鄱陽(yáng)湖環(huán)湖區(qū)淺層地下水化學(xué)特征及形成機(jī)制

趙 楠 芳，鄢 笑 宇，李 青，付 莎 莎，儲(chǔ) 小 東

(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省鄱陽(yáng)湖水資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029； 3.江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，江西 南昌 330095)

地下水資源是水資源的重要組成，直接影響著居民日常生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。根據(jù)歷年中國(guó)水資源公報(bào)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年利用的水資源量約有17%來源于地下水。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演變過程中，地下水不斷地與周圍介質(zhì)、環(huán)境相互作用，改變并影響著區(qū)域地下水水化學(xué)組分[2-4]。地下水的水化學(xué)組分不僅受到地質(zhì)地貌條件、地表徑流條件等自然因素的影響[5-8]，同時(shí)還受到人為因素的影響，通過對(duì)地下水水化學(xué)特征及影響因素分析，可以更好地揭示水體與環(huán)境的交換機(jī)制，為地下水合理開發(fā)利用和污染防治提供重要的依據(jù)。

鄱陽(yáng)湖地區(qū)是以保護(hù)生態(tài)、發(fā)展經(jīng)濟(jì)為重要戰(zhàn)略構(gòu)想的經(jīng)濟(jì)特區(qū)，屬于平原河網(wǎng)區(qū)，水系發(fā)達(dá)、河網(wǎng)交錯(cuò)。早在20世紀(jì)90年代，曾韶華等[9-10]對(duì)鄱陽(yáng)湖地區(qū)地下水化學(xué)成分的形成以及控制因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)地下水化學(xué)成分主要受元素的物理化學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境條件的綜合作用影響。但隨著區(qū)域內(nèi)灌溉、航運(yùn)、水系連通工程、城市化建設(shè)、水利工程等人類活動(dòng)日益頻繁，改變了原有的地表-地下水循環(huán)體系，使得地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系趨于復(fù)雜化，對(duì)區(qū)域地下水水化學(xué)組分有較大影響。近幾年來，相關(guān)學(xué)者從不同角度對(duì)鄱陽(yáng)湖地區(qū)的地下水特征進(jìn)行了研究，胡春華等[11]對(duì)比分析了環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)豐水期、枯水期的地下水化學(xué)特征；張春艷等[12]對(duì)鄱陽(yáng)湖區(qū)域的有機(jī)污染物特征、健康風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行了研究；饒志等[13]采用健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)鄱陽(yáng)湖平原地下水重金屬進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)?？紤]到平原河網(wǎng)區(qū)地下水水化學(xué)組分的多樣性和影響因素的復(fù)雜性，本文利用Piper三線圖法、聚類分析法、離子比例系數(shù)法等對(duì)研究區(qū)內(nèi)淺層地下水水化學(xué)類型進(jìn)行分析，全面揭示地下水水化學(xué)組分的含量變化，探討地下水水化學(xué)特征形成的原因，為區(qū)域地下水資源的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)五大淡水湖泊之首，坐落于江西省北部、長(zhǎng)江中下游南岸，流域面積為162 225 km2，約占江西省全省面積的97%。根據(jù)全國(guó)水資源綜合規(guī)劃水資源分區(qū)劃分，將鄱陽(yáng)湖及其周邊平原地區(qū)劃分為鄱陽(yáng)湖環(huán)湖區(qū)，范圍包括贛江外洲水文站以下、撫河李家渡水文站以下、信江梅港水文站以下、樂安河石鎮(zhèn)街水文站以下、昌江古縣渡水位站以下、修水永修水位站以下至湖口縣的湖口水文站之間的區(qū)域，江西省境內(nèi)面積為20 190 km2(本次研究范圍)。

該區(qū)域地層發(fā)育較全，除泥盆系下統(tǒng)、中侏羅系和上第三系缺失外，其余各系(統(tǒng))地層均有出露。按沉積建造特征，區(qū)內(nèi)分為北、中、南3個(gè)沉積區(qū)。北區(qū)(修水流域—都昌以北)以淺海相砂頁(yè)巖及碳酸鹽巖為主；中區(qū)(南北兩區(qū)之間)，以前震旦系復(fù)理石淺變質(zhì)巖系、河湖相紅色磨拉石和第四系松散堆積為主；南區(qū)(西山、瑞洪—波陽(yáng)以南)，以前震旦系淺變質(zhì)巖系、晚古生代海陸交互相含煤砂頁(yè)巖、碳酸鹽巖、陸相碎屑巖為主。區(qū)內(nèi)按巖石建造類型及其孔(裂)隙性、含水性、地下水動(dòng)力條件的差異，含水巖組可分為松散巖孔隙含水巖類、碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖類、紅層裂隙孔隙含水巖類和基巖裂隙含水巖類[14]。

