咸寧地區(qū)地下水水化學特征及其形成機制

何 軍, 彭 軻, 肖 攀

(中國地質調查局 武漢地質調查中心,湖北 武漢 430205)

咸寧地區(qū)地下水水化學特征及其形成機制

何 軍, 彭 軻, 肖 攀

(中國地質調查局 武漢地質調查中心,湖北 武漢 430205)

為查明湖北省咸寧地區(qū)地下水水化學特征及其形成的水化學過程,系統(tǒng)地采集了78件淺層地下水樣和12件深層地下水樣,對研究區(qū)孔隙水、裂隙水和巖溶水三種不同類型的地下水中主要陰、陽離子等化學指標進行了相關性分析,探討了該地區(qū)地下水形成的水化學過程。結果表明:淺層孔隙水主要地下水化學類型為HCO3-Ca型,巖溶水以HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型為主,而裂隙水地下水化學類型復雜。Gibbs圖顯示巖石礦物的風化主導該區(qū)孔隙水和巖溶水水化學特征,而裂隙水主要受到了蒸發(fā)—沉淀作用的影響,裂隙水中還存在陽離子交換吸附作用。

地下水;水化學特征;形成機制

地下水徑流循環(huán)的過程中,與其周圍的介質進行著極其復雜的物質、能量等信息交換,在時空尺度上水文化學特征不斷發(fā)生變化。水體的水化學分布受控于地層巖性[1]、地質地貌[2]、海水入侵[3]、人為作用等因素,能夠反映該地區(qū)水體的歷史演變過程[4],因而該特性被廣泛用于識別水體化學組成的控制因素[5]。

近年來,依托京廣高鐵的便利,咸寧市城市化進程逐步加快,經濟建設的高速發(fā)展,生產與生活用水量急劇增大,隱伏巖溶地下水開采量日益增大,在局部地段出現(xiàn)超量開采,在咸寧市官埠橋—北洪橋一帶由于抽水誘發(fā)了地面塌陷[6-7]。巖溶地面塌陷的發(fā)生與地下水的開采以及可溶巖的巖溶發(fā)育程度有重要關聯(lián),地下水與可溶巖的水巖相互作用同時也會對地下水化學特征產生影響。因此,研究咸寧地下水化學特征與演化規(guī)律,可以更好地揭示地下水與可溶巖相互作用的機制,為該地區(qū)地下水資源開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省咸寧市,咸寧位于湖北省東南部,處在長江黃金水道與京廣鐵路、京廣高鐵大動脈交匯處和湘鄂贛三省毗鄰的“金三角”。咸寧東臨黃石,南接瀟湘,西望荊楚,北靠武漢,地跨東經113°31′～114°58′,北緯29°02′～30°18′。研究區(qū)屬亞熱帶大陸性季風氣候,氣候溫和,降水充沛,日照充足,四季分明,無霜期長。冬季盛行偏北風,偏冷干燥;夏季盛行偏南風,高溫多雨。年平均氣溫16.8 ℃,年平均降水量1 577.4 mm。區(qū)內江河湖港縱橫交錯,水庫、泉水星羅棋布,水資源較為豐富,主要河流為淦河,區(qū)內還有官埠河,皆為常年性山區(qū)河流,流量較小,季節(jié)變化明顯。

研究區(qū)西南和東南角為丘陵臺地,中西部沿橫溝河發(fā)育NE走向的河流一級階地,其余北部以及中南部大部分地區(qū)為崗狀平原,總體地勢是SE高,NW低。研究區(qū)出露的地層絕大部分地區(qū)為第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng),白堊系—第三系東湖群零星點綴于江漢盆地邊緣地帶,二疊系和石炭系出露較少,僅在西南和東南角向斜的核部少量出露,泥盆系和志留系位于研究區(qū)西南和東南角的丘陵臺地區(qū)。地下水類型主要有松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和碳酸鹽巖溶水三大類。松散巖類孔隙水主要分布于圖幅西側的橫溝河、淦河一級階地,含水層為第四系全新統(tǒng)沖洪積的砂礫石層,最厚可達14 m,富水性中等—弱。碎屑巖類裂隙水主要隱伏于大面積分布的第四系更新統(tǒng)含礫粘土下部,主要含水巖組為白堊系—下第三系的砂礫巖和鈣質粉砂巖夾砂礫巖,在研究區(qū)的西南和東南角有少量的粉砂巖含水巖組。咸寧地區(qū)具有供水意義的為隱伏巖溶水,主要分布于官埠橋—北洪橋一帶,受咸寧倒轉向斜的控制,向斜核部為二疊系灰?guī)r、燧石結構灰?guī)r及瘤狀灰?guī)r,兩翼分布有石炭系黃龍灰?guī)r及白云質灰?guī)r。白堊系—下第三系地層為砂礫巖,鈣質膠結。砂礫石為灰?guī)r、白云質灰?guī)r,具可溶性。第四系松散層覆蓋在具有可溶性的巖層之上,下伏砂礫石層或與砂礫石互層,賦存較豐富地下水資源。研究區(qū)地下水主要是大氣降雨入滲和河流季節(jié)性的補給,排泄途徑以人工開采和蒸發(fā)為主。

