丹陽市呂城地區(qū)淺層地下水演化特征及成因

金 陽,姜月華,周權(quán)平,雷 廷,賈軍元,楊國強(qiáng)

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院,北京 100037;2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016;3.自然資源部流域生態(tài)地質(zhì)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210016)

水資源是保障國家城鄉(xiāng)居民用水、支撐社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源,在維持生態(tài)系統(tǒng)安全和生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面具有重要作用[1]。天然地下水的化學(xué)成分是水在漫長的地質(zhì)歷史中不斷與大氣圈、生物圈、巖石圈等周圍介質(zhì)發(fā)生物質(zhì)、能量、信息交換作用形成的,研究地下水的組分特征有助于分析地下水演變規(guī)律,揭示地球化學(xué)環(huán)境及人類經(jīng)濟(jì)活動對地下水造成的影響[2]。淺層地下水是水循環(huán)的重要組成部分,以往對地下水的研究多針對深層地下水[3-5],對淺層地下水的關(guān)注程度還不夠。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,淺層地下水的價(jià)值愈來愈被重視,楊巧鳳等[6]通過研究常規(guī)離子和氫氧穩(wěn)定同位素特征,明確了深圳沿海帶淺層地下水與海水的關(guān)系及分布原因;劉林等[7]應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析法研究馬鞍山地區(qū)淺層地下水,成功篩選出人為活動對地下水影響的表征指標(biāo);周鍇鍔等[8]分析了淮河流域平原區(qū)淺層地下水中鐵錳特征和成因,提出改良建議。

呂城地區(qū)居民飲用水以地表長江水為主,但淺層地下水仍有少數(shù)居民偶爾飲用,且是大多數(shù)居民日常洗滌用水的主要來源。隨著工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展,該區(qū)地下水受到不同程度的影響,但針對該區(qū)淺層地下水水化學(xué)演化特征的相關(guān)研究尚未進(jìn)行。因此,本文通過野外現(xiàn)場調(diào)查和采樣測試分析,研究該區(qū)淺層地下水演化特征,并分析其成因,以期為地下水資源環(huán)境管理及合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

呂城地區(qū)位于江蘇省丹陽市東部,長江下游南岸,屬中緯度亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,降水充沛,日照充足,雨熱同期,多年平均降水量1 056.5 mm,多年平均氣溫14.9℃。研究區(qū)地勢平坦開闊,水網(wǎng)密布,前第四紀(jì)地層由老到新依次為二疊系、三疊系、白堊系、古近系和新近系,第四系廣泛分布?；鶐r被第四系覆蓋,均未出露,地表主要出露全新世如東組,巖性以黃褐色粉質(zhì)黏土、灰黃色粉土為主(圖1)[9]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖[10]Fig. 1 Geological sketch map of the study area[10]

研究區(qū)屬太湖沖-湖積平原,地下水類型主要為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水及碳酸鹽巖類巖溶水。其中孔隙水廣泛分布于研究區(qū)第四系中,裂隙水多分布在二疊系、白堊系隱伏巖石節(jié)理裂隙中。淺層地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水垂直入滲和灌溉水回滲,水位埋深呈現(xiàn)明顯季節(jié)性變化,枯水期和麥作期水位埋深>1.5 m,豐水期和稻作期水位埋深一般<0.5 m。河流、水塘等側(cè)向補(bǔ)給為次要補(bǔ)給來源,人工開采、植物蒸發(fā)蒸騰、向地表水體排泄及越流補(bǔ)給深層地下水為主要排泄途徑。

2 技術(shù)方法

2.1 樣品采集及測試

按照《DD 2008—01地下水污染地質(zhì)調(diào)查評價(jià)規(guī)范》[11]要求,以“先調(diào)查,后采樣”為原則,充分利用現(xiàn)存機(jī)(民)井,對研究區(qū)具有代表性的井點(diǎn)進(jìn)行取樣測試,采樣前先抽水一段時(shí)間,以保證樣品取自潛水含水層原水。采樣現(xiàn)場用便攜式GPS對采樣點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位,并記錄包氣帶巖土體特征、采樣井類型、周邊環(huán)境及農(nóng)田分布等詳細(xì)信息。本次共采集淺層地下水樣品15組,采樣點(diǎn)位置分布如圖2所示。

圖2 淺層地下水采樣點(diǎn)分布圖Fig. 2 Distribution map of shallow groundwater sampling points

