基于人工降水入滲的熱帶海島表面砂土層水質(zhì)變化特征①

樊龍鳳，李海英，黃真理，葉許春，徐力剛

基于人工降水入滲的熱帶海島表面砂土層水質(zhì)變化特征①

樊龍鳳1,2,3，李海英1*，黃真理1，葉許春4，徐力剛2,3

(1 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點實驗室，南京 210008；3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

珊瑚砂是熱帶海島表層土的重要物質(zhì)組成，開展大氣降水入滲通過表面砂土層的水化學(xué)研究是正確認(rèn)識和評估海島地下水質(zhì)的前提。本研究于2017年8月采集了我國熱帶海島3種不同樣地的典型表層砂土(編號D1、D2和D3)，基于人工降雨模擬試驗，分析了其基本理化參數(shù)變化特征。在此基礎(chǔ)上，綜合水化學(xué)相圖、Visual MINTEQ水文地球化學(xué)模擬、堿基交換指數(shù)(IBE)計算和Gibbs圖解等方法，揭示了滲流通過不同砂土層的水樣化學(xué)變化特征及主要控制過程。結(jié)果表明：①表面砂土鹽堿化程度高，入滲通過D1、D2和D3的水樣pH范圍分別為7.92 ~ 8.81、7.86 ~ 9.30和7.82 ~ 9.35，明顯高于大氣降水的均值6.0，其電導(dǎo)率分別從48.50、89.90、77.60 mS/cm降到了131.4、111.6、98.4 μS/cm；②入滲通過D1、D2和D3的水樣中許多微量元素濃度值隨降雨淋洗會逐漸減小，其中Al、As、B(D1和D2)、Cr、Fe、Pb較難溶于水，應(yīng)該引起重視；③D1、D2和D3儲存的水中主要離子濃度大小為：Na+>Mg2+>Ca2+>K+和Cl–>SO2– 4>HCO– 3>NO– 3>CO2– 3>Br–>F–，其水化學(xué)類型隨降雨淋洗均由Cl-Na水變?yōu)镠CO3-Na?Ca?Mg水；④控制通過砂土層水樣水質(zhì)的水化學(xué)機制包括：碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽礦物的溶解和沉淀，以及降水入滲過程中Na+與K+、Ca2+與Mg2+之間的交換作用。該研究對于指導(dǎo)熱帶海島地下水資源的合理開發(fā)與利用，保障海島居民用水安全及生態(tài)系統(tǒng)維護具有重要的科學(xué)意義。

人工降水模擬；熱帶海島；珊瑚砂土層；水質(zhì)變化；Visual MINTEQ

海島在我國廣泛分布，尤其熱帶島礁密集成群，具有重要的戰(zhàn)略地位。我國熱帶海島基本為珊瑚島礁，表層為形成年代晚、松散未膠結(jié)或弱膠結(jié)的珊瑚和生物碎屑砂層，其下為珊瑚礁灰?guī)r和珊瑚貝殼灰?guī)r[1]。這種土壤質(zhì)地具有粗質(zhì)多孔、易碎的結(jié)構(gòu)特征，島上豐富的降水很難產(chǎn)生地表徑流[1]，加之砂土缺乏天然有機物，從而形成了結(jié)構(gòu)性缺水、土地貧瘠、生態(tài)脆弱的海島水土資源環(huán)境系統(tǒng)。目前，我國大部分海島的淡水供應(yīng)主要依賴遠(yuǎn)距離運水、海水淡化及通過硬化設(shè)施收集并處理的雨水[2]，對地下水的開發(fā)利用不足。擁有穩(wěn)定的天然淡水資源對海島的開發(fā)建設(shè)至關(guān)重要，而作為許多海島地區(qū)重要水源之一的地下水[3]，其對人類的有用性基本上取決于其化學(xué)特性。積極開展熱帶海島入滲通過其砂質(zhì)土層的水質(zhì)特性研究，對于促進(jìn)海島資源的開發(fā)利用，保障海島居民用水安全及生態(tài)系統(tǒng)維護具有重要的科學(xué)意義。

