信江流域地下水水化学特征及形成机制

杨 芬， 高 柏， 葛 勤， 马文洁， 刘媛媛， 林聪业， 高 杨

(东华理工大学水资源与环境工程学院， 核资源与环境国家重点实验室， 南昌 330013)

地下水作为人类饮用水源之一，是水循环的重要组成环节，具有维持生态环境平衡等作用[1-2]。由于地下水流动速度缓慢、自我调节周期，一旦被污染后将难以治理[3]。随着社会经济工业的发展，中国面临着日益严峻的地下水污染问题，2015年调查结果显示中国35.1%的地下水已经被污染，并超出了国家饮用水标准[4]。江西省地下水资源占全省水资源总量的67.2%[5]，目前已有90%的城市受到地下水污染，其主要污染源为工业、农业、生活污染[6]。信江区域地下水资源量占江西省的9.78%[7]，因此开展地下水调查，识别其污染类型、污染源将为研究区环境风险管理提供依据，对保护人类身体健康，研究区水资源开发利用以及环境污染治理具有指示意义[8-9]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

信江流域地处江西省东北部，是鄱阳湖水系五大河流之一，发源于玉山县境浙赣边界怀玉山的玉京峰。河流全长313 km，流域面积17 600 km2，年降水量在1 600～2 100 mm，属于亚热带季风气候区。流域内城镇密布，工矿产业发达，代表性矿产有铜、铅、锌矿。区域地处扬子地层区和华南地层区，跨扬子准地台和华南褶皱系两大构造单元。构造变动强烈，褶皱比较发育，地层年代为晚元古代震旦纪，早古生代寒武纪、奥陶纪，晚古生代石碳纪、泥盆纪、二迭纪，中生代三迭纪、侏罗纪、白垩纪，新生代第四纪，盆地丘陵之间有变质岩、砾岩、砂砾岩、泥岩、石英砂岩、二云母花岗岩等分布。

1.2 样品采集

图1 采样点分布图Fig.1 Sampling sites distribution of the groundwater

图2 样品分析测试Fig.2 Sample analysis and test

1.3 质量控制

2 地下水水化学特征

2.1 水化学参数和成分

信江流域地下水水化学分析测试结果见表1。流域地下水pH范围为6.346～7.36，平均值为6.94，水体基本呈中性；Eh(氧化还原电位)值范围为43～201 mV，平均值为201 mV，研究区地下水均取自农村水井，埋深浅，处于汛期，地下水受到大量补给，致水体处于弱氧化环境；电导率范围为37.9～384 μs/cm,平均值为157.94 μs/cm；流域内溶解性总固体(TDS)范围为53.5～576.17 mg/L，平均值为 233.07 mg/L。研究区TDS、电导率及Eh值均高于鄱阳湖流域地下水平均值[20]183 mg/L、118.1 μs/cm、182.07 mV，其原因可能是地表水补给地下水的过程或人类活动的影响。

表1 地下水水化学组分分析结果

2.2 水化学类型

图3 地下水Piper三线图Fig.3 Piper diagram of groundwater

3 形成机制分析

3.1 大气降水成因

利用氢氧同位素关系可以判断地下水的补给来源，将地下水中的氢氧同位素数据进行拟合(图4)，得到信江流域δD和δ18O关系为δD=7.57δ18O+9.07，其斜率与截距都与长江流域大气降水线[21](δD=7.62δ18O+8.2)和全球大气降水线[22](δD=8δ18O+10)非常接近，表明研究区地下水补给来源基本与长江流域相同，大气降水是地下水的主要补给来源。

图4 地下水δD和δ18O关系Fig.4 Relationship between δD and δ18O in groundwater

3.2 风化作用成因

图5 信江地下水Gibbs图Fig.5 The Gibbs plots of groundwater in Xinjiang River

图6 Ca2+/Na+与Mg2+/Na+关系Fig.6 Plots of Ca2+/Na+ and Mg2+/Na+ rations of groundwater

3.3 人类活动影响成因

图7 人类活动对水化学特征影响Fig.7 Effects of human activities on hydro-chemical characteristics

3.4 阳离子交换吸附作用

阳离子交替吸附在地下水水岩作用过程中普遍存在，它会参与地下水的演化，改变地下水的离子组成。氯碱指数是判断阳离子吸附作用是否参与了地下水化学特征的组成过程的重要指标，当氯碱指数(CA)CAⅠ、CA Ⅱ均为正值时，含水介质表面的Ca2+、Mg2+与水体中的K+、Na+进行交换；当CAⅠ、CA Ⅱ均为负值时，则发生反方向的交换反应[26]。本文计算了各个采样点的氯碱指数，绘制氯碱指数分布如图8所示，研究区除6、23号采样点氯碱指数CA Ⅰ为-1.02、-5.28外，其他采样点氯碱指数均为正值，说明这两个采样点除阳离子交替作用外，硅酸岩的风化使Na+、K+浓度增大，而其他采样点均发生了正向的离子交换反应，表明阳离子交替吸附作用参与了地下水的演化。

图8 地下水氯碱指数Fig.8 Histogram of chloride alkalinity index

3.5 主要离子来源

SPSS软件是由美国IBM公司推出的一系列用于统计分析运算、数据挖掘、预测分析的软件。本文使用SPSS软件对信江流域地下水中主要离子进行Person相关性分析，对地下水中各个离子的来源进行定性分析，结果见表2。

表2 地下水主要离子相关性分析结果

3.6 不同因素对水化学组分贡献率估算

表3 主成分分析因子分析荷载矩阵

由以上因子分析可计算得大气降水对地下水溶质的贡献率为19%；人类活动对地下水溶质贡献率为19.4%；碳酸岩对地下水溶质贡献率为29.6%；蒸发岩对地下水溶质贡献率为19.9%；硅酸岩对地下水溶质贡献率为12.1%。研究区受人类活动和大气降水影响明显；碳酸岩主导了溶质贡献率，这是因为长江流域主要由碳酸岩风化控制；蒸发岩贡献率高于硅酸岩，这可能与研究区内有石岩以及芒硝的存在，以及工业较为发展，盐厂分布有关[28]。

4 结论

(2)大气降水是研究区地下水的主要补给来源，并经历了较明显的蒸发过程。地下水中离子主要来源于岩石风化，蒸发溶解和人类活动也有一定影响；不同岩石端元图表明碳酸岩和硅酸岩一同参与了岩石风化过程，人类活动对河流溶质的影响主要是矿业活动，农业活动及城市废水影响相对较小。研究区氯碱指数除个别点外都为正值，表明阳离子交替吸附作用参与了地下水的演化。