遼陽縣不同深度地下水化學(xué)特征及其控制因素研究

王 爽

(遼寧省遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

地下水化學(xué)特征既可以反映地下水的歷史演變,也可以為生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)提供非常珍貴的變化信息,研究地下水化學(xué)特征對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源管理規(guī)劃,全面掌握地下水環(huán)境變化過程等極具現(xiàn)實(shí)意義,如Carol等[1-2]。以濱海平原區(qū)為例,通過研究發(fā)現(xiàn)人類活動、蒸發(fā)作用以及溶濾作用會影響地下水的鹽化;張濤等對尼洋河沿岸地下水及河水化學(xué)特征利用離子比等、Gibbs模型、Piper三線圖和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究,并認(rèn)為硅酸鹽巖的溶解和巖石風(fēng)化決定著該流域水化學(xué)離子組成,這是影響離子組成的關(guān)鍵因素;周俊等以貢嘎山海螺溝流域?yàn)槔?運(yùn)用主成分分析、描述性統(tǒng)計(jì)等方法探究水化學(xué)主離子特征及控制因素,結(jié)果顯示主離子來源主要受巖石的化學(xué)風(fēng)化控制,該流域巖石風(fēng)化類型以碳酸鹽巖為主;劉久潭等以青島西海岸新區(qū)為例,應(yīng)用因子分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法研究地下水化學(xué)特征,結(jié)果表明水巖作用控制著該區(qū)域的水化學(xué)組成,生活污水排放、地質(zhì)因素及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動為主要污染源;韓峰等以新泰市為例,應(yīng)用因子分析和相關(guān)性分析的方法探究區(qū)域地下水化學(xué)特征,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該地區(qū)以HCO3-Ca型為主,人為活動、大氣降雨、蒸發(fā)濃度及巖石風(fēng)化是水化學(xué)組成主要影響因素[3-6]。

地下水在遼陽縣居民生活及工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)了重要的地位,截止目前研究遼陽縣地下水化學(xué)特征及其控制因素的較少。鑒于此,文章結(jié)合遼陽縣水文地質(zhì)條件,運(yùn)用主要離子關(guān)系圖、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法分析不同深度地下水化學(xué)特征及其控制因素,以期為科學(xué)管理保護(hù)及合理開發(fā)利用地下水資源提供決策依據(jù)。

1 采樣與測試

1.1 研究區(qū)概況

遼陽縣地處遼東半島中部,山區(qū)位于南部,平原區(qū)位于西部。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫為8.4℃,年降水量為735.3mm。境內(nèi)河流較多,太子河貫穿全境,主要河流有太子河、渾沙河、渾河、湯河、蘭河、細(xì)河、湯河西支、柳壕河、王家堡子河、八盤嶺河、河欄溝河、判甲爐河、楊柳河、兵馬河、南沙河、運(yùn)糧河、北地河等。境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜,其形跡以東西向構(gòu)造和新華夏系構(gòu)造為主體構(gòu)成地質(zhì)骨架,此外還有華夏系或華夏式系構(gòu)造、北西向構(gòu)造與旋卷構(gòu)造等。

1.2 測試方法

本研究于2020年5月和2020年11～12月對研究區(qū)采集36組淺層地下水樣和8組中深層地下水樣,共采集水樣44組,其中淺層水樣采自遼陽縣機(jī)民井和專門監(jiān)測站點(diǎn),中深層水樣全部來源于遼陽縣專門監(jiān)測站點(diǎn)。依據(jù)《地下水監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)范》進(jìn)行樣品的采集與保存,由遼陽縣礦產(chǎn)資源監(jiān)測中心完成地下水樣品的測試分析,測試質(zhì)量能夠達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范要求,測試指標(biāo)有NO3-、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+和溶解性固體總量TDS。結(jié)合測試數(shù)據(jù),運(yùn)用SPSS數(shù)理統(tǒng)計(jì)及離子比例系數(shù)法等分析地下水化學(xué)特征及類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水化學(xué)組分含量統(tǒng)計(jì)