海島地下水埋深一般較淺[4]，其水化學(xué)成分受諸多因素控制，包括降水組成、地層巖性、水文地質(zhì)過程以及人類活動等[5]。表層珊瑚砂土作為聯(lián)系熱帶海島地區(qū)水文循環(huán)和生物化學(xué)循環(huán)的紐帶，深受海洋環(huán)境和人類活動的雙重影響，高滲透性能決定了珊瑚砂土層類似于“天然砂漏”，導(dǎo)致其所富含的易溶海洋鹽類物質(zhì)以及人為污染物質(zhì)可隨雨水入滲不斷淋溶流失，并迅速到達(dá)地下水面，從而改變地下水的化學(xué)組成[4,6]。由于海島地區(qū)普遍缺乏足夠的水資源安全管理和健全的污水排放設(shè)施，水環(huán)境問題呈現(xiàn)出污染源多樣化的特征，如工農(nóng)業(yè)活動、人畜糞便和家用化學(xué)品流失等造成的地下水污染現(xiàn)象時常發(fā)生，使地下水質(zhì)受到了威脅[7-9]。有研究表明，我國某些熱帶海島地下水因存在色度高、鹽度高、有異味等問題而無法使用[10]。由于海島珊瑚砂土層受特殊成土母質(zhì)影響，其入滲水的化學(xué)特征是及早發(fā)現(xiàn)、治理和防范海島地下水污染問題的基礎(chǔ)，在開發(fā)利用海島淡水資源時需引起重視。

目前，有關(guān)入滲通過海島珊瑚砂土層的水化學(xué)特性研究較少，在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的海島地區(qū)開展影響因素與過程研究更是鮮見。本研究以我國熱帶海島典型珊瑚砂土層為研究對象，通過人工降雨模擬試驗，分析滲流通過珊瑚砂土水樣的水質(zhì)變化特征，并選用水化學(xué)相圖、Visual MINTEQ水文地球化學(xué)模擬[11]、堿基交換指數(shù)[12]計算和Gibbs圖解[13]等方法，探討通過珊瑚砂土層水樣的水化學(xué)特征變化及主要控制因素與關(guān)鍵過程，以期為海島地下水資源的合理開發(fā)與利用提供科學(xué)保障和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 砂土特性與機械組成

本研究選擇我國典型熱帶自然珊瑚灰沙島進(jìn)行砂土采集。該海島處于熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為26.5 ℃，平均降水量為1 500 mm左右，雨季為每年5—10月[14]。其表層珊瑚砂剖面示意圖如圖1所示。采集近海灘地、人工擾動較大的平地、林叢地(近年人工擾動小)3種樣地表層砂土(編號分別為D1、D2、D3)，將其帶回實驗室自然風(fēng)干、分析并用于開展模擬試驗。

表1為珊瑚砂土的基本理化性質(zhì)。由此可以看出，珊瑚砂土為高鹽堿化土，特別是Ca、Mg含量最高，這主要與其成土母質(zhì)多為珊瑚、貝殼砂，主要化學(xué)成分是CaCO3[15]有關(guān)。由于珊瑚砂土都還未充分受生物質(zhì)積累和分解、鹽漬和脫鹽、磷的富集和淋溶等成土過程[14,16]，因此其還不能稱為嚴(yán)格意義上的土壤。

表1 砂土主要理化特性(mg/L)

采集的砂土樣中 >2 mm的顆粒含量相對較高，為保持其原始狀態(tài)，僅剔除極個別巨礫。參照SL237—1999《土工試驗規(guī)程》[17]，按照以下粒組[18]：>2、2 ~ 0.5、0.5 ~ 0.25、0.25 ~ 0.125、0.125 ~ 0.063 mm和<0.063 mm，對樣品分次取樣篩分，精度0.01 g，每組樣品篩分前后樣品總量誤差必須小于1%。通過顆粒分析，發(fā)現(xiàn)3種樣地砂土均以粒徑 >0.25 mm的粗粒為主，粒徑 <0.25 mm的細(xì)粒含量較少。根據(jù)GBJ145—90《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》[19]和GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[20]，將D1、D2和D3分別歸類為粗砂、礫砂和中砂。

1.2 試驗設(shè)計與樣品分析

根據(jù)熱帶海島表層為珊瑚砂土層特點，本試驗裝置(圖2)采用高40 cm，內(nèi)部直徑5 cm的有機玻璃土柱，設(shè)計珊瑚砂柱長為30 cm，采用分層裝填法，每裝一層(約5 cm)搗實一次，并計算容重，以確保砂柱裝填均勻。D1、D2和D3砂柱裝填容重分別約為1.40、1.53和1.35 g/cm3，介于測定的珊瑚砂堆積密度1.35 ~ 1.55 g/cm3。砂柱上下各鋪一層玻纖棉，防止水流沖散砂樣。利用校正好的蠕動泵(BL100-pump)，開展連續(xù)人工降雨(雨強為60 mm/h)模擬試驗，并分別于5、10、20、30、40、50、60、80、100、120、160、200、240、300、420、600、840、1 320、1 800、2 280、2880 min采集水樣，以分析水質(zhì)的時間變化特征。試驗設(shè)置3組重復(fù)，每批試驗按照相同步驟做兩個空白樣，以減少樣品誤差。

由于該區(qū)域降水主要靠對流雨和臺風(fēng)，人類活動對降水的污染可忽略不計，雨水水質(zhì)純凈，因此，試驗用水選用去離子水，其主要理化指標(biāo)見表2。

