雷州半島地下水水化學(xué)特征及成因分析

吳嘉鈴，王 瑩，胡 倩，柯小兵，成建梅，唐仲華*

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430078；2.廣東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，廣東 廣州 510599)

地下水是人類(lèi)生產(chǎn)和生活中重要的供水水源。近年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水體造成了一定程度的污染，也使其化學(xué)成分發(fā)生了相應(yīng)的改變，部分地下水水質(zhì)惡化，嚴(yán)重威脅著人們的健康安全，同時(shí)也造成了生態(tài)環(huán)境的破壞[1-2]。查明并揭示地下水水化學(xué)特征及成因，可以追溯地下水的起源和歷史演化過(guò)程，提高地下水的開(kāi)發(fā)與利用水平。

地下水的水文地球化學(xué)特征一直作為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。許多學(xué)者利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線圖、Gibbs圖解法、離子比例法、飽和指數(shù)法、同位素示蹤法、空間分析等方法，研究了地下水水化學(xué)特征及成因，取得了豐碩的研究成果[3-8]。

雷州半島位于廣東省西南端，是我國(guó)三大半島之一，三面環(huán)海，占地面積約為1.32萬(wàn)km2，交通便利，人口約為736萬(wàn)人。隨著雷州半島地區(qū)(特別是湛江)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展升級(jí)，鋼鐵、造紙、石化等主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)對(duì)用水的剛性需求遞增，水資源的合理開(kāi)發(fā)與利用仍是雷州半島地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而雷州半島地區(qū)的地下水資源較地表水更為豐富[9]，是人們生產(chǎn)和生活的主要供水資源，故地下水水質(zhì)和水化學(xué)組分的變化對(duì)雷州半島地區(qū)的發(fā)展意義深遠(yuǎn)。近年來(lái)有關(guān)雷州半島地區(qū)地下水的研究工作主要是針對(duì)局部小區(qū)域地下水或單層含水層的水化學(xué)特征分析[10-14]，而針對(duì)大范圍地下水及多個(gè)含水層的水化學(xué)特征的系統(tǒng)研究較少，區(qū)域性地下水水化學(xué)特征的研究還需要及時(shí)補(bǔ)充和完善。鑒于此，本文選取雷州半島地區(qū)為研究區(qū)，綜合利用Gibbs圖解法、Piper三線圖、離子比例法等分析方法，查明研究區(qū)地下水的水化學(xué)特征，揭示地下水與外界環(huán)境的相互作用機(jī)理，以期為雷州半島地區(qū)的地下水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)與保護(hù)提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

雷州半島位于廣東省西南端，地理位置為20°10′～21°30′N(xiāo)、109°38′～110°48′E。該半島地區(qū)屬典型的亞熱帶、熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為23.1℃，年平均降水量為1 400～1 800 mm，降水主要集中在每年的5～9月份，易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，而1～3月份則常發(fā)生局部干旱，具有干濕季節(jié)分明、且蒸發(fā)量大的特點(diǎn)，局部地區(qū)的蒸發(fā)量甚至超過(guò)降雨量。研究區(qū)水系較多，河流密布，主要包括南渡河、鑒江、九洲江、西溪河等，呈放射狀流入大海。

研究區(qū)位于喜馬拉雅巖漿活動(dòng)期形成的粵西火山活動(dòng)亞帶，雷瓊火山噴發(fā)盆地，地層發(fā)育較齊全，從下古生界至新生界均有分布。研究區(qū)地下水主要包括松散巖類(lèi)孔隙水和火山巖孔洞裂隙水兩大類(lèi)型[15]，其中火山巖孔洞裂隙水主要分布于石茆嶺組(Q2s)橄欖玄武巖、火山角礫巖等地層中；松散巖類(lèi)孔隙水主要賦存于湛江組(Q1z)砂礫巖和下洋組(N2x)中細(xì)砂、含礫粗砂巖地層中，且以地下水埋深30 m為界又可細(xì)分為淺層孔隙水和中、深層孔隙水[13]。孔隙水含水介質(zhì)中常見(jiàn)礦物為石英、方解石、高嶺石等[13]；而孔洞裂隙水含水介質(zhì)中主要礦物為長(zhǎng)石，高嶺石、方解石、石膏、蒙脫石等礦物也有出現(xiàn)[10-13]。研究區(qū)淺層孔隙水主要接受大氣降水補(bǔ)給，兼有地表水下滲補(bǔ)給；中、深層孔隙水水位一般低于淺層孔隙水水位，淺層孔隙水在重力作用下經(jīng)弱透水層、火山口等通道垂直下滲，成為中、深層孔隙水的重要補(bǔ)給來(lái)源。在區(qū)域尺度上研究區(qū)地下水主要受地形控制，地下水總體以地勢(shì)較高的火山巖臺(tái)地為中心，向四周地勢(shì)較低的地帶流動(dòng)，最后匯入海洋。

