佛山市水化學(xué)特征分析

蔡霖　荊繼紅　許廣明　張燕君　孔思宇　許志鵬

摘 要：根據(jù)采集的水樣分析，初步研究了佛山市淺層地下水的化學(xué)類型分布特征，探討其成因規(guī)律。研究表明，佛山市淺層地下水的化學(xué)特征由重碳酸鹽型水向氯化物型水進(jìn)行演變，研究區(qū)域上顯示出明顯的分區(qū)，如第四系出現(xiàn)較多的重碳酸鹽型水，而在基巖裂隙區(qū)，其水化學(xué)類型更多的是硫酸鹽重碳酸鹽型水和氯化物型水。同時(shí)在人類活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)出現(xiàn)了硝酸型水。

關(guān)鍵詞：水化學(xué)類型;佛山市;地下水;地下水化學(xué)特征;硝酸鹽

中圖分類號(hào)：S-3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191015014

1 研究區(qū)概況

佛山市行政區(qū)在廣東省中西部、珠江三角洲平原腹地[1]。該市人口密集，工商業(yè)發(fā)達(dá)，工業(yè)化程度高，商業(yè)樓房高聳密布，是珠江三角洲城市之一，粵港澳大灣區(qū)重要節(jié)點(diǎn)城市。佛山市的經(jīng)濟(jì)由十大行業(yè)作支撐，主要為：家用電器、光機(jī)電一體化、電子信息及裝備制造等。佛山市西北部有大量工區(qū)分布，類型多樣規(guī)模不等。制造業(yè)行業(yè)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值80%以上。

佛山市共有4個(gè)行政區(qū)，分別是禪城區(qū)、南海區(qū)、順德區(qū)和三水區(qū)，4個(gè)行政區(qū)面積共有3700km2，人口數(shù)量達(dá)700多萬人[2-3]。北江、西江形成的沖積平原，海拔一般小于5m，多在1.2～4m，區(qū)內(nèi)河涌縱橫交錯(cuò)，形成河網(wǎng)，有西北江橫跨，高明河從中間匯入，境內(nèi)分支眾多的河流，堆積層厚度大。

佛山市氣候類型屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候炎熱潮濕，年平均溫度約23℃，年平均降水量約110mm，區(qū)域內(nèi)主要河流為西江和北江，長度約為704km，河流年徑流量較大。

2 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)地層主要為第四系、古近系和白堊系，西南部出露侏羅-三疊系地層，如圖1。地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，如圖2，研究區(qū)內(nèi)含水層主要分布在河流兩岸，含水層巖性以中粗砂和卵礫石為主，厚度約為3～40m，富水性較好[4];部分基巖裂隙水分布在南海區(qū)西北部、三水區(qū)西部及東部，含水層巖性主要為粉砂巖、砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、石英砂巖，富水性貧乏。

受氣象、水文、地貌、巖性、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，研究區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流、排泄有明顯的區(qū)域特點(diǎn)[5]。研究區(qū)氣候類型為亞熱帶季風(fēng)性氣候，年降水量巨大，充足的降雨為地下水提供了大量的補(bǔ)給。從年內(nèi)分配來看，降雨量在各個(gè)月分配不均，尤其在雨季中的7、8月份。在巖性、風(fēng)化程度、地形地貌等因素的作用下，研究區(qū)內(nèi)不同地層地下水補(bǔ)給量有較大的差異。如出現(xiàn)斷裂構(gòu)造的古近系、白堊系基巖區(qū)，基巖內(nèi)淺部巖石風(fēng)化破裂，細(xì)小節(jié)理裂隙發(fā)育，降水量不易下滲補(bǔ)給。第四紀(jì)松散沉積物覆蓋區(qū)，該區(qū)有兩大河流經(jīng)過，為三角洲平原腹地，地勢(shì)平緩，有利于地下水往地下補(bǔ)給。同時(shí)雨季后地表徑流較大，包氣帶零散分布小面積的弱透水黏土層，會(huì)造成地表徑流補(bǔ)給地下水。該區(qū)地下水多以水平徑流為主，基巖裂隙水由丘陵山區(qū)流向平原，總體從北向南，從西向東排泄，匯入江口，排泄入海。

