干旱半干旱地區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因

武超，禤映雪，張涵，敦宇，吳國慶，曹英杰,5

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061；2.中國地質(zhì)調(diào)查局/河北省地下水污染機(jī)理與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050061；3.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510006；4.中山大學(xué)廣東省環(huán)境污染控制與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006；5.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，廣東 珠海 519080)

干旱半干旱地區(qū)地下水的可持續(xù)利用關(guān)系到區(qū)域生態(tài)安全與糧食安全[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)的快速發(fā)展，地下水資源開采量日益增大，使供水短缺問題變得更加突出[2-3]。由水質(zhì)惡化導(dǎo)致的水資源問題比水量減少更加嚴(yán)重[4-5]。影響水質(zhì)的因素可概括為自然因素和人為因素。自然因素包括氣候、地貌、水文地質(zhì)、構(gòu)造背景、補(bǔ)給類型、巖石類型及風(fēng)化程度等多種因素[6]，深入揭示自然因素的影響對認(rèn)識區(qū)域水文地球化學(xué)演變具有重要意義[7]。人為因素在自然因素影響的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變水質(zhì)，甚至導(dǎo)致水質(zhì)惡化。干旱區(qū)和半干旱區(qū)降水量稀少，地表水資源匱乏，地下水成為當(dāng)?shù)毓┧闹饕?。受干旱氣候影響，其水文地球化學(xué)特征較濕潤區(qū)存在顯著差異，受蒸發(fā)濃縮作用影響，總?cè)芙庑怨腆w(TDS)較高，主量離子化學(xué)計量特征也存在顯著差異。開展干旱和半干旱區(qū)地下水水化學(xué)研究不僅對闡明地下水的起源與形成具有重要的科學(xué)意義，而且對科學(xué)合理地進(jìn)行地下水開發(fā)與保護(hù)具有重要價值[8-11]。

烏拉蓋地區(qū)降水量稀少，蒸散發(fā)強(qiáng)烈，受蒸發(fā)濃縮影響，地下水具有天然鹽化趨勢，同時農(nóng)牧業(yè)及農(nóng)村生活造成地下水污染，對地下水資源安全供給造成潛在威脅。據(jù)此，綜合水化學(xué)計量分析、多元統(tǒng)計分析、空間統(tǒng)計分析及氧化還原分析等手段開展區(qū)域水文地球化學(xué)特征研究，識別影響地下水水化學(xué)組成的自然因素和人為因素，以期為地下水合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)烏拉蓋地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部(東經(jīng)118°44′～119°50′，北緯45°29′～46°38′)，東西寬90 km，南北長937 km，總面積約5 014 km2，見圖1。地勢東北高西南低，主要由低山丘陵、溝谷和平灘地組成，坡度一般在10°～15°，海拔855.1～1 334.9 m。主要植被覆蓋為草甸草原和典型草原，其中以草甸草原為主。

圖1 研究區(qū)地下水分區(qū)及采樣點(diǎn)Fig.1 Groundwater subzone and sampling sites

研究區(qū)氣候?qū)僦袦貛О敫珊敌詺夂?，四季交替明顯，晝夜溫差大。多年(1955—2014年)平均氣溫0.63 ℃，冰凍期10月份上旬至翌年6月份，最大凍結(jié)深度可達(dá)3.28 m。多年平均日照時數(shù)3 062.3 h，日照百分率69.1%，多年平均風(fēng)速17.7 m/s。

綜合地形地貌及水文地質(zhì)特征，將研究區(qū)劃分為3個水文地質(zhì)分區(qū)：分區(qū)1(色也勒欽河)、分區(qū)2(烏拉蓋河上游)及分區(qū)3(烏拉蓋河中游)。水文地質(zhì)鉆探表明，含水層在埋深約50 m具有局部不連續(xù)的低滲透性黏土層，導(dǎo)致深層(埋深>50 m)地下水具有微承壓性。據(jù)此，以埋深50 m為界將樣品劃分為淺層(埋深≤50 m)和深層(埋深>50 m)地下水。具有供水意義的含水層為第四系松散巖孔隙含水層，主要分布于溝谷平原和枝狀溝谷上，如烏拉蓋沖洪積平原、色也勒欽河沖洪積平原。含水層由上更新統(tǒng)礫砂石、含礫砂組成，結(jié)構(gòu)松散，底板為上更新統(tǒng)黏土或砂質(zhì)黏土，隔水性好。自溝谷上游到下游，含水層顆粒由粗變細(xì)，水位埋深由深變淺。

