廣西防城區(qū)地下水水化學(xué)特征及離子來源分析

陳 雯，黎清華，余紹文，劉懷慶

（中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢430205）

廣西防城區(qū)地下水水化學(xué)特征及離子來源分析

陳 雯，黎清華，余紹文，劉懷慶

（中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢430205）

查明防城區(qū)地下水水化學(xué)特征及主要離子來源，對該地區(qū)地下水資源保護(hù)和開發(fā)利用具有重要意義。以防城區(qū)地下水為研究對象，通過分析水化學(xué)組分和氫氧同位素特征，研究地下水水化學(xué)特征，確定補(bǔ)給來源，識別其主要組分的物質(zhì)來源。研究結(jié)果表明：研究區(qū)地下水水化學(xué)類型主要為HCO3-Mg·Ca型、SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·Cl-Na型，陽離子以Ca2+和Na+為主，陰離子以HCO3-和SO42-為主。同位素分析顯示，研究區(qū)地下水以大氣降水補(bǔ)給為主。Ca2+、Mg2+、HCO3-主要來源于碳酸鹽巖的溶解，而高位養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、工業(yè)排污等導(dǎo)致地下水中SO42-、Na+、K+、Cl-、NO3-含量增加。

地下水；水化學(xué)；離子來源；防城區(qū)

防城區(qū)地處中國南疆北部灣畔，位于防城港市中心位置，北通南寧，南至防城港，東接欽州，西南達(dá)中越邊關(guān)東興，地理坐標(biāo)東經(jīng)108°15′～108° 30′，北緯21°40′～21°50′，面積478 km2。防城區(qū)屬海洋性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量2362.6 mm，降雨主要集中在每年6-9月份，占全年降雨量的71%左右，地表水資源時(shí)空分布極不均勻。

隨著《北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》批準(zhǔn)實(shí)施，防城區(qū)迎來建設(shè)浪潮，成為廣西發(fā)展縣域工業(yè)試點(diǎn)縣和農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)區(qū)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，“三廢”排放量不斷增加，地表水受到的污染日益嚴(yán)重。水資源是制約一個(gè)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，目前該地區(qū)地下水研究程度較低，水文地球化學(xué)研究工作幾乎是空白。通過研究一個(gè)地區(qū)地下水水化學(xué)特征，可以揭示地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及其與環(huán)境之間的相互作用機(jī)制，為區(qū)域地下水資源開發(fā)、利用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[1-8]。本文在對防城區(qū)100個(gè)地下水樣水化學(xué)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，研究防城區(qū)地下水水化學(xué)特征，辨識主要離子來源，分析人類活動(dòng)對地下水質(zhì)的影響，以期為該地區(qū)地下水資源開發(fā)、利用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)大地構(gòu)造及水文地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華夏古陸與南華活動(dòng)帶的交切部位，地跨華夏陸塊一個(gè)二級構(gòu)造單位。研究區(qū)發(fā)育主要構(gòu)造有沙田向斜、防城向斜、那梭向斜，構(gòu)造的總體走向呈北東-南西向，構(gòu)造內(nèi)發(fā)育次一級規(guī)模不等的斷裂，斷裂以逆斷層為主，斷距可達(dá)1.5-3.5 km，正斷層規(guī)模較小。由于研究區(qū)經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖層較為破碎，構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，這些構(gòu)造對研究區(qū)地下水的埋藏、分布起著控制作用。

研究區(qū)位于十萬大山的南東側(cè)，地勢大致為北西高，南東低，由北西向南東傾斜，區(qū)內(nèi)主要地下水類型包括第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和基巖裂隙水三大類。第四系地下水主要分布于區(qū)內(nèi)主要河流防城江兩岸，第四系松散沉積物厚度一般3.6-10.6 m，防城江兩岸厚度可達(dá)15 m，往下游厚度逐漸增加，富水性中等。碎屑巖類裂隙孔隙水主要分布于茅嶺一帶，由侏羅系砂巖、粉砂巖組成，地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，由于基巖充填膠結(jié)較差，裂隙孔隙均較發(fā)育且風(fēng)化較弱，補(bǔ)給條件較好，水量貧乏-中等。區(qū)內(nèi)基巖裂隙水主要分布于志留系、二疊系砂巖、粉砂巖巖組，廣泛分布于低山丘陵區(qū)，大氣降水沿基巖構(gòu)造裂隙以分散滲入方式補(bǔ)給地下水，受構(gòu)造活動(dòng)控制富水性不穩(wěn)定，富水區(qū)多位于溝谷平原下部或周邊地區(qū)。

