泉州地下水地球化學(xué)特征與演變規(guī)律

洪炳義

(福建省閩東南地質(zhì)大隊(duì)，泉州，362021)

濱海平原人口密度大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，所以水資源量需求大，地下水是其重要的工業(yè)和生活用水水源。然而近年來隨著地下水的持續(xù)超采，濱海平原地下水位下降，形成多個降落漏斗，繼而引發(fā)系列的生態(tài)環(huán)境問題[1-4]。查明濱海區(qū)地下水的水質(zhì)現(xiàn)狀和演化規(guī)律對于深入了解海岸帶地下水的演化、加強(qiáng)水資源保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

濱海區(qū)地下水水質(zhì)惡化的主要成因包括海(咸)水入侵、工農(nóng)業(yè)污水排放、古沉積咸水混合等[5]。我國北部遼東半島、渤海灣、萊州灣和江蘇沿海地區(qū)地下水咸化明顯，研究程度高，學(xué)者利用地下水的宏量元素、微量元素，37Cl，81Br，87Sr/86Sr和14C同位素分析了地下水的演變機(jī)制，限制開采后地下水水質(zhì)得到明顯的恢復(fù)[6-7]。而南部沿海地區(qū)地下水，整體礦化度較低，研究程度較弱，南部和北部沿海水文地質(zhì)條件的差異造成了地下水演化的不同。福建泉州濱海區(qū)地貌以丘陵為主，第四紀(jì)沉積物薄，地下水多為淡水和微咸水，但空間分布不均，演化規(guī)律尚不清楚。已有的研究表明，泉州市沿海地區(qū)地下水質(zhì)量區(qū)際差異比較明顯，且與地方人口分布及經(jīng)濟(jì)狀況密切相關(guān)[8]。如地下水中NO2-和NO3-污染區(qū)集中分布于城鎮(zhèn)化程度較高地區(qū)，主要誘因是城鎮(zhèn)生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動所排放的廢棄物[9]。付旭等評價(jià)了泉州地下水超采和海水入侵程度，并提出了含水層儲存與恢復(fù)技術(shù)和地表蓄水體相結(jié)合的防控方法[10]。其次，泉州地下水功能區(qū)劃和放射性也得到了全面評價(jià)[11-13]，但是關(guān)于地下水的水化學(xué)成因及演化的研究甚少。以泉州市規(guī)劃區(qū)為研究區(qū)，分別在豐水期和枯水期采集了淺層孔隙水和深層基巖裂隙水，通過分析地下水的化學(xué)組分，空間分布和影響因素，探討地下水的水質(zhì)現(xiàn)狀與演變規(guī)律，為泉州市地下水的可持續(xù)開發(fā)利用和生態(tài)文明建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

研究區(qū)為福建省泉州市規(guī)劃區(qū)，包括泉州市轄區(qū)、晉江市域、石獅市域、惠安縣域以及南安市的12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道，總面積約2 980 km2(圖1)。地勢西北高、東南低，從北往南逐漸降低，呈中山—低山—丘陵—臺地—平原遞變。以泉港-惠安-磁灶-水頭一線為界，西部以低山、丘陵為主，為構(gòu)造侵蝕地貌，其中低山面積占比5.9%，丘陵面積占比43.4%；東部以臺地、沖洪積和海積平原階地為主，其中臺地占比26%，主要為侵蝕剝蝕地貌，沖洪積階地占比12.9%，海積平原占比11.8%，以侵蝕堆積地貌為主。

區(qū)內(nèi)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，濕潤溫暖，雨量充沛。年平均氣溫19℃，無霜期310 d以上。年降雨量1 000～1 800 mm，降雨多集中在5～8月，最大日降雨量296 mm，西北部山區(qū)降雨量略大于東南沿海平原。年平均蒸發(fā)量較大，達(dá)1 900 mm。春季多西南風(fēng)，夏秋之際常有臺風(fēng)、暴雨襲擊，冬季以東北風(fēng)為主[8]。