1.2 樣品采集與分析

樣品采集。根據(jù)水文地質(zhì)勘察規(guī)范并綜合考慮水文地質(zhì)單元分區(qū)特征，于2019年9月采集地下水樣品103組(圖 1)，其中，分區(qū)1樣品數(shù)為41個，分區(qū)2樣品數(shù)為32個，分區(qū)3樣品數(shù)為30個。采樣前抽取至少3倍鉆孔體積的地下水，確保樣品代表性。樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后密封保存于500 mL聚乙烯樣品瓶中，低溫送至實(shí)驗(yàn)室置于4 ℃冰箱冷藏保存?，F(xiàn)場通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得采樣點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)。

多元統(tǒng)計分析。利用IBM SPSS 20.0對地下水水化學(xué)組分進(jìn)行因子分析，采用對數(shù)變換改善數(shù)據(jù)的正態(tài)性。因子旋轉(zhuǎn)采用Varimax法，因子得分采用線性回歸方法計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水水化學(xué)特征

2.1.1水化學(xué)總體特征

2.1.2水化學(xué)分區(qū)及分層特征

各分區(qū)(分區(qū)1、2和3)不同層位(淺層及深層)地下水基本參數(shù)及主量離子分布特征見圖 2。雙因素方差分析表明，TDS表現(xiàn)為較強(qiáng)的分區(qū)變異性(p<0.05)，垂向分層差異不顯著(p>0.05)：分區(qū)3的TDS最高，均值約為917 mg/L；分區(qū)1次之，約為426 mg/L；分區(qū)2最低，約為372 mg/L。地下水pH則表現(xiàn)為分層異質(zhì)性(p<0.05)，空間分區(qū)差異不顯著(p>0.05)：淺層pH普遍低于深層，深層pH均值約為7.6，淺層均值約為7.4。地下水DO主要表現(xiàn)為分區(qū)異質(zhì)性(p<0.05)，分層差異并不顯著(p>0.05)：分區(qū)1和分區(qū)2的DO質(zhì)量溶度相對較高，呈氧化態(tài)，均值分別為5.07和5.65 mg/L；分區(qū)3地下水DO質(zhì)量濃度相對較低，均值約為4.00 mg/L。

圖2 研究區(qū)地下水基本參數(shù)及主量離子空間分布(分區(qū)分層)箱式圖Fig.2 Box plot of filed parameters and major ions in groundwater

