新會區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因

倪澤華

（廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510110）

地下水在循環(huán)過程中不斷與周圍環(huán)境相互作用導(dǎo)致了地下水水化學(xué)特征差異的形成，影響其分布規(guī)律的因素主要有氣候條件、徑流條件、地形地貌等自然因素，人類活動的影響也不容忽視[1-2]。通過分析地下水的水化學(xué)特征及成因能夠揭示地下水的循環(huán)機(jī)理[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者常利用描述性統(tǒng)計(jì)法[4]、Piper三線圖法[5]、Gibbs圖法[6-7]、離子比例法和飽和指數(shù)法[8]等方法研究地下水化學(xué)特征，近年來，同位素分析方法[9-10]、水文地球化學(xué)模擬[11]、物探結(jié)合地下水TDS分析方法[12]等也逐漸應(yīng)用于地下水化學(xué)特征的研究中。

珠江三角洲自古農(nóng)業(yè)活動繁盛，加之改革開放之后經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，成為國內(nèi)綜合實(shí)力最強(qiáng)的城市群之一，但這也對區(qū)域內(nèi)水環(huán)境造成巨大的影響[13-14]。新會區(qū)作為珠江三角洲西岸的一部分，地下水研究工作較少，掌握區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)組分的空間分布、水化學(xué)特征及成因，能夠完善珠三角地區(qū)地下水水化學(xué)特征研究工作，也為區(qū)內(nèi)地下水資源合理利用與保護(hù)提供依據(jù)。本文利用《新會區(qū)城市地質(zhì)調(diào)查》項(xiàng)目調(diào)查數(shù)據(jù)，采用Gibbs圖法、Durov圖法、離子比例法、飽和指數(shù)法等方法對區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)類型進(jìn)行分析，揭示區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)特征及其成因。

1 研究區(qū)概況

新會區(qū)在構(gòu)造單元上屬華南褶皺系之粵中坳陷區(qū)三級構(gòu)造單元。巖石類型復(fù)雜，沉積巖、變質(zhì)巖和侵入巖均有發(fā)育。南部和北部廣泛分布有花崗巖，南部為為燕山期花崗巖；北部主要為早燕山期晚三疊世花崗巖，局部見加里東期晚奧陶世片麻狀花崗巖。中部的第四系松散沉積層大面積分布，包括晚更新世禮樂組，全新世桂洲組、山間河流沖積層和現(xiàn)代人工填土。前第四紀(jì)地層出露面積較小，包括寒武紀(jì)牛角河組、高灘組，晚泥盆世春灣組，早白堊世百足山組和古新世莘莊村組。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，以北東東、北北西、北東和北西向斷裂為主，部分?jǐn)嗔丫哂幸欢ǖ幕顒有?。根?jù)含水層類型，區(qū)內(nèi)地下水主要分為松散巖類孔隙水、紅層碎屑巖裂隙孔隙水、一般碎屑巖裂隙水、巖漿巖裂隙水四類。地下水總體流向?yàn)樽晕鞅毕驏|南，以蒸發(fā)和人工開采為主要排泄方式，最終排泄匯入于潭江、西江中。

2 數(shù)據(jù)來源與分析

本次采集地下水樣品120組，采樣時(shí)間為2020 年，采樣點(diǎn)主要為區(qū)內(nèi)調(diào)查民井，泉水出露點(diǎn)以及水文地質(zhì)鉆孔水樣（圖1）。樣品采集、保存和送樣嚴(yán)格按《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 164-2004）執(zhí)行，地下水樣品測試委托廣東省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心完成，其中水溫、pH、TDS、DO均為現(xiàn)場測試，其余指標(biāo)為實(shí)驗(yàn)室所測。對水樣結(jié)果進(jìn)行碳酸平衡、電荷平衡等預(yù)篩選后剔除1 組異常數(shù)據(jù)，剩下119 組地下水?dāng)?shù)據(jù)用于本次研究其中松散巖類孔隙水樣81 組，基巖裂隙水樣38 組。

