广西防城区地下水水化学特征及离子来源分析

陈 雯，黎清华，余绍文，刘怀庆

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉430205）

广西防城区地下水水化学特征及离子来源分析

陈 雯，黎清华，余绍文，刘怀庆

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉430205）

查明防城区地下水水化学特征及主要离子来源，对该地区地下水资源保护和开发利用具有重要意义。以防城区地下水为研究对象，通过分析水化学组分和氢氧同位素特征，研究地下水水化学特征，确定补给来源，识别其主要组分的物质来源。研究结果表明：研究区地下水水化学类型主要为HCO3-Mg·Ca型、SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·Cl-Na型，阳离子以Ca2+和Na+为主，阴离子以HCO3-和SO42-为主。同位素分析显示，研究区地下水以大气降水补给为主。Ca2+、Mg2+、HCO3-主要来源于碳酸盐岩的溶解，而高位养殖、农业活动、工业排污等导致地下水中SO42-、Na+、K+、Cl-、NO3-含量增加。

地下水；水化学；离子来源；防城区

防城区地处中国南疆北部湾畔，位于防城港市中心位置，北通南宁，南至防城港，东接钦州，西南达中越边关东兴，地理坐标东经108°15′～108° 30′，北纬21°40′～21°50′，面积478 km2。防城区属海洋性季风气候，多年平均降雨量2362.6 mm，降雨主要集中在每年6-9月份，占全年降雨量的71%左右，地表水资源时空分布极不均匀。

随着《北部湾经济区发展规划》批准实施，防城区迎来建设浪潮，成为广西发展县域工业试点县和农业综合开发区，在经济发展的同时，“三废”排放量不断增加，地表水受到的污染日益严重。水资源是制约一个地区可持续发展的关键因素之一，目前该地区地下水研究程度较低，水文地球化学研究工作几乎是空白。通过研究一个地区地下水水化学特征，可以揭示地下水环境质量现状及其与环境之间的相互作用机制，为区域地下水资源开发、利用和保护提供科学依据[1-8]。本文在对防城区100个地下水样水化学数据分析的基础上，研究防城区地下水水化学特征，辨识主要离子来源，分析人类活动对地下水质的影响，以期为该地区地下水资源开发、利用和保护提供科学依据。

1 研究区大地构造及水文地质背景

研究区位于华夏古陆与南华活动带的交切部位，地跨华夏陆块一个二级构造单位。研究区发育主要构造有沙田向斜、防城向斜、那梭向斜，构造的总体走向呈北东-南西向，构造内发育次一级规模不等的断裂，断裂以逆断层为主，断距可达1.5-3.5 km，正断层规模较小。由于研究区经历了多次构造运动，岩层较为破碎，构造裂隙较为发育，这些构造对研究区地下水的埋藏、分布起着控制作用。

研究区位于十万大山的南东侧，地势大致为北西高，南东低，由北西向南东倾斜，区内主要地下水类型包括第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂隙水三大类。第四系地下水主要分布于区内主要河流防城江两岸，第四系松散沉积物厚度一般3.6-10.6 m，防城江两岸厚度可达15 m，往下游厚度逐渐增加，富水性中等。碎屑岩类裂隙孔隙水主要分布于茅岭一带，由侏罗系砂岩、粉砂岩组成，地下水主要接受大气降水入渗补给，由于基岩充填胶结较差，裂隙孔隙均较发育且风化较弱，补给条件较好，水量贫乏-中等。区内基岩裂隙水主要分布于志留系、二叠系砂岩、粉砂岩岩组，广泛分布于低山丘陵区，大气降水沿基岩构造裂隙以分散渗入方式补给地下水，受构造活动控制富水性不稳定，富水区多位于沟谷平原下部或周边地区。

2 采样及测试方法

本次研究在2014年7月丰水期进行野外调查和取样，共设置地下水采样点100个，在采样点中，松散岩类孔隙水6件，碎屑岩类裂隙孔隙水7件，基岩裂隙水87件，采样点分布如图1所示。采样点的布设原则为：兼顾研究区所有地层及不同岩性含水层条件下，沿途在每个村、镇选取与当地居民生活、生产和农业活动密切相关的民井开展系统采样工作。

