信江流域地下水水化學(xué)特征及形成機(jī)制

楊 芬， 高 柏， 葛 勤， 馬文潔， 劉媛媛， 林聰業(yè)， 高 楊

(東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院， 核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330013)

地下水作為人類飲用水源之一，是水循環(huán)的重要組成環(huán)節(jié)，具有維持生態(tài)環(huán)境平衡等作用[1-2]。由于地下水流動(dòng)速度緩慢、自我調(diào)節(jié)周期，一旦被污染后將難以治理[3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)工業(yè)的發(fā)展，中國(guó)面臨著日益嚴(yán)峻的地下水污染問(wèn)題，2015年調(diào)查結(jié)果顯示中國(guó)35.1%的地下水已經(jīng)被污染，并超出了國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)[4]。江西省地下水資源占全省水資源總量的67.2%[5]，目前已有90%的城市受到地下水污染，其主要污染源為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污染[6]。信江區(qū)域地下水資源量占江西省的9.78%[7]，因此開(kāi)展地下水調(diào)查，識(shí)別其污染類型、污染源將為研究區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)，對(duì)保護(hù)人類身體健康，研究區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用以及環(huán)境污染治理具有指示意義[8-9]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

信江流域地處江西省東北部，是鄱陽(yáng)湖水系五大河流之一，發(fā)源于玉山縣境浙贛邊界懷玉山的玉京峰。河流全長(zhǎng)313 km，流域面積17 600 km2，年降水量在1 600～2 100 mm，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。流域內(nèi)城鎮(zhèn)密布，工礦產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，代表性礦產(chǎn)有銅、鉛、鋅礦。區(qū)域地處揚(yáng)子地層區(qū)和華南地層區(qū)，跨揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和華南褶皺系兩大構(gòu)造單元。構(gòu)造變動(dòng)強(qiáng)烈，褶皺比較發(fā)育，地層年代為晚元古代震旦紀(jì)，早古生代寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)，晚古生代石碳紀(jì)、泥盆紀(jì)、二迭紀(jì)，中生代三迭紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)，新生代第四紀(jì)，盆地丘陵之間有變質(zhì)巖、礫巖、砂礫巖、泥巖、石英砂巖、二云母花崗巖等分布。

1.2 樣品采集

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Sampling sites distribution of the groundwater

圖2 樣品分析測(cè)試Fig.2 Sample analysis and test

1.3 質(zhì)量控制

2 地下水水化學(xué)特征

2.1 水化學(xué)參數(shù)和成分

信江流域地下水水化學(xué)分析測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。流域地下水pH范圍為6.346～7.36，平均值為6.94，水體基本呈中性；Eh(氧化還原電位)值范圍為43～201 mV，平均值為201 mV，研究區(qū)地下水均取自農(nóng)村水井，埋深淺，處于汛期，地下水受到大量補(bǔ)給，致水體處于弱氧化環(huán)境；電導(dǎo)率范圍為37.9～384 μs/cm,平均值為157.94 μs/cm；流域內(nèi)溶解性總固體(TDS)范圍為53.5～576.17 mg/L，平均值為 233.07 mg/L。研究區(qū)TDS、電導(dǎo)率及Eh值均高于鄱陽(yáng)湖流域地下水平均值[20]183 mg/L、118.1 μs/cm、182.07 mV，其原因可能是地表水補(bǔ)給地下水的過(guò)程或人類活動(dòng)的影響。

表1 地下水水化學(xué)組分分析結(jié)果

2.2 水化學(xué)類型

圖3 地下水Piper三線圖Fig.3 Piper diagram of groundwater

3 形成機(jī)制分析

3.1 大氣降水成因

利用氫氧同位素關(guān)系可以判斷地下水的補(bǔ)給來(lái)源，將地下水中的氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖4)，得到信江流域δD和δ18O關(guān)系為δD=7.57δ18O+9.07，其斜率與截距都與長(zhǎng)江流域大氣降水線[21](δD=7.62δ18O+8.2)和全球大氣降水線[22](δD=8δ18O+10)非常接近，表明研究區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源基本與長(zhǎng)江流域相同，大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。

