海南岛北部剥蚀平原区浅层地下水水化学特征的形成与演化

张彦鹏，余绍文，黎清华，刘凤梅

(中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205)

地下水是海南岛北部地区饮用水的重要供水水源，且在广大城镇地区由于受极端干旱天气的影响，地下水也被作为重要的后备应急供水水源[1-2]。同时，由于琼北地区特殊的火成岩地质背景、热带气候条件(强烈的风化作用条件)以及良好的自然环境，使得地下水成为该地区重要的优质地质资源而备受重视[3]。海南岛北部剥蚀平原区浅层地下水在原生地质背景以及越来越活跃的城镇发展和农业生产等人为活动的影响下，原生劣质地下水形成以及地下水咸化、污染等问题都日益突显[4-9]，甚至危害到人们的生命健康，在海南国家生态文明试验区建设的大背景下，地下水环境质量也引起了人们的高度关注。以海南岛北部剥蚀平原区龙门地区为例，该地区地下水资源丰富，水质优良，具有重要的开发利用潜力，尤其在雷琼火山岩地区具有良好的代表性，但受热带气候条件和农业生产等人为活动的共同影响，形成了区域典型的地下水环境特征[10]。该地区岩石矿物风化作用强烈，影响了区域地下水水-岩相互作用[11]，而农业活动使得该地区地下水环境正逐步发生变化[12]。该地区浅层地下水作为流域地下水重要的补给区和径流区，开展自然过程和人类活动对区域地下水环境共同作用的影响研究，对于区域乃至整个琼北地区地下水环境演化认识和地下水资源开发利用具有重要意义。因此，本文以龙门地区浅层地下水为研究对象，结合水文地质条件并应用多元统计、水化学和同位素地球化学等有效分析方法，对影响该地区浅层地下水水化学特征的主要控制因素和演化过程进行了分析[13-15]，揭示了该地区自然过程和人类活动对区域地下水环境的影响，为该地区乃至琼北地区地下水资源保护与开发利用提供重要的科学依据。

1 研究区概况

研究区位于海南省中部偏东北地区，跨琼海市与定安县两地，分布有龙门、岭口、黄竹等主要乡镇。该地区属热带海洋性季风气候，年均降雨量为2 042.6 mm，降雨季节分布不均，旱季和雨季分明，其中1、2月份降雨量最少，仅占年均降雨量的4%，常出现历史性的冬、春季缺水。区内生产活动以农业为主，主要以槟榔、橡胶、胡椒、荔枝等热带农作物种植和猪、鸡等畜禽分散养殖为主，其中槟榔种植近年来成为区内重要的支柱产业。

区内地貌以火山岩台地为主，地层主要由新生代玄武岩和三叠系花岗岩组成，局部分布有白垩系砂砾岩。区内中东部玄武岩和花岗岩经过长期风化剥蚀和流水侵蚀作用，已发育为厚层红土和砾质黏性土的丘陵状台地，其中龙塘、岭口高台区为未风化的玄武岩台地，见图1。

图1 研究区地质背景和采样点分布图Fig.1 Location and lithology of the study area with illustration of the sampling site situations

研究区内地下水主要赋存在地表风化松散层孔隙、玄武岩孔洞以及花岗岩、砂岩等基岩裂隙中，属于地下潜水，见图2。龙门地区一带分布的玄武岩既具有层状特征，又具有岩溶的空隙特征，水量比较丰富，具有地下水集中开采和作为优质饮用水资源开发利用的较大潜力，而其他地区含水层分布不均，水资源量较贫乏，仅适合分散式供水需求。地下水是研究区内饮用水的主要供水水源，地下水环境质量对该地区经济发展和人民身体健康具有重要的影响。

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

2 研究方法

2.1 样品采集与现场测试

为了研究定安县龙门镇周边火山岩台地区农业活动和岩石风化过程对区域地下水水化学特征的影响，于2018 年1 月，在龙门岭至黑山岭火山岩台地区采集了地表水和地下水样品，共采集水库及河流地表水样品3个，并按照均匀布点兼顾典型性的原则，以玄武岩分布区作为重点，采集了53个具有代表性的生活或农业灌溉使用的新鲜地下水样品(见图1)。现场使用Manta+多参数水质分析仪对水样的温度(T)、酸碱度(pH值)、电导率(Ec)等理化参数进行了测定，并利用哈希对碱度进行了滴定，测试精度为0.05 mg/L。