2 實驗方法

于2015年11月采集90件地下水樣(圖1),其中78件為淺層孔隙水,深度為5～15 m,12件為深層鉆孔地下水,鉆孔深度為100～150 m。地下水采樣點的設計主要考慮地形地貌、地下水補徑排條件、母質土壤等因素?，F(xiàn)場使用HACH40d便攜式水質分析儀測定pH、電導率、溶解氧,其余指標當天送往實驗室進行測定。現(xiàn)場采集兩份水樣,其中一份用濃硝酸酸化至pH<2。鉀、鈉、鈣、鎂等主要陽離子采用ICP-AES測定,氯、硫酸根等主要陰離子采用離子色譜測定,重碳酸根采用滴定法測定。本次地下水的樣品分析均在國土資源部長沙礦產資源監(jiān)督檢測中心完成。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling locations1.孔隙水采樣點;2.裂隙水采樣點;3.巖溶水采樣點;4.河流階地;5.崗狀平原;6.丘陵臺地。

3 結果與分析

3.1 主要水化學指標特征

研究區(qū)地下水現(xiàn)場測試指標以及主要成分的統(tǒng)計值如表1所示,通過統(tǒng)計分析可以基本得出地下水中各化學成分的富集、變化規(guī)律[8]。

地下水中pH的空間變異性較小,其值相對穩(wěn)定,表明pH受地層的影響較大,如巖溶水和裂隙水地下水pH普遍高于7.0,呈弱堿性,而第四系地下水pH普遍低于7.0,呈弱酸性。大部分孔隙水樣采集于第四系更新統(tǒng)含礫粘土和網紋狀粘土,土質偏酸性,這可能是地下水偏酸性的主要原因。巖溶水和裂隙水分別受到灰質礫巖和鈣質粉砂巖等含水巖組的影響而呈現(xiàn)弱堿性。

表1 地下水水化學參數(shù)的統(tǒng)計特征值Table 1 Statistical characteristic values of groundwater hydrochemical parameters

注:pH無量綱,其余指標單位為mg/L。

3.2 相關性分析

3.3 地下水化學類型

巖溶水的主要地下水化學類型為HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型,個別為HCO3-Ca·Na型。巖溶水主要是受地下水與可溶巖—灰質礫巖的水巖相互作用,礫石成分主要為泥晶灰?guī)r、少量石英,而膠結物中發(fā)育的方解石脈,其化學成分為CaCO3,遇到水中的CO2便成為可溶的Ca(HCO3)2。

表2 地下水化學參數(shù)相關系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of hydrochemcial parameters of groundwater

注:**和*分別表示在 0.01和0.05顯著水平。

裂隙水地下水化學類型較為復雜,7個水樣的地下水類型均不一樣,分別為HCO3-Na型、HCO3-Na·Ca型、HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Na·Mg型、HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型和SO4·Cl-Ca·Mg型。

圖2 地下水Piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater

4 地下水水化學過程

4.1 溶濾作用

Gibbs研究表明水化學主要受大氣降雨、水—巖作用和蒸騰作用影響[13]。為了分析和驗證研究區(qū)內水化學進程的影響因素,繪制Gibbs圖(圖3),結果表明,絕大部分孔隙水和巖溶水指向水—巖作用區(qū)域,少量孔隙水和裂隙水指向蒸發(fā)—沉淀作用;表明巖石礦物的水—巖作用主導該區(qū)孔隙水和巖溶水水化學特征,而裂隙水主要還受到了蒸發(fā)—沉淀作用的影響。