2 樣品采集與分析方法

2018年7月至8月期間，在雷州半島地區(qū)地下水監(jiān)測(cè)井采集了39個(gè)地下水樣品(見(jiàn)圖1)，包括8個(gè)淺層孔隙水樣品，27個(gè)中、深層孔隙水樣品，4個(gè)孔洞裂隙水樣品。取樣前，先把取樣容器潤(rùn)洗3次，在容器密封過(guò)程中嚴(yán)防氣泡進(jìn)入，并先以低速潛水泵抽水，用便攜式萬(wàn)用表測(cè)試水樣溫度、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)、溶解氧(DO)等參數(shù)，待各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定后采集地下水樣品。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)略圖及采樣點(diǎn)分布圖

3 研究結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)地下水水化學(xué)特征

3.1.1 研究區(qū)地下水水化學(xué)組成特征

研究區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表1。

由表1可知：

表1 研究區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

(4) 研究區(qū)孔洞裂隙水的水化學(xué)參數(shù)變異系數(shù)皆小于1，說(shuō)明孔洞裂隙水的空間分布較為均勻，源于孔洞裂隙水所處的環(huán)境水交替迅速，水-巖相互作用較弱。

3.1.2 研究區(qū)地下水水化學(xué)類(lèi)型特征

圖2 研究區(qū)地下水樣品的Piper三線圖

3.2 研究區(qū)地下水水化學(xué)特征形成機(jī)制分析

3.2.1 風(fēng)化作用

通過(guò)吉布斯(Gibbs)圖可以研究地表水和地下水的形成機(jī)理[18]。研究區(qū)地下水樣品的Gibbs圖，見(jiàn)圖3。

圖3 研究區(qū)地下水樣品的Gibbs圖

圖4 研究區(qū)地下水樣品中Mg2+/Na+與Ca2+/Na+和HC/Na+與Ca2+/Na+比值圖

由圖4可知：研究區(qū)地下水樣點(diǎn)多分布在靠近硅酸鹽礦物的端元，表明硅酸鹽礦物(如長(zhǎng)石等)風(fēng)化作用是研究區(qū)地下水主要的水文地球化學(xué)控制因素，這也是符合雷州半島地區(qū)含水層巖性特征的。此外，研究區(qū)淺層孔隙水和中、深層孔隙水的部分地下水樣點(diǎn)靠近蒸發(fā)巖礦物和碳酸鹽礦物端元，表明蒸發(fā)巖礦物和碳酸鹽礦物風(fēng)化作用也對(duì)研究區(qū)地下水中離子有一定的貢獻(xiàn)。

3.2.2 溶濾作用

研究區(qū)孔隙水和孔洞裂隙水含水介質(zhì)中主要礦物為長(zhǎng)石、石英和黏土礦物，其次為方解石、石膏、白云石等。本文利用PHREEQC軟件計(jì)算方解石、白云石、石膏等常見(jiàn)礦物的飽和指數(shù)(SI)，以確定其在地下水中的溶解沉淀狀態(tài)。一般SI為正值時(shí)，礦物處于過(guò)飽和狀態(tài)；SI為負(fù)值時(shí)，礦物處于不飽和狀態(tài)；SI等于0時(shí)，礦物處于平衡狀態(tài)。

研究區(qū)地下水中常見(jiàn)礦物的飽和指數(shù)(SI)與TDS關(guān)系圖，見(jiàn)圖5。

圖5 研究區(qū)地下水中常見(jiàn)礦物的飽和指數(shù)(SI)與TDS關(guān)系圖

由圖5可知：石膏在研究區(qū)地下水中會(huì)發(fā)生溶解，而方解石和白云石在孔洞裂隙水中基本為溶解狀態(tài)，其在淺層和中、深層孔隙水大部分樣品中為未飽和溶解狀態(tài)，在部分樣品中發(fā)生沉淀；同時(shí)，隨著TDS值的增加，各礦物飽和指數(shù)無(wú)明顯變化規(guī)律，也說(shuō)明方解石、白云石、石膏不是研究區(qū)地下水中離子的主要來(lái)源。由于本次取樣并未涉及SiO2組分，無(wú)法確定硅酸鹽礦物的溶解-沉淀狀態(tài)，故參考雷州半島嶺北地區(qū)的數(shù)據(jù)可知，硅酸鹽礦物風(fēng)化大多處于第一、第二階段，孔洞裂隙水具有極強(qiáng)的硅酸鹽礦物溶解能力，而孔隙水礦物溶解能力稍弱于孔洞裂隙水[13]。