圖1 新會區(qū)地下水采樣位置圖

3 結(jié)果與分析

3.1 水化學(xué)特征

3.1.1 水化學(xué)成分特征

本次地下水樣分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。其中松散巖類孔隙水pH變化區(qū)間4.25～8.47，其中60.49%的水點(diǎn)pH＜7，平均值6.62，總體呈弱酸性；溶解性總固體（TDS）變 化 區(qū) 間34 mg·L-1～15936 mg·L-1，其 中83.95%的 水 點(diǎn)＜1g·L-1，平均值1188.06 mg·L-1，總體為淡水；總硬度變化區(qū)間8.71 mg·L-1～2998 mg·L-1，平均值297.11 mg·L-1，總體硬度較低?；鶐r裂隙水pH變化區(qū)間4.77～8.62，其中71.05%的水點(diǎn)pH＜7，平均值6.60，總體呈弱酸性；溶解性總固體（TDS）變 化 區(qū) 間51 mg·L-1～15249 mg·L-1，其 中73.68%的 水 點(diǎn)＜1g·L-1，平均值2175.61 mg·L-1，總體為淡水；總硬度變化區(qū)間2.9 mg·L-1～4088 mg·L-1，平均值671.26 mg·L-1，總體硬度較低。

松散巖類孔隙水中陽離子以Ca2+為主，平均濃度為62.67 mg·L-1，其次為Na+，平均濃度為303.36 mg·L-1，K+、Mg2+濃度較低，平均濃度分別為24.13 mg·L-1、34.16 mg·L-1；陰離子以HCO3-為主，平均濃度為174.35 mg·L-1，其次為Cl-、SO42-、NO3-，其濃度平均值分別為547.47 mg·L-1、53.78 mg·L-1、23.11 mg·L-1（圖2）?；鶐r裂隙水中陽離子以Na+為主，平均濃度為530.73 mg·L-1，其次為Ca2+，平均濃度為161.98 mg·L-1。陰離子以Cl-為主，平均濃度為1197.68 mg·L-1，其次為HCO3-，平均濃度分別為63.98 mg·L-1。SO42-、NO3-濃度較低，平均濃度分別為78.27 mg·L-1、5.12 mg·L-1（圖2）。

圖2 新會區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)箱圖

3.1.2 水化學(xué)類型特征

Durov圖在繼承了Piper三線圖反映地下水的化學(xué)組分和水化學(xué)類型優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，又可以清楚展示pH和TDS的情況[15]。如圖3所示，松散巖類孔隙水以HCO3-Ca型水為主，其次為Cl-Na型水，另外還包含少量的HCO3-Na、SO4-Na、SO4-Ca型水。基巖裂隙水以Cl-Na型水為主，其次為HCO3-Na型水，另外還包含少量的HCO3-Ca、SO4-Na型水?；鶐r裂隙水中Cl-Na型水多分布于區(qū)內(nèi)海灣平原區(qū)，沿江兩岸及填海區(qū)等咸水分布區(qū)，推測受咸潮上溯、海水入侵的影響，導(dǎo)致該地區(qū)地下水礦化度高。

圖3 新會區(qū)地下水Piper三線圖

3.2 水化學(xué)類型成因分析

3.2.1 地下水化學(xué)控制作用

我回了一趟昌隆街看望父親，這是我離開之后的第二次回家。頭一次是五年前，謝瑞天陪我回來的，他說他的身份不便于見我父親，于是便在縣城的賓館里等我。

Gibbs圖能夠清晰的反映出地下水中主要離子受大氣降水、巖石風(fēng)化以及蒸發(fā)結(jié)晶三種作用影響[16]。

由圖4可知，區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水和基巖裂隙水均主要受到巖石風(fēng)化作用控制，其次受到部分蒸發(fā)結(jié)晶作用（右上角）的影響，結(jié)合這些蒸發(fā)結(jié)晶取樣點(diǎn)位置可以發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)主要分布于微咸水-咸水區(qū)以及沿海的人工圍墾區(qū)，地下水受海水影響嚴(yán)重，但是也存在兩個(gè)明顯受到人類活動影響的水點(diǎn)（qJ06-q，qJ19-q）。各地層雖都接受大氣降水補(bǔ)給，但經(jīng)歷了下滲、徑流過程中的溶濾、混合等作用后，大氣降水對地下水化學(xué)成分已沒有明顯影響。

