大垌幅水化学特征分析

庞国涛，阎琨，李伟

中国地质调查局 烟台海岸带地质调查中心，山东 烟台 264000

0 引言

水是一切生命之源，是地球上动植物赖以生存和发展的必要因素。近年来，随着城镇化、工业化进程日益加快，各种环境地质问题也随之而来，特别是地表水和地下水污染问题日益突出[1--3]。一个地区水的各种元素含量和赋存形态直接影响当地水质的好坏，决定当地水环境的质量，关系当地人类的饮用水健康。因此查明一个地区地表水和地下水水化学组分浓度和赋存形态可更好地了解区域地表水与地下水的演化规律，揭示水环境现状与人类活动的相互作用机制，对于促进区域生态环境保护和人类健康饮水具有重大意义[4--9]。

1∶5万分幅标准的大垌幅位于广西省钦州市钦北区，通过对该区的地表水和地下水进行系统采样，化验水的各种化学组分浓度及测试其各项指标，分析地表水和地下水的水化学特征，揭示大垌幅地表水和地下水水化学类型和联系，为区域水资源可持续开发利用及环境保护政策的制定提供参考。

1 研究区概况

1.1 地理概况

大垌幅位于广西钦州市北部，距钦州市城区13 km，行政区域隶属钦州市钦北区。地理坐标为108°30′～108°45′E， 22°00′～22°10′N，总面积 478 km2。南部与钦州市市区接壤，西部紧邻钦北区贵台镇，北部与新棠镇接壤，东部与平吉镇紧邻(图1)。全区可划分为高丘陵区、低丘陵区、冲--洪积平原区和河流阶地区4种地貌类型[10]。

图1 研究区地理位置概况图Fig.1 Location of study area

研究区气候属亚热带季风--亚热带海洋气候，年平均气温 21～23℃。冬暖夏热，夏季平均气温 27～30℃，最高气温在 7～8 月份，白天气温达 32～37℃；冬季平均气温 8～15℃，最低气温在每年的 1～2月，平均最低气温5℃±。年均降雨量2 200～2 300 mm，雨季长，雨量充沛，为广西的多雨和暴雨中心之一，主要降雨期为 6～9月份，受西太平洋和南海来的台风侵袭，常出现狂风暴雨、洪涝及风灾，对农业和野外工作有一定影响。大垌幅内主要河流有钦江、茅岭江及其支流，钦江干流年平均流量为64.37 m3/s，茅岭江干流年平均流量为82.12 m3/s[11--12]。

1.2 地质概况

研究区出露地层有第四系桂平组(Qhg)、古近系邕宁群(EY)、白垩系罗文组(K2l)、侏罗系那周尾组(J1n)、大岭组(J1d)、石梯组(J2s)、东兴组(J3dx)、三叠系北泗组(T1-2b)、二叠系彭久组(P3p1)、石炭系石夹组(C1sj)、泥盆系钦州组(D1q)和小董组(D1-2xd)、志留系的大岗顶组(S1d)。其岩性主要为砂岩、含砂泥岩、泥岩和碎屑岩等。岩浆岩为印支—燕山期侵入的花岗岩、花岗斑岩和花岗闪长岩。

研究区大地构造处于新华夏构造体系第二沉降带与华南褶皱带的交复部位，总体构造方向为NE--SW向。以断层为主，断裂多数为NE向张性正断层，属防城--灵山断裂带及其次级断层束，另有少量NW向断层。

1.3 水文地质概况

研究区的地下水类型可划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂隙水。其中，基岩裂隙水可分为风化带网状裂隙水和构造裂隙水两个亚类。松散岩类孔隙水主要分布在茅岭江和钦江两侧的河流阶地以及陵间盆地上，含水介质以砂类土、卵砾石等松散岩土体为主，富水性较强。碎屑岩类孔隙裂隙水主要分布在研究区中东部侏罗系、白垩系的粉砂岩、砂岩和钙质泥岩中，富水性较弱。基岩裂隙水分布在区内中西部的丘陵区，主要赋存于志留系、泥盆系的砂岩、泥岩和侵入的花岗闪长岩、花岗斑岩等的风化裂隙及构造裂隙中，富水性不均匀。部分基岩裂隙水受地形构造的影响以泉的形式溢出，富水性中等。区内地下水的补、径、排条件主要受气候、地形地貌和地质构造等因素的制约。地下水具有补给距离近、径流途径短和通过侧向径流补给地表水等特点。由于研究区雨天多且雨量充沛，大气降水是该区地下水的主要补给来源，地下水的水位动态受大气降水入渗补给的影响较为明显。

