德江縣巖溶區(qū)生活飲用水的化學(xué)特征及控制因素研究

令軍帥+邱欽欽+洪慶仁+劉士偉

摘要：運用數(shù)理統(tǒng)計與分析、離子比例系數(shù)分析和Piper圖對德江縣巖溶區(qū)生活飲用水的化學(xué)特征進行了研究。結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)地下水整體上略顯堿性，Ca2+和Mg2+為研究區(qū)地下水中的主要陽離子，HCO-3和SO2-4為主要陰離子，總硬度和TDS的變化規(guī)律基本一致，地下水的水化學(xué)類型以HCO3·SO4-Ca、HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg和SO4-Ca型水為主。研究區(qū)水動力條件較好，且以碳酸鹽巖的溶濾作用為主，硫酸鹽礦物的溶濾作用次之，蒸發(fā)巖和硅酸鹽的溶濾作用較弱。

關(guān)鍵詞：德江縣；巖溶地下水；水化學(xué)特征；控制因素

中圖分類號：X703

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）6-0037-05

1 引言

隨著西南地區(qū)經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，生活飲用水安全問題也日益突出，飲用水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到人民群眾的健康及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展。因此，做好一個地區(qū)地下水的水化學(xué)特征及分布規(guī)律的研究，不僅能夠揭示當(dāng)?shù)氐叵滤c環(huán)境的演化機制，反映當(dāng)?shù)氐叵滤馁|(zhì)量狀況，而且能夠為當(dāng)?shù)氐叵滤谋Ｗo及合理利用提供科學(xué)依據(jù)[1，2]。

德江縣居民生活飲用水主要來源于巖溶地下水和地表水，由于地處山區(qū)，交通極為不便，當(dāng)?shù)鼐用穸嘁苑N植煙葉、水稻為主，地下水或多或少受到農(nóng)藥污染的影響。本文綜合運用數(shù)理統(tǒng)計與分析、離子比例系數(shù)法、繪制TDS-總硬度分區(qū)圖等方法系統(tǒng)全面的對研究區(qū)水化學(xué)特征及離子變異特征進行了分析，以期為這一地區(qū)地下水的合理利用及水質(zhì)現(xiàn)狀評價提供基礎(chǔ)信息。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省銅仁市德江縣南部，距離德江縣城16 km，多年平均氣溫15.1 ℃，多年平均降水量為1323.7 mm。研究區(qū)水系眾多，位于研究區(qū)東部邊界的烏江是該區(qū)的主要河流，大致呈南北走向，其余大小河流均屬于典型的山區(qū)雨源型河流，河流短小，河床比降大，地表分水嶺明顯。

研究區(qū)位于黔東北南北向構(gòu)造體系中，屬新華夏系構(gòu)造體系，受長溝斷層（F1）、英武溪背斜、沙溝向斜、紅坳向斜等構(gòu)造形跡的控制，區(qū)內(nèi)山巒起伏，溝谷縱橫交錯，形成了由西部向中部以及東北部高程減小并呈條帶狀分布的總體地勢，利于水體的匯集。

研究區(qū)地下水主要以巖溶水為主，此外還分布有基巖裂隙、溶隙水和松散層孔隙水。研究區(qū)可溶性巖石分布廣泛，溶隙、溶洞、地下巖溶含水層或管道系統(tǒng)發(fā)育，為巖溶水的形成提供了有利條件。大氣降水、地表水通過巖溶洼地、落水洞、漏斗等補給巖溶地下水，并以泉或暗河的形式排泄?；鶐r裂隙、溶隙水主要分布在研究區(qū)山體的基巖裂隙或巖溶發(fā)育較弱的溶隙中，并在有利部位或不同巖性的接觸界面以裂隙下降泉的形式出露；松散層孔隙水主要分布在研究區(qū)各山坡坡麓、緩坡等地帶的殘積層、坡洪積層和沖積層等覆蓋層較厚地帶。研究區(qū)地下水主要接受大氣降水、地表水補給，地下水水量呈現(xiàn)出季節(jié)性特點。

3 樣品采集與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

2015年9月，在德江縣進行地下水水樣采集，共采樣38組，水樣主要取自研究區(qū)巖溶水出露部位。采樣點及編號見圖1所示。水質(zhì)指標(biāo)除pH值現(xiàn)場測定外，其余指標(biāo)的測定由四川省鑫川建筑工程檢測有限公司實驗室完成，化驗項目主要包括總硬度、溶解性總固體（TDS）、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO-3、CO-3、SO2-4、游離CO2、NH+4、NO-3等。其中Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法測定；K+、Na+采用原子吸收分光光度法測定；Cl-采用硝酸鹽滴定法；SO2-4采用EDTA-Ba滴定法；HCO-3采用鹽酸滴定法。樣品的處理及分析均嚴(yán)格按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》[3]的規(guī)定操作。

3.2 離子比例系數(shù)