圖4 新會區(qū)地下水水化學(xué)Gibbs圖

水體和圍巖（碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖）之間的相互作用可以根據(jù)Mg2+/Na+、Ca2+/Na+和HCO3-/Na+的比值關(guān)系進(jìn)行研究[17、18]。如圖5所示，研究區(qū)地下水樣點(diǎn)主要位于蒸發(fā)巖和硅酸鹽巖風(fēng)化端元之間，只有少部分樣點(diǎn)位于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風(fēng)化端元之間，表明蒸發(fā)巖和硅酸鹽巖在巖石風(fēng)化過程中起主要影響作用，碳酸鹽巖對其影響較小。其中基巖裂隙水樣主要受蒸發(fā)巖風(fēng)化作用影響，松散巖類孔隙水樣主要受硅酸鹽巖風(fēng)化作用影響。

圖5 新會區(qū)地下水Mg2+/Na+與 Ca2+/Na+、HCO3-/Na+與 Ca2+/Na+比值關(guān)系

3.2.2 礦物飽和指數(shù)

利用Phreeqc軟件可以計(jì)算出新會區(qū)地下水主要礦物（巖鹽、石膏、方解石、白云石）的飽和指數(shù)（SI），進(jìn)而判斷其溶解狀態(tài)[19]。

如圖6所示，新會區(qū)所有地下水點(diǎn)中的巖鹽和石膏均處于溶解狀態(tài)（SI＜0），說明巖鹽（NaCl、KCl）和石膏（CaSO4）溶解是研究區(qū)內(nèi)地下水礦化過程中K+、Na+、Cl-、Ca2+、SO42-的重要物質(zhì)來源。

圖6 新會區(qū)地下水主要礦物的飽和指數(shù)圖

方解石礦物（CaCO3）飽和指數(shù)結(jié)果顯示81%的水點(diǎn)（81.6%的基巖裂隙水、80.2%的松散巖類孔隙水）處于溶解狀態(tài)，白云石礦物（CaMg（CO3）2）飽和指數(shù)結(jié)果顯示87%的水點(diǎn)（84.2%的基巖裂隙水、88.9%的松散巖類孔隙水）處于溶解狀態(tài)，其余大部分水點(diǎn)中白云石和方解石均處于飽和狀態(tài)，另外由于補(bǔ)給、徑流、排泄的差異，少部分水點(diǎn)白云石和方解石溶解狀態(tài)存在差異。

3.2.3 主要離子比例關(guān)系

不同巖石風(fēng)化對地下水主要化學(xué)組分來源的影響可以通過離子比值法進(jìn)行判別[20]。自然條件下，地下水中的Na+、K+和Cl-主要來源于巖鹽的溶解作用。根據(jù)圖7中（a）圖和（b）圖可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)地下水多數(shù)分布于γ（Na+）/γ（Cl-）＞1，γ（Na++K+）/γ（Cl-）＞1的區(qū)域。其中基巖裂隙水中有63.2%的水點(diǎn)γ（Na+）/γ（Cl-）＞1，65.8%的水點(diǎn)γ（Na++K+）/γ（Cl-）＞1，說明區(qū)內(nèi)基巖裂隙水中除巖鹽的溶解作用外還存在硅酸鹽的溶解或陽離子交換作用導(dǎo)致Na+、K+濃度的升高。松散巖類孔隙水中54.3%的水點(diǎn)γ（Na+）/γ（Cl-）＞1，80.2%的水點(diǎn)γ（Na++K+）/γ（Cl-）＞1，也說明松散巖類孔隙水中除巖鹽的溶解作用外還存在硅酸鹽礦物的溶解作用、陽離子交換作用以及人類活動的影響，松散巖類孔隙水中K+濃度1.02 mg·L-1～125.4 mg·L-1，平均值為14.9 mg·L-1，變異系數(shù)為1.71，說明存在人類活動影響導(dǎo)致松散巖類孔隙水K+濃度明顯升高。對比區(qū)內(nèi)基巖裂隙水和松散巖類孔隙水γ（Na++K+）/γCl-＞1的水點(diǎn)數(shù)量可知，松散巖類孔隙水中的硅酸鹽的溶解作用明顯強(qiáng)于基巖裂隙水。