表2 試驗用去離子水及熱帶海島降水主要理化特性(mg/L)

注：n.a.指未檢測出該項目數(shù)據(jù)；下同。

1.3 研究方法

本研究選用水化學(xué)相圖、Visual MINTEQ水文地球化學(xué)模擬、堿基交換指數(shù)計算以及Gibbs圖解等方法揭示入滲通過砂土表層水的水化學(xué)特征及主要控制過程。

1)Visual MINTEQ水文地球化學(xué)模型。該模型基于化學(xué)平衡常數(shù)和較全面的熱力學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫，定量計算水溶液中礦物質(zhì)的形態(tài)、溶解度以及固相和溶解相的平衡[22]，并可簡單快速地預(yù)測所有輸入離子的固相飽和指數(shù)(saturation index, SI)，從而指示地下水中哪種溶質(zhì)發(fā)生了溶解和沉淀反應(yīng)。為評價入滲通過珊瑚砂層水樣的潛在化學(xué)反應(yīng)，本研究采用地球化學(xué)模型Visual MINTEQ 3.00計算了水中礦物相的飽和指數(shù)。以25℃被測水樣中離子的摩爾濃度作為輸入成分，輸入分析水樣各自對應(yīng)的pH，運行并獲得輸出文件。與固體相比，若SI>0，溶液過飽和；若SI=0，溶液處于平衡狀態(tài)；若SI<0，則溶液不飽和。

2)堿基交換指數(shù)。堿基交換指數(shù)(indices of base exchange，IBE)[23]主要用于理解發(fā)生離子交換的化學(xué)反應(yīng)，計算方法如下：

式中：Cl–指所有鹵族元素(F、Cl、Br、I、At、Ts)之和；Na+和K+代表所有堿金屬元素(Li、Na、K、Rb、Cs、Fr)之和，以質(zhì)量濃度計。當(dāng)水中IBE<0時，表示地下水中的Ca2+或Mg2+與含水層介質(zhì)中的Na+和K+發(fā)生交換；如果IBE>0，則表示地下水與其圍巖之間存在反向離子交換。

3)Gibbs比。通過Gibbs圖解可以直觀反映水樣中TDS與占優(yōu)勢的陰陽離子比值的關(guān)系，進(jìn)而描述水化學(xué)組成以及地層巖性與水化學(xué)之間的關(guān)系[24]。Gibbs比的計算方法如下：

當(dāng)(Na++K+)/(Na++K++Ca2+)或Cl–/( Cl–+ HCO– 3)比值大于0.5，且TDS含量較低時，水化學(xué)組分主要受大氣降水影響；當(dāng)(Na++K+)/(Na++K++Ca2+)或Cl–/ (Cl–+HCO– 3)比值小于0.5，且TDS含量中等時，水化學(xué)組分主要受水巖相互作用影響；當(dāng)(Na++K+)/ (Na++K++Ca2+)或Cl–/( Cl–+ HCO– 3)比值大于0.5，且TDS含量較大時，水化學(xué)組分主要受蒸發(fā)結(jié)晶作用影響[25]。

2 結(jié)果與討論

2.1 入滲通過珊瑚砂土層水樣pH和EC動態(tài)變化

本研究結(jié)果表明，入滲通過不同樣地砂土層水樣的pH隨降雨歷時呈先快速上升、后緩慢變化至平穩(wěn)的趨勢(圖3)。入滲通過D1、D2和D3的水樣pH分別介于7.92 ~ 8.81、7.86 ~ 9.30和7.82 ~ 9.35，與試驗用水(pH 6.78)和大氣降水(pH 6.0)pH均值[26]相比堿性增加，甚至部分水樣超過了世衛(wèi)組織(WHO)[27]規(guī)定的飲用水pH安全限值(6.5 ~ 8.5)。以上結(jié)果說明珊瑚砂土為高鹽堿化土。

（5）完善項目庫的建設(shè)。項目庫是預(yù)算管理的基礎(chǔ)和支撐，對項目庫實行常年開放和滾動管理。一是強化項目庫約束。未納入項目庫管理的項目，原則上不予安排預(yù)算資金。二是做好日常項目編報和管理。對于經(jīng)論證通過的項目，應(yīng)及時納入項目庫，成熟一個，編報一個，并依據(jù)“輕重緩急”排序。一旦學(xué)校有專項資金到達(dá)，財務(wù)部門就可以依據(jù)到達(dá)的資金額度和項目排序安排預(yù)算，改變以往臨時申報、評審、立項的做法，大大提高資金的下達(dá)效率。

