贛州北部丘陵山區淺層地下水化學特征及成因分析

楊艷林, 靖 晶, 齊 信, 邵長生, 王曉晗

(1.中國地質調查局武漢地質調查中心,湖北 武漢 430205; 2.湖北師范大學城市與環境學院,湖北 黃石 435002)

0 引言

地下水在維持生態系統平衡、工農業發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]會導致地下水水化學特征發生明顯變化,地下水環境安全受到嚴峻挑戰,這也引起我國政府和學者的高度關注[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。在科學研究方面,大量學者開展了地下水水化學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的水文地質歷史,了解地下水與所處環境的水巖溶解、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、管理及開發利用具有重要的指導意義[11-12]。

贛州屬于典型的丘陵山區,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,甚至出現斷流、干涸等現象。同時,贛州市農村供水基礎設施薄弱[14],嚴重影響丘陵山區居民的生產、生活用水。地下水作為重要的自然資源,在維持當地生態環境、經濟發展和社會穩定方面,發揮了舉足輕重的作用。2015年,原國土資源部在贛州地區開展的一項重要工作就是解決群眾飲用水、生產用水和農業用水的保障問題[15]。本文根據2018年最新調查數據,利用地球化學手段對贛州北部丘陵地區開展水化學分析,分析區內淺層地下水水文地球化學特征及其成因機制,探討影響地下水水化學特征及主要水化學過程,以期為贛州地區地下水資源合理開發及改善水生態環境提供指導。

1 研究區概況

1.1 自然地理概況

研究區位于贛州市贛縣區北部,地處亞熱帶東南季風氣候區,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。區內水系較發育,平江從北東—南西貫穿于研究區,是貢水的一級支流。區內整體屬于中低山丘陵地貌,可分為侵蝕剝蝕構造低山地貌、剝蝕構造丘陵地貌和侵蝕堆積河谷地貌3類(圖1)。

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

1.2 地層巖性及水文地質條件

研究區內出露的地層有震旦系(砂與板巖互層、硅質巖)、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。根據地下水的賦存條件、水理性質及水力特征,將研究區地下水劃分為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、寒武系變質巖裂隙水和震旦系變質巖裂隙水)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,以及裸露區變質巖、碎屑巖、花崗巖的裂隙等,滲入地下,補給地下水。由于該區地形起伏,網狀水系發育,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,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斷流或干涸現象。

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.震旦系硅質巖、雜砂巖; 12.地名圖2 研究區地層巖性及采樣點Fig.2 Formation lithology and sampling points in study area

2 樣品采集與數據處理

2.1 樣品采集與測試

2.2 數據處理

本文運用R語言(Rstudio平臺)對研究區地下水主要離子進行統計分析(包括均值、方差、變異系數等)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,分析研究區內地下水化學特征及形成機制。

3 結果與分析

3.1 地下水現場指標特征

依據不同巖性地下水的現場水質測試,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,而寒武系變質巖裂隙水的TDS變化最小。

圖3 現場測試指標中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 研究區水化學參數統計Fig.4 Statistical of hydrochemical parameters in the study area

3.3 地下水化學類型

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.無主導型; 型; 型; G.Cl-型; 型; 型; 型; IV.Cl--Na+型; V.Cl--Ca2+·Mg2+型; 型圖5 研究區地下水化學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,也是研究地下水水化學特征的重要指標[8]?；诘刭|統計法分析研究區地下水TDS的空間分布特征,本文采用Surfer軟件中的克里金插值,繪制了研究區內TDS的宏觀空間分布(圖6)?？傮w來看,研究區內TDS的空間分布具有明顯的分異: 河谷平原耕地區,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、人類活動強烈區; 而丘陵山區(林區),即地下水補給區、人類活動弱區,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

地下水水化學成分的演化通常受水巖溶解作用、蒸發濃縮作用、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 研究區巖石風化溶解相對貢獻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、粉砂質黏土和粉砂土等基質中的Na+和K+離子發生陽離子交換或反陽離子交換。其中約有11個點(占總數的20.75%),即圖9中的灰色區,離參考線較遠,發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(CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ)[25]來判斷。通常情況下,當地下水中Ca2+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情況見圖10。

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

由圖10知,TDS與氯堿指數呈正相關,即TDS越大,氯堿指數也越大。第四系孔隙水、白堊系孔隙裂隙水、三疊系花崗巖裂隙水、寒武系變質巖裂隙水和震旦系變質巖裂隙水等地下水樣的氯堿指數均小于0,表明地下水中Ca2+、Mg2+替換了基質中吸附的K+、Na+,導致地下水中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 研究區地下水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+和含量關系Fig.12 Content relationship of Ca2+、Mg2+、Na+、K+ and in groundwater of the study area

5 結論

(3)研究區內TDS的空間分布具有明顯的分異,在河谷平原耕地區,地下水的TDS濃度明顯較大,而在丘陵山區,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。