楊艷林, 靖 晶, 齊 信, 邵長生, 王曉晗

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心,湖北 武漢 430205; 2.湖北師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,湖北 黃石 435002)

0 引言

地下水在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人類健康有序生活等方面起著極其重要的作用[1-3]。然而人類活動[4]、氣候變化[5]會導(dǎo)致地下水水化學(xué)特征發(fā)生明顯變化,地下水環(huán)境安全受到嚴峻挑戰(zhàn),這也引起我國政府和學(xué)者的高度關(guān)注[6-7]。2021年12月1日起施行的《地下水管理條例》[8],標志著地下水邁入依法管理的新階段。在科學(xué)研究方面,大量學(xué)者開展了地下水水化學(xué)特征及形成機制方面的研究[9-10],這些研究能夠還原該地區(qū)的水文地質(zhì)歷史,了解地下水與所處環(huán)境的水巖溶解、陽離子交換及人類活動等方面的作用機制,這對地下水資源保護、管理及開發(fā)利用具有重要的指導(dǎo)意義[11-12]。

贛州屬于典型的丘陵山區(qū),其水資源具有空間分布不均的特點[13]。在干旱年份或秋冬季,降水資源偏少,河流、水庫水位大幅下降,甚至出現(xiàn)斷流、干涸等現(xiàn)象。同時,贛州市農(nóng)村供水基礎(chǔ)設(shè)施薄弱[14],嚴重影響丘陵山區(qū)居民的生產(chǎn)、生活用水。地下水作為重要的自然資源,在維持當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定方面,發(fā)揮了舉足輕重的作用。2015年,原國土資源部在贛州地區(qū)開展的一項重要工作就是解決群眾飲用水、生產(chǎn)用水和農(nóng)業(yè)用水的保障問題[15]。本文根據(jù)2018年最新調(diào)查數(shù)據(jù),利用地球化學(xué)手段對贛州北部丘陵地區(qū)開展水化學(xué)分析,分析區(qū)內(nèi)淺層地下水水文地球化學(xué)特征及其成因機制,探討影響地下水水化學(xué)特征及主要水化學(xué)過程,以期為贛州地區(qū)地下水資源合理開發(fā)及改善水生態(tài)環(huán)境提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

研究區(qū)位于贛州市贛縣區(qū)北部,地處亞熱帶東南季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,光照充足,無霜期長,多年平均氣溫19.3 ℃,多年平均降水量1 446.2 mm。區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育,平江從北東—南西貫穿于研究區(qū),是貢水的一級支流。區(qū)內(nèi)整體屬于中低山丘陵地貌,可分為侵蝕剝蝕構(gòu)造低山地貌、剝蝕構(gòu)造丘陵地貌和侵蝕堆積河谷地貌3類(圖1)。

圖1 研究區(qū)地形地貌示意圖Fig.1 Topographic map of the study area

1.2 地層巖性及水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)出露的地層有震旦系(砂與板巖互層、硅質(zhì)巖)、寒武系(變余砂礫巖、含礫雜砂巖)、泥盆系(紫紅色砂巖)、侏羅系(中粗—細粒黑云二長花崗巖)、三疊系(中—細粒黑云二長花崗巖)、白堊系(礫巖、砂巖、粉砂巖)及第四系(松散沉積物)(圖2),其中三疊系分布面積最大。根據(jù)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征,將研究區(qū)地下水劃分為3個大類(6個亞類): 第四系孔隙水、碎屑巖類裂隙水(白堊系孔隙裂隙水、寒武系變質(zhì)巖裂隙水和震旦系變質(zhì)巖裂隙水)和花崗巖裂隙水(侏羅系花崗巖裂隙水和三疊系花崗巖裂隙水)。大氣降水為該區(qū)地下水的主要補給來源,降水通過第四系松散堆積層的孔隙,以及裸露區(qū)變質(zhì)巖、碎屑巖、花崗巖的裂隙等,滲入地下,補給地下水。由于該區(qū)地形起伏,網(wǎng)狀水系發(fā)育,地下水徑流路徑短,多以泉的形式排泄于地表,形成小溪。進入枯水季節(jié),降雨量偏少,小溪、河流、水庫等地表水的補給來自于地下水的排泄,支流和水塘等小型水體常出現(xiàn)斷流或干涸現(xiàn)象。

1.泉采樣點; 2.井采樣點; 3.鉆孔采樣點; 4.水域; 5.第四系松散沉積物; 6.泥盆系紫紅色砂巖; 7.白堊系礫巖、砂巖、粉砂巖; 8.侏羅系中粗—細粒黑云二長花崗巖; 9.三疊系中—細粒黑云二長花崗巖; 10.寒武系變余砂礫巖、雜砂巖; 11.震旦系硅質(zhì)巖、雜砂巖; 12.地名圖2 研究區(qū)地層巖性及采樣點Fig.2 Formation lithology and sampling points in study area

2 樣品采集與數(shù)據(jù)處理

2.1 樣品采集與測試

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文運用R語言(Rstudio平臺)對研究區(qū)地下水主要離子進行統(tǒng)計分析(包括均值、方差、變異系數(shù)等)及部分圖件編制,運用Surfer軟件進行克里金空間插值探究TDS的空間分布特征,繪制Piper三線圖、Gibbs圖、端元圖和離子比值圖等圖件,分析研究區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)特征及形成機制。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水現(xiàn)場指標特征