同時研究發(fā)現(xiàn)，降雨初期，入滲通過D3(林叢地)的水樣pH最小。這與近年來該樣地受人為干擾小且林下植被修復(fù)后土壤微生物的改善有關(guān)，如頻繁的土壤微生物活動有助于改善土壤鹽堿化狀況，并可降低其pH[14,28]。

通過重復(fù)試驗，不同時間入滲通過D1、D2和D3的水樣電導(dǎo)率變異系數(shù)分別介于8.55% ~ 44.68%、8.46% ~ 23.53% 和2.41% ~ 28.67%，根據(jù)變異性分級標(biāo)準(zhǔn)[29]，均屬弱或中等變異性，說明試驗重現(xiàn)性較好。人工降雨條件下，入滲通過不同樣地砂土層的水樣電導(dǎo)率呈先劇烈后緩慢、并在短時間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)的下降趨勢(圖4)。降雨初期，入滲通過D1、D2、D3的水樣電導(dǎo)率分別為48 496.7、89 900、77 600 μS/cm，并各自在300、200、240 min時降到了1 682.3、1 428.7、1 952.3 μS/cm，分別在初始水平基礎(chǔ)上降低了96.53%、98.41% 和99.87%；累計降雨48 h后，入滲通過D1、D2、D3水樣的電導(dǎo)率分別為131.4、111.6、98.4 μS/cm。由篩分結(jié)果可知，組成砂土的顆粒中黏粒含量極少，加之珊瑚砂土有機質(zhì)含量低，導(dǎo)致它對各種鹽分離子的吸附性能較差。因此，累積降雨條件下，珊瑚砂土層中的鹽分不斷淋溶流失，淋溶水質(zhì)均可由鹽水變?yōu)榈?。然而，影響珊瑚砂土層含鹽量大小的因素有很多，比如氣候、植被、水文、人類活動等，是各種環(huán)境因子影響的綜合反映。我國熱帶海島地區(qū)常年蒸發(fā)旺盛，尤其在持續(xù)干季，埋藏較淺(一般小于2 m)[4]的海島地下水會不斷向地表運移，嚴(yán)重時會引發(fā)含水層疏干，導(dǎo)致咸水反滲鹽化珊瑚砂，進(jìn)而對島上人類和動植物的生存環(huán)境構(gòu)成威脅。

2.2 入滲通過珊瑚砂土層水樣微量元素濃度變化

微量元素是水質(zhì)綜合評價的重要內(nèi)容之一。雖然微量元素在水體中的含量甚微，但若在水質(zhì)檢測和評估時忽略它們的存在，就有可能給人類健康帶來潛在風(fēng)險[30]。本研究從檢測出的20種微量元素中選取在WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn)[27]中有規(guī)定限值的14種微量元素(Al、As、B、Ba、Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Ni、Pb、Se和Zn)以及P元素濃度進(jìn)行了對比分析。由表3可知，本研究入滲通過不同珊瑚砂土層的水樣中除Ba、Cu、Cd(D3)外，其余微量元素濃度最大值均超出了飲用水標(biāo)準(zhǔn)值，但只有D3水樣中的Al元素濃度最小值始終未降到飲用水標(biāo)準(zhǔn)值；從微量元素濃度均值來看，入滲通過3種類型樣地水樣中的Ba、Cd、Cu、Mn、Mo、Ni、Se、Zn、B(D3)元素濃度都達(dá)到了飲用水標(biāo)準(zhǔn)，相比之下，微量元素Al、As、B(D1和D2)、Cr、Fe、Pb較難溶于水，應(yīng)該引起重視。此外，入滲通過D1、D2和D3的水樣中P元素濃度最大值分別為2.062、0.877、1.778 mg/L，明顯高于大氣降水值(0.02 mg/L)[31]。龔子同等[31]研究發(fā)現(xiàn)，海島土壤淺層地下水中P元素含量為0.2 ~ 4.9 mg/L，本研究結(jié)果在其范圍內(nèi)，說明熱帶海島入滲通過珊瑚砂土層的水中P元素含量增加。這與熱帶海島頻繁的鳥類活動密切相關(guān)，由于海鳥糞中富含P等元素，海島珊瑚砂經(jīng)過脫鹽階段，在生物積累、淋溶、磷素富集、積鹽脫鹽過程等作用下，形成了以磷質(zhì)石灰土為主的珊瑚砂土，因此鳥糞中富含的P元素是砂土中富含磷礦的主要來源[31,15]。

