太湖流域北部地下水化學(xué)特征及成因分析

李 亮,邢懷學(xué),龔建師,王赫生,周鍇鍔,朱應(yīng)新,鄧婷婷

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016;2.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局,江蘇 南京 210007)

地下水是水資源的重要組成部分[1-2],在自然系統(tǒng)水循環(huán)中,地下水不斷與接觸的巖石圈、生物圈和大氣圈進行物質(zhì)、能量和信息交換,水化學(xué)特征不斷變化[3-4]。開展地下水的水化學(xué)及時空分布特征研究,不僅對揭示地下水的水化學(xué)形成作用、地下水循環(huán)規(guī)律具有重要意義,還能為地下水資源可持續(xù)開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐[5-7]。

太湖流域北部位于蘇錫常平原,包括無錫市大部分地區(qū)、常州市天寧區(qū)和武進區(qū)部分地區(qū),是長江三角洲經(jīng)濟區(qū)的重要組成部分。改革開放以來,太湖流域社會經(jīng)濟發(fā)展迅速,經(jīng)濟結(jié)構(gòu)變動劇烈[8],水環(huán)境質(zhì)量也發(fā)生了改變,地面沉降、地下水污染等環(huán)境地質(zhì)問題日益突出[9]。一些學(xué)者及單位[10-15]在太湖流域開展了大量的水化學(xué)、同位素測試分析工作,對當(dāng)?shù)氐乃瘜W(xué)環(huán)境、地下水循環(huán)進行了研究。2000年以來,蘇錫常地區(qū)地下水禁采[16],地下水位不斷回升[17],地下水環(huán)境發(fā)生了改變。前人針對地下水超采引起的地下水變化問題進行了研究,但對禁采以來的地下水水化學(xué)特征研究相對較少。本文通過對太湖北部地區(qū)地下水水化學(xué)特征進行分析,進一步了解該區(qū)地下水禁采以來的地下水化學(xué)分布特征及成因機理。

1 研究區(qū)概況

太湖流域北部以太湖平原為主,局部少量低山丘陵,地勢平坦,河網(wǎng)密布。該區(qū)屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年平均氣溫16.2 ℃,年降水量1 121.7 mm。

研究區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水,從上到下依次劃分為潛水含水層、第Ⅰ承壓水含水層和第Ⅱ承壓水含水層(圖1)。潛水含水層巖性以中細砂、粉砂、亞砂土為主,厚0.3～28 m,地下水埋深0.5～4 m,單井涌水量5～10 m3/d。受地形影響,潛水流向與地形一致,整體由殘丘區(qū)流向平原區(qū),由北部長江沿岸向南流入太湖。由于受人類活動影響,含水層局部潛水流向略有不同。區(qū)內(nèi)第Ⅰ承壓水分布廣泛,含水層巖性以灰色、深灰色、灰黃色粉砂、粉細砂為主,鉆孔揭露厚度<15 m,地下水位埋深2.5～12 m,單井涌水量100～500 m3/d。第Ⅱ承壓水含水層是蘇錫常地區(qū)的主要含水層,受中更新世長江古河道和東青古河道控制,巖性以中細砂、中粗砂、含礫粗砂為主,河床厚5～45 m,水位埋深17～47 m,單井涌水量500～3 000 m3/d。第Ⅰ承壓含水層和第Ⅱ承壓含水層是該區(qū)20世紀(jì)末主要的地下水開采層,受承壓水位降落漏斗的影響,第Ⅰ承壓水和第Ⅱ承壓水整體由北西、南東向常州市武進區(qū)石塘灣鎮(zhèn)方向徑流。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig. 1 Hydrological section of the study area

2 樣品采集和測試方法

圖2 研究區(qū)采樣位置圖Fig. 2 Sampling locations of the study area

3 結(jié)果與討論

基于相關(guān)樣品的水化學(xué)參數(shù)測試結(jié)果,利用SPSS、Origin軟件進行數(shù)據(jù)分析,綜合運用描述性統(tǒng)計、相關(guān)性分析、Piper三線圖和離子比例系數(shù)法研究地下水水化學(xué)特征和演變機理。