3 水化學(xué)分布特征

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)佛山市淺層地下水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，研究區(qū)淺層地下水pH值范圍為：3.74～7.71，均值6.50，標(biāo)準(zhǔn)差為0.74，變異系數(shù)11.41%。標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)均較小，該pH值范圍說明了淺層地下水處于一種酸性的環(huán)境。

礦化度變化范圍：51.02～957.29mg/L，均值497.18mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差為244.27mg/L，變異系數(shù)51.93%，礦化度范圍表明受氣候、巖性等影響，地下水離子濃度在不同空間內(nèi)有較大差異。

DO是表征水體水質(zhì)好壞的重要指標(biāo)。水體中的DO來自大氣中氧的溶解及水中植物光合作用釋放的氧[6]。常溫下水中的DO含量一般為8～14mg/L。樣品DO值在0.08～14.61mg/L范圍內(nèi)，平均值2.19mg/L，影響水體DO濃度的因素復(fù)雜多變，各種因素間存在協(xié)同作用。

由表1可知，Ca2+質(zhì)量濃度在研究區(qū)內(nèi)的變化相對(duì)較大，濃度的最大值和最小值分別為164.6mg/L和1.74mg/L，平均值為71.19mg/L。研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)鈣離子質(zhì)量濃度小于100mg/L，位于白堊系區(qū)域的水點(diǎn)濃度大于100mg/L，其余采樣點(diǎn)Ca2+濃度值相差不大。Mg2+質(zhì)量濃度在研究區(qū)內(nèi)總體上變化不大。第四系地區(qū)大部分濃度小于15mg/L，大于100mg/L的高值區(qū)出現(xiàn)在研究區(qū)北部的基巖裂隙區(qū)，最高值為53.95mg/L。Na+質(zhì)量濃度在研究區(qū)內(nèi)大部分小于150mg/L，最高值與最低值分別為120.9mg/L和2.87mg/L，平均值32.24mg/L。Cl-質(zhì)量濃度分布總體上與Na+基本一致，大多小于200mg/L。SO2-4質(zhì)量濃度為0～203.98mg/L，平均值54.51mg/L，濃度一般大于200mg/L，高值出現(xiàn)研究區(qū)北部白堊系地層。HCO-3質(zhì)量濃度為3.02～589.58mg/L，平均值208.42mg/L，第四系地層區(qū)內(nèi)，重碳酸離子濃度變化大。本區(qū)淺層地下水多為重碳酸型水，其次為重碳酸型與氯化物型混合型水，氯化物型、硫酸型、硝酸型混合水亦有少量分布。

3.2 水化學(xué)特征分布

由數(shù)據(jù)分析得，陰離子類型規(guī)律較為明顯。根據(jù)舒卡列夫分類法，根據(jù)濃度百分比做出陰離子水化學(xué)類型分布圖，陰離子類型統(tǒng)計(jì)見表2。由圖1和圖3看出，根據(jù)地下水的賦存、循環(huán)條件及巖性的變化，佛山市地層中第四系、古近系、白堊系、泥盆-二疊系，侏羅-三疊系的水化學(xué)類型具有一定的規(guī)律。

第四系覆蓋區(qū)的陰離子類型主要是重碳酸鹽型，重碳酸鹽、硫酸鹽型水在第四系零星分布，該區(qū)水量豐富，不僅是地下水補(bǔ)給區(qū)，也是地下水強(qiáng)徑流地帶。形成該水化學(xué)類型主要是因?yàn)樗瘜W(xué)的溶濾作用，地下水在該區(qū)不斷交替，使得水中離子的重碳酸根為主要離子。因此研究區(qū)第四系覆蓋區(qū)內(nèi)基本上為重碳酸鹽型水、重碳酸型硫酸型水、重碳酸鹽氯化物型水。