圖7中（c）圖顯示多數(shù)水點(diǎn)分布于γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-）＞1區(qū)域，但是基巖裂隙水中只有47.4%的水點(diǎn)γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-）＞1，結(jié)合（d）圖36.8%的基巖裂隙水點(diǎn)γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-）+SO42-）＞1可知，說明存在陽離子交換作用導(dǎo)致Ca2+和Mg2+濃度降低。松散巖類孔隙水中85.2%的水點(diǎn)γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3-＞1，說明松散巖類孔隙水中碳酸鹽巖（方解石、白云巖）和蒸發(fā)巖（石膏）均發(fā)生溶解，但蒸發(fā)巖的溶解作用更強(qiáng)，45.7%的水點(diǎn)γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-）＞1，說明存在陽離子交換作用導(dǎo)致Ca2+和Mg2+濃度降低。

圖7 新會區(qū)地下水離子比值關(guān)系圖

蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖礦物溶解作用的主導(dǎo)地位可以通過γ（Cl-+SO42-）/γ（HCO3-）關(guān)系判斷[21]。圖7（e）圖顯示多數(shù)水點(diǎn)γ（Cl-+SO42-）/γ（HCO3-）＞1，其中71.1%基巖裂隙水點(diǎn)，44.4%的松散巖類孔隙水點(diǎn)γ（Cl-+SO42-）/γ（HCO3-）＞1，說明基巖裂隙水中蒸發(fā)巖的溶解作用強(qiáng)于碳酸鹽巖的溶解作用，松散巖類孔隙水中碳酸鹽巖的溶解作用強(qiáng)于蒸發(fā)巖的溶解作用。

地下水中陽離子交換作用是否明顯可以根據(jù)γ（Na+-Cl-）與γ（Ca2++Mg2+）-γ（HCO3-+SO42-）的關(guān)系驗(yàn)證，當(dāng)γ（Na+-Cl-）與γ（Ca2++Mg2+）-γ（HCO3-+SO42-）比值接近-1時(shí)，表明地下水中陽離子交換作用明顯[22]。區(qū)內(nèi)地下水點(diǎn)沿著斜率-1.0282的直線分布（R2=0.987），說明區(qū)內(nèi)基巖裂隙水和松散巖類孔隙水均存在明顯的陽離子交換作用。但基巖裂隙水樣點(diǎn)沿著斜率-1.0004的直線分布（R2=0.9956），而松散巖類孔隙水樣點(diǎn)沿著斜率-1.1361的直線分布（R2=0.9761），說明地下水中基巖裂隙水的陽離子交換作用強(qiáng)于松散巖類孔隙水。

地下水化學(xué)演化過程中離子交換強(qiáng)度可以根據(jù)地下水氯堿指數(shù)（CAI）判別，若地下水中Ca2+或Mg2+與含水層中的Na+進(jìn)行交換，則CAI-I與CAI-II均為負(fù)值；若地下水中的Na+與含水層中的Ca2+或Mg2+發(fā)生離子交換，則CAI-I與CAI-II均正值[23]。