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

在系統(tǒng)采樣、科學(xué)測試的基礎(chǔ)上,利用SPSS軟件對樣品測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,AquaChem水化學(xué)軟件繪制Piper三線圖,并對水化學(xué)組分進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析,進(jìn)而確定研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型和特征,應(yīng)用Gibbs模型探討研究區(qū)淺層地下水演化成因。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)分析

對淺層地下水樣品數(shù)據(jù)各指標(biāo)做數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,由統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)可知,研究區(qū)淺層地下水pH值為6.750～7.625,平均值為7.223,變異系數(shù)較小,整體屬于中性偏弱堿性水。TDS值為284～884 mg/L,屬于淡水。

表1 淺層地下水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 水化學(xué)類型及其分布特征

研究區(qū)北側(cè)為京杭運(yùn)河,東、西兩側(cè)為季節(jié)性河流,可看作天然水文地質(zhì)單元,淺層地下水的水化學(xué)類型比較復(fù)雜。采用舒卡列夫分類法,研究區(qū)水化學(xué)類型可分為5種,主要以HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Na型、HCO3·SO4-Ca·Na型、HCO3·Cl-Ca·Na型和HCO3-Ca·Na·Mg型為主,各水化學(xué)類型的分布情況如圖3所示。東北部Ⅰ區(qū)為HCO3-Ca型;中部 Ⅱ區(qū)為HCO3-Ca·Na型;東部 Ⅳ 區(qū)為HCO3·Cl-Ca·Na型;西北部Ⅲ區(qū)總體為HCO3·SO4-Ca·Na型,僅LC15井附近為HCO3·Cl-Ca·Na型;南部Ⅴ區(qū)為HCO3-Ca·Na·Mg型。

1.采樣點(diǎn);2.HCO3-Ca型;3.HCO3-Ca·Na型;4.HCO3·SO4-Ca·Na型;5.HCO3·Cl-Ca·Na型;6.HCO3-Ca·Na·Mg型圖3 研究區(qū)水化學(xué)類型分布圖Fig. 3 Distribution map of hydrochemical types in the study area

圖4 淺層地下水水化學(xué)類型Piper三線圖Fig. 4 Piper diagram of hydrochemical types of shallow groundwater

3.3 水化學(xué)相關(guān)性分析

表2 淺層地下水水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)

3.4 水化學(xué)特征成因

太湖平原西北部地區(qū)第四紀(jì)以來共經(jīng)歷3次海侵,分別為晚更新世早期太湖海侵、晚更新世晚期滆湖海侵及全新世鎮(zhèn)江海侵[18]。從3次海侵范圍來看,滆湖海侵對研究區(qū)的影響最大,導(dǎo)致TDS含量較高,同時(shí)為該區(qū)黏性土中鈣質(zhì)結(jié)核提供物源基礎(chǔ)。由于淺層地下水埋深較淺,易于接受大氣降水補(bǔ)給,且研究區(qū)居民利用簡易手壓設(shè)備開采淺層地下水用于日常洗滌、灌溉,促進(jìn)了該區(qū)補(bǔ)排循環(huán),從而保證該區(qū)TDS值未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象,甚至與以往資料對比,表現(xiàn)為下降趨勢,更趨于淡化(表3)。

表3 近年TDS變化情況統(tǒng)計(jì)

圖5 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig. 5 Hydrogeological profile of the study area

圖6 研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)Gibbs分布圖Fig. 6 Gibbs distribution map of hydrochemistry of shallow groundwater in the study area

綜上所述,研究區(qū)淺層地下水在接受大氣降水補(bǔ)給及后期徑流、排泄過程中,與包氣帶表層土壤及含(隔)水層介質(zhì)之間發(fā)生溶濾、混合、陽離子交替等相互作用,加之人類活動影響,最終導(dǎo)致淺層地下水演化現(xiàn)狀及差異分布。

4 結(jié)論

(2)丹陽市呂城地區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征受原生沉積環(huán)境、巖石風(fēng)化作用、地下水補(bǔ)徑排循環(huán)條件與人類經(jīng)濟(jì)活動的綜合影響。巖石風(fēng)化成土作用及海侵為水化學(xué)特征的形成提供物源基礎(chǔ),含水介質(zhì)和補(bǔ)徑排條件為水化學(xué)特征提供反應(yīng)場所及良好的動力條件,人類生產(chǎn)生活在一定程度上改變了淺層地下水演化特征。