圖4 地下水δD和δ18O關(guān)系Fig.4 Relationship between δD and δ18O in groundwater

3.2 風(fēng)化作用成因

圖5 信江地下水Gibbs圖Fig.5 The Gibbs plots of groundwater in Xinjiang River

圖6 Ca2+/Na+與Mg2+/Na+關(guān)系Fig.6 Plots of Ca2+/Na+ and Mg2+/Na+ rations of groundwater

3.3 人類活動(dòng)影響成因

圖7 人類活動(dòng)對(duì)水化學(xué)特征影響Fig.7 Effects of human activities on hydro-chemical characteristics

3.4 陽(yáng)離子交換吸附作用

陽(yáng)離子交替吸附在地下水水巖作用過(guò)程中普遍存在，它會(huì)參與地下水的演化，改變地下水的離子組成。氯堿指數(shù)是判斷陽(yáng)離子吸附作用是否參與了地下水化學(xué)特征的組成過(guò)程的重要指標(biāo)，當(dāng)氯堿指數(shù)(CA)CAⅠ、CA Ⅱ均為正值時(shí)，含水介質(zhì)表面的Ca2+、Mg2+與水體中的K+、Na+進(jìn)行交換；當(dāng)CAⅠ、CA Ⅱ均為負(fù)值時(shí)，則發(fā)生反方向的交換反應(yīng)[26]。本文計(jì)算了各個(gè)采樣點(diǎn)的氯堿指數(shù)，繪制氯堿指數(shù)分布如圖8所示，研究區(qū)除6、23號(hào)采樣點(diǎn)氯堿指數(shù)CA Ⅰ為-1.02、-5.28外，其他采樣點(diǎn)氯堿指數(shù)均為正值，說(shuō)明這兩個(gè)采樣點(diǎn)除陽(yáng)離子交替作用外，硅酸巖的風(fēng)化使Na+、K+濃度增大，而其他采樣點(diǎn)均發(fā)生了正向的離子交換反應(yīng)，表明陽(yáng)離子交替吸附作用參與了地下水的演化。

圖8 地下水氯堿指數(shù)Fig.8 Histogram of chloride alkalinity index

3.5 主要離子來(lái)源

SPSS軟件是由美國(guó)IBM公司推出的一系列用于統(tǒng)計(jì)分析運(yùn)算、數(shù)據(jù)挖掘、預(yù)測(cè)分析的軟件。本文使用SPSS軟件對(duì)信江流域地下水中主要離子進(jìn)行Person相關(guān)性分析，對(duì)地下水中各個(gè)離子的來(lái)源進(jìn)行定性分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 地下水主要離子相關(guān)性分析結(jié)果

3.6 不同因素對(duì)水化學(xué)組分貢獻(xiàn)率估算

表3 主成分分析因子分析荷載矩陣

由以上因子分析可計(jì)算得大氣降水對(duì)地下水溶質(zhì)的貢獻(xiàn)率為19%；人類活動(dòng)對(duì)地下水溶質(zhì)貢獻(xiàn)率為19.4%；碳酸巖對(duì)地下水溶質(zhì)貢獻(xiàn)率為29.6%；蒸發(fā)巖對(duì)地下水溶質(zhì)貢獻(xiàn)率為19.9%；硅酸巖對(duì)地下水溶質(zhì)貢獻(xiàn)率為12.1%。研究區(qū)受人類活動(dòng)和大氣降水影響明顯；碳酸巖主導(dǎo)了溶質(zhì)貢獻(xiàn)率，這是因?yàn)殚L(zhǎng)江流域主要由碳酸巖風(fēng)化控制；蒸發(fā)巖貢獻(xiàn)率高于硅酸巖，這可能與研究區(qū)內(nèi)有石巖以及芒硝的存在，以及工業(yè)較為發(fā)展，鹽廠分布有關(guān)[28]。

4 結(jié)論

(2)大氣降水是研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，并經(jīng)歷了較明顯的蒸發(fā)過(guò)程。地下水中離子主要來(lái)源于巖石風(fēng)化，蒸發(fā)溶解和人類活動(dòng)也有一定影響；不同巖石端元圖表明碳酸巖和硅酸巖一同參與了巖石風(fēng)化過(guò)程，人類活動(dòng)對(duì)河流溶質(zhì)的影響主要是礦業(yè)活動(dòng)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)及城市廢水影響相對(duì)較小。研究區(qū)氯堿指數(shù)除個(gè)別點(diǎn)外都為正值，表明陽(yáng)離子交替吸附作用參與了地下水的演化。