依據(jù)不同巖性地下水的現(xiàn)場水質(zhì)測試,繪制其pH值與TDS的箱形與小提琴組合圖(圖3)。地下水采樣點的pH值介于5.08～7.87之間,均值為6.27,呈弱酸性。其中震旦系變質(zhì)巖裂隙水的平均pH值最高,白堊系孔隙裂隙水的平均pH值最小,侏羅系花崗巖裂隙水的pH值變幅最大,白堊系孔隙裂隙水的pH值變幅最小。TDS介于15.6～375.7 mg/L,屬于淡水范疇。其中白堊系孔隙裂隙水的平均TDS最大,侏羅系花崗巖裂隙水的平均TDS最小,第四系孔隙水的TDS變化最大,而寒武系變質(zhì)巖裂隙水的TDS變化最小。

圖3 現(xiàn)場測試指標中pH值和TDS的箱形與小提琴組合Fig.3 Box and violin combination diagram of pH and TDS for onsite testing indicators

3.2 地下水離子含量特征

圖4 研究區(qū)水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計Fig.4 Statistical of hydrochemical parameters in the study area

3.3 地下水化學(xué)類型

a.堿土金屬超堿金屬; b.堿金屬超堿土金屬; c.弱酸超強酸; d.強酸超弱酸; e.碳酸硬度超50%; f.非碳酸硬度超50%; g.非碳酸堿金屬超50%; h.碳酸金屬超50%; i.陰陽離子對不超50%; A.Mg2+型; B.Ca2+型; C.Na++K+型; D.無主導(dǎo)型; 型; 型; G.Cl-型; 型; 型; 型; IV.Cl--Na+型; V.Cl--Ca2+·Mg2+型; 型圖5 研究區(qū)地下水化學(xué)Piper三線圖Fig.5 Piper diagram of groundwater hydrochemistry in the study area

3.4 地下水TDS分布特征

TDS是地下水中各主要離子的集中體現(xiàn),也是研究地下水水化學(xué)特征的重要指標[8]。基于地質(zhì)統(tǒng)計法分析研究區(qū)地下水TDS的空間分布特征,本文采用Surfer軟件中的克里金插值,繪制了研究區(qū)內(nèi)TDS的宏觀空間分布(圖6)?？傮w來看,研究區(qū)內(nèi)TDS的空間分布具有明顯的分異: 河谷平原耕地區(qū),地下水的TDS濃度明顯較大,如白枧村、清溪村、枧田村、吉埠村等,這些地方同時也是地下水排泄區(qū)、人類活動強烈區(qū); 而丘陵山區(qū)(林區(qū)),即地下水補給區(qū)、人類活動弱區(qū),地下水的TDS濃度明顯較低。由此可知,人類活動對地下水TDS的空間分布有較大影響。

圖6 研究區(qū)地下水中TDS空間分布Fig.6 Spatial distribution of TDS in groundwater of the study area

4 討論

地下水水化學(xué)成分的演化通常受水巖溶解作用、蒸發(fā)濃縮作用、陽離子交換作用、氣象水文、地形地貌,以及人類活動的影響[19]。本文主要討論水巖溶解作用、陽離子交換作用和人類活動的影響。

4.1 水巖溶解作用

圖7 研究區(qū)地下水Gibbs圖Fig.7 Gibbs plots for groundwater in the study area

(a) Mg2+/Na+與Ca2+/Na+比值與Ca2+/Na+比值

圖8 研究區(qū)巖石風(fēng)化溶解相對貢獻Fig.8 Relative contribution of weathering and dissolution of rocks in the study area

4.2 陽離子交換作用

圖9 研究區(qū)地下水陽離子交換作用Fig.9 Cation exchange of groundwater in the study area

由圖9知,大部分樣點位于參考線附近,說明地下水在運移過程中,Ca2+和Mg2+離子與黏土、粉砂質(zhì)黏土和粉砂土等基質(zhì)中的Na+和K+離子發(fā)生陽離子交換或反陽離子交換。其中約有11個點(占總數(shù)的20.75%),即圖9中的灰色區(qū),離參考線較遠,發(fā)生陽離子交換作用不明顯。

為了探究地下水中陽離子的交換方向,可借助氯堿指數(shù)(CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ)[25]來判斷。通常情況下,當?shù)叵滤蠧a2+和Mg2+與含水層顆粒表面吸附的Na+和K+進行陽離子交換作用時,CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ均為負值; 相反,若存在反陽離子交換作用,則CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ值將會為正值。地下水樣品中氯堿指數(shù)情況見圖10。

圖10 研究區(qū)地下水樣品氯堿指數(shù)Fig.10 Chloralkali index of groundwater in the study area

由圖10知,TDS與氯堿指數(shù)呈正相關(guān),即TDS越大,氯堿指數(shù)也越大。第四系孔隙水、白堊系孔隙裂隙水、三疊系花崗巖裂隙水、寒武系變質(zhì)巖裂隙水和震旦系變質(zhì)巖裂隙水等地下水樣的氯堿指數(shù)均小于0,表明地下水中Ca2+、Mg2+替換了基質(zhì)中吸附的K+、Na+,導(dǎo)致地下水中Na+、K+濃度升高; 而侏羅系花崗巖裂隙水中部分水樣氯堿指數(shù)大于0,表明其地下水中存在反陽離子交換作用,致使其Ca2+和Mg2+濃度相對較高,與離子特征分析相一致。

4.3 人類活動的影響

圖11 研究區(qū)地下水中濃度散點Fig.11 Scatter diagram of concentration in groundwater of the study area

圖12 研究區(qū)地下水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+和含量關(guān)系Fig.12 Content relationship of Ca2+、Mg2+、Na+、K+ and in groundwater of the study area

5 結(jié)論

(3)研究區(qū)內(nèi)TDS的空間分布具有明顯的分異,在河谷平原耕地區(qū),地下水的TDS濃度明顯較大,而在丘陵山區(qū),地下水的TDS濃度明顯較低,表明TDS空間分布與人類活動密切相關(guān)。