2.2 样品测试分析

各采样点采集的水样类型包括阴、阳离子样品和氢氧同位素样品。其中，阴、阳离子样品均使用市售纯净水水瓶盛装，并且将阳离子样品采用浓硝酸酸化至pH≤2 保存；氢氧同位素样品采用8 mL玻璃瓶采集，不留顶空。水样中阳离子含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)进行测定，测试精度为0.01 mg/L；水样中阴离子含量采用离子色谱(IC)进行测定，测试精度为0.1 mg/L。水样中氢氧同位素含量采用Picarro L2130-i 超高精度液态水同位素分析仪测定，测试精度为δ18O≤0.025‰，δ2H≤0.1‰。以上样品水化学组分及同位素测试分析均在中国地质大学(武汉)盆地水文过程与湿地生态恢复学术创新基地完成。

2.3 数据分析

根据热力学原理，水-岩反应中矿物的溶解与沉淀由各种矿物在地下水中的饱和指数(SI)决定，SI的数学表达式为

SI=lg(IAP/K)

式中:IAP为离子活度积;K为特定温度下矿物的溶度积常数。

为了分析地下水中潜在的矿物沉淀与溶解过程，本文使用软件Aquachem中的PHREEQC组件相关计算程序对25℃条件下(与当地地下水温度接近)地下水中方解石、盐岩、石膏和长石矿物的SI进行了计算，通过SI与相关离子间的对应关系，分析矿物的赋存状态。

因子分析法属于多元分析中处理降维的一种统计方法，该方法从较多的变量或样品中选取较少的主因子，使这些主因子尽可能地反映原来较多的研究对象所反映的信息，可最大程度地反映所有变量基本关系的地球化学过程。本文采用IBM-SPSS软件(20版本)进行了因子分析计算，其计算步骤为：首先确定原若干变量是否适合于因子分析，即对原变量作相关性分析；然后构造因子变量，常用极大似然法、最小二乘法等；最后计算因子变量的得分，确定主控因子。

3 结果与讨论

3.1 浅层地下水和地表水水化学组成特征分析

研究区浅层地下水和地表水样品水化学组分的测试结果，见表1。

表1 研究区浅层地下水和地表水样品水化学组分的测试结果Table 1 Test result of hydrochemical composition of shallow groundwater and surface water samples in the study area

图3 研究区浅层地下水中主要水化学组分含量箱型图Fig.3 Box plots for the content of the primary hydrochemical components in shallow groundwater in the study area

根据研究区浅层地下水和地表水样品水化学特征的Piper三线图(见图4)显示，研究区浅层地下水水化学类型主要为Ca-HCO3型和Na-Cl·SO4型，以及两者的混合Na·Ca-HCO3型、Ca·Mg-Cl型，而研究区地表水水化学类型主要为Ca-HCO3型，表明研究区地下水水化学特征受到多种作用的共同影响。

图4 研究区浅层地下水和地表水样品水化学特征的 Piper三线图Fig.4 Piper plot showing the proportions of major cations and anions in shallow groundwater

3.2 浅层地下水水化学特征的主要控制因素分析

多元统计方法是识别地下水水化学特征形成与演化过程的重要有效手段[16]。研究区浅层地下水水化学特征因子分析结果，见表2。

由表2可以看出：

表2 研究区浅层地下水水化学特征因子分析载荷和共同度估计Table 2 Factor analysis load and common degree esti-mation of the hydrochemical characteristics ofshallow groundwater in the study area

3.3 降水溶滤过程对浅层地下水水化学特征的控制作用分析

研究区位于海南中北部，区域大气降水丰富，年均降雨量可达2 000 mm左右，结合研究区浅层地下水氢氧同位素特征(见图5)分析可以看出：该地区浅层地下水样品均分布在大气降水线上及附近，说明大气降水是该地区浅层地下水的主要补给来源[23-25];同时，部分浅层地下水和地表水样品在蒸发浓缩作用的影响下，使浅层地下水水化学特征受到了一定的影响。可见，大气降水淋滤入渗和径流过程中的溶滤作用是影响该地区地下水水化学特征的关键控制因素[26]。

图5 研究区浅层地下水和地表水中氢氧同位素组成的关系Fig.5 Plot of the stable oxygen (δ18O) vs stable hydrogen (δ2H) isotopic composition for shallow groundwater and surface water in the study area