在第四系與基巖過渡區(qū)則出現(xiàn)硫酸鹽重碳酸鹽、硫酸鹽型、硫酸氯化物型水。如高明區(qū)西南部侏羅-三疊系地層和三水區(qū)東部、西部的白堊系地層附近，水化學(xué)類型中同時(shí)出現(xiàn)了重碳酸根、硫酸根、氯離子。這是由于這個(gè)地帶的水力傳導(dǎo)系數(shù)變小，地下水循環(huán)受到阻礙，補(bǔ)給區(qū)的地下水流經(jīng)該地帶時(shí)，各大離子將會(huì)在該處聚集。同時(shí)在這個(gè)區(qū)域附近的TDS普遍較大，側(cè)面反映了該處地下水動(dòng)力條件較弱，地層含鹽量較高，形成的水化學(xué)類型有硫酸鹽重碳酸鹽型水、硫酸鹽重碳酸鹽型水。

而在白堊系-古近系、泥盆系-二疊系、侏羅-三疊系等地層內(nèi)出現(xiàn)水化學(xué)類型則以氯化物硫酸鹽、氯化物重碳酸鹽型、氯化物型水為主。這是因?yàn)樵搮^(qū)水化學(xué)作用以蒸發(fā)排泄為主。強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，使得原本水量貧乏的基巖裂隙地層中的地下水不斷濃縮，碳酸鹽沉淀，留下氯離子、硫酸根等離子，形成高礦化地下水。

4 異常因子分布特征與分析

4.1 異常元素特征

研究區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)氮的含量比較高。出現(xiàn)的形式有氨氮、硝酸鹽、亞硝酸，其中主要以硝酸根形式出現(xiàn)，其最大值為154.17mg/L，最小值為0.71mg/L，平均值為34.90mg/L。在數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)有幾處的硝酸根的毫克當(dāng)量大于25%，水化學(xué)類型有較大變化。于是根據(jù)佛山市并沒有大量的硝鹽礦的情況，單獨(dú)考慮硝酸根含量，以K+，Ca2+，Na+，Mg2+，Cl-，SO2-4，HCO-3七大離子的含量排名劃分水化學(xué)類型。同時(shí)標(biāo)記出硝酸根毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)較大，這樣的水樣點(diǎn)出現(xiàn)的位置見圖3，這些水樣點(diǎn)陰離子類型如表3。

由圖4看出，高含量硝酸根的水樣點(diǎn)的分布具有一定的分布規(guī)律，硝酸根含量較高的地方出現(xiàn)均出現(xiàn)在白堊系-第三系、侏羅系-三疊系、泥盆-二疊系地層。共有15個(gè)，占總水樣的16.9%。這些地層是水量貧乏的地區(qū)，而對(duì)于第四系來說，由于水量交換迅速，即使水樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)出硝酸根，也不會(huì)影響地下水的水化學(xué)類型。結(jié)合表3圖3，可以看出氯化物型水的個(gè)數(shù)較多，對(duì)比圖2，可知氯化物與硝酸鹽出現(xiàn)的位置大體一致。對(duì)于這些地層來說，一般是含高鹽礦物，富水程度較弱的地區(qū)，因此氯離子含量，高的地區(qū)，相應(yīng)的硝酸根含量也增高。