采样瓶选取500 mL聚乙烯瓶，采集的地下水样当天用0.45μm微孔滤膜过滤，每个采样点采集水样两瓶。其中，一瓶加入优级纯浓硝酸至pH＜2用于阳离子分析，另一瓶不添加任何试剂，用于阴离子测试。

采样现场用便携式水质分析仪（美国哈希HQ40d）测定了水温、水位、pH值、溶解氧（DO）、电导率（EC）。其他指标在水样采集后的一周内送至国土资源部岩溶地质环境监督检测中心进行测试。测试指标包括：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-和总溶解固体（TDS）。

3 结果与分析

研究区地下水水化学参数及主要离子浓度统计分析结果见表1，松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂隙水pH均值分别为5.87、6.11和6.16，整体上属于弱酸性水，但是三类地下水均有部分水样呈酸性。三类地下水TDS均值低于200 mg/L，说明地下水以低矿化度水为主。三类地下水的阳离子以Ca2+和Na+为主，阴离子以HCO3-和SO42-为主，其中，Ca2+含量均值分别为22.08, 17.34,16.86 mg/L；Na+含量均值分别为9.98,6.8, 15.46 mg/L；HCO3-含量均值分别为44.75,74.51, 44.44 mg/L；SO42-含量均值分别为22.3,18.74,27.25 mg/L。地下水中主要离子Ca2+、Na+、HCO3-和SO42-的含量分布及动态变化特征与区内地下水补径排条件息息相关。三类地下水中K+、Cl-含量不高，对应均值分别为7.23,1.89,3.92和16.43, 11.49,25.44 mg/L，而NO3-含量较高，对应均值分别为18.27,17.50,27.79 mg/L，这很可能受人类活动影响。

图1 研究区地质简图和采样点分布图Fig.1 Simplified geologic map ofthe studyarea and location ofthe samplingpoints1-水样采集点；2-断裂；3-河流；4-松散岩类孔隙水；5.碎屑岩类裂隙孔隙水；6-基岩裂隙水；7-城区；8-镇

表1 研究区不同类型地下水水化学参数统计表Table 1 Chemical parameters of groundwater of different aquifers in the study area

变异系数是反映统计数据离散程度的参数，变异系数越大，反映数据波动越大，说明受到外界的影响越大。基岩裂隙水为研究区主要地下水类型，其各项水化学参数指标中，除pH值外，其余指标变异系数大于1，反映了基岩裂隙水中主要阴阳离子含量分布变化范围大，受人类活动影响较大；松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水除了NO3-以外，其余指标变异系数均小于1。研究区三类地下水pH值变异系数分别为0.1,0.15,0.1，pH值数据波动小，反映了地下水天然pH值偏酸性。

将研究区三种类型地下水样测试数据分别投影到Piper三线图中（图2），并对其结果进行分析论述。

研究区地下水水化学类型第四系松散岩类孔隙水最为简单，基岩裂隙水最为复杂。第四系松散岩类孔隙水水化学类型以SO4·Cl-Ca·Mg型水为主。碎屑岩类孔隙裂隙水以HCO3-Mg·Ca型水和SO4·Cl-Ca·Mg型水为主。基岩裂隙水水化学类型包括HCO3-Mg·Ca型、SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4· Cl-Na型三种。总体而言，研究区地下水化学类型有HCO3-Mg·Ca型、SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·Cl-Na型三种，以SO4·Cl-Ca·Mg型水为主，在100件地下水样中，SO4·Cl-Ca·Mg型水样有53件，占水样总数的53%；HCO3-Mg·Ca型水样有18件，占18%；SO4·Cl-Na型水样有29件，占29%。