由于该地区受热带海洋性气候的影响，岩石风化作用强烈，在地下水水-岩相互作用过程中岩石风化产物是地下水中主要水化学组分的重要来源，控制了研究区浅层地下水水化学的总体特征(见图6)。地下水中主要矿物的饱和指数(SI)的变化反映了区域地下水中来源矿物的组成和溶解溶滤程度，不同矿物的SI与对应矿物离子组分之间的关系可直观地反映矿物的溶解和沉淀状态[27]。本文选取研究区浅层地下水中潜在的主要矿物组分，包括方解石、石膏、盐岩和硅酸盐矿物(长石)，研究了研究区浅层地下水中主要矿物的SI与对应矿物离子组分间的关系，其结果见图7。

图6 研究区浅层地下水和地表水样品的吉布斯图Fig.6 Gibbs plot of samples for shallow groundwater and surface water in the study area

图7 研究区浅层地下水中主要矿物的饱和指数(SI) 与对应矿物离子组分间的关系Fig.7 Relationships of the main mineral saturation indices (SI) and the mineralion composition in shallow groundwater in the study area

由图7可见，研究区浅层地下水中主要矿物的SI值均小于0，说明浅层地下水仍具有较强的溶解溶滤能力，浅层地下水中主要矿物的SI与对应矿物离子组分之间较好的线性变化特征反映了以上矿物种类对浅层地下水水化学特征具有显著的贡献。

图8 研究区浅层地下水和地表水中HC/Na+ 与Ca2+/Na+摩尔浓度比值的关系Fig.8 Relationship between HC/Na+ and Ca2+/Na+ molarity in shallow groundwater and surface water in the study area

由图8可见，研究区地表水和浅层地下水样点多分布在靠近硅酸盐矿物风化水解的一端，表明硅酸盐矿物(如长石等)的风化水解对研究区浅层地下水水文地球化学特征起到了控制性作用，这与该地区玄武岩和花岗岩为主要地层单元相一致。此外，蒸发盐岩矿物亦有一定的贡献，说明海洋性大气降水也具有明显的贡献和影响。

3.4 农业活动对地下水环境的影响分析

图9 研究区浅层地下水中N与Cl-和δ18O 组成的关系Fig.9 Relationship between Cl-,δ18O and N in groundwater in the study area

3.5 硫化物矿物氧化与离子交换过程对地下水水化学特征的影响分析

研究区浅层地下水中硫酸盐来源受人为活动的影响小，除石膏等可溶盐矿物溶解外，该地区火山岩中普遍存在硫化物矿物，构成浅层地下水中硫酸盐的重要来源(见图10)。近年来随着该地区地下水的持续开发利用，地下水水位下降以及硝酸盐和有机物污染物的输入，加速了岩石风化过程中硫化物矿物氧化与硫酸盐矿物溶解作用过程[32-35]。在硫化物矿物氧化与硫酸盐矿物溶解过程中，地下水中会产生大量H+离子，引起地下水酸化，这也是导致该地区浅层地下水普遍为中-弱酸性的潜在影响过程。具体反应式如下：

图10 研究区浅层地下水中S/Cl-与Cl-的关系Fig.10 Relationship between S/Cl- and Cl- in shallow groundwater in the study area

(1)

(2)

由于该地区普遍缺少碳酸盐矿物对酸性物质的中和，黏土矿物对酸性物质的弱中和作用和缓冲作用对平衡地下水环境具有重要的影响，具体体现在以下两个过程：①硫化物矿物氧化产生的酸性物质促进了含水层介质的溶解过程，尤其是长石等硅酸盐矿物的溶解过程[36]；②大量H+离子的产生促进了黏土矿物中阳离子交换过程的发生，使得K+、Na+等离子从黏土矿物中释放，增加了地下水中K+和Na+的含量(见图11)，尤其是地下水中K+的增加对于满足地区植物生长对钾的需求具有一定的生态意义。

图11 研究区浅层地下水中潜在阳离子交换过程分析Fig.11 Analysis of the potential cation exchange process in shallow groundwater in the study area

4 结 论

(1) 海南岛北部剥蚀平原区龙门地区浅层地下水水化学特征以低矿化度的溶解溶滤水为主，受到大气降水过程和组成的显著影响。

(2) 该地区地下水水-岩相互作用过程以矿物溶解过程为主，其中硅酸盐矿物的溶解是该地区浅层地下水水化学特征的主要控制因素。

(3) 人类活动尤其是农业活动中化肥的大量施用是造成该地区浅层地下水硝酸盐污染的主要原因，也是影响该地区地下水环境的主要过程。

(4) 硫化物矿物氧化是该地区浅层地下水重要的水文地球化学过程，显著地控制和影响地下水中硅酸盐矿物溶解及酸碱平衡过程，促进了地下水中阳离子交换过程的发生。