主量陽離子組成方面，Na+存在較顯著的分區(qū)異質(zhì)性(p<0.05)，但是分層異質(zhì)性并不顯著(p>0.05):分區(qū)1和2的Na+質(zhì)量濃度相對較低，均值分別為30.9和24.1 mg/L；分區(qū)3的Na+質(zhì)量濃度則較高，均值約為122.0 mg/L。由圖 2可知，除分區(qū)3淺層Na+質(zhì)量濃度高于深層外，分區(qū)1和2深淺層Na+質(zhì)量濃度沒有顯著性差異。K+存在較顯著的分區(qū)異質(zhì)性(p<0.05)和相對較弱的分層異質(zhì)性(p<0.10):分區(qū)1和分區(qū)2的K+質(zhì)量濃度相對較低，均值分別為1.4和1.2 mg/L；分區(qū)3的K+質(zhì)量濃度則較高，均值約為3.2 mg/L。淺層K+質(zhì)量濃度高于深層，淺層平均約為2.1 mg/L，深層平均約為1.5 mg/L。Ca2+存在較顯著的分區(qū)異質(zhì)性(p<0.05)和不顯著的分層異質(zhì)性(p<0.10):分區(qū)1和2的Ca2+質(zhì)量濃度相對較低，均值分別為58.8和59.3 mg/L；分區(qū)3的Ca2+質(zhì)量濃度則較高，均值約為87.4 mg/L。各分區(qū)Ca2+深淺層質(zhì)量濃度變化特征存在一定差別，其中,分區(qū)1和分區(qū)2深淺層較為接近，分區(qū)3淺層地下水Ca2+質(zhì)量濃度顯著高于深層，其淺層Ca2+平均質(zhì)量濃度為70.7 mg/L，深層平均質(zhì)量濃度為62.8 mg/L。Mg2+存在較顯著的分區(qū)(p<0.05)和分層異質(zhì)性(p<0.05):分區(qū)1和分區(qū)2的Mg2+質(zhì)量濃度相對較低，均值分別為14.8和11.0 mg/L；分區(qū)3的Mg2+質(zhì)量濃度則較高，均值約為38.8 mg/L；且淺層Mg2+質(zhì)量濃度普遍高于深層，淺層均值約為22.8 mg/L，深層均值約為17.7 mg/L。

2.1.3水化學(xué)類型分區(qū)及分層特征

研究區(qū)主要的水化學(xué)類型[12](圖 3)為Ca-HCO3型(占比37%)、Ca-Na-HCO3型(26%)、Ca-Mg-Na-HCO3型(12%)及Ca-Mg-HCO3型(8%)，其他類型占比為17%。不同水化學(xué)類型分布的區(qū)域及層位存在一定差異:分區(qū)1淺層地下水主要為Ca-HCO3型(40%)，深層地下水則主要為Ca-HCO3型(38%)和Ca-Na-HCO3型(38%)；分區(qū)2淺層地下水也主要為Ca-HCO3型(57%)，深層水化學(xué)類型發(fā)生變化，主要為Ca-HCO3型(54%)和Ca-Na-HCO3型(45%)；分區(qū)3水化學(xué)類型較為多樣，淺層地下水主要為Ca-Mg-Na-HCO3型(37%)，其他類型也均有分布，深層地下水則主要為Ca-Na-HCO3型(29%)，其他水型也均有分布。

圖3 研究區(qū)地下水Piper三線圖Fig.3 Piper plot of groundwater

2.2 地下水水化學(xué)形成作用

2.2.1控制地下水水化學(xué)的自然因素

主控自然因素識別。Gibbs圖[13]及其改進(jìn)版本[14]被廣泛應(yīng)用于識別地表水及地下水的水化學(xué)形成作用。淺層和深層地下水Gibbs圖(圖 4)顯示控制水化學(xué)演化的自然因素存在分區(qū)及分層差異性。其中：分區(qū)1和2的深淺層地下水主要受控于水巖作用[15-17]；分區(qū)3則相對復(fù)雜，淺層地下水點(diǎn)位TDS呈升高趨勢，偏離水巖作用區(qū)向鹵水端偏移，表明分區(qū)3淺層地下水除受控于水巖作用外，還受到蒸發(fā)濃縮作用影響，其深層地下水中蒸發(fā)濃縮作用較弱，但是部分點(diǎn)位受離子交換作用影響呈現(xiàn)Ca2+降低而Na+升高的現(xiàn)象。各分區(qū)地下水埋深也存在一定差別：分區(qū)1和2淺層地下水平均埋深分別為6.6和6.7 m；分區(qū)3平均埋深約為5.2 m，更容易受到蒸發(fā)濃縮作用的影響。

圖4 研究區(qū)地下水Gibbs圖Fig.4 Gibbs plot of groundwater samples

圖5 淺層及深層地下水水化學(xué)因子分析結(jié)果Fig.5 Factor analysis of shallow and deep groundwater hydrochemistry