2 采樣及測試方法

本次研究在2014年7月豐水期進(jìn)行野外調(diào)查和取樣，共設(shè)置地下水采樣點(diǎn)100個(gè)，在采樣點(diǎn)中，松散巖類孔隙水6件，碎屑巖類裂隙孔隙水7件，基巖裂隙水87件，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。采樣點(diǎn)的布設(shè)原則為：兼顧研究區(qū)所有地層及不同巖性含水層條件下，沿途在每個(gè)村、鎮(zhèn)選取與當(dāng)?shù)鼐用裆?、生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)密切相關(guān)的民井開展系統(tǒng)采樣工作。

采樣瓶選取500 mL聚乙烯瓶，采集的地下水樣當(dāng)天用0.45μm微孔濾膜過濾，每個(gè)采樣點(diǎn)采集水樣兩瓶。其中，一瓶加入優(yōu)級純濃硝酸至pH＜2用于陽離子分析，另一瓶不添加任何試劑，用于陰離子測試。

采樣現(xiàn)場用便攜式水質(zhì)分析儀（美國哈希HQ40d）測定了水溫、水位、pH值、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（EC）。其他指標(biāo)在水樣采集后的一周內(nèi)送至國土資源部巖溶地質(zhì)環(huán)境監(jiān)督檢測中心進(jìn)行測試。測試指標(biāo)包括：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-和總?cè)芙夤腆w（TDS）。

3 結(jié)果與分析

研究區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)及主要離子濃度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1，松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和基巖裂隙水pH均值分別為5.87、6.11和6.16，整體上屬于弱酸性水，但是三類地下水均有部分水樣呈酸性。三類地下水TDS均值低于200 mg/L，說明地下水以低礦化度水為主。三類地下水的陽離子以Ca2+和Na+為主，陰離子以HCO3-和SO42-為主，其中，Ca2+含量均值分別為22.08, 17.34,16.86 mg/L；Na+含量均值分別為9.98,6.8, 15.46 mg/L；HCO3-含量均值分別為44.75,74.51, 44.44 mg/L；SO42-含量均值分別為22.3,18.74,27.25 mg/L。地下水中主要離子Ca2+、Na+、HCO3-和SO42-的含量分布及動(dòng)態(tài)變化特征與區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)徑排條件息息相關(guān)。三類地下水中K+、Cl-含量不高，對應(yīng)均值分別為7.23,1.89,3.92和16.43, 11.49,25.44 mg/L，而NO3-含量較高，對應(yīng)均值分別為18.27,17.50,27.79 mg/L，這很可能受人類活動(dòng)影響。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖和采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Simplified geologic map ofthe studyarea and location ofthe samplingpoints1-水樣采集點(diǎn)；2-斷裂；3-河流；4-松散巖類孔隙水；5.碎屑巖類裂隙孔隙水；6-基巖裂隙水；7-城區(qū)；8-鎮(zhèn)

表1 研究區(qū)不同類型地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Chemical parameters of groundwater of different aquifers in the study area

變異系數(shù)是反映統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)離散程度的參數(shù)，變異系數(shù)越大，反映數(shù)據(jù)波動(dòng)越大，說明受到外界的影響越大?；鶐r裂隙水為研究區(qū)主要地下水類型，其各項(xiàng)水化學(xué)參數(shù)指標(biāo)中，除pH值外，其余指標(biāo)變異系數(shù)大于1，反映了基巖裂隙水中主要陰陽離子含量分布變化范圍大，受人類活動(dòng)影響較大；松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水除了NO3-以外，其余指標(biāo)變異系數(shù)均小于1。研究區(qū)三類地下水pH值變異系數(shù)分別為0.1,0.15,0.1，pH值數(shù)據(jù)波動(dòng)小，反映了地下水天然pH值偏酸性。

將研究區(qū)三種類型地下水樣測試數(shù)據(jù)分別投影到Piper三線圖中（圖2），并對其結(jié)果進(jìn)行分析論述。

研究區(qū)地下水水化學(xué)類型第四系松散巖類孔隙水最為簡單，基巖裂隙水最為復(fù)雜。第四系松散巖類孔隙水水化學(xué)類型以SO4·Cl-Ca·Mg型水為主。碎屑巖類孔隙裂隙水以HCO3-Mg·Ca型水和SO4·Cl-Ca·Mg型水為主?；鶐r裂隙水水化學(xué)類型包括HCO3-Mg·Ca型、SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4· Cl-Na型三種?？傮w而言，研究區(qū)地下水化學(xué)類型有HCO3-Mg·Ca型、SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·Cl-Na型三種，以SO4·Cl-Ca·Mg型水為主，在100件地下水樣中，SO4·Cl-Ca·Mg型水樣有53件，占水樣總數(shù)的53%；HCO3-Mg·Ca型水樣有18件，占18%；SO4·Cl-Na型水樣有29件，占29%。