一般地，地下水在水-巖相互作用下產(chǎn)生的各新離子組分比值被廣泛用于很多水文地球化學(xué)問(wèn)題的研究，可以指示水體溶濾作用[20]。研究區(qū)地下水樣品中主要離子比值圖，見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出：

(1)γ(Na++K+)/γCl-比值可以用來(lái)判定地下水是否受到硅酸鹽巖礦物溶解作用的影響。研究區(qū)大部分地下水樣品表現(xiàn)為γ(Na++K+)/γCl-比值>1[見(jiàn)圖6(a)]，說(shuō)明海洋性大氣降水對(duì)地下水組分的影響微弱，硅酸鹽礦物溶解(如鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石)是地下水中過(guò)量Na+和K+的主要來(lái)源，Na+可能還源自陽(yáng)離子交換作用。

圖6 研究區(qū)地下水樣品中主要離子比值圖

3.2.3 蒸發(fā)濃縮和陽(yáng)離子交換作用

圖7 研究區(qū)地下水樣品中(Ca2++Mg2+)- 與(Na++K+)-Cl-比值圖

另外，氯堿指數(shù)CAI-I和CAI-II可以進(jìn)一步識(shí)別離子交換作用的方向和程度：當(dāng)CAI-I和CAI-II均為負(fù)值時(shí)，說(shuō)明發(fā)生了正向的陽(yáng)離子交換作用，即地下水中Na+含量增加、Ca2+和Mg2+含量減少；相反，CAI-I和CAI-II均為正值時(shí)，則表現(xiàn)出逆向的陽(yáng)離子交換作用，即地下水中Ca2+和Mg2+含量增加、Na+含量減少。在本研究中，研究區(qū)地下水中CAI-I和CAI-II低于0的樣品占樣品總數(shù)的82.05%，說(shuō)明研究區(qū)地下水主要存在正向的陽(yáng)離子交換作用。其中，在中、深層孔隙水中正向的陽(yáng)離子交換作用尤為明顯，有88.89%的中、深層孔隙水樣品存在正向的陽(yáng)離子交換作用，且中、深層孔隙水中γNa+/γCl-平均值為12.46，遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型的地下水，也證明了離子交換作用對(duì)中、深層孔隙水水化學(xué)組分的影響較大，與前面的推測(cè)吻合，此外Gibbs圖中部分中、深層孔隙水樣品中Na+/(Na++Ca2+)比值超出框外，同樣證明了這一點(diǎn)；淺層孔隙水和孔洞裂隙水中CAI-I和CAI-II低于0的樣品則分別占樣品總數(shù)的75%和50%，說(shuō)明其陽(yáng)離子交換作用不明顯。

3.2.4 人類(lèi)活動(dòng)的影響

圖8 研究區(qū)地下水樣品中S/Ca2+與N/Ca2+的比值關(guān)系圖

此外，地下水長(zhǎng)期開(kāi)采使得研究區(qū)東部地區(qū)形成降落漏斗，水位持續(xù)降低，特別是中、深層承壓水水位下降明顯。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018年較2004年研究區(qū)觀測(cè)井地下水水位標(biāo)高降幅在0.49～13.64 m之間。降落漏斗的擴(kuò)大使得淺層水水位和深層水水位的落差增大，淺層污水經(jīng)弱透水層、火山口、隔水層缺失的“天窗”等通道向下伏含水層快速流動(dòng)，不斷地改變中、深層水的水化學(xué)環(huán)境。當(dāng)沿海地帶地下水水位低于海平面時(shí)，則可能引起海水入侵，導(dǎo)致地下水中Cl-含量升高，其過(guò)程常出現(xiàn)逆向的陽(yáng)離子交換作用，使得地下水中Na+含量降低，隨著海水入侵程度的增加地下水中Na+含量又出現(xiàn)恢復(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)[29]。此外，高位咸水養(yǎng)殖滲漏也易造成地下水咸化，導(dǎo)致受到影響的水井弱化甚至喪失灌溉和飲用功能，嚴(yán)重影響了居民生產(chǎn)生活。

4 結(jié) 論

(2) 研究區(qū)地下水的水化學(xué)成分主要受巖石溶濾作用的影響。研究區(qū)地下水中主要離子比值進(jìn)一步說(shuō)明，硅酸鹽礦物的溶解作用是影響研究區(qū)地下水水化學(xué)組分的主要控制因素。此外，中、深層孔隙水還受碳酸鹽礦物溶解作用和陽(yáng)離子交換作用的控制；淺層孔隙水和孔洞裂隙水一定程度上受蒸發(fā)巖礦物溶解作用控制，蒸發(fā)濃縮作用也會(huì)影響淺層孔隙水的水化學(xué)組分。