研究地下水化學(xué)特征及其演變規(guī)律的關(guān)鍵是進(jìn)行化學(xué)參數(shù)的描述性統(tǒng)計(jì),特定時期內(nèi)地下水組分的變化狀況可以利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來衡量,故有必要分析中深層和淺層地下水的常規(guī)離子和溶解性固體總量TDS等化學(xué)參數(shù),如表1所示。

表1 遼陽縣地下水化學(xué)組分含量統(tǒng)計(jì)值

由表1可知,遼陽縣淺層和中深層地下水優(yōu)勢陽、陰離子分別為Ca2+、Na+和HCO3-,中深層各組分質(zhì)量濃度平均值均低于淺層地下水。從變異系數(shù)上,淺層地下水中除HCO3-外其它各離子變異系數(shù)較大(>50%),NO3-和Cl-變異系數(shù)極大(>100%);中深層地下水中只有1處檢出NO3-,除Cl-、SO42-變異系數(shù)極大外其它離子均相對較小。因此,人類活動可能已經(jīng)影響到了中深層地下水Cl-、SO42-及淺層地下水多數(shù)組分。

另外,淺層、中深層地下水質(zhì)量濃度ρ(TDS)為780.51mg/L和571.68mg/L,有3個淺層地下水樣為微咸水,所占比例3.33%,所有中深層水樣均為淡水。

2.2 地下水化學(xué)類型

研究選用三線圖示法揭示遼陽縣地下水化學(xué)特征及其演變規(guī)律,結(jié)果顯示中深層和淺層地下水優(yōu)勢離子不明顯,陽離子呈分散分布特征;陰離子呈集中分布特征,分布接近HCO3-軸,說明陰離子濃度占比較高,淺層地下水個別陰離子與Cl-軸相近[7-8]。

根據(jù)舒卡芙分類標(biāo)準(zhǔn)確定淺層和中深層地下水化學(xué)類型分別為12種、5種,淺層主要為HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型和HCO3-—Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Na+·Mg2+型,中深層主要為HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Ca2+型和HCO3-—Na+·Ca2+型。

2.3 地下水化學(xué)成因

1)離子相關(guān)性分析。研究采用SPSS20.0軟件分析遼陽縣中深層和淺層地下水常規(guī)化學(xué)指標(biāo)相關(guān)性如表2所示。

表2 遼陽縣地下水化學(xué)離子相關(guān)性

由表2可知,在0.01水平(雙側(cè))上淺層地下水中TDS質(zhì)量濃度與SO42-、Cl-、Mg2+高度正相關(guān)(R>0.8),在0.01水平(雙側(cè))上TDS質(zhì)量濃度與Ca2+、Na+中度正相關(guān)(0.5

在0.01水平(雙側(cè))上中深層地下水中TDS質(zhì)量濃度與SO42-、Cl-、Mg2+高度正相關(guān)(R>0.8),表明這三種離子顯著影響著中深層地下水TDS,具有重要控制作用。在0.01水平(雙側(cè))上ρ(SO42-)、ρ(Mg2+)與ρ(Cl--)高度正相關(guān)(R>0.9),表明三者來源可能相同。

2)溶濾作用。一般地,Gibbs半對數(shù)坐標(biāo)圖可以直觀地反映蒸發(fā)-濃縮、大氣降水以及巖石風(fēng)化作用等地下水化學(xué)形成機(jī)制[9]。由GIbbs曲線可知,在巖石風(fēng)化作用控制區(qū)分布的樣點(diǎn)反映了地下水化學(xué)受巖石溶濾作用的影響,隨著陰離子比值的增高部分淺層地下水樣點(diǎn)向蒸發(fā)-濃縮控制區(qū)移動。通過對比中深層和淺層地下水發(fā)現(xiàn),中深層明顯低于淺層地下水的陰離子比值和TDS質(zhì)量濃度,這表明淺層地下水存在相對復(fù)雜的組分控制因素。因此,巖石風(fēng)化溶濾作用是遼陽縣地下水化學(xué)形成的主要控制因素,蒸發(fā)-濃縮結(jié)晶作用對個別淺層地下水產(chǎn)生影響,地下水化學(xué)形成受大氣降水的影響較低[10]。

