗,采樣時(shí)對采樣瓶用取樣水刷洗2-3次,采樣后立即用蠟將瓶口進(jìn)行封裝,具體采樣點(diǎn)分布見圖1b。
圖1 研究區(qū)地理位置(a)及采樣點(diǎn)分布圖(b)Fig. 1 Geographical location (a) and distribution of water samples (b) of the study area
本次研究選取淺層地下水樣品中的K+、Na+、、pH、總 硬度(TH)和可溶性總固體(TDS)測試結(jié)果進(jìn)行分析。除pH值由現(xiàn)場調(diào)查人員采用manta便攜式水質(zhì)分析儀進(jìn)行測試外,其余指標(biāo)均委托自然資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進(jìn)行檢測。
運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對地下水中主要離子進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)是研究區(qū)域地下水水化學(xué)特征及其演化規(guī)律的基礎(chǔ)工作,有助于初步了解區(qū)域地下水中各化學(xué)組分的富集、運(yùn)移及轉(zhuǎn)化規(guī)律[6]。本次研究利用Excel軟件對研究區(qū)內(nèi)97組淺層地下水樣品中的主要離子濃度及測試指標(biāo)值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。
表1 研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)描述性統(tǒng)計(jì)特征值(mg/L)Table 1 Descriptive statistics of shallow groundwater hydrochemistry in the study area
研究區(qū)淺層地下水pH值在6.04~7.87之間,均值為6.93,僅16%的水樣pH值在6.1~6.4之間,為酸性水,其余水樣pH值均在6.5~8之間,屬于中性水;K+質(zhì)量濃度介于0.07~37.2 mg/L之間,均值為3.05 mg/L;Na+質(zhì)量濃度介于0.43~20 mg/L之間,均值為5.32 mg/L;Ca2+質(zhì)量濃度介于0.76~71 mg/L之間,均值為18.97 mg/L;Mg2+質(zhì)量濃度介于0.12~10.1 mg/L之間,均值為2.17 mg/L;Cl-質(zhì)量濃度介于0.18~25.6 mg/L之間,均值為2.5 mg/L;SO42-質(zhì)量濃度介于0~23.6 mg/L之間,均值為3.9 mg/L,部分樣品未檢測出SO42-;HCO3-質(zhì)量濃度介于6.95~242 mg/L之間,均值為73.61mg/L;TDS質(zhì)量濃度介于15.60~1190 mg/L之間,均值為146.49 mg/L;TH質(zhì)量濃度介于2.39~203 mg/L之間,均值為43.59 mg/L。
依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知,所取水樣中僅2組水樣屬微咸水(TDS>1000 mg/L),其余水樣為淡水(TDS<1000 mg/L),由此可見研究區(qū)淺層地下水總體屬于淡水范疇,適宜飲用;TH值的高低代表水的軟硬程度,當(dāng)TH<150 mg/L時(shí)屬軟水,150 mg/L<TH<300 mg/L時(shí)屬微軟水,300 mg/L<TH<450 mg/L時(shí)屬硬水,而當(dāng)TH>450 mg/L時(shí)則屬極硬水[7],83%的水樣TH值小于150 mg/L,其余則均在150~300 mg/L之間,表明研究區(qū)淺層地下水大部分屬軟水范疇。各指標(biāo)中變異系數(shù)均超過100%,反映出研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)組分具有一定的空間離散性。
研究區(qū)淺層地下水中主要陽離子質(zhì)量濃度表現(xiàn)為Ca2+>Na+>K+>Mg2+,主要陰離子質(zhì)量濃度表現(xiàn)為表1),通過繪制的淺層地下水水化學(xué)參數(shù)箱型圖(圖2)可以看出,Ca2+和HCO3-分別為陽離子和陰離子的優(yōu)勢離子,其中,Ca2+占陽離子總濃度的64%,HCO3-占陰離子總濃度的92%。
圖2 研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)參數(shù)箱型圖Fig. 2 Box plots of shallow groundwater chemical parameters in the study area