3.1 水化學(xué)特征

對2017—2018年采集的112個潛水樣品、10個第Ⅰ承壓水樣品和9個第Ⅱ承壓水樣品的主要水化學(xué)參數(shù)進行特征統(tǒng)計分析,結(jié)果如表1所示。

表1 研究區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistics of hydrochemical parameters of groundwater in the study area

3.2 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可揭示地下水水化學(xué)參數(shù)的相似性、相異性及來源的一致性和差異性[18-19]。分別對研究區(qū)潛水、第Ⅰ承壓水和第Ⅱ承壓水的主要離子進行Pearson相關(guān)系數(shù)計算,結(jié)果如表2所示。

由第Ⅰ承壓水和Ⅱ承壓水主要離子相關(guān)性(表2)可知,Na+與Ca2+、Mg2+呈反比,推測Na+與Ca2+、Mg2+之間可能發(fā)生了以下陽離子交換。

表2 研究區(qū)水化學(xué)參數(shù)相關(guān)性系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrices of hydrochemcial parameters in the study area

2Na+(土)+Ca2+(水)=Ca2+(土)+2Na+(水)

2Na+(土)+Mg2+(水)=Mg2+(土)+2Na+(水)

3.3 水巖作用分析

3.3.1 主控因素

(a).TDS-Na+/(Na++Ca2+)圖; (b).圖圖3 研究區(qū)地下水Gibbs圖[20]Fig. 3 Gibbs diagrams of the groundwater in the study area[20]

圖4 硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風(fēng)化的相對貢獻圖[21]Fig. 4 Weathering contributions of silicate and carbonate[21]

3.3.2 人類活動輸入

利用SO42-、NO3-與Ca2+的比值關(guān)系可分析人類活動對地下水主要離子的影響程度:當(dāng)SO42-/Ca2+>NO3-/Ca2+(毫克當(dāng)量比值)時,人為活動受工礦活動影響較大;反之,人為活動受農(nóng)業(yè)活動和生活污水的影響較大[24]。研究區(qū)潛水SO42+與Ca2+濃度比值較高(圖5),說明潛水受人類活動影響,且工礦活動影響大于農(nóng)業(yè)活動、生活污水影響,這與常州、無錫地區(qū)發(fā)達的工業(yè)活動有關(guān)。

圖5 潛水與關(guān)系圖Fig. 5 Relation of in shallow groundwater

3.4 離子比系數(shù)

在地下水化學(xué)成分中,各組分之間的含量比系數(shù)可用來研究某些水文地球化學(xué)問題[25],離子比系數(shù)可反映地下水水化學(xué)演化過程。

3.4.1 γNa+/γCl-

γNa+/γCl-系數(shù)稱為地下水成因系數(shù),是表征地下水Na+富集程度的水文地球化學(xué)參數(shù)[26]。標(biāo)準(zhǔn)海水的γNa+/γCl-系數(shù)平均值為0.85,低礦化度水具有較高的γNa+/γCl-系數(shù),高礦化度水具有較低的γNa+/γCl-系數(shù)[27]。

由圖6(a)可知,研究區(qū)潛水大部分樣品、承壓水所有樣品位于1∶1線以上,說明Na+毫克當(dāng)量濃度基本均大于Cl-毫克當(dāng)量濃度,表明地下水在徑流過程中發(fā)生了物理、化學(xué)作用,使Na+釋放出來。促使Na+增加的物理、化學(xué)作用主要有兩方面:① 水中的Ca+和土壤中的Na+發(fā)生交換,使Na+毫克當(dāng)量濃度大于Cl-毫克當(dāng)量濃度;② 硅酸鹽溶解[28],使水中Na+濃度增加,可能是鈉長石的溶解造成的[29]。由圖6(a)可知,γNa+/γCl-系數(shù)具有“第Ⅱ承壓水>第Ⅰ承壓水>潛水”的規(guī)律,說明從潛水到第Ⅰ承壓水、第Ⅱ承壓水,礦化度逐漸降低。由圖6(b)可知,潛水中部分樣點γK+/γCl->0.2,說明發(fā)生了鉀長石的溶解[29]。

圖6 研究區(qū)地下水γNa+-γCl-關(guān)系(a)、γK+/γCl--TDS(b)關(guān)系圖Fig. 6 Relation of γNa+-γCl-(a) and γK+/γCl--TDS(b) of groundwater in the study area