2（Na，K）++ （Ca，Mg）X2=（Ca，Mg）2++2（Na，K）X（逆向陽離子交換作用）

圖8顯示66.4%的水點(diǎn)（63.2%的基巖裂隙水、67.9%的松散巖類孔隙水）CAI-I和CAI-II值均為負(fù)值，說明地下水中主要發(fā)生Ca2+或Mg2+將含水層礦物中Na+、K+交換出來的離子交換反應(yīng)，最終導(dǎo)致地下水中Na+、K+濃度升高的情況。然后將氯堿指數(shù)均為負(fù)值的水點(diǎn)與圖7的（c）、（d）圖中γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3-＜1和γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-）＜1的水點(diǎn)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)氯堿指數(shù)均為負(fù)值的水點(diǎn)同時(shí)滿足γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3-＜1且γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-））＜1，這說明這部分水點(diǎn)的Ca2+或Mg2+濃度降低是因?yàn)殛栯x子交換作用導(dǎo)致的。

圖8 新會區(qū)地下水氯堿指數(shù)關(guān)系圖

3.2.4 人類活動影響

區(qū)內(nèi)影響地下水水化學(xué)成因的主要人類活動有工礦活動、農(nóng)業(yè)活動以及生活污水排放。通過將Cl-、SO42-、NO3-這三個(gè)有明顯人類活動特征的離子代入Gibbs模型的陰離子式[24]，進(jìn)一步解釋人類活動對地下水的水化學(xué)特征的影響，結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)地下水受到水巖作用和人類活動共同影響。再根據(jù)SO42-/Ca2+與NO3-/Ca2+關(guān)系圖[25-28]發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)活動和生活污水排放對地下水的影響更大，最后根據(jù)K+與NO3-比值關(guān)系圖（圖9（c））判斷農(nóng)業(yè)活動和生活污水排放的主導(dǎo)作用，結(jié)果顯示62%的水點(diǎn)分布在1∶1等值線的上方，說明區(qū)內(nèi)主要受到生活污水排放污染，這一結(jié)果與調(diào)查區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)普遍存在的生活污水未經(jīng)處理隨意排放以及化糞池泄露的情況相符。

圖9 比值關(guān)系圖

4 結(jié)論

1）新會區(qū)松散巖類孔隙水和基巖裂隙水pH均呈弱酸性。松散巖類孔隙水中陽離子主要為Ca2+，陰離子主要為HCO3-；水化學(xué)類型以HCO3-Ca型水為主，其次為Cl-Na型水?；鶐r裂隙水陽離子主要為Na+，陰離子主要為Cl-；水化學(xué)類型以Cl-Na型水為主，其次為HCO3-Na型水。

2）新會區(qū)地下水中Na+、K+、和Cl-主要來自巖鹽礦物的溶解，過量的Na+、K+來源于鈉長石和鉀長石等硅酸礦物的溶解、陽離子交換作用以及人類活動的影響，并且松散巖類孔隙水中的硅酸鹽的溶解作用明顯強(qiáng)于基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)地下水中Ca2+和Mg2+主要來源于蒸發(fā)巖（石膏）和碳酸鹽巖（方解石、白云巖）的風(fēng)化溶解作用，在基巖裂隙水中蒸發(fā)巖的溶解作用強(qiáng)于碳酸鹽巖的溶解作用，在松散巖類孔隙水中碳酸鹽巖的溶解作用強(qiáng)于蒸發(fā)巖的溶解作用。

3）除了巖石風(fēng)化作用外，松散巖類孔隙水和基巖裂隙水中發(fā)生了明顯的Ca2+或Mg2+將含水層礦物中Na+、K+交換出來的正向陽離子交換作用，最終導(dǎo)致地下水中Na+、K+濃度升高，而且基巖裂隙水中的陽離子交換作用強(qiáng)于松散巖類孔隙水。

4）新會區(qū)地下水受到的人類活動影響主要為農(nóng)業(yè)活動和生活污水排放，而且以生活污水排放污染影響為主，部分水點(diǎn)受到工礦活動的影響。