在研究区范围内，地下水水化学类型在空间上显示出一定的分带性，在北部丘陵地区，地下水以矿化度相对较低（TDS＜100mg/L）的HCO3-Mg·Ca型水为主。随着地下水径流到低洼平坦的平原区，地下水水化学类型以矿化度略高（100＜TDS＜200 mg/L）的SO4·Cl-Ca·Mg型水为主。在南部滨海地区，地下水水化学类型以矿化度最高（300＜TDS＜600 mg/L）的SO4·Cl-Na型水为主。总体而言，研究区地下水从北向南，随着地下水径流条件逐渐变差，地下水水化学类型逐渐由低矿化度的HCO3-Mg·Ca型水逐渐转化为，矿化度较高的SO4· Cl-Na型水，整体呈现出明显的分带性。

图2 地下水Piper三线图Fig.2 Piper diagramofgroundwater1-基岩裂隙水；2-松散岩类孔隙水；3-碎屑岩类孔隙裂隙水

4 讨论

4.1 地下水的补给来源

通过氢氧同位素示踪地下水的补给来源。研究区地下水δD值介于-38.06‰～-65.24‰，平均值为-48.86‰，δ18O值介于-6.28‰～-9.78‰，平均值为-7.62‰，总体上看，地下水D、18O同位素组成较稳定。根据所有地下水样品的δD和δ18O值，确定二者之间的线性关系，可得到研究区的地下水δD-δ18O关系式：δD=6.2473δ18O-1.2318（R2=0.8727）。根据降雨和地下水的氢氧同位素研究结果（图3），地下水的D、18O稳定同位素组成落在当地降水线附近，表明地下水主要接受大气降水的补给，大多数地下水的D、18O稳定同位素组成分布较为集中，稍偏离降雨线，表明总体而言地下水径流活动较强，地下水循环交替快。

4.2 地下水中主要组分的物质来源

研究区地下水的补给来源以大气降水为主，降水入渗补给含水层后，溶解、搬运岩土的部分组分，形成具有不同化学特征的地下水溶液。通过地下水化学参数的相关性分析，初步判断研究区地下水中主要组分的物质来源，相关性较好的离子通常具有相同的来源。研究区地下水各离子相关性分析结果见表2。

4.2.1 Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-的物质来源

由表2可知，Ca2+与HCO3-、Mg2+与HCO3-以及Ca2+、Mg2+和SO42-之间都有较为显著的相关性，反映了其来源与含水层中主要矿物碳酸盐岩方解石、白云石，以及硫酸盐岩石膏等矿物的风化溶解及沉淀。含水层中方解石、白云石及石膏的溶解反应方程为：

利用地下水中Mg/Ca摩尔比值能够反映其流经的含水层岩性，进一步识别其来源。研究表明[9]，当Mg/Ca摩尔比值介于0.01～0.26之间时，反映了碳酸钙的溶解；当Mg/Ca摩尔比值大于0.85时，反映了白云石的溶解；当Mg/Ca摩尔比值介于两者之间时，反映了碳酸钙和白云石的同时溶解。计算所有水样的Mg/Ca摩尔比值，并绘制HCO3-与Mg/Ca关系图（图4，图5）。研究区19%的地下水以碳酸钙溶解为主，58%的地下水存在碳酸钙和白云石的共同溶解，23%的地下水以白云石溶解为主。

图3 地下水与降水氢氧同位素关系图Fig.3 Plot ofOxygen and Hydrogen isotopic compositions ofgroundwater in the studyarea

表2 研究区地下水主要离子相关性Table 2 Correlation coefficients of ionic concentration of groundwater in study area

图4 研究区地下水HCO3-vs.Mg/Ca关系图Fig.4 Relationship ofHCO3-vs.Mg/Ca in the groundwater samples in the studyarea

由前文可知SO42-变异系数大于1，说明SO42-存在人为来源，如养殖排污、工业排污等，表明研究区地下水中SO42-的物质来源一方面为岩石矿物石膏的溶解，一方面是人为活动来源。