2 樣品采集和測(cè)試

地下水采樣點(diǎn)分布于鄱陽(yáng)湖環(huán)湖區(qū)，采樣時(shí)間為2015年，共采集地下水水樣242組，地下水水樣均來自民井或常規(guī)監(jiān)測(cè)井，采樣點(diǎn)分布圖見圖1。水樣的采集、保存和送樣嚴(yán)格按HJ/T164-2004《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。地下水樣品測(cè)試由江西省地礦測(cè)試中心完成，檢測(cè)項(xiàng)目包括pH、總硬度、礦化度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、NH4+、NO3-、NO2-、F-等，K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子采用原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，Cl-、SO42-等陰離子采用離子色譜儀測(cè)定，HCO3-采用滴定法測(cè)定。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites

3 結(jié)果與討論

3.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

由表1可見，地下水水樣中pH值變化范圍為3.91～12.25，平均值為6.45，整體呈弱酸性；總硬度變化范圍為7～745 mg/L，平均值為135 mg/L，其中極軟水、軟水、微硬水、硬水和極硬水的占比分別為37.2%、27.7%、28.1%、4.5%和2.5%；礦化度變化范圍為30～1 346 mg/L，平均值為223 mg/L，除個(gè)別采樣點(diǎn)外，均小于1g/L，屬淡水。從各離子的均值濃度來看，最主要的陽(yáng)離子是Ca2+，由大到小為Ca2+>Na+>Mg2+>K+；陰離子以HCO3-為主，從大到小為HCO3->Cl->SO42-> CO32-。pH、總硬度、礦化度和八大陰陽(yáng)離子的含量變化范圍較大，且標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較高，表明這些指標(biāo)在空間上有較大的分散性，局部地區(qū)富集程度較高。

3.2 水化學(xué)類型

根據(jù)研究區(qū)淺層地下水中各離子數(shù)據(jù)，利用AqQA水化學(xué)軟件制作出Piper三線圖，系統(tǒng)地分析研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型，如圖2所示。依據(jù)舒卡列夫地下水化學(xué)分類方法，鄱陽(yáng)湖環(huán)湖區(qū)內(nèi)淺層地下水化學(xué)類型分為28種，以HCO3-Ca型(1-A型)、HCO3-Ca·Mg型(2-A型)、HCO3-Na·Ca型(4-A型)、HCO3·Cl-Na·Ca型(25-A型)為主，占比達(dá)到52.1%；區(qū)內(nèi)沒有以Mg2+(SO42-)為主要陽(yáng)離子(陰離子)的地下水化學(xué)類型。

表1 鄱陽(yáng)湖環(huán)湖區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)

圖2 鄱陽(yáng)湖環(huán)湖區(qū)地下水水化學(xué)成分Piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater chemical compositions

3.3 地下水化學(xué)形成機(jī)制

3.3.1相關(guān)性特征分析

從表2中可以看出，研究區(qū)淺層地下水中Ca2+與總硬度之間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.966，顯著相關(guān)，說明Ca2+濃度大小和空間分布對(duì)總硬度有著較重要的作用；總硬度與Ca2+、Mg2+和HCO3-之間相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，存在極好的正相關(guān)性，說明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠、可信；礦化度與Mg2+、Ca2+和Cl-之間，顯著相關(guān)系數(shù)均在0.69以上，存在較高的正相關(guān)性，說明這幾種離子對(duì)礦化度貢獻(xiàn)較大；另外，Mg2+和Ca2+也存在極好的正相關(guān)性，說明Mg2+和Ca2+伴生。

表2 鄱陽(yáng)湖環(huán)湖區(qū)淺層地下水水化學(xué)參數(shù)相關(guān)性矩陣

3.3.2聚類分析

采用R型聚類分析法對(duì)研究區(qū)內(nèi)242個(gè)地下水采樣點(diǎn)的14項(xiàng)水質(zhì)化驗(yàn)指標(biāo)(pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、總硬度、礦化度、NH4+、NO3-、NO2-、F-)進(jìn)行歸類。通過圖3可以看出，242個(gè)采樣點(diǎn)的14項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)分類效果較好，在類間距取6.25時(shí)可劃分為A、B、C和D四大類。A類包含總硬度、礦化度、Ca2+、Mg2+、SO42-、F-和pH七項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)，可以細(xì)分為A1和A2兩個(gè)子類，其中A1子類由總硬度、礦化度、Ca2+、Mg2+、SO42-和F-六項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成，可概括為蒸發(fā)巖(如石膏)和含氟礦物的溶解過程；A2子類包括pH，這與鄱陽(yáng)湖環(huán)湖區(qū)紅壤分布極廣及人類活動(dòng)有關(guān)。B類包括HCO3-和NH4+兩項(xiàng)指標(biāo)，研究區(qū)地下水中HCO3-主要與自然演化有關(guān)，如碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解；NH4+主要受到人類活動(dòng)的影響，如煤化工企業(yè)排放的廢氣、廢水中往往含有高濃度的氮，因此B類可以表示為自然因素和人類活動(dòng)的共同影響。C類由K+和NO3-兩項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)組成，通常情況下，地下水中K+的除來源于含鉀礦物的風(fēng)化溶解之外，還可能來自農(nóng)業(yè)活動(dòng)過程中有機(jī)肥和鉀肥的使用，而NO3-往往與農(nóng)業(yè)活動(dòng)中氮肥的使用密切相關(guān)。D類由Na+、Cl-和NO2-三項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成，可概括為鹽巖的溶解過程，由此可見，D類可以看作蒸發(fā)巖礦物的溶解過程。