此外,Cl-離子與TDS和Na++K+離子的比值也可以反映研究區(qū)可能存在的溶濾作用。Cl-/TDS隨TDS的變化有兩個趨勢(圖4-a),一個是隨著TDS的增加基本保持不變,另一個是隨著TDS的增大而增大,表明地下水存在巖鹽溶解,并且受蒸發(fā)作用的影響[14]。通過Cl--Na++K+關系圖(圖4-b)發(fā)現(xiàn),大多數(shù)地下水點位于Cl-=Na++K+線附近,部分點分布在該線兩側,說明該區(qū)不僅發(fā)生了巖鹽的溶解,同時發(fā)生硅鋁酸鹽礦物等的溶解。

4.2 蒸發(fā)—沉淀作用

根據(jù)前面的地下水水化學Gibbs分布模式圖可知,少量的孔隙水和大部分裂隙水落在蒸發(fā)沉淀區(qū),表明蒸發(fā)沉淀作用對研究區(qū)地下水化學特征形成具有重要的影響。由研究區(qū)水文地質條件可知,研究區(qū)總體地勢為四周高,中西部橫溝河一帶最低,地下水呈現(xiàn)由四周向中間匯集,中西部為河流一級階地,地勢平坦,地下水徑流緩慢,為蒸發(fā)作用提供了有利條件。研究區(qū)裂隙水中出現(xiàn)HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型和SO4·Cl-Ca·Mg型與蒸發(fā)沉淀作用有關。另外,淺層地下水在向下滲透的過程中也可能存在Ca(HCO3)2遇到水中的CO2,形成CaCO3沉淀,這就是裂隙水中Ha+的含量較Ca2+含量高的原因之一。

圖3 地下水水化學Gibbs分布模式Fig.3 Hydrochemistry Gibbs distribution pattern of underground water a.Gibbs水化學Boomerang Envelope模型;b,c.研究區(qū)地下水化學組成Gibbs分布。

圖4 地下水離子比值關系圖Fig.4 Relationships of ionic ratios of underground water

4.3 離子交換作用

圖5 地下水(Na+-Cl-)與關系圖Fig.5 Relationship between(Na+-Cl-)and(Ca2++Mg2+)-

5 結論

通過對咸寧地區(qū)三種不同類型的地下水水化學特征以及控制其形成的水化學過程進行分析和探討,得出以下結論:

(2) 孔隙水以HCO3-Ca型為主,巖溶水的主要地下水化學類型為HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型,裂隙水地下水化學類型較為復雜,種類眾多。

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(責任編輯：陳姣霞)

Hydrochemical Characteristics and Formation Mechanism ofGroundwater in Xianning Area

HE Jun, PENG Ke, XIAO Pan
(WuhanCenter,ChinaGeologicalSurvey,WuhanHubei430205)

For further revealing the hydrochemical characteristics and formation mechanism of groundwater in Xianning area,78 samples from shallow aquifer and 12 samples from deep bore holes were collected to analyze the correlation between main cations and anions in pore water,fissure water and karst water,and the hydrochemical processes and formation mechanism of groundwater were discussed.The results indicate that the main hydrochemical type of pore water is HCO3-Ca,most of karst water is HCO3-Ca and HCO3-Ca·Mg,while hydrochemical type of fissure water is relatively complicated.The Gibbs charts show that weathering of rocks and minerals dominate the hydrochemical characteristics of pore and karst water,but the fissure water is mainly influenced by evaporation and precipitation as well as cation exchange adsorption.

groundwater; hydrochemical characteristics; formation mechanism

2016-08-12;改回日期:2016-08-17

中國地質調查局項目 “武漢都市圈京廣高鐵沿線城鎮(zhèn)群地質環(huán)境綜合調查”項目(編號:12120115043701)資助。

何軍(1984-),男,工程師,環(huán)境地質專業(yè),從事環(huán)境地質調查評價工作。E-mail:05302105hj@163.com

P641.3

A

1671-1211(2017)02-0196-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.016

數(shù)字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.024.html 數(shù)字出版日期:2017-03-14 08:25