安徽六安江淮分水嶺地區(qū)地下水水化學(xué)特征分析

朱訓(xùn)和，彭軍，何濤

（1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局311地質(zhì)隊， 安徽安慶 246000； 2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局324地質(zhì)隊， 安徽池州 247100）

0 引言

六安市金安區(qū)江淮分水嶺脊線及兩側(cè)涉及8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，152個自然行政村，總面積約860km2，約32萬人口。由于其地理位置特殊，降水補給動態(tài)變化明顯，時空降雨分布不均，年內(nèi)年際分配差異大，水資源嚴重短缺。同時受水文地質(zhì)背景條件制約，含水層富水性弱，地下水分布雖普遍但不均一，地表水難以蓄存。旱季缺水嚴重，居民飲水困難，嚴重制約了當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。

在區(qū)域地質(zhì)和構(gòu)造特征分析的基礎(chǔ)上，實施找水定井工程，采集地下水樣品。根據(jù)地下水水化學(xué)指標和同位素分析，利用水化學(xué)圖解方法，綜合研究和分析該地區(qū)地下水水化學(xué)特征及形成原因。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)氣候?qū)俦眮啛釒駶櫦撅L氣候，四季分明，光照充足。區(qū)內(nèi)最大年降水量為1817.5mm，最小年降水量為568mm，平均年降水量為1088mm，雨量相對充沛，多集中在5～8月份；降水量由南向北呈遞減趨勢。

研究區(qū)從南向北屬丘陵區(qū)向江淮波狀平原過渡帶，為剝蝕沉積型，地勢由南向北傾斜，崗沖相間。其中波狀平原大面積分布，相對高差小。區(qū)內(nèi)為六安紅層盆地，地層為六安地層分區(qū)和北淮陽地層分區(qū)，巖性主要為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和巨厚層細礫巖夾砂礫巖，產(chǎn)狀平緩，厚度大。

本區(qū)地下水的賦存和分布以地層巖性為基礎(chǔ)，地質(zhì)構(gòu)造和微地貌是主控因素，氣象植被等是影響地下水流場的重要因素。巖石成分、巖性組合、巖相變化和膠結(jié)物是紅層地下水富集的前提條件。區(qū)內(nèi)紅層除沿脊嶺一帶零星出露外多被第四系黏土層覆蓋，覆蓋層厚度一般5～15m，不利于降水入滲補給、就地補給和就近排泄。鈣質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖、含礫砂巖其風化層裂隙的發(fā)育程度好于粉砂質(zhì)泥巖。粉砂質(zhì)泥巖剪性裂隙不發(fā)育，呈閉合狀，不利于地下水運移和富集。埋藏于淺部的風化層厚度和網(wǎng)紋狀風化裂隙發(fā)育程度、層間裂隙水深度、厚度和傾角(如供水井FSJ08和FSJ15）以及膠結(jié)物成分、砂巖透鏡體等決定著富水性大小。

構(gòu)造破碎帶的性質(zhì)、規(guī)模、活動頻率及其組合關(guān)系對地下水形成起著控制作用。區(qū)內(nèi)六安斷裂和蜀山斷裂為衛(wèi)片解譯的隱伏斷裂，線性特征清晰，近東西向展布，力學(xué)性質(zhì)為壓（扭）性，為相對隔水層，不利于地下水補給、運移和儲存富集。而張性次級構(gòu)造中通常具有成規(guī)模的構(gòu)造裂隙水；該構(gòu)造埋藏于中深部，根據(jù)水文鉆探揭露，孔深一般小于140m。

微地貌形態(tài)特征制約著地下水的補給和排泄，不同的地貌形態(tài)富水性差異較大。地形低洼和谷地部位具有較大范圍的大氣降水匯集，風化層厚度相對較大，富含風化裂隙水；地表水文網(wǎng)發(fā)育，位于常年地表水體附近的風化帶有利于地表水補給。

2 地下水特點

2.1 含水巖組類型

區(qū)內(nèi)地下水特點主要受自然地理因素控制。根據(jù)地層巖性、賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，劃分為松散巖類孔隙水和紅層裂隙水，其中紅層裂隙水包含風化裂隙水和構(gòu)造裂隙水。