在研究區(qū)范圍內(nèi)，地下水水化學(xué)類型在空間上顯示出一定的分帶性，在北部丘陵地區(qū)，地下水以礦化度相對較低（TDS＜100mg/L）的HCO3-Mg·Ca型水為主。隨著地下水徑流到低洼平坦的平原區(qū)，地下水水化學(xué)類型以礦化度略高（100＜TDS＜200 mg/L）的SO4·Cl-Ca·Mg型水為主。在南部濱海地區(qū)，地下水水化學(xué)類型以礦化度最高（300＜TDS＜600 mg/L）的SO4·Cl-Na型水為主?？傮w而言，研究區(qū)地下水從北向南，隨著地下水徑流條件逐漸變差，地下水水化學(xué)類型逐漸由低礦化度的HCO3-Mg·Ca型水逐漸轉(zhuǎn)化為，礦化度較高的SO4· Cl-Na型水，整體呈現(xiàn)出明顯的分帶性。

圖2 地下水Piper三線圖Fig.2 Piper diagramofgroundwater1-基巖裂隙水；2-松散巖類孔隙水；3-碎屑巖類孔隙裂隙水

4 討論

4.1 地下水的補(bǔ)給來源

通過氫氧同位素示蹤地下水的補(bǔ)給來源。研究區(qū)地下水δD值介于-38.06‰～-65.24‰，平均值為-48.86‰，δ18O值介于-6.28‰～-9.78‰，平均值為-7.62‰，總體上看，地下水D、18O同位素組成較穩(wěn)定。根據(jù)所有地下水樣品的δD和δ18O值，確定二者之間的線性關(guān)系，可得到研究區(qū)的地下水δD-δ18O關(guān)系式：δD=6.2473δ18O-1.2318（R2=0.8727）。根據(jù)降雨和地下水的氫氧同位素研究結(jié)果（圖3），地下水的D、18O穩(wěn)定同位素組成落在當(dāng)?shù)亟邓€附近，表明地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，大多數(shù)地下水的D、18O穩(wěn)定同位素組成分布較為集中，稍偏離降雨線，表明總體而言地下水徑流活動(dòng)較強(qiáng)，地下水循環(huán)交替快。

4.2 地下水中主要組分的物質(zhì)來源

研究區(qū)地下水的補(bǔ)給來源以大氣降水為主，降水入滲補(bǔ)給含水層后，溶解、搬運(yùn)巖土的部分組分，形成具有不同化學(xué)特征的地下水溶液。通過地下水化學(xué)參數(shù)的相關(guān)性分析，初步判斷研究區(qū)地下水中主要組分的物質(zhì)來源，相關(guān)性較好的離子通常具有相同的來源。研究區(qū)地下水各離子相關(guān)性分析結(jié)果見表2。

4.2.1 Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-的物質(zhì)來源

由表2可知，Ca2+與HCO3-、Mg2+與HCO3-以及Ca2+、Mg2+和SO42-之間都有較為顯著的相關(guān)性，反映了其來源與含水層中主要礦物碳酸鹽巖方解石、白云石，以及硫酸鹽巖石膏等礦物的風(fēng)化溶解及沉淀。含水層中方解石、白云石及石膏的溶解反應(yīng)方程為：

利用地下水中Mg/Ca摩爾比值能夠反映其流經(jīng)的含水層巖性，進(jìn)一步識別其來源。研究表明[9]，當(dāng)Mg/Ca摩爾比值介于0.01～0.26之間時(shí)，反映了碳酸鈣的溶解；當(dāng)Mg/Ca摩爾比值大于0.85時(shí)，反映了白云石的溶解；當(dāng)Mg/Ca摩爾比值介于兩者之間時(shí)，反映了碳酸鈣和白云石的同時(shí)溶解。計(jì)算所有水樣的Mg/Ca摩爾比值，并繪制HCO3-與Mg/Ca關(guān)系圖（圖4，圖5）。研究區(qū)19%的地下水以碳酸鈣溶解為主，58%的地下水存在碳酸鈣和白云石的共同溶解，23%的地下水以白云石溶解為主。

圖3 地下水與降水氫氧同位素關(guān)系圖Fig.3 Plot ofOxygen and Hydrogen isotopic compositions ofgroundwater in the studyarea

表2 研究區(qū)地下水主要離子相關(guān)性Table 2 Correlation coefficients of ionic concentration of groundwater in study area

圖4 研究區(qū)地下水HCO3-vs.Mg/Ca關(guān)系圖Fig.4 Relationship ofHCO3-vs.Mg/Ca in the groundwater samples in the studyarea

由前文可知SO42-變異系數(shù)大于1，說明SO42-存在人為來源，如養(yǎng)殖排污、工業(yè)排污等，表明研究區(qū)地下水中SO42-的物質(zhì)來源一方面為巖石礦物石膏的溶解，一方面是人為活動(dòng)來源。

