旌阳区平原区浅层地下水水化学演化及影响因素分析

陈 盟， 吴 勇， 高东东， 吕 利

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西环境污染控制理论与技术重点实验室，桂林 541004； 2.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059；3、四川省环境科学研究院，成都 610064； 4.四川省地质工程勘察院集团有限公司，成都 610072)

地下水资源在工业、农业、城市发展和居民生活方面发挥着最大的作用。近年来，关于德阳市地区地下水水化学及水资源方面的研究较多。王亮等[1]采用主成分分析得出有机物污染是影响对德阳市地下水水质的主要因素。张敏等[2]利用模糊数学方法对德阳市平原区的地下水环境质量进行了评价及分区。陈盟等[3]对德阳市广汉市平原区的水化学演化及其控制因素进行分析，指出天然水-岩作用是控制水化学演化的主要因素。Zhang等[4]根据旌阳区的土地利用和农业氮肥施用估算了第四系含水层的氮负荷并预测了地下水中硝酸盐浓度。高东东等[5-6]相继对德阳市平原区地下水资源的富集特征及可持续开发利用进行了分析研究。这些研究成果为德阳地区地下水环境及地下水资源的后续研究提供了良好的基础，但缺乏对地下水水化学演化规律及形成机制的系统研究，针对德阳市旌阳区地下水水化学演化的研究更为少见，对该区的地下水开发利用及地下水生态保护有一定的限制作用。

随着城区规划与发展建设，旌阳区城镇居民生活用水等对水资源需求量加大，特别是地下水资源的需求使得区内供水压力剧增，且区内大面积分布的红层地区多不具备供水意义。因此，采用水化学分析、矿物风化系统、相关性及因子分析等方法阐述旌阳区平原区浅层地下水化学演化进程及其影响因素，以便对该地区的地下水资源的开发利用和地下水环境保护工作提供指导。

1 研究区概况

德阳市旌阳区地处成都平原东北部，南距成都市区40 km。地理坐标为31°05′N～31°20′N，104°15′E～104°33′E，总面积648 km2，西部平原区面积为384.6 km2，东部为丘陵低山区，面积为263.4 km2。

旌阳区四季分明，气候温和，属亚热带湿润和半湿润气候区，平均气温为16.1 ℃，平均降水量为893.4 mm，降雨时空分布不均，全年降雨量的80%以上多集中在5—9月，7月降水量最多(224.5 mm)，12月降雨量最少(4.5 mm)。

2 实验方法与数据分析

2.1 水样采集及分析

2.2 因子分析

因子分析(factor analysis，FA)作为多元统计方法的一种，通过浓缩原始数据，将彼此可能存在错综复杂关系的变量转换成几个不相关的综合因子[8]，根据不同研究对象的要求，可分为分析样品间相互关系的Q型和分析变量间相互关系的R型。其中R型因子分析常用于识别控制地下水化学特征的影响因素，能够剔除水化学组分中独立和重复的成分[9]，并反映出受人类活动控制或天然因素控制等的数据组，将水化学组分的内在联系归纳为少数几个公共因子[10-11]，能够适用于地下水水化学演化及影响因素分析方面的研究[12-13]。数据分析采用R型因子分析，特征值提取选用主成分法，分析和计算过程基于SPSS19.0平台。

表1 区内含水层分布及特征Table 1 Characteristics and distribution of aquifer in study area

图1 研究区水文地质简图Fig.1 Hydrogeological map of the study area

图2 研究区水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological profile of the study area

3 结果与分析

3.1 研究区水化学特征

3.2 水化学演化进程

蒸发浓缩作用对区内水化学组分及TDS浓度的影响显著，沿着地下水径流方向携带化学组分，以物理运输的形式富集，下游水样点的水化学组分、TDS和TH等均有一定的增加。阳离子吸附交换作用是另外一种分布较为普遍的水文地球化学作用，各水样间Ca2+、Mg2+、Na+和K+等阳离子含量差异明显。

研究区位于成都平原东北部，研究表明成都平原黏土砂粒组与粉粒组含有大量的石英、云母和长石等矿物成分[15]，部分地区则含有一定量的绿泥石、白云母、透闪石和铁质鲕粒以及少量角闪石、黑云母等[16]；黏土矿物以伊利石和蒙脱石组为主[15，17]。这些矿物具有不稳定的热力学特性，与水接触时常产生非全等溶解，影响了地下水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+的含量，对区内的水化学演化影响较大[7]，且区内水样点测得H2SiO3平均浓度为16.36 mg/L，因此绘制标准状态(25 ℃，1.013 25×105Pa)下的硅酸盐体系稳定场图[18](图5)，图中水样点位置相当于长石的溶解态，借此分析长石风化阶段及产生的相应次生矿物。计算过程和硅酸盐体系稳定场图绘制利用Microsoft Office 2016中Excel软件完成。

从图5中可以看出，长石多未达到饱和而处于溶解态，大多数处于高岭石[Al2Si2O5(OH)4]阶段，水样点位于市区东部的SY16水样点处于三铝水石[Al(OH)3]阶段，长石风化溶解过程如下：

表2 研究区水样物理化学指标Table 2 Physicochemical parameters of water sample in study area

注：误差率最大值、最小值、平均值按照误差率公式计算值的绝对值进行统计。

图3 研究区水样Piper图Fig.3 Piper diagrams of water sample in the study area

图4 不同水样点的离子关系图Fig.4 Scatter plots showing the interrelationship between the major ions

图5 25 ℃时矿物风化系统稳定场图Fig.5 Stability diagrams for some minerals systems at 25 ℃

Ca2++2H4SiO4

(1)

(2)

(3)

在合适条件下，高岭石与Mg2+发生反应转变为Mg-绿泥石，反应过程如下：

(4)

随着H4SiO4浓度的增加，高岭石和三铝水石趋于平衡，将发生以下反应：

(5)

图5(a)和图5(c)中，部分水样点位于高岭石和蒙脱石界限，将从高岭石转变为蒙脱石，反应过程为

3Ca033Al4.67Si7.33O20(OH)4+2H++23H2O

(6)

6Na0.33Al2.33Si3.67O10(OH)2+2H++23H2O

(7)

3.3 因子分析

4 结论

利用矿物风化系统分析、相关性分析和因子分析等方法分析了旌阳区平原区水化学数据，研究了浅层地下水水化学演化及影响因素，结论如下。

(2)黏土矿物的风化溶解同样对区内水化学演化进程具有一定的作用，其溶解过程得到不同的金属离子和次生矿物，影响pH及水化学类型，硅酸盐矿物风化系统稳定场图显示区内黏土矿物逐渐趋于溶解，多稳定于高岭石[Al2Si2O5(OH)4]阶段，Y16水样点处于三铝水石[Al(OH)3]阶段。

表3 旋转成分矩阵Table 3 Matrix of rotated factors loading

表4 区内水样点化学成分相关系数Table 4 Correlation coefficient of hydrochemical components in study area

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