2.2 富水性特點

2.2.1 第四系松散巖類孔隙水

主要賦存于松散層的孔隙中，埋藏淺，補給充足，水交替循環(huán)較快，動態(tài)變化明顯。巖性及有效空間是先決條件，富水性微弱—中等，差異較大。

2.2.2 紅層風化裂隙水

風化裂隙呈網(wǎng)狀分布在第四系覆蓋層下的風化裂隙帶中。風化裂隙水呈面狀分布，賦水容積小，含水性差，易開采，成本低，出水量小，循環(huán)慢，易污染。風化裂隙水主要受微地貌、巖性巖相、膠結(jié)物成分和古河床（如供水井FSJ05）控制，水位埋深一般為3～10m。動態(tài)變化與大氣降水呈正相關(guān)。

位于崗地上的民井在枯水期井水干枯，季節(jié)性缺水嚴重。位于地勢平坦或開闊低洼處，且不易受井口周邊環(huán)境污染的民井，井徑為2m并揭穿風化層，一般井深小于20m，單井出水量一般介于1.0～5.0m3/d，嚴重影響居民的生活及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等。

2.2.3 紅層構(gòu)造裂隙水

動態(tài)變化相對穩(wěn)定，水質(zhì)好，出水量差異較大。張性構(gòu)造鈣質(zhì)膠結(jié)的裂隙發(fā)育，透水性及連通性較好，有利于地下水徑流和賦存，尤其是交匯部位富含地下水，儲量可觀（如供水井SHK11、SHK14、SHK27等）。

3 地下水水化學(xué)特征

3.1 地下水水化學(xué)特征

不同類型地下水的水環(huán)境存在一定差異，本次研究選取了37組水樣（表1），包括地下水水樣33組，地表水水樣2組和外檢水樣2組。根據(jù)舒卡列夫分類法，水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na及HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Mg為主，占比約78%，研究區(qū)地下水中堿土金屬離子和弱酸性離子含量顯著，這與區(qū)內(nèi)巖石天然背景值有直接關(guān)系。按照《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006）評價，測試結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)地下水總硬度25.42～398.31mg/L，介于極軟水與硬水之間；TDS區(qū)間值為83～739mg/L，屬淡水；pH介于6.6～8.0，顯示中性水；除極少數(shù)民井中存在鉛超標，其他各指標均未超標。總體上區(qū)內(nèi)地下水水環(huán)境良好。

圖1 淺層地下水Piper三線圖Figure 1.Piper three-line diagram of shallow groundwater

根據(jù)淺層地下水水樣Piper三線圖（圖1）可知，樣點展布相對比較集中，反應(yīng)淺層地下水的化學(xué)成分主要來源于大氣降水補給，同時受風化-淋濾作用控制。水樣中Ca2+、Na+與HCO3-的平均值和標準差都較大，變異系數(shù)較小，濃度在空間上分布比較穩(wěn)定，是該區(qū)地下水的主要陽離子和陰離子，水化學(xué)類型以重碳酸鹽型為主，約占84%。由此說明區(qū)內(nèi)淺層地下水循環(huán)交替較快，徑流路徑較短，水-巖作用尚處于初級階段。

部分樣點周邊的環(huán)境衛(wèi)生較差，成井工藝簡單，造成人為污染地下水，出現(xiàn)了HCO3·SO4-Mg·Ca、HCO3·Cl-Na·Mg·Ca類型，表明淺層地下水受人類活動影響較大。

表1 水化學(xué)特征統(tǒng)計表Table 1.Statistics of hydrochemical characteristics

依據(jù)中層地下水（水文鉆孔）水樣Piper三線圖（圖2），顯示樣點展布同樣比較集中，離子以Ca2+、Na+、HCO3-為主，水化學(xué)類型多為HCO3-Na·Ca型。構(gòu)造破碎帶埋藏較淺，規(guī)模較小，徑流路徑較短，直接接受降水補給，構(gòu)造裂隙比較發(fā)育，地下水積極參與大氣降水和地表水的循環(huán)，化學(xué)組分充分發(fā)生了彌散混合作用，地下水水環(huán)境比較開放。

圖2 中層地下水Piper三線圖Figure 2.Piper triliner diagram of middle-level groundwater

3.2 環(huán)境同位素特征

在供水井中采取了10組環(huán)境同位素水樣，分別對氘、氚及氧-18進行了分析。由圖3可知，研究區(qū)地下水δ18O值介于-6.6‰～-8.6‰，均值為-7.45‰；δ2H值介于-45‰～-58‰，均值為-50.63‰；3H最高值小于5TU。樣點均緊靠中國大氣降水線附近，說明區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水的入滲補給。