3)陽離子交替吸附作用。遼陽縣廣泛分布的黏性土為吸附作用提供了條件,可以利用離子濃度關(guān)系判定研究區(qū)地下水陽離子交換作用的發(fā)生程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn),遼陽縣地下水樣點(diǎn)大多分布于y=-x線周圍,通過擬合淺層和中深層地下水樣點(diǎn)數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的擬合曲線為y=-0.915x+0.7281、y=-1.087x+0.5285,相關(guān)系數(shù)R2為0.920和0.982,說明遼陽縣中深層和淺層地下水化學(xué)組分的形成機(jī)制與陽離子交替吸附作用存在密切聯(lián)系。

為了更加直觀地分析地下水陽離子交替吸附的正向和逆向反應(yīng)過程引入氯堿指數(shù)CAI1、CAI2,其中,CAI1與CAI2均為負(fù)值或正值時,則代表地下水中的陽離子發(fā)生正向(含水介質(zhì)中吸附態(tài)的K+、Na+被地下水中的Mg2+、Ca2+置換)和逆向(含水層中Mg2+、Ca2+被地下水中的K+、Na+置換)交換作用。研究區(qū)內(nèi)有100%的中深層樣點(diǎn)和90%的淺層樣點(diǎn)CAI1、CAI2為負(fù)值,可見中深層和淺層陽離子發(fā)生正向反應(yīng),即圍巖中的Na+、K+離子被地下水中的Mg2+、Ca2+離子置換,地下水中的Na+、K+離子增多,Mg2+、Ca2+離子減少。

4)人為活動的影響。人為活動對自然界水體的影響主要體現(xiàn)在NO3-濃度上,對于NO3-質(zhì)量濃度天然來源限制為10mg/L,超過該限制則表示人類氮源輸入對自然界水體產(chǎn)生影響。結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù),研究區(qū)超過NO3-濃度天然限制的淺層地下水樣點(diǎn)有11個,所占比例為30.56%,超過20mg/L(Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))的樣點(diǎn)有6個,所占比例16.67%,所有中深層地下水樣點(diǎn)均低于NO3-濃度天然限制。因此,人為因素已經(jīng)影響到了遼陽縣淺層地下水化學(xué)組成,未對深層地下水產(chǎn)生明顯影響[10-11]。

淡水環(huán)境下,Cl-作為地下水中的保守離子一般不參與離子交換和化學(xué)反應(yīng),能夠發(fā)揮示蹤劑的作用。化肥、工業(yè)和生活污水等人類活動與地下水環(huán)境中的高濃度Cl-有關(guān),可以利用Cl-來指示地下水受人類活動的影響,采用ρ(NO3-)與ρ(Cl-)關(guān)系圖反映硝酸鹽來源。結(jié)果表明,遼陽縣淺層地下水樣點(diǎn)的NO3-濃度>天然限制,其NO3-與Cl-之間的相關(guān)性較好,Cl-濃度隨著NO3-濃度的增加表現(xiàn)出顯著上升趨勢,這從側(cè)面反映了淺層地下水化學(xué)組成受人為因素的影響。同時,遼陽縣中深層和淺層地下水中的ρ(Cl-)與ρ(SO42-)之間的正相關(guān)性較好,表明化肥、工業(yè)和生活污水等人類活動也會影響到地下水硫酸鹽濃度。

3 結(jié) 論

1)遼陽縣淺層地下水優(yōu)勢陰陽離子為HCO3-、Ca2+,除HCO3-外其它離子均具有較大的變異系數(shù),說明外界影響對淺層地下水化學(xué)特征影響顯著;中深層地下水優(yōu)勢陰陽離子為HCO3-、Na+,除Cl-、SO42-外其它變異系數(shù)較為穩(wěn)定。

2)遼陽縣淺層和中深層化學(xué)類型分別為12種、5種,淺層主要為HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型和HCO3-—Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Na+·Mg2+型,中深層主要為HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Ca2+型和HCO3-—Na+·Ca2+型。

3)人類活動、陽離子交替吸附作用和巖石溶濾作用共同影響著地下水化學(xué)特征,并且淺層相較于中深層化學(xué)成分受人為因素的影響更顯著,人類活動與中深層及淺層地下水硝酸鹽、硫酸鹽變化有關(guān)。