由圖7(a)可知,潛水投影點位于或接近1∶1線附近,表明潛水主要來源于大氣降水,主要離子Ca2+、Mg2+、HCO3-來源于碳酸鹽巖、鈣鎂硅酸鹽巖的風(fēng)化、溶解[32]。承壓水投影點主要分布在1∶1線下方,表明在地下水演化過程中HCO3-增加或Ca2+、Mg2+減少,結(jié)合Na+與Ca2+、Mg2+呈負相關(guān),說明通過離子交換作用,水中的Ca2+、Mg2+替換了土壤顆粒中的Na+,從而使γ(Ca2++Mg2+)濃度降低。

3.4.3 γCa2+/γMg2+

γCa2+/γMg2+值可以反映地下水中溶解物的特征,當(dāng)γCa2+/γMg2+值>2時,表明硅酸鹽溶解可使Ca2+和Mg2+進入地下水;當(dāng)γCa2+/γMg2+為1～2,表明方解石發(fā)生了溶解;當(dāng)γCa2+/γMg2+值為0～1,表明白云石或碳酸鹽巖發(fā)生了溶解[29]。

由圖7(b)可知,潛水樣品大部分γCa2+/γMg2+值>2(少部分為1～2),表明潛水主要為硅酸鹽巖溶解及少量方解石溶解;承壓水部分樣品γCa2+/γMg2+值為1～2,表明承壓含水層方解石發(fā)生了溶解。

圖7 研究區(qū)地下水和γCa2+/γMg2+-TDS(b)關(guān)系圖Fig. 7 Relation of and γCa2+/γMg2+-TDS(b) of groundwater in the study area

3.4.5 γNa+/γCa2+

由圖8(b)可知,承壓水γNa+/γCa2+值大部分>2,表明承壓水中Ca2+、Na+之間發(fā)生了陽離子交換,同時伴隨著硅酸鹽巖的溶解[32]。潛水中γNa+/γCa2+值大部分為0.5～2,表明大氣降水淋濾、碳酸鹽巖溶解占了較大比重,該結(jié)論與3.2章節(jié)得出的結(jié)論一致。

圖8 研究區(qū)地下水和γNa+/γCa2+-TDS(b)關(guān)系圖Fig. 8 Relation of and γNa+/γCa2+-TDS(b) of groundwater in the study area

3.5 Piper三線圖

利用Origin Pro軟件中的Piper模塊繪制地下水Piper三線圖(圖9)。潛水水化學(xué)類型以Ca·

圖9 研究區(qū)地下水Piper三線圖Fig. 9 Piper three-line diagram of groundwater in the study area

Na-HCO3型、Ca·Na-HCO3·SO4型為主,第Ⅰ承壓水水化學(xué)類型以Ca·Na-HCO3型、Ca-HCO3型為主,第Ⅱ承壓水水化學(xué)類型以Ca·Na-HCO3型、Na-HCO3型為主?？傮w看,承壓水水化學(xué)類型較單一,潛水水化學(xué)類型相對復(fù)雜,主要由于潛水處于半開放狀態(tài),影響因素較多,而承壓水處于半封閉狀態(tài),離子濃度相對穩(wěn)定。潛水中弱酸根>強酸根,表明自然環(huán)境下的濃縮作用不強烈。

(1) 地下水主要陽離子為Na++K+和Ca2+,從承壓水到潛水,Na++K+比重逐漸減少,Ca2+比重逐漸增大,Mg2+比重基本不變。

4 結(jié)論

(2)地下水主要受礦物風(fēng)化-溶濾作用影響,硅酸鹽巖的溶解對地下水化學(xué)特征影響較大。潛水受人類活動影響,其中工礦活動的影響大于農(nóng)業(yè)活動、生活污水的影響。承壓水發(fā)生了陽離子交換作用,Ca2+和Mg2+濃度降低,Na+濃度增高。

(3)潛水的水化學(xué)類型以Ca·Na-HCO3型、Ca·Na-HCO3·SO4型為主;承壓水的化學(xué)類型單一,第Ⅰ承壓水水化學(xué)類型以Ca·Na-HCO3型、Ca-HCO3型為主,第Ⅱ承壓水水化學(xué)類型以Ca·Na-HCO3型、Na-HCO3型為主。