2.3 入滲通過珊瑚砂土層水樣主要離子化學(xué)特征

我國熱帶海島遠(yuǎn)離大陸，受熱帶海洋性氣候和海水等因素影響，珊瑚砂土層鹽堿化程度高。由表4可知，入滲通過D1、D2、D3的水樣TDS變化范圍分別為24 246.67 ~ 65.70、44 933.30 ~ 55.80、38 766.67 ~ 49.20 mg/L，平均值分別為5 175.98、6 004.45、4 903.61 mg/L。當(dāng)TDS<600 mg/L時，水質(zhì)最好，當(dāng)TDS>1 000 mg/L時，飲用水水質(zhì)較差[27]。因此，入滲通過珊瑚砂土層的水樣TDS，不適合飲用。由各離子濃度均值可推斷出，整體上不同珊瑚砂土中的主要陽離子和陰離子含量大小分別為：Na+>Mg2+>Ca2+>K+和Cl–>SO2– 4>HCO– 3>NO– 3>CO2– 3> Br–>F–。根據(jù)WHO標(biāo)準(zhǔn)[27]，入滲通過D1、D2和D3水中的Na+、Ca2+、Mg2+、F–、Cl–、SO2– 4、Br–和NO– 3最小濃度值都在飲用水標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，但最大值遠(yuǎn)超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)。雖然K+、CO2– 3和HCO– 3沒有規(guī)定允許限值，但濃度太高也會影響水質(zhì)，嚴(yán)重時會危及人體健康。因此，入滲通過珊瑚砂土層的水樣TDS主要受Na+、Ca2+、Mg2+、Cl–、SO2– 4、Br–、HCO– 3和F–等控制，而這些離子恰好是海水的主要組分，這說明海水混合作用深刻影響著海島表層珊瑚砂的化學(xué)組成。同時，珊瑚砂土中碳酸鹽類礦物(如文石、方解石)的溶解也是Ca2+、Mg2+和HCO– 3等的主要自然來源；而淋溶于水中的NO– 3和SO2– 4等營養(yǎng)鹽類物質(zhì)主要是人為原因所致。

由圖5可知，在連續(xù)48 h的降雨過程中，入滲通過不同珊瑚砂土層的水樣中主要離子濃度都呈現(xiàn)出先劇烈下降、后緩慢變化并逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)的趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，入滲通過D1的水樣離子濃度出現(xiàn)波動上升現(xiàn)象，是因為珊瑚砂雖然屬于粗顆粒砂土，但其具有顆粒大小不一，且內(nèi)、外孔隙豐富的微觀結(jié)構(gòu)特征，這就導(dǎo)致砂柱內(nèi)必然會有優(yōu)先流產(chǎn)生，從而造成水中溶解物的濃度會出現(xiàn)峰值。根據(jù)WHO標(biāo)準(zhǔn)[27]，入滲通過D1(圖5A、D)、D2(圖5B、E)和D3(圖5C、F)的水樣中陰陽離子濃度都達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)所需降雨歷時分別為2 880、2 880、600 min，其中陽離子濃度達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)的先后順序為Ca2+、Mg2+、Na+，而陰離子沒有統(tǒng)一規(guī)律。不同的是，入滲通過D1(圖5A)、D2(圖5B)和D3(圖5C)的水樣中占優(yōu)勢的陽離子分別在累積降雨1 800、2 280、1 800 min后由Na+變?yōu)镃a2+，且Ca2+濃度基本保持不變，而其余陽離子濃度繼續(xù)保持略微下降趨勢。入滲通過D1(圖5D)、D2(圖5E)和D3(圖5F)的水樣中占優(yōu)勢的陰離子分別早在累計降雨100、120、80 min及以后由Cl–變?yōu)镠CO– 3或CO2– 3。其中，入滲通過D1的水中始終未檢測到CO2– 3，入滲通過D2和D3的水樣分別在累計降雨840和240 min后檢測到了CO2– 3。此外，D1(圖5D)、D2(圖5E)和D3(圖5F)分別在累計降雨淋洗2 280、2 280、240 min之后，在水樣中也檢測不到Br–。

表3 入滲通過不同珊瑚砂土層的水樣中微量元素濃度的最大值、最小值和平均值及飲用水標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)

表4 入滲通過不同珊瑚砂土層的水樣中主要離子濃度的最大值、最小值和平均值及飲用水標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)