地表水系發(fā)育，河流有晉江、洛陽江、九十九溪、林輞溪等。晉江發(fā)源于安溪縣桃舟鄉(xiāng)，流經(jīng)安溪、永春、南安、晉江和泉州市區(qū)，在豐澤區(qū)潯浦入海，干流長29 km，全流域面積5 629 km2，流域多年平均徑流量47.76億m3。晉江在南安雙溪口以北分東溪、西溪。洛陽江發(fā)源于洛江區(qū)羅溪，全長45 km，洛陽橋閘上游流域面積387.61 km2，多年平均徑流量1.662億m3。泉州市區(qū)水利建設(shè)眾多，在南安九都建有大型水利樞紐——山美水庫；在南安豐州建設(shè)金雞攔河閘，引出南北渠，供應(yīng)下游大部分縣市區(qū)的用水。現(xiàn)有小(二)型以上水庫466座，總庫容超過15.75億m3。德化縣龍門灘水庫從閩江支流大樟溪引入晉江4.16億m3。 區(qū)內(nèi)海岸線總長為541 km，其中人工岸線占比77.97%、基巖岸線占比16.43%、砂質(zhì)岸線占5.33%、以及土質(zhì)岸線長1.21 km。岸線變遷較大的主要為人工岸線向海擴(kuò)展，局部基巖和砂土質(zhì)自然岸線在海浪和風(fēng)作用下向陸地侵蝕后。每天發(fā)生2次漲潮及2次落潮，周期約24 h又40 min，近河口地段有頂托潮，多年平均高潮位5.22～6.65 m，平均低潮位3.05～2.42 m，潮差7.64～9.70 m。泉州灣的海波由外海傳入灣內(nèi)，整個灣內(nèi)的潮型系數(shù)0.22～0.25，半日潮為主導(dǎo)。灣內(nèi)落潮最大流速大于漲潮最大流速，北烏礁水道為強(qiáng)流區(qū)。灣口潮流運(yùn)動以旋轉(zhuǎn)流形式為主，灣內(nèi)以穩(wěn)定的往復(fù)流形式為主，長軸走向主要沿水道方向。

1.2 地質(zhì)背景

泉州市地處歐亞大陸板塊東南緣，瀕臨太平洋板塊。自中元古代以來，地殼經(jīng)歷了多期次構(gòu)造-巖漿活動，形成了廣泛分布的中生代陸相酸性-中酸性火山巖和同時(shí)同源的燕山期侵入巖。在平原區(qū)、河口地帶及山間盆地覆蓋第四紀(jì)松散堆積物?；鹕綆r以凝灰?guī)r為主，侵入巖以花崗巖類為主，第四紀(jì)為礫卵石、砂及黏土[10]。

根據(jù)地下水的貯存條件和含水巖層特征，地下水分為松散巖類孔隙水、風(fēng)化帶孔隙裂隙水、基巖裂隙水等。松散巖類孔隙水主要分布于中北部的山間盆地、濱海平原的山前地帶，為相對富水地段。含水層由第四系不同時(shí)代的海積、海陸交互堆積、沖洪積等堆積物組成。風(fēng)化帶裂隙水貯存于不同時(shí)代火山巖、侵入巖的全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶裂隙，廣泛分布于沿海地區(qū)的山前地帶、低丘和紅土臺地。巖性為殘積黏性土、殘積砂(礫)質(zhì)粘性土，富水性貧乏?；鶐r裂隙水貯存于巖石裂隙、節(jié)理和構(gòu)造破碎帶中，富水性極不均一。