4.2 異常元素分析

在自然狀態(tài)下，氮只有在原生地層中出現(xiàn)。據(jù)此可考慮在研究區(qū)中的氮元素屬于人類活動(dòng)造成，在不考慮氮的含量下計(jì)算的其他離子含量可作為其原生背景的水化學(xué)類型。在這個(gè)假設(shè)下，劃分水化學(xué)類型。根據(jù)劃分的水化學(xué)類型分布來看，可以明顯看出一些規(guī)律。在第四系地區(qū)淺層松散沉積物地區(qū)，陰離子類型基本以重碳酸離子為主。在地質(zhì)圖也可以看出，水化學(xué)類型為重碳酸型水出現(xiàn)的地區(qū)富水性極強(qiáng)。在水力交替強(qiáng)烈的地區(qū)，地下水化學(xué)類型多為重碳酸型水。這是由于地下水的補(bǔ)給區(qū)，地下水的水文地球化學(xué)作用以溶濾作用占優(yōu)勢(shì)，形成溶濾潛水區(qū)，水化學(xué)類型一般以重碳酸鹽型或重碳酸鹽硫酸鹽型水為主。比如山前傾斜平原（包括洪積斜平原與沖洪積傾斜平原）為地下水的徑流區(qū)，水力交替積極，潛水水化學(xué)類型一般以重碳酸鹽硫酸鹽型水占優(yōu)勢(shì)。而在富水程度弱的地區(qū)，有白堊系、石炭系、古近系地層出露，該區(qū)氯離子逐漸升高，水化學(xué)類型多為氯化物型水。同時(shí)硝酸根出現(xiàn)在白堊系于第四系地層出露的交界處。由水動(dòng)力條件可知，出現(xiàn)硝酸根區(qū)域水力條件較弱，比如在沖洪積平原邊緣地帶、盆地、洼地為地下水的排泄區(qū)或滯流區(qū)，水交替緩慢，加之潛水埋藏較淺，在蒸發(fā)作用下，潛水不斷濃縮礦化，硝酸根不斷聚集，地下水中的氮含量不斷升高，硝酸根含量升高。

5 結(jié)論

研究區(qū)位于珠江三角洲中部地區(qū)，該區(qū)域地下水陰離子類型分布與第四系地層沉積規(guī)律基本一致，為重碳酸鹽型向氯化物型演化，過度的類型以重碳酸鹽硫酸鹽型、硫酸鹽氯化物型、氯化物硫酸鹽型等類型為主。

水化學(xué)類型的復(fù)雜型受地層巖性的控制，在高鹽地層水化學(xué)類型會(huì)更加復(fù)雜。

硝酸根離子含量較高的水樣在本次取樣總數(shù)占比為16.9%，主要在第四系與白堊系交界處，成點(diǎn)狀分布。氮元素容易在水動(dòng)力條件較弱的地區(qū)出現(xiàn)，如基巖裂隙水地區(qū)，沖洪積扇前緣。而人類生活污水、農(nóng)業(yè)施肥、垃圾滲濾液下滲可能會(huì)加劇該處氮元素含量的增大。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鳳林，毛緒美，王傲.基于GMS的佛山市軟土地面沉降預(yù)測(cè)研究[J].安全與環(huán)境工程，2009，16（06）：26-29.

[2]劉春燕，黃冠星，張英，荊繼紅，孫繼朝，劉景濤，陳璽，王建偉. 佛山東部地下水BTEX分布特征與來源[D]. 南水北調(diào)與水利科技， 2015.

[3]黃冠星，孫繼朝，汪珊，杜海燕，盧耀東，支兵發(fā)，陳彗川，陳璽. 珠江三角洲地下水有機(jī)氯農(nóng)藥分布特征的初探[D]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2008.

[4]黃寧. 物探方法在珠江三角洲地區(qū)地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)中的可行性研究[D]. 石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院， 2009.

[5]王傳珺，王玉廣，付元賓，吳英超，于姬，李晴，宮瑋. 遼東灣濱海地區(qū)海水入侵分布及地下水化學(xué)特征分析[D]. 防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)， 2014.

[6]蔣春云. 太原市地下水化學(xué)特征及水質(zhì)分析評(píng)價(jià)[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2018.

作者簡介：

蔡霖（1996-），男，廣西，碩士研究生。研究方向：地下水科學(xué)與工程。