2 研究方法

2.1 样品采集

本研究于2019年10月进行取样，区内取地表水样11件，地下水样12件，共计23件。地表水样取自区内的河流和水库，地下水样均取自民井，取样深度5～38 m，采样分布点见图2。取样器具采用有机玻璃取水器，存储用聚乙烯塑料瓶，在样品采集时，用预采样品对采样瓶冲洗3次以上后再取样，取样后根据不同的测试项目分别添加相应的试剂然后将瓶口蜡封，并低温保存直至送样。

图2 研究区采样点位置图Fig.2 Distribution of sampling points in study area

2.2 样品测试

2.3 数据处理与统计

数据的统计与部分数据处理分析由Microsoft office Excel 完成，用数理统计软件SPSS对水样测试结果参数进行统计及分析，采用AqQA软件绘制Piper三线图，运用软件Origin分析地表水和浅层地下水的水化学类型及其分布特征及绘制Gibbs图，结合区域地质资料,探究研究区地表水与地下水的水化学分布特征及变化规律。

3 结果与讨论

3.1 水化学特征分析

对研究区所采集的11组地表水和12组地下水水样统计分析(表1)。

表1 地表水和地下水水化学成分统计结果Table 1 Statistical results of chemical compositions of surface water and groundwater

3.2 水化学成分之间的相关性

为进一步查明研究区地表水和地下水的溶滤作用过程，利用SPSS软件对研究区水样主要化学成分进行相关性分析(表2、3)。

表2 地表水水化学成分相关性矩阵Table 2 Correlation matrix of chemical compositions of surface water

3.3 水化学类型分析

3.3.1 Piper三线图

根据研究区地表水、地下水化学特征数据，绘制其Piper三线图(图3),Piper三线图可以较好地反映区域水化学特征[15]。

表3 地下水水化学成分相关性矩阵Table 3 Correlation matrix of chemical compositions of groundwater

A区.钙型；B区.无主导型；C区.镁型；D区.钠钾型；E区.重碳酸盐型；F区.硫酸盐型；G区.氯化物型。图3 地表水和地下水Piper三线图Fig.3 Piper diagrams of surface water and groundwater

3.3.2 Gibbs图

应用Gibbs图可以分析水化学的形成机制，其将自然界水的控制因素分为岩石风化控制型、降雨作用控制型和蒸发浓缩控制型3种类型[16]。根据研究区地表水和地下水水样测试结果，绘制其研究区Gibbs图(图4)。

图4 地表水和地下水Gibbs图Fig.4 Gibbs diagram of surface water and groundwater

大部分水样均落在图内，有少部分水样在Gibbs图外，说明研究区的地表水和地下水水化学组分受到一定程度的人为干扰。大部分水样均落在岩石风化控制型区域，极少部分落在蒸发浓缩和降雨作用控制的区域。总体来看，岩石风化作用对研究区水样的水化学组分的组成影响较为显著。地表水和地下水的Cl/Na平均值分别为1.56和1.5，均高于世界平均海水比值(Cl/Na=1.15)，表明大气环流所携带的海盐对研究区地表水和地下水均有一定的影响。

4 结论

(2)研究区地表水水化学类型主要为HCO3--Ca·Mg型和HCO3·SO4--Ca·Mg型；地下水化学类型主要为HCO3--Ca·Mg型和HCO3·SO4--Na·Mg型水，水中离子浓度受岩石风化作用的影响较为显著，地表水与地下水联系较为一般。