地下水的貯存、補(bǔ)給、徑流、排泄受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文氣象、植被等諸多因素的綜合影響。山前地帶地下水主要接受大氣降水和側(cè)向補(bǔ)給，洪水季節(jié)還受河水補(bǔ)給，地下水以水平運(yùn)動在砂礫卵石的孔隙中自盆地邊緣向中部運(yùn)動，水力坡度較大，運(yùn)動速度較快，排泄于溪河中。濱海平原區(qū)，主要為孔隙潛水和微承壓水，由于地形平坦，地下水運(yùn)動以水平徑流為主，水力坡度較小，徑流途徑相對較長，地下水循環(huán)交替作用緩慢。低山高丘區(qū)大氣降水是主要補(bǔ)給來源。這是由于地形較陡，溝谷發(fā)育，大氣降水大部分以地表徑流流失，小部分沿裂隙或孔隙滲入地下補(bǔ)給地下水。地下水流向大致與地形坡度一致。

研究區(qū)地下水資源屬貧乏-極貧乏地區(qū)。地下水水質(zhì)狀況分布不均，整體上北部水質(zhì)比南部稍好。區(qū)內(nèi)基本普及自來水，地下水的開采呈零星分散開發(fā)，主要由部分工廠、企業(yè)、居民就地挖井，大多作為備用水源，部分作為生活用水、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水。過量開采地下水引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題主要發(fā)生在地下水大量開采的居民和企業(yè)集中區(qū)域，有地下水位下降、海水入侵、沿海淡水返咸等。

2 樣品采集與測試

在泉州市規(guī)劃區(qū)內(nèi)，分別于2018年豐水期(7月)和枯水期(11月)采集水樣74件，其中松散巖類孔隙水17件，主要為潛水，局部具有微承壓性質(zhì)；殘積層孔隙裂隙水48件，水樣采自民井，井深1～10 m；深層基巖裂隙水9件，采自機(jī)井，井深40～120 m?，F(xiàn)場測定的指標(biāo)有氣溫、水溫、pH值、溶解氧、氧化還原電位Eh和電導(dǎo)率，測試儀器為般特儀器有限公司BANTE 900P攜帶型水質(zhì)測量儀。

采集的水樣嚴(yán)格按規(guī)范要求進(jìn)行，每個樣品采集500 mL，分別測試了陰離子(HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-、NO3-、NO2-、F-)和陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Mn4+、NH4+)。陰離子測試前用0.45 μm的濾膜過濾，陽離子加純硝酸酸化至pH<2。測試儀器為陰離子采用離子色譜，金屬元素采用原子吸收分光廣度計(jì)(GGX-600)、原子熒光分光光度計(jì)(230E)測定，測試單位為福建省地質(zhì)礦產(chǎn)局泉州實(shí)驗(yàn)室(CMA質(zhì)量認(rèn)證單位)，測試精度高于0.01 mg/L。TDS為計(jì)算值，為水中陰陽離子濃度的總和減去1/2 HCO3-濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水化學(xué)特征

3.1.1 pH和TDS

以豐水期為例，介紹泉州市地下水各化學(xué)指標(biāo)的空間變化。首先，殘積層孔隙裂隙水，pH范圍為4.6～7.9，均值為6.6；松散巖類孔隙水，pH范圍為4.9～7.6，均值為6.7；深層基巖裂隙水，pH范圍為6.1～7.2，均值為6.8(表1)。整體上地下水處于弱酸性-中性環(huán)境，且淺層裂隙水和孔隙水明顯偏酸。強(qiáng)酸性(pH: 4.6～6)的地下水占比16%，主要分布在安海平原(南安水頭鎮(zhèn)，Sh54,57)，晉江河流階地(Sh37—40,53,62)，泉州及泉港區(qū)等地(Sh5,19,86)，與工礦企業(yè)密集分布相關(guān)，如受有色金屬礦區(qū)排放的酸性廢水使得地下水pH降低，引起部分地下水中Mn含量明顯增高，F(xiàn)e含量均小于0.04 mg/L。其次，酸性地下水的形成還受到氣候和地層巖性的影響，如南方酸性降雨、酸性火成巖及偏酸性紅土的淋濾等。