地下水中化學(xué)組分之間的相關(guān)性可以從一定程度上反映出離子的來源和差異性[6,15],采用SPSS軟件計(jì)算得到研究區(qū)地下水離子間的相關(guān)系數(shù)R(表2),R值越大相關(guān)程度越高[8]。研究區(qū)淺層地下水化學(xué)組分相關(guān)性矩陣指示出HCO3-和Ca2+、Mg2+都存在顯著的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R分別為0.967和0.832,同時(shí)Ca2+和Mg2+也存在較高的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R為0.821,由此可推測HCO3-、Ca2+和Mg2+有著相同的物質(zhì)來源,可能來自碳酸鹽、硅酸鹽或者石膏的溶解。其次,Na+和Cl-也呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R為0.696,地下水中Na+的來源主要是大氣降水、蒸發(fā)鹽巖的溶解作用或鈉長石等含鈉硅酸鹽溶解,研究區(qū)水樣點(diǎn)大部分Na+-Cl-值相對較高,說明Na+來源于含鈉硅酸鹽溶解的可能性大于蒸發(fā)鹽巖的溶解和大氣降水。
表2 研究區(qū)淺層地下水主要離子相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation between major ions of shallow groundwater in study area
依據(jù)舒卡列夫分類法,研究區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca為主,紅層裂隙孔隙水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na為主,碎屑巖類孔隙裂隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca為主,巖漿巖變質(zhì)巖裂隙水地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Na和HCO3-Na·Ca為主??傮w來說,研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na、HCO3-Na·Ca為主,約占所取水樣的87.63%,其次是HCO3-Ca·Mg、HCO3-Na和HCO3-Ca·Na·Mg,約占所取水樣的8.25%,其余4.12%的水樣類型較為分散,離子組合多樣。
依據(jù)研究區(qū)內(nèi)不同類型淺層地下水化學(xué)數(shù)據(jù),作Piper三線圖(圖3),從圖上可以看出,各種類型采樣點(diǎn)在圖中分布較為分散,反映出區(qū)內(nèi)淺層地下水水化學(xué)類型較為多樣,淺層地下水樣品整體呈現(xiàn)出陽離子向Ca2+端元靠近,陰離子向(HCO3-+Cl-)端元靠近的趨勢。
圖3 研究區(qū)淺層地下水Piper三線圖Fig. 3 Ternary diagrams for ions of shallow groundwater in the study area
Gibbs圖是利用TDS與Na+/(Na++Ca2+)、TDS與Cl-/(Cl-+HCO3-)的關(guān)系來反應(yīng)水巖作用、蒸發(fā)濃縮作用和大氣降水對地下水化學(xué)成分演化過程的影響程度[9],將天然水的形成分為降水作用控制型、巖石風(fēng)化控制型和蒸發(fā)結(jié)晶控制型三種類型。當(dāng)TDS值大于300 mg/L且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)的比值在0.5 ~ 1.0之間時(shí),水樣落在蒸發(fā)結(jié)晶作用區(qū);當(dāng)TDS值在70 ~ 300 mg/L之間且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)的 比 值小于0.5時(shí),水樣落在巖石風(fēng)化作用區(qū);當(dāng)TDS值 小 于70 mg/L且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)的比值在0.5 ~ 1.0之間時(shí),水樣落在大氣降水作用區(qū)[10]。
依據(jù)樣品測試結(jié)果可知,研究區(qū)69%的淺層地下水樣TDS值在70~300 mg/L之間,Na+/(Na++Ca2+)的毫克當(dāng)量比值小于0.5,且所有淺層地下水樣Cl-/(Cl-+HCO3-)的毫克當(dāng)量比值均小于0.5。從研究區(qū)淺層地下水樣的Gibbs圖(圖4)亦可看出水樣主要落在巖石風(fēng)化控制型區(qū)域,但同時(shí)有向降水作用控制區(qū)延伸的趨勢,而且部分樣品落在三區(qū)以外的空白區(qū),表明淺層地下水中的離子組成主要受巖石風(fēng)化作用影響,同時(shí),大氣降水對淺層地下水化學(xué)組分的形成有一定影響作用,部分樣品非天然成因,受到人類活動(dòng)的干擾。