在地下水的化學(xué)組分中，各種組分之間的含量比例系數(shù)在研究某些水文地球化學(xué)問題時常常被作為一項重要的評價指標(biāo)[4]。如Na+和K+主要來源于硅酸鹽或蒸發(fā)巖的風(fēng)化產(chǎn)物，Ca2+和Mg2+可能來源于碳酸鹽、硅酸鹽或蒸發(fā)巖，HCO-3主要來源于碳酸鹽巖，SO2-4和Cl-主要來源于蒸發(fā)巖的溶解，所以γNa++K+/γCl-系數(shù)可以用來確定研究區(qū)除巖鹽的溶解外是否有硅酸鹽的溶解，γCl-/γCa2+系數(shù)可以用來描述水動力特征，γCl-/γCa2+值越小則說明該區(qū)域水動力條件越好，γCa2+/ γMg2+系數(shù)可用來表征地下水礦化度的參數(shù)，由于Ca2+是低礦化度水中的主要離子，所以礦化度升高，Mg2+含量升高，Ca2+開始沉淀，此外，γCa2+/ γMg2+系數(shù)也可以判斷巖溶區(qū)地下水的來源，如來自灰?guī)r含水層，γMg2+ /γCa2+應(yīng)<1，如果來自白云巖含水層，γMg2+ /γCa2+系數(shù)可能接近于1，Ca2++Mg2+/HCO-3系數(shù)和Ca2++Mg2+/HCO-3+ SO2-4系數(shù)可以用來確定研究區(qū)除碳酸巖鹽的溶解外是否還有蒸發(fā)巖的溶解[5～9]。

4 結(jié)果與分析

4.1 地下水統(tǒng)計特征

對研究區(qū)巖溶泉水水樣及河水水樣數(shù)據(jù)的各個指標(biāo)運用Excel進行數(shù)理統(tǒng)計分析，并將各個水樣的陰陽離子平衡誤差E<±5%的水樣監(jiān)測數(shù)據(jù)視為可靠數(shù)據(jù)[10]，分析結(jié)果見表1。

通過表1并結(jié)合水質(zhì)檢測結(jié)果可知，研究區(qū)所有水樣的pH值在6.00～7.70之間，均值為7.09，整體上略顯堿性。河水、巖溶水的總硬度在69.70～375.50 mg/L之間，均值為207.68 mg/L，TDS在84.50～417.90 mg/L之間，均值為248.09 mg/L，所有水樣的總硬度、TDS均符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。

河水、巖溶水水體中陰離子各組分含量整體上表現(xiàn)為：HCO-3>SO2-4>Cl-，陽離子各組分含量表現(xiàn)為Ca2+>Mg2+>Na++K+，且HCO-3、SO2-4、Ca2+和Mg2+含量的平均值相對較大，表明這四種離子是研究區(qū)地下水中的主要離子組分。此外，研究區(qū)水樣除pH的變異系數(shù)較小外，總硬度、Ca2+、HCO-3、SO2-4、Cl-、Mg2+和TDS七項指標(biāo)的變異系數(shù)介于30%～100%之間，顯示出中等變異性，而Na++K+的變異系數(shù)大于100%，顯示出其含量有較強的空間變異性[11]。

4.2 地下水總硬度、TDS的空間分布及水化學(xué)類型

根據(jù)研究區(qū)38個水樣的總硬度值和TDS值將所有水樣按硬度分類，硬度在75～150 mg/L（軟水）之間的水樣占23.7%，硬度在150～300 mg/L（微硬水）之間的水樣占65.8%，硬度在300～450 mg/L（硬水）之間的水樣占10.5%，所以研究區(qū)生活飲用水的硬度類型基本為微硬水。按礦化度分類，所有水樣的TDS<1 g/L，屬于淡水，適宜人蓄飲用。此外，根據(jù)研究區(qū)38個水樣的總硬度值和TDS值繪制了研究區(qū)總硬度分區(qū)圖和TDS等值線圖，見圖2、圖3。

對于研究區(qū)水質(zhì)總硬度的變化，由圖2分析可知，研究區(qū)大部分地區(qū)為微硬水，軟水主要在鹽井溝、皂師洞、大屋基等地區(qū)小范圍分布，硬水分布范圍有限，僅在露青壩和上塔坪等地局部出現(xiàn)。

對于研究區(qū)地下水TDS的變化，由圖3可知，研究區(qū)TDS大體由研究區(qū)中部向北部、西北部、西南部呈逐漸增大的趨勢，由中部向西部呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，同時沿東部烏江一帶區(qū)域TDS較小。這主要和研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境、地形等因素有關(guān)，研究區(qū)中部及東部沿烏江一帶巖溶洼地、漏斗、落水洞發(fā)育，為巖溶發(fā)育中等～強發(fā)育區(qū)，地下水徑流路徑短，水巖作用時間較短，TDS較低，西北部、北部、西南部一帶為巖溶發(fā)育弱～中等發(fā)育區(qū)，這里巖溶水接受大氣降水入滲補給，水巖作用時間較長，因此，TDS含量較高。同時與主要離子濃度在研究區(qū)范圍內(nèi)的變化規(guī)律相比較，Ca2+、Mg2+和HCO-3離子的變化呈現(xiàn)出與TDS基本相似的特點，說明Ca2+、Mg2+和HCO-3離子濃度是影響TDS變化的主要原因。由圖還可以看出，研究區(qū)總硬度和TDS的變化規(guī)律也基本相似，又因為天然水的硬度主要由Ca2+和Mg2+引起，說明Ca2+和Mg2+離子濃度是影響TDS變化的主要原因。