地下水的總?cè)芙夤腆w(TDS)范圍為87.73～1 003.28 mg/L，均值為271.46 mg/L。從地下水TDS的空間分布(圖2)，可以看出由陸向海地下水鹽度呈逐漸增加的趨勢。在北部和西部的低山高丘區(qū)以及晉江低丘臺地，由于地勢相對較高，補(bǔ)給區(qū)地下水鹽度低；環(huán)繞海岸線為地下水高鹽度區(qū)域(仍為淡水)。但各個海灣地下水鹽度不同，湄洲灣TDS最大為600 mg/L，泉州灣TDS最大值為700 mg/L，圍頭灣TDS最大值為1 003 mg/L?？傮w上海岸帶以淡水為主，地下水向海水排泄。僅在圍頭灣近岸處發(fā)現(xiàn)一個微咸水樣，1

表1 泉州規(guī)劃區(qū)地下水各離子含量統(tǒng)計(jì)(mg/L)

圖2 泉州市豐水期地下水TDS(mg/L)空間分布Fig.2 TDS distribution of groundwater in Quanzhou city in wet season

3.1.2 水化學(xué)類型及主要離子含量

研究區(qū)地下水主要化學(xué)組分含量。利用舒卡列夫法對地下水進(jìn)行水化學(xué)類型分類，松散巖類孔隙水類型以HCO3-·Cl-·SO42-Ca2+·Na+和HCO3-·Cl-·SO42-Na+·Ca2+·Mg2+為主，殘積層孔隙裂隙水水化學(xué)類型以Cl-·HCO3--Na+·Ca2+·Mg2+和HCO3-·Cl-·SO42-Na+·Ca2+為主；基巖裂隙水水化學(xué)類型以HCO3-·Cl--Ca2+·Na+為主。空間上，在低山高丘和低丘臺地區(qū)，地下水中以HCO3-、Cl-為主，到濱海平原及入海河流附近地下水的Cl-、Na+、Mg2+明顯增加。

各主要離子的空間分布與TDS相似，相關(guān)系數(shù)范圍為0.67～0.88。HCO3-、Ca2+和SO42-含量在松散巖層孔隙水中含量最高，均值分別為150.7mg/L，56.05mg/L，46.59 mg/L，主要與沉積物中的碳酸鹽巖礦物(方解石和白云石)及石膏的溶解有關(guān)；Na+含量均值在殘積層孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水中相當(dāng)，為40.7 mg/L，主要來自沉積物中硅酸鹽巖礦物的風(fēng)化溶解。但Na+最大值161 mg/L的水樣為松散巖類孔隙水，位于圍頭灣附近，Na+和Cl+含量同時(shí)升高，是受到海水混合影響。Cl-含量普遍在殘積層孔隙裂隙水中高，均值為66.31 mg/L，且多位于海灣附近。一方面,可能是受到潮流上溯的影響，少量海相水混入；另一方面，Cl-可能來自火山巖中含氯礦物及火山噴發(fā)物的溶解，如黑云母、角閃石等均為含氯礦物。Mg2+含量范圍為1.29～29.00 mg/L，均值8.53 mg/L，與Na+離子相關(guān)性好，且高值主要沿海岸線分布。地下水中NO3-的含量分布與其他離子不同，在松散巖類孔隙水中范圍為2.00～20.00 mg/L，殘積層孔隙裂隙水中范圍為2～24 mg/L，硝酸鹽(以N計(jì))超標(biāo)，72%的水樣屬于3類水標(biāo)準(zhǔn)(5

3.2 豐枯水期地下水動態(tài)

3.2.1 地下水水位

泉州市淺層地下水(殘積層孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水，監(jiān)測點(diǎn)井深2～14.8 m)在豐水期(7月)和枯水期(11月)監(jiān)測了地下水位，基巖裂隙水未測。豐水期水位埋深范圍為0.91～9.95 m，平均水位埋深3.66 m；其中水位埋深大于8 m的水樣均為殘積層風(fēng)化帶孔隙裂隙水，分布在晉江市磁灶鎮(zhèn)地區(qū)和北部泉港沿海地區(qū)，形成若干個局部水流系統(tǒng)?？菟谒宦裆羁臻g分布與豐水期一致，范圍為0.8～9.9 m，均值為3.89 m。由于降水減少，補(bǔ)給變差，平均水位下降了0.23 m。