圖4 研究區(qū)淺層地下水Gibbs圖Fig. 4 Gibbs plots of shallow groundwater in the study area
地下水中Na+和K+一般來源于大氣降水、巖鹽或硅酸鹽的風(fēng)化溶解[11]。海水中Na+/Cl-比值約為0.86,大氣降水中Na+/Cl-比值與海水接近。研究區(qū)淺層地下水樣品中Na+/Cl-比值在0.71~66.94之間,僅2個(gè)淺層地下水樣Na+/Cl-比值小于0.86。由圖5可知,幾乎全部樣品點(diǎn)落在1∶1線上方,表明大氣降水不是研究區(qū)淺層地下水中Na+、Cl-的主要來源;同時(shí),數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示研究區(qū)淺層地下水中Na+含量遠(yuǎn)大于Cl-含量,因此還存在其他陰離子來平衡多余的Na+,由此判斷出大氣降水并非研究區(qū)淺層地下水中Na+主要來源。
圖5 研究區(qū)淺層地下水中Na+與Cl-比例關(guān)系圖Fig. 5 Plots showing the relationships between Na+ and Cl- of shallow groundwater in the study area
研究區(qū)淺層地下水樣品(Na++K+)和Cl-比值大部分落在1∶1線上方(圖6),且(Na++K+)-(Cl-+SO42-)大部分為正值,表明Na+和K+的主要來源不是鹽巖的溶解,而是來源于鈉長石和鉀長石等硅酸鹽的風(fēng)化溶解。
圖6 研究區(qū)淺層地下水中(Na++K+)和Cl-比例關(guān)系圖Fig. 6 Plots showing the relationships between (Na++ K+)and Cl- of shallow groundwater in the study area
地下水中Ca2+、Mg2+主要來源于碳酸鹽巖、硅酸鹽或者石膏的風(fēng)化溶解,但硅酸鹽與酸反應(yīng)釋放出Ca2+、Mg2+的可能性與碳酸鹽相比低很多,一般可忽略不計(jì)[12]。淺層地下水樣離子統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,雖有62%的水樣有SO42-檢出,但其中84%的水樣SO42-質(zhì)量濃度都在10 mg/L以下,表明石膏的溶解不是Ca2+的主要來源,由此可以判斷出研究區(qū)淺層地下水中Ca2+、Mg2+主要來源于碳酸鹽的風(fēng)化溶解。圖7中HCO3-/(Ca2++Mg2+)比值約為1.65,介于白云巖和方解石比值之間,表明研究區(qū)淺層地下水中Ca2+、Mg2+主要由這兩種碳酸鹽的風(fēng)化溶解提供。
圖7 研究區(qū)淺層地下水中HCO3-與(Ca2++Mg2+)比例關(guān)系圖Fig. 7 Plots of HCO3- versus (Ca2++Mg2+) of shallow groundwater in the study area
當(dāng)?shù)叵滤蠱g2+/Ca2+比值為0.5時(shí),表明白云石和方解石均參與了溶解反應(yīng),在圖8中研究區(qū)淺層地下水樣大部分落在0.5比值線以下,由此可知方解石風(fēng)化溶解占主導(dǎo)地位,部分樣點(diǎn)落在0.5比值線以上,表明同時(shí)存在白云石風(fēng)化溶解。在離子相關(guān)性分析中,HCO3-和Ca2+、Mg2+都存在顯著的相關(guān)性(表2),這也充分說明了Ca2+、Mg2+有著相同的物質(zhì)來源。由表1可知,Ca2+為主要的陽離子,而Mg2+含量普遍較低,反映出方解石的風(fēng)化溶解作用較白云石強(qiáng)烈。
圖8 研究區(qū)淺層地下水中HCO3-與Mg2+/Ca2+比例關(guān)系圖Fig. 8 Plots of HCO3- versus Mg2+/Ca2+ of shallow groundwater in the study area
(SO42-+Cl-)/HCO3-比值可用于判斷碳酸鹽和蒸發(fā)巖對地下水中主要陰離子來源的影響程度,當(dāng)(SO42-+Cl-)/HCO3-比值大于1時(shí),說明地下水中陰離子主要來源于蒸發(fā)巖,反之則主要來源于碳酸鹽[13]。根據(jù)離子濃度統(tǒng)計(jì)值可知,研究區(qū)淺層地下水樣品中僅2個(gè)樣品(SO42-+ Cl-)/HCO3-比值大于1,其余均小于1,由此指示出碳酸鹽是研究區(qū)淺層地下水陰離子的主要來源。