2.4 入滲通過珊瑚砂土層水樣水化學(xué)類型

利用水化學(xué)相圖可以判斷水樣主要離子組成變化，體現(xiàn)不同水樣的化學(xué)組成特征，從而辨別其控制端元。如圖6所示，降雨初期，入滲通過不同珊瑚砂土層的水樣化學(xué)類型主要為Cl-Na水。隨著降雨的不斷沖刷，珊瑚砂土層所含鹽分不斷被淋失，水化學(xué)類型也在不斷發(fā)生變化。其中，入滲通過D1的水樣水化學(xué)類型變化情況為：Cl-Na水→HCO3?Cl-Na水→HCO3?Cl-Na?Mg水→HCO3-Na?Mg水→HCO3-Na? Ca?Mg水；入滲通過D2和D3水樣水化學(xué)類型變化情況為：Cl-Na水→HCO3?Cl-Na水→HCO3-Na水→ HCO3-Na?Mg水→HCO3-Na?Ca?Mg水?？傮w來說，人工降雨條件下，入滲通過不同珊瑚砂土層水樣水化學(xué)類型都由Cl-Na水轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3-Na?Ca?Mg水。入滲通過砂土層水樣水化學(xué)類型發(fā)生這一變化，主要與珊瑚砂土的成巖環(huán)境、成土母質(zhì)以及所含礦物溶解度密切相關(guān)。珊瑚砂土為海相沉積物，鹽堿化程度高，主要礦物組分為富含鈣鎂的碳酸鹽巖，特別是海水作用導(dǎo)致土層中的Na+和Cl–含量最高。在降雨淋溶作用下，珊瑚砂土層中的各種鹽類依次溶出，最先是氯化物溶出，形成高礦化度的Cl-Na水；當(dāng)滲入水繼續(xù)沖淡巖層時，氯化物不斷被消耗，則此時可形成礦化度較低的HCO3?Cl-Na水或HCO3-Na水；當(dāng)氯化物幾乎全部被滲入水從珊瑚砂土層中驅(qū)替后，繼續(xù)滲入則會發(fā)生碳酸鹽的溶解和淋濾作用，從而形成低礦化度的HCO3-Na?Mg水或HCO3-Na?Ca?Mg水。

2.5 入滲通過珊瑚砂土層水樣水化學(xué)控制過程

表5列出了基于Visual MINTEQ模型和堿基交換指數(shù)方程的計算結(jié)果。就鈣、鎂礦物而言，入滲通過不同砂土層的水樣中都含有大量文石[CaCO3]、方解石[CaCO3]、白云石(有序)[CaMg(CO3)2]、碳酸鈣鎂石[CaMg3(CO3)4]、菱鎂礦[MgCO3]和球霰石[CaCO3，多晶]，其中，入滲通過D1的水樣中礦物SI平均值分別為1.86、2.01、4.73、5.84、1.58和1.44；入滲通過D2的水樣中礦物SI平均值分別為1.86、2.00、4.68、5.69、1.53和1.44；入滲通過D3的水樣中礦物SI平均值分別為1.82、1.96、4.66、5.72、1.55和1.40，這充分說明組成砂土的主要礦物組分是文石、白云石和方解石等碳酸鹽礦物，主要化學(xué)組分為CaCO3[32]。根據(jù)SI最小值(表5)可知，以上6種礦物在入滲通過不同砂土層的所有水樣中都為飽和狀態(tài)，甚至嚴(yán)重過飽和(根據(jù)SI最大值)，這主要與珊瑚砂土本身的理化性質(zhì)有關(guān)。一方面，珊瑚砂土主要由弱(無)膠結(jié)的粗粒松散沉積物組成，滲透性強，吸附性能較差；另一方面，其化學(xué)成分深受不同生物及礦物組分制約[33]，例如文石質(zhì)的造礁巖生物(如珊瑚、仙掌藻、多孔螅、多毛類等)和方解石質(zhì)生物(如牡蠣、浮游有孔蟲等)的Ca含量很高，一般>37%；鎂方解石質(zhì)生物(如珊瑚藻、軟珊瑚古針、棘皮動物、苔蘚蟲、底棲有孔蟲等)含Mg高，Ca含量稍低，約27% ~ 36%。因此，在充分淋溶作用下，這些礦物會在短時間內(nèi)被大量析出，從而導(dǎo)致其SI值出現(xiàn)嚴(yán)重過飽和現(xiàn)象。

表5 入滲通過不同珊瑚砂土層的水樣礦物飽和指數(shù)(SI)和堿基交換指數(shù)(IBE)統(tǒng)計

續(xù)表5

入滲通過D1(圖7A)、D2(圖7B)和D3(圖7C)的水樣中，以上幾種礦物的SI值隨降雨歷時整體上呈減小趨勢。不同的是，入滲通過D1和D2的水樣中礦物SI值在降雨初期出現(xiàn)再次增大的現(xiàn)象，這主要與降水在多孔珊瑚砂層中的滲流機制和飽和狀態(tài)密切相關(guān)。篩分試驗結(jié)果表明，D1、D2和D3分別為粗砂、礫砂和中砂。相比較而言，D2顆粒最粗，滲入水通透性最好，而D1和D3則對水流具有較大的阻滯作用。珊瑚砂土顆粒大小不一會導(dǎo)致砂柱內(nèi)部孔隙分布不均，流經(jīng)較大孔隙的水流(也稱優(yōu)先流)會最先溶出部分以上礦物，待整個砂柱被入滲水完全浸潤飽和時，同類礦物會再次被析出，從而導(dǎo)致這些礦物的SI值在整體減小的過程中出現(xiàn)再次增大現(xiàn)象。