利用研究區(qū)所有水樣中主要陽離子和陰離子的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)繪出了水樣的Piper三線圖，如圖4。由圖4可知，研究區(qū)巖溶泉水和河水中的主要陽離子較為集中的分布在Ca2+一端，部分分布在Mg2+一端，陰離子集中分布在HCO-3一端。因此，研究區(qū)水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型、HCO3·SO4-Ca型、HCO3·SO4-Ca·Mg型和SO4-Ca型。HCO3-Ca型水主要分布在研究區(qū)中南部斷層帶附近及中北部響水洞斷層附近，HCO3·SO4-Ca型水主要分布在研究區(qū)東北部及研究區(qū)中部露青壩一帶，HCO3·SO4-Ca·Mg型水主要分布在研究區(qū)西部、西北部及烏江中上游，SO4-Ca型水僅在清水塘西北側(cè)地層韓家店群（S2-3hn）與棲霞組（P1q-m）的接觸帶附近出露。

研究區(qū)巖溶發(fā)育，灰?guī)r分布廣泛，常見礦物為方解石和白云石，且泉水與河水中也主要富集的是Ca2+、和HCO-3，由此可以判斷研究區(qū)地下水水化學(xué)組分主要受碳酸鹽巖的溶濾作用控制。

4.3 離子比例系數(shù)分析水化學(xué)形成機制

研究區(qū)地下水的γCl-/γCa2+系數(shù)均值為0.03，比較小，說明研究區(qū)整體上水動力條件較好。通過Cl-—Na++K+的關(guān)系圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)所有水樣點除部分位于Cl-=Na++K+線附近外，大部分點位于此線上方，說明研究區(qū)除巖鹽的溶解外還發(fā)生了硅酸鹽礦物的溶解。由圖5（b）可以看出，幾乎所有的水樣點均位于Ca2+=Mg2+線的上方，不僅說明研究區(qū)TDS總體上較小，而且說明研究區(qū)地下水主要為灰?guī)r的溶解作用。

在天然的巖溶地下水系統(tǒng)中，基本的水文地球化學(xué)特征由巖溶動力系統(tǒng)的碳、水和鈣（鎂）等循環(huán)決定，這些也決定了碳酸鹽巖溶解沉淀過程中鈣鎂等離子的釋放[12]。根據(jù)這一理論，碳酸鹽巖的溶解產(chǎn)物應(yīng)該滿足Ca2++Mg2+=HCO-3，而由圖5（c）可以看出，所有水樣點都落在Ca2++Mg2+=HCO-3線的上方，顯然表明研究區(qū)不僅僅只存在碳酸巖鹽的溶解。根據(jù)圖5（d）看出所有水樣點基本在Ca2++Mg2+=HCO-3+ SO2-4線附近，說明研究區(qū)除碳酸巖鹽的溶解外還存在硫酸鹽礦物的溶解。

此外，由表1可知，研究區(qū)Na++K+與Cl-濃度較小，說明該區(qū)主要以碳酸鹽巖的溶濾作用為主，硫酸鹽礦物的溶濾作用次之，而硅酸鹽礦物和蒸發(fā)鹽巖的溶濾作用較弱[13]。

5 結(jié)論

本文通過利用德江縣巖溶區(qū)地下水水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)計分析、離子比例系數(shù)等方法研究了該地區(qū)的水化學(xué)特征，得到以下結(jié)論。

（1）研究區(qū)地下水整體上略顯堿性，所有水樣的總硬度、TDS都符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。除pH的變異系數(shù)較小外，總硬度、Ca2+、HCO-3、SO2-4、Cl-、Mg2+和TDS七項指標(biāo)的變異系數(shù)介于30%～100%之間，顯示出中等變異性，Na++K+的變異系數(shù)大于100%，顯示出其含量有較強的空間變異性。

（2）研究區(qū)地下水的總硬度和TDS呈現(xiàn)出基本相似的變化規(guī)律，水化學(xué)類型主要為：HCO3·SO4-Ca型、HCO-3Ca型、HCO3·SO4-Ca·Mg型和SO4-Ca型。

（3）研究區(qū)地下水動力條件較好，以碳酸鹽巖的溶濾作用為主，硫酸鹽礦物的溶濾作用次之，硅酸鹽礦物和蒸發(fā)鹽巖的溶濾作用較弱。

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