調(diào)查的63個地下水位，枯水期水位上升的有19個，多位于海岸帶及河流附近，水位上升范圍為0.01～1.37 m，平均0.2 m。該區(qū)域沉積物以低滲透黏性土為主，與降水水力聯(lián)系弱，天然水位變幅??；同時(shí)枯水期的地下水排泄區(qū)仍受到側(cè)向或深層的地下水頂托補(bǔ)給，水位略微抬升。水位下降的有42個，占66.7%，多發(fā)生于低山高丘和低丘臺地區(qū)，說明大部分淺層地下水與降水水力關(guān)系密切，降雨減少時(shí)，水位下降。水位變化最大的是圍頭灣海岸的Sh57水樣，水位下降了1.62 m。

3.2.2 主要離子含量動態(tài)

枯水期地下水位降低，地下水徑流速度變慢，水巖相互作用更強(qiáng)烈，水位變化引起水中溶解氧含量變化，氧化還原環(huán)境改變可進(jìn)一步改造地下水水質(zhì)[5]。和豐水期相比，枯水期地下水TDS總體變化不大，僅在松散巖類孔隙水中略有升高。地下水化學(xué)組分變化相對復(fù)雜，陽離子變化主要表現(xiàn)為Na+增多、Ca2+減少，主要是受到陽離子交替吸附控制，殘積層和松散巖類沉積物中廣泛分布黏性土及砂質(zhì)黏性土，水巖相互作用時(shí)巖土中的Na+進(jìn)入水中，而水中的Ca2+被吸附到巖土中，Ca2+/Na+平均值明顯減小。少部分監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)Na+減少、Ca2+增多的情況(如sh33,sh37, sh43)，這些點(diǎn)都位于海邊，微量咸水進(jìn)入含水層，使得水中Na+置換了巖層中的Ca2+，同時(shí)這些水中Cl-的增多可以印證這點(diǎn)。陰離子為SO42-、HCO3-減少，Cl-增加。推測為枯水期地下水中離子達(dá)到飽和。利用Phreeqc Interactive 計(jì)算了水樣中方解石，白云石和無水石膏的飽和指數(shù)，均為過飽和狀態(tài)，SO42-和HCO3-與Ca2+、Mg2+形成沉淀析出，使得SO42-和HCO3-含量降低。

3.3 地下水中的水巖相互作用

進(jìn)一步分析地下水的成因，繪制了地下水Gibbs圖(圖3)，從圖中可以看出，數(shù)據(jù)點(diǎn)主要分布在巖石風(fēng)化作用區(qū)域范圍內(nèi)，地下水成因主要是巖石風(fēng)化作用。其中殘積層風(fēng)化帶孔隙裂隙水水巖作用程度高。地下水與火山巖風(fēng)化帶產(chǎn)物相互作用，形成含Cl-、HCO3-、Ca2+、Na+為主的淡水?；鶐r裂隙水水巖作用程度弱，形成以碳酸鹽巖礦物溶解為主的淡水。另外，少量松散巖類孔隙水點(diǎn)靠近蒸發(fā)濃縮作用區(qū)域，可見地下水可能還受到蒸發(fā)濃縮作用的影響。但TDS與埋深的相關(guān)性并不好，說明蒸發(fā)影響較弱。這主要與第四紀(jì)松散巖類孔隙水位于地下水排泄區(qū)有關(guān)，形成溶質(zhì)的匯集。

圖3 泉州豐水期地下水Gibbs圖Fig.3 Gibbs diagram of groundwater in Quanzhou during wet season 1—?dú)埛e層孔隙裂隙水；2—松散巖類孔隙水；3—基巖裂隙水