除碳酸鹽以外，珊瑚砂土層還含有少量硅酸鹽?；诠杷猁}和碳酸鹽風(fēng)化循環(huán)反應(yīng)，文石、方解石、白云石、碳酸鈣鎂石、菱鎂礦和球霰石可以在水中沉淀出來，其基本化學(xué)反應(yīng)如下：①二氧化碳在水中溶解形成碳酸：CO2+ H2O → H2CO3；②碳酸在風(fēng)化過程中分解硅酸鹽巖石并向地下水釋放陽離子：H2CO3+ H2O + 硅酸鹽礦物→HCO– 3 + 陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)+ 黏土；③溶解物之間的反應(yīng)產(chǎn)生新的固體，在風(fēng)化環(huán)境中比原始基巖礦物更穩(wěn)定。例如，在珊瑚砂地層地下水中，Ca2+和HCO3–反應(yīng)生成方解石：Ca2++ 2 HCO– 3→ CaCO3+ CO2+ H2O。

基于Visual MINTEQ模型計算結(jié)果，硅酸鹽礦物的溶解和文石、方解石、白云石等碳酸鹽礦物的沉淀可能是影響入滲通過珊瑚砂土層水樣化學(xué)組成的重要機制之一。而其他鈣、鎂礦物都不飽和，水纖菱鎂礦[Mg2CO3(OH)2·3H2O]、水鎂石[Mg(OH)2]、瀉利鹽[MgSO4·7H2O]、螢石[CaF2]、石膏[CaSO4]、水菱鎂礦[Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O]、石灰[CaO]、三水菱鎂礦[Mg5(HCO3)(OH)·2H2O]、方鎂石[MgO]和氫氧鈣石[Ca(OH)2]等礦物的SI值均小于0(表5)。另外，巖鹽[NaCl]、芒硝[Na2SO4·10H2O]、泡堿[Na2CO3·10H2O]、無水芒硝[Na2SO4]和水堿[Na2CO3·H2O]等鈉礦物以及巖鹽[KCl]也不飽和。因此，碳酸鹽礦物(不包括碳酸鈉和碳酸鉀)的沉淀以及氯化物和硫酸鹽礦物的溶解度深刻影響著入滲通過珊瑚砂土層水樣的化學(xué)組成。

地下水與其圍巖環(huán)境之間的離子交換對于了解地下水中的溶質(zhì)來源也很重要[33]。本研究結(jié)果表明，珊瑚砂中富含Na、K、Ca、Mg等組分。入滲通過D1、D2和D3水樣的IBE值變化范圍分別為2.1 ~ 0.01、2.6 ~ 0.01、3.12 ~ –0.05，平均值分別為0.73、0.7、0.93(表5)。入滲通過不同砂土層水樣的IBE值基本為正(圖7D)，表明在降雨入滲過程中，已經(jīng)淋溶于水體中的Na+和K+與珊瑚砂土層中還未徹底溶解的Ca2+和Mg2+的交換很普遍。同時發(fā)現(xiàn)，入滲通過不同珊瑚砂土層的水樣，其IBE值都隨降雨歷時的延長在逐漸減小，并趨于0，表明陽離子交換作用在減弱，這是因為珊瑚砂土中溶解能力相對較強的海洋鹽類物質(zhì)(Na+和K+)隨降雨沖刷最先被淋失，降雨后期其淋溶水化學(xué)類型幾乎完全受制于礦物沉淀和溶解過程，水化學(xué)組分繼而被碳酸鹽礦物中溶解出來的Ca2+和Mg2+等替代。由此可見，若是在珊瑚砂土含水層的一個完整的地下水循環(huán)系統(tǒng)中，陽離子交換作用也是影響其地下水化學(xué)類型的主要控制機制之一。

由圖8可知，D1、D2和D3分別在降雨300、240、120 min之前，其淋溶水樣主要受蒸發(fā)結(jié)晶作用影響，(Na++K+)/(Na++K++Ca2+)和Cl–/( Cl–+ HCO– 3)比值都接近于1，TDS>1 000 mg/L，其中最大的TDS值接近海水特性；之后水巖相互作用增強，具有中等偏高的(Na++K+)/(Na++K++Ca2+)比值和中等偏低的Cl–/( Cl–+ HCO– 3)比值，且TDS<1 000 mg/L。由此可以確定，熱帶海島入滲通過珊瑚砂土層的水化學(xué)成分深受蒸發(fā)結(jié)晶、水巖相互作用和海水混合作用的影響，這主要與海島所處的海洋環(huán)境和干濕季分明的氣候密切相關(guān)。研究結(jié)果可以進(jìn)一步揭示，當(dāng)海島地區(qū)正值雨季時，海島珊瑚砂土層中的各種海洋易溶鹽類物質(zhì)隨降雨入滲不斷被淋失，水–巖相互作用也越來越明顯，這與人工降雨中后期珊瑚砂土層淋溶水中的礦物沉淀占優(yōu)勢結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