4.2.2 Na+、K+、Cl-、NO3-的物质来源

一般而言，地下水中Na+、K+主要来源于长石、云母及盐岩等岩石矿物的溶解[10]。研究区主要的含水岩组以志留系、二叠系砂岩、粉砂岩岩组为主，使得地下水中Na+、K+浓度不高，研究区三类地下水的Na+、K+含量均值分别为9.98，6.8,15.46mg/L和 7.23,1.89,3.92mg/L,但部分水样Na+、K+浓度较高，甚至分别达到108.15和23.95mg/L，这很可能是人为活动和农业养殖引起的，因为这些地下水点均位于高位养殖区和工厂周边。

沿海地区地下水样中Cl-含量不断增加，部分水井已咸化，这与沿海地区广泛分布的高位养殖密切相关[11-12]。Cl-和Na+的相关系数高达0.91，说明研究区地下水中Cl-和Na+具有相似的来源，地下水中Cl-主要来源于岩石矿物的溶解、沿海高位养殖和生活污水的排放等。

研究区地下水中NO3-含量为0-50mg/L，平均值分别为18.27,17.50,27.79 mg/L，超过Na+、K+含量均值，表明地下水中NO3-除了含水层岩石矿物溶解来源外，还有人为活动来源，比如农业活动、生活污水排放等。研究区农业综合开发成果显著，NO3-含量主要反映了农业活动对地下水的影响。

5 结论

（1）研究区地下水以大气降水补给为主，其水化学类型主要为HCO3-Mg·Ca型、SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·Cl-Na型。

（2）研究区地下水在不同水动力条件下，化学场具有一定的分带性，从北部低山丘陵地区到平原区到南部滨海地区矿化度（TDS）逐渐升高，水化学类型由HCO3-Mg·Ca型经SO4·Cl-Ca·Mg型转变为SO4·Cl-Na型。

（3）研究区地下水中阳离子以Ca2+和Na+为主，阴离子以HCO3-和SO42-为主。Ca2+、Mg2+、HCO3-主要来源于碳酸盐岩的溶解，SO42-、Na+、K+、Cl-、NO3-一部分来源于岩石矿物的溶解，一部分来源于人为活动的排放，Na+、K+、Cl-受到沿海高位养殖的影响，NO3-受到农业活动的影响，SO42-受到工业排污的影响。

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CHENWen,LI Qing-Hua,YUShao-Wen,LIUHuai-Qin

(Wuhan Center of China Geological Survey,Wuhan 430205,China)

Understanding of hydrochemical characteristics and ion source of groundwater in Fangcheng district, Guangxi province is important for protection and sustainable utilization of groundwater in this area.Hydrohemical components and hydrogen and oxygen isotopic data of the groundwater in the Fangcheng district are obtained to study the hydrochemical characteristics,determine the recharge source of the groundwater,identify the origin of major components in the groundwater.The results show that the main hydrochemical type of the groundwater in the study area are HCO3-Mg·Ca type,SO4·Cl-Ca·Mg type and SO4·Cl-Na type.The major chemical components of the groundwater are Ca2+,Na+,HCO3-and SO42-.The hydrogen and oxygen isotopic data demonstrates that the groundwater in the studyarea recharges fromprecipitation,Ca2+,Mg2+,HCO3-are mainlyderived fromthe dissolution of carbonate rocks in the aquifer,and high breeding,agriculture and industrial pollution lead to the concentration ofSO42-,Na+,K+,Cl-,NO3-increased.

groundwater;hydrochemical characteristics;ion source;Fangchengdistrict,Guangxi

P641.3

A 章编号：1007-3701（2017）02-162-07

10.3969/j.issn.1007-3701.2017.02.007

2017-2-12；

2017-5-7.

中国地质调查局项目“环北部湾南宁、北海、湛江1∶5万环境地质调查”（121201009000150020）.

陈雯（1985—），女，工程师，主要从事环境地质与水文地质方面的研究。E-mail：382500864@qq.com.

Chen W,Li Q H,Yu S W and Liu H Q.Hydrochemical characteristics and ion sources of groundwater in Fangcheng district,Guangxi.Geology and Mineral Resources of South China,2017,32(1): 162-168.