4.2.2 Na+、K+、Cl-、NO3-的物質(zhì)來源

一般而言，地下水中Na+、K+主要來源于長石、云母及鹽巖等巖石礦物的溶解[10]。研究區(qū)主要的含水巖組以志留系、二疊系砂巖、粉砂巖巖組為主，使得地下水中Na+、K+濃度不高，研究區(qū)三類地下水的Na+、K+含量均值分別為9.98，6.8,15.46mg/L和 7.23,1.89,3.92mg/L,但部分水樣Na+、K+濃度較高，甚至分別達(dá)到108.15和23.95mg/L，這很可能是人為活動(dòng)和農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖引起的，因?yàn)檫@些地下水點(diǎn)均位于高位養(yǎng)殖區(qū)和工廠周邊。

沿海地區(qū)地下水樣中Cl-含量不斷增加，部分水井已咸化，這與沿海地區(qū)廣泛分布的高位養(yǎng)殖密切相關(guān)[11-12]。Cl-和Na+的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.91，說明研究區(qū)地下水中Cl-和Na+具有相似的來源，地下水中Cl-主要來源于巖石礦物的溶解、沿海高位養(yǎng)殖和生活污水的排放等。

研究區(qū)地下水中NO3-含量為0-50mg/L，平均值分別為18.27,17.50,27.79 mg/L，超過Na+、K+含量均值，表明地下水中NO3-除了含水層巖石礦物溶解來源外，還有人為活動(dòng)來源，比如農(nóng)業(yè)活動(dòng)、生活污水排放等。研究區(qū)農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)成果顯著，NO3-含量主要反映了農(nóng)業(yè)活動(dòng)對地下水的影響。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)地下水以大氣降水補(bǔ)給為主，其水化學(xué)類型主要為HCO3-Mg·Ca型、SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·Cl-Na型。

（2）研究區(qū)地下水在不同水動(dòng)力條件下，化學(xué)場具有一定的分帶性，從北部低山丘陵地區(qū)到平原區(qū)到南部濱海地區(qū)礦化度（TDS）逐漸升高，水化學(xué)類型由HCO3-Mg·Ca型經(jīng)SO4·Cl-Ca·Mg型轉(zhuǎn)變?yōu)镾O4·Cl-Na型。

（3）研究區(qū)地下水中陽離子以Ca2+和Na+為主，陰離子以HCO3-和SO42-為主。Ca2+、Mg2+、HCO3-主要來源于碳酸鹽巖的溶解，SO42-、Na+、K+、Cl-、NO3-一部分來源于巖石礦物的溶解，一部分來源于人為活動(dòng)的排放，Na+、K+、Cl-受到沿海高位養(yǎng)殖的影響，NO3-受到農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，SO42-受到工業(yè)排污的影響。

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CHENWen,LI Qing-Hua,YUShao-Wen,LIUHuai-Qin

(Wuhan Center of China Geological Survey,Wuhan 430205,China)

Understanding of hydrochemical characteristics and ion source of groundwater in Fangcheng district, Guangxi province is important for protection and sustainable utilization of groundwater in this area.Hydrohemical components and hydrogen and oxygen isotopic data of the groundwater in the Fangcheng district are obtained to study the hydrochemical characteristics,determine the recharge source of the groundwater,identify the origin of major components in the groundwater.The results show that the main hydrochemical type of the groundwater in the study area are HCO3-Mg·Ca type,SO4·Cl-Ca·Mg type and SO4·Cl-Na type.The major chemical components of the groundwater are Ca2+,Na+,HCO3-and SO42-.The hydrogen and oxygen isotopic data demonstrates that the groundwater in the studyarea recharges fromprecipitation,Ca2+,Mg2+,HCO3-are mainlyderived fromthe dissolution of carbonate rocks in the aquifer,and high breeding,agriculture and industrial pollution lead to the concentration ofSO42-,Na+,K+,Cl-,NO3-increased.

groundwater;hydrochemical characteristics;ion source;Fangchengdistrict,Guangxi

P641.3

A 章編號：1007-3701（2017）02-162-07

10.3969/j.issn.1007-3701.2017.02.007

2017-2-12；

2017-5-7.

中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“環(huán)北部灣南寧、北海、湛江1∶5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”（121201009000150020）.

陳雯（1985—），女，工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)與水文地質(zhì)方面的研究。E-mail：382500864@qq.com.

Chen W,Li Q H,Yu S W and Liu H Q.Hydrochemical characteristics and ion sources of groundwater in Fangcheng district,Guangxi.Geology and Mineral Resources of South China,2017,32(1): 162-168.