1)本研究入滲通過D1、D2和D3水樣的TDS最大值分別為24 246.67、44 933.3、38 766.67 mg/L，表明熱帶海島表面珊瑚砂土層鹽堿化程度普遍較高。但在人工降雨條件下，珊瑚砂土層中的鹽分不斷淋溶流失，其淋溶水化學(xué)類型均可由高礦化度的Cl-Na水轉(zhuǎn)變?yōu)榈偷V化度的HCO3-Na?Ca?Mg水。

2)相比其他微量元素，入滲通過珊瑚砂土層水樣中超標(biāo)微量元素Al、As、B(D1和D2)、Cr、Fe、Pb的濃度難以下降，需引起重視。

3)控制入滲通過珊瑚砂土層水樣水質(zhì)的水化學(xué)機制主要包括蒸發(fā)結(jié)晶作用和巖石沉淀作用，以及降雨入滲過程中Na+與K+、Ca2+與Mg2+離子交換作用的影響。其中，本研究入滲通過不同珊瑚砂土層的水中都含有過飽和的文石[CaCO3]、方解石[CaCO3]、白云石[CaMg(CO3)2]、碳酸鈣鎂石[CaMg3(CO3)4]、菱鎂礦[MgCO3]和球霰石[CaCO3，多晶]等碳酸鈣鎂礦物，這充分說明熱帶海島珊瑚砂土本身富含這些礦物。

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Water Quality Variation Characteristics of Sandy Layer on Surface of Tropical Islands Based on Simulated Precipitation Infiltration

FAN Longfeng1,2,3, LI Haiying1*, HUANG Zhenli1, YE Xuchun4, XU Ligang2,3

(1 China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China; 2 Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4 School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Coral sand is an important composition of tropical islands topsoil, and it is the premise of correctly understanding and evaluating the groundwater quality of islands to carry out the hydrochemical study of atmospheric precipitation infiltrated through sand layer. In this study, the surface sand soil layers (No. D1, D2 and D3) from three different plots of tropical islands in China were collected in August 2017. Based on the simulated rainfall experiment, the characteristics of the basic physiochemical parameters of water infiltration were analyzed. At the same time, the characteristics of hydrochemical change and main controlling process infiltrated through different sand soil layers were revealed by using hydrochemical phase diagram, visual MINTEQ hydrogeochemical simulation, indices of base exchange (IBE) calculation and Gibbs diagram. The results showed that the degree of salinization of coral sands was high. The ranges of pH values of water samples through D1, D2 and D3 were 7.92–8.81, 7.86–9.30 and 7.82–9.35, respectively, which were obviously higher than the mean value of atmospheric precipitation (6.0), and EC decreased from 48.50, 89.90 and 77.60 mS/cmto 131.4, 111.6 and 98.4 μS/cm, respectively. The concentrations of many trace elements in the water infiltrated through D1, D2 and D3 gradually decreased with rainfall washing. Among them, Al, As, B (D1 and D2) and Cr, Fe, Pb were more difficult to be dissolved in water, which should be paid more attention. The concentrations of main ions in water stored at D1, D2 and D3 were Na+>Mg2+>Ca2+>K+and Cl–>SO2– 4>HCO– 3>NO– 3>CO2– 3>Br–>F–, and their chemical types of water were changed from Cl-Na to HCO3-Na?Ca?Mg water with rainfall elution. The controlling mechanisms of the hydrochemistry penetrating the coral sand layer included the dissolution and precipitation of carbonate, chloride and sulfate minerals, and the exchange of between (Na+, K+) and (Ca+, Mg+) ions during precipitation infiltration. This study is of great scientific significance to guide the rational development and utilization of groundwater resources, to ensure the safety of water of residents and to maintain the ecosystem in the tropical island.

Artificial precipitation simulation; Tropical islands; Coral sand layer; Variation of water quality; Visual MINTEQ

P594; X824

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.01.027

樊龍鳳, 李海英, 黃真理, 等. 基于人工降水入滲的熱帶海島表面砂土層水質(zhì)變化特征. 土壤, 2021, 53(1): 197–208.

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A類)(XDA13010401)、國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0305401)和中國水利水電科學(xué)研究院重點科研專項(SD0145B302016)資助。

(lihaiy@iwhr.com)

樊龍鳳(1993—)，女，甘肅涇川人，博士研究生，主要從事水資源及水環(huán)境演變研究。E-mail: fanlongfeng2018@163.com