圖3 采樣點(diǎn)聚類分析Fig.3 Dendrogram showing clustering of sampling

3.3.3離子比例系數(shù)分析

由圖4(a)可以看出，區(qū)域內(nèi)γNa+/γCl-系數(shù)為0.155～52.397，平均值為2.635，標(biāo)準(zhǔn)差為5.085。78.9%的采樣點(diǎn)中γNa+/γCl->0.85，說明地下水在徑流過程中不斷通過水巖相互作用令巖石礦物溶解，使Na+從沉積鹽巖中釋放出來。部分采樣點(diǎn)的γNa+/γCl-<0.85，說明地下水中Na+與礦物中的Ca2+發(fā)生了陽(yáng)離子交換作用[15]。

圖4 鄱陽(yáng)湖環(huán)湖區(qū)地下水中離子比值關(guān)系Fig.4 Corralation diagram of ion ratio in groundwater

γ(Ca2++Mg2+)/γ( SO42-+HCO3-)的比值常被用來區(qū)分水化學(xué)組分形成過程中碳酸鹽和硅酸鹽的主導(dǎo)地位[16]。由圖4(b)中可以看出，研究區(qū)大部分采樣點(diǎn)分布在1∶1線附近，表明硅酸鹽與碳酸鹽的風(fēng)化溶解在水化學(xué)組分的形成過程中占主導(dǎo)地位。圖中有超過54.1%的水樣點(diǎn)γ(Ca2++Mg2+)/γ( SO42-+HCO3-)比值小于1，表明水樣中Ca2+、Mg2+主要來源于鈣鎂硅酸鹽或蒸發(fā)巖的風(fēng)化溶解；少部分水樣點(diǎn)位于線1∶1上方，說明這部分水樣中Ca2+、Mg2+來源于碳酸鹽的風(fēng)化溶解。

γMg2+/γCa2+與γMg2+/γNa+之間的散點(diǎn)圖經(jīng)常被用來確定地下水是發(fā)生了礦物溶解作用還是蒸發(fā)濃縮作用[17]。由圖4(c)可以看出，研究區(qū)地下水的γMg2+/γCa2+系數(shù)小于2.787，平均值為0.608；γMg2+/γNa+系數(shù)小于6.958，平均值為1.063。兩種系數(shù)均比較小，表明研究區(qū)淺層地下水主要受礦物風(fēng)化溶解的影響，而蒸發(fā)濃縮作用相對(duì)較弱。

地下水中γ(Ca2++Mg2+)-γ( HCO3-+SO42-)與γ(Na+-Cl-)之間的關(guān)系常用來判斷Ca2+、Mg2+與Na+之間是否發(fā)生了陽(yáng)離子交換作用[17]。由圖4(d)可以看出，這兩個(gè)參數(shù)之間的回歸方程為：y=-0.183 5x+0.238 9(R2=0.082)，這表明了陽(yáng)離子交換作用并不是主要影響地下水中Ca2+、Mg2+和Na+含量的唯一作用。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)淺層地下水屬于弱酸性淡水，總硬度偏低，主要為極軟水、軟水和微硬水；陽(yáng)離子各組分相對(duì)豐度為Ca2+>Na+>Mg2+>K+，陰離子各組分相對(duì)豐度為HCO3->Cl->SO42-> CO32-。

(2) 研究區(qū)淺層地下水化學(xué)類型分為28種，主要為HCO3-Ca型(1-A型)、HCO3-Ca·Mg型(2-A型)、HCO3-Na·Ca型(4-A型)、HCO3·Cl-Na·Ca型(25-A型)，說明了碳酸鹽巖溶解對(duì)地下水化學(xué)類型的控制。

(3) 通過R型聚類分析和離子比例系數(shù)表明，研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)組分主要受到礦物風(fēng)化溶解作用的影響，蒸發(fā)濃縮作用和陽(yáng)離子交換作用相對(duì)較弱。地下水中的Ca2+、Mg2+和HCO3-主要為蒸發(fā)巖(石膏)、碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解，K+主要與農(nóng)業(yè)活動(dòng)中氮肥的使用密切相關(guān)，Na+、Cl-和SO42-主要為巖鹽的溶解作用。