δ2H的變化與δ18O變化具有很好的一致性。SHK27、SHK42供水井出水量較大，說明構(gòu)造為張性特征，有利于地下水補徑排，其δ18O和δ2H值相對較??；而SHK03、SHK34供水井中的δ18O和δ2H值相對較大，由此推測次級構(gòu)造為壓扭性，規(guī)模較小，裂隙弱發(fā)育，地下水徑流緩慢，水-巖作用較為明顯。SHK03、SHK34井中偏硅酸的含量達到了天然飲用水標準，進一步佐證了上述推斷。

3.3 地下水化學(xué)成分演化

3.3.1 宏觀組分與溶解性總固體（TDS）之間的相關(guān)性

由圖4可知，陽離子以Ca2+為主，Na+次之。從圖5中可以看出陰離子以HCO3-為主，次為Cl-。地下水中Ca2+和HCO3-含量最高，這是因為控制水源地地下水水化學(xué)變化的主要是硅酸鹽和硅鋁酸鹽地層，水化學(xué)特征控制明顯。

圖3 研究區(qū)大氣降水的δ18O和δ2H關(guān)系圖Figure 3.The δ18O and δ2H relation diagram of atmospheric precipitation in the study area

隨著 TDS 的增大，Ca2+、Na+和HCO3-含量呈高度線性相關(guān)，說明在水化學(xué)演化過程中，TDS含量與地層中的礦物成分、埋藏深度及人類工程活動密切相關(guān)。其中32、36號樣點鈉離子變化存在跳躍性，是因為管井SHK27、SHK42中的地下水為中深層構(gòu)造裂隙水，說明地下水在流動過程中，隨著徑流路徑的加長，停留時間的增加，充分發(fā)生了Ca-Na離子交換。而26號樣點鈉離子存在高值，是因為該井為管井，四周地形平坦，含水層埋藏較深，地面蒸發(fā)濃縮作用強烈形成。

3.3.2 Na+與 Cl-之間的關(guān)系

圖4 主要陽離子與TDS之間的關(guān)系圖Figure 4.Diagram of relationship between main cations and TDS

圖5 主要陰離子與TDS之間的關(guān)系圖Figure 5.Diagram of relations between main anions and TDS

由圖6可知，大部分樣點分布于1∶1比值線附近，且Na+與Cl-濃度相對偏低，進一步揭示了地下水主要接受降水補給，在徑流過程中與含鹽巖地層發(fā)生了風化溶濾作用，說明巖石的礦物成分影響了地下水常量組分。部分樣點位于比值線的中上側(cè)，濃度呈上升離散特點，原因有二：其一是民井所處的微地貌類型及井口周邊衛(wèi)生環(huán)境；其二是管井中的地下水離子得到了充分交換。

圖6 鈉離子與氯離子之間的關(guān)系圖解Figure 6.Diagram of the relationship between sodium and chloride ions

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)按含水巖組分為松散巖類孔隙水和紅層裂隙水，其中紅層裂隙水包含風化裂隙水和構(gòu)造裂隙水。淺層風化裂隙水主要受巖性和微地貌控制，呈面狀分布，等水位線隨基巖面起伏，交替較積極，總體上水質(zhì)良好，適宜生活飲水。

(2)研究區(qū)地下水中陽離子主要為Ca2+和Na+，陰離子主要為HCO3-。水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na及HCO3-Ca·Mg為主。

(3)淺層地下水主要接受大氣降水的補給，同時受風化淋濾作用控制，交替循環(huán)較快，徑流通暢，水質(zhì)受環(huán)境影響較為明顯。中層地下水離子以Ca2+、Na+、HCO3-為主，水化學(xué)類型多為HCO3-Na·Ca型，接受降水補給，構(gòu)造裂隙比較發(fā)育，地下水積極參與大氣降水和地表水的循環(huán)。

(4)由相關(guān)性分析可知，Ca2+、Na+和 HCO3-與 TDS呈正相關(guān)性，TDS含量與地層中的礦物成分、埋藏深度及人類工程活動密切相關(guān)；Na+/Cl-大于1，表明地下水的化學(xué)成分主要受溶解作用控制。