Cl/Br比是海水的特征值(290)，與海水相關(guān)的地下水的Cl/Br比主要在290附近；而溶濾成因的地下水Cl/Br比值多大于2 000，海邊降水的Cl/Br較低為20～60[2-4]。泉州市地下水大部分水樣Br-含量低于檢測限，僅位于海岸線附近的6個水樣檢出。Cl/Br質(zhì)量比范圍為544～836，Cl-含量小于300 mg/L，低鹽度的地下水說明未受海侵影響或受海水混合影響有限。較低的Cl/Br很可能是攜帶海洋水汽團(tuán)的降水補(bǔ)給地下水使得其比值降低。

地下水中的Na+與Cl-呈線性正相關(guān)關(guān)系，斜率為0.98，說明Na+，Cl-同源(圖4a)。晚第四紀(jì)以來海平面波動，在海岸帶形成多個海相沉積層，殘留的古海水可能形成巖鹽晶體。地下水在滲流過程中溶濾巖鹽導(dǎo)致Na+和Cl-同步增加。而該地區(qū)地下水Na/Cl的毫克當(dāng)量比在0.10到1.66之間，且與Cl-含量關(guān)系成三角形分布。低Cl-高Na/Cl比型淡水，來源于風(fēng)化帶中硅酸鹽礦物的溶解；低Cl-低Na/Cl比型淡水，為黏性土含水介質(zhì)中，由于Na-Ca交換而形成Na+貧化 (圖4b)。如(Na+K)-Cl與(Ca+Mg)-(HCO3+SO4)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表示地下水中存在一定程度的Na++K+和Ca2++Mg2+的陽離子交換作用(圖4c)。高Cl-且 Na/Cl接近0.85型淡水或微咸水，主要是海岸帶受海相水補(bǔ)給形成。位于三角形內(nèi)部的地下水為三個端元的混合。地下水中Ca+Mg和HCO3+SO4的相關(guān)性很好，說明Ca2+、Mg2+主要來源于碳酸鹽和硫酸鹽的溶解(圖4d)，而Ca，Mg相對碳酸鹽和硫酸鹽的富集可能是由于海岸帶少量海水的混入，或者鈣長石等硅酸鹽礦物的溶解。

圖4 地下水主要離子來源分析Fig.4 Analysis of main ion sources of groundwater1—?dú)埛e層孔隙裂隙水；2—松散巖類孔隙水；3—基巖裂隙水a(chǎn): Na vs.Cl; b:Na/Cl vs.Cl;c: Ca+Mg vs. (HCO3+SO4); d: (Na+K)-Cl vs. (Ca+Mg)-(HCO3+SO4)

4 結(jié)論

利用2018年豐水期和枯水期泉州市74個地下水的水化學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)行地下水水化學(xué)特征和成因分析，結(jié)論如下。

(1)泉州市地下水以酸性-中性的淡水為主，16%的地下水為強(qiáng)酸性(4.6

(2)地下水水化學(xué)類型以HCO3-·Cl·SO42-Ca2+·Na+、HCO3-·Cl-·SO42- Na+·Ca2+·Mg2+、Cl-·HCO3-·SO42--Na+·Ca2+·Mg2+為主。豐水期地下水位高于枯水期，枯水期地下水徑流緩慢促進(jìn)了水巖相互作用，松散巖類孔隙水TDS略升高?；瘜W(xué)組分動態(tài)主要表現(xiàn)為Na+離子升高和Ca2+離子降低，HCO3-和SO42-含量降低。

(3)地下水成因主要為巖石風(fēng)化作用。受地層巖性控制，地下水形成過程分3個主要類型：硅酸鹽巖礦物的風(fēng)化溶解、陽離子交替吸附以及海水混合。區(qū)域地下水主要為這3端元的混合水。蒸發(fā)濃縮作用對地下水影響不大，同時(shí)還受到碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物的溶解沉淀作用影響。