陽離子交換作用通常是指Ca2+、Mg2+和Na+、K+之間的交替作用,其對地下水化學(xué)演化也存在一定的影響,通常用(Mg2++Ca2+-SO42-- HCO3-)(/Na+-Cl-)的比值來反應(yīng)[14],研究區(qū)淺層地下水樣品投點(diǎn)大部分分布于(Mg2++Ca2+-SO42-- HCO3-)(/Na+-Cl-)比值線上或兩側(cè)(圖9),同時(shí)有少部分水樣遠(yuǎn)離比值線,表明研究區(qū)存在一定的陽離子交換作用,但相關(guān)系數(shù)R2=0.4303,表明交換作用不明顯。另外,離子相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示HCO3-和Ca2+存在顯著的相關(guān)性,由此也可推斷出該區(qū)淺層地下水中陽離子交換作用不強(qiáng)烈。
圖9 研究區(qū)淺層地下水陽離子交換作用關(guān)系圖Fig. 9 Cation exchange of shallow groundwater in the study area
依據(jù)Gibbs圖可判斷出研究區(qū)淺層地下水離子組成主要受巖石風(fēng)化作用控制,但無法顯示人類活動(dòng)對地下水離子組分演化特征的影響,利用[(Ca2++Mg2+-SO42-)/HCO3-]與([Na++K+-Cl-)/HCO3-]比例系數(shù)相關(guān)性可判斷出地下水化學(xué)組分受人為因素和巖石風(fēng)化作用影響大小的對比情況[15]。由圖10可知,大部分樣品點(diǎn)落在巖石風(fēng)化作用控制區(qū),少量樣品點(diǎn)落在人為因素影響區(qū),表明研究區(qū)淺層地下水化學(xué)組分形成受巖石風(fēng)化作用影響大于人為因素。
通過圖10可知,研究區(qū)部分樣品點(diǎn)受到人類活動(dòng)的影響。人類活動(dòng)對地下水中離子組分的影響程度通常用SO42-/Ca2+和NO32-/Ca2+比值來衡量,SO42-/Ca2+比值大小代表受工礦活動(dòng)的影響程度,NO32-/Ca2+比值大小代表受農(nóng)業(yè)活動(dòng)和生活污水的影響程度,當(dāng)SO42-/Ca2+比值大于NO32-/Ca2+比值時(shí)表示受工礦活動(dòng)的影響較大,反之受農(nóng)業(yè)活動(dòng)和生活污水的影響較大[15]。研究區(qū)SO42-/Ca2+和NO32-/Ca2+比值均較?。▓D11),說明淺層地下水受人類活動(dòng)影響不強(qiáng)烈。依據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)[16],淺層地下水全分析45個(gè)水樣中有17個(gè)水樣未檢測出SO42-,其余水樣中SO42-濃度大小均符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn);僅存在7個(gè)水樣NO32-濃度超標(biāo),最大值為52.3 mg/L,與這些區(qū)域存在大規(guī)模蔬菜種植基地情況吻合,其余水樣NO32-含量均符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
圖10 研究區(qū)淺層地下水中(Ca2++Mg2+-SO42-)/HCO3-與(Na++K+-Cl-)/HCO3-比例關(guān)系圖Fig. 10 Plots of (Ca2++Mg2+-SO42-)/HCO3-versus(Na++K+-Cl-)/HCO-of shallow groundwater in the study area
圖11 研究區(qū)人類活動(dòng)對淺層地下水影響程度圖Fig. 11 Human activities impact of shallow groundwater in the study area
(1) 研究區(qū)淺層地下水TDS值98%小于1000 mg/L,屬于淡水范疇,83%的水樣TH值小于150 mg/L,總體來說為軟水,pH平均值為6.93,多為中性水,少量為酸性水。淺層地下水中優(yōu)勢陽離子為Ca2+,占陽離子總濃度的64%,優(yōu)勢陰離子為HCO3-,占陰離子總濃度的92%。K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-變異系數(shù)均超過100%,顯示出較強(qiáng)變異性。淺層地下水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca、HCO3-Ca Na和HCO3-Na·Ca型水,其余水樣類型較為分散,離子組合較為復(fù)雜。
(2) 研究區(qū)淺層地下水主要離子組成受巖石風(fēng)化作用控制,部分地區(qū)受大氣降水作用影響。Na+、K+主要來源于鈉長石、鉀長石等硅酸鹽的風(fēng)化溶解作用,Ca2+、Mg2+主要來源于碳酸鹽的風(fēng)化溶解作用,且以方解石風(fēng)化溶解占主導(dǎo)地位。此外,淺層地下水水化學(xué)特征受陽離子交換作用和人類活動(dòng)影響較小。