主控水巖反應(yīng)類型及主量離子源解析。如上所述，水巖作用是控制區(qū)域地下水水化學(xué)特征的主要因素。根據(jù)離子濃度比(圖 6)可以進(jìn)一步推斷主控的水巖作用類型[18-20]。無論淺層還是深層地下水，大部分的采樣點(diǎn)位于硅酸巖和碳酸鹽巖水巖作用控制區(qū)之間，更靠近硅酸巖風(fēng)化區(qū)，由此表明該地區(qū)硅酸巖的水巖反應(yīng)是主控類型，碳酸鹽巖次之，蒸發(fā)巖影響較為微弱，這與區(qū)域地質(zhì)背景相匹配。

圖6 地下水水巖作用Fig.6 Water-rock reaction in groundwater

利用主量離子相關(guān)關(guān)系圖(圖 7)可以進(jìn)一步判斷主量離子來源。

Na+和K+方面：當(dāng)Na++K+與Cl-的當(dāng)量比等于1時，地下水中的Na+和K+主要來自蒸發(fā)巖的溶解[21-22]；當(dāng)該比值不等于1時，表明Na+和K+除蒸發(fā)巖溶解外還存在其他巖石的溶解。由圖 7(a)可知，除分區(qū)1和2部分樣點(diǎn)外位于1∶1等當(dāng)量線上，絕大部分樣點(diǎn)位于1∶1線下方，Na++K+不能完全被Cl-平衡，相對Cl-盈余，表明蒸發(fā)巖溶解不是研究區(qū)Na+和K+主要貢獻(xiàn)源。Na++K+通常主要被認(rèn)為來源于蒸發(fā)巖或硅酸鹽巖的風(fēng)化[23-25]，因此，盈余的Na++K+表明硅酸鹽巖中鈉鉀長石風(fēng)化的貢獻(xiàn)[11]。

2.2.2控制地下水水化學(xué)的人為因素

圖7 地下水主量離子相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between major ions in groundwater

圖8 地下水質(zhì)量分類空間分布特征Fig.8 Spatial distribution characteristics of pollution level in groundwater

表1 地下水硝酸鹽空間自相關(guān)統(tǒng)計分析結(jié)果Tab.1 Spatial autocorrelation analysis of nitrate in groundwater

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圖9 地下水pH-pe圖Fig.9 Groundwater pH-pe diagram

3 結(jié) 論

研究區(qū)地下水水化學(xué)呈現(xiàn)顯著的空間分區(qū)特征。不同分區(qū)深、淺層地下水水化學(xué)類型存在一定差異：分區(qū)1淺層地下水主要為Ca-HCO3型(40%)，深層地下水則主要為Ca-HCO3型(38%)和Ca-Na-HCO3型(38%)；分區(qū)2淺層地下水也主要為Ca-HCO3型(57%)，深層水化學(xué)類型發(fā)生變化，主要為Ca-HCO3型(54%)和Ca-Na-HCO3型(45%)；分區(qū)3水化學(xué)類型較為多樣，淺層地下水主要為Ca-Mg-Na-HCO3型(37%)，其他類型也均有分布，深層地下水則主要為Ca-Na-HCO3型(29%)。

水巖作用是控制研究區(qū)水化學(xué)演化的主要因素，不同分區(qū)及分層仍舊存在一定差異。其中，分區(qū)3還受到蒸發(fā)濃縮及離子交換作用的影響。水巖作用中硅酸巖風(fēng)化作用是主控作用，碳酸鹽巖溶解次之，蒸發(fā)巖影響較為微弱，這與區(qū)域地質(zhì)背景相匹配。因子分析表明人類活動也是影響地下水水化學(xué)特征的重要因素。

研究區(qū)存在一定的地下水硝酸鹽污染現(xiàn)象?？臻g分析表明，全區(qū)范圍內(nèi)硝酸鹽空間分布呈典型的隨機(jī)分布模式，污染點(diǎn)位沒有離散和聚集效應(yīng)，區(qū)域分散的農(nóng)牧業(yè)及人類活動成為地下水硝酸鹽污染的重要點(diǎn)源。氧化還原分析表明區(qū)域存在潛在的反硝化趨勢。