丹阳市吕城地区浅层地下水演化特征及成因

金 阳,姜月华,周权平,雷 廷,贾军元,杨国强

(1.中国地质科学院,北京 100037;2.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016;3.自然资源部流域生态地质过程重点实验室,江苏 南京 210016)

水资源是保障国家城乡居民用水、支撑社会经济发展的重要战略资源,在维持生态系统安全和生态环境建设方面具有重要作用[1]。天然地下水的化学成分是水在漫长的地质历史中不断与大气圈、生物圈、岩石圈等周围介质发生物质、能量、信息交换作用形成的,研究地下水的组分特征有助于分析地下水演变规律,揭示地球化学环境及人类经济活动对地下水造成的影响[2]。浅层地下水是水循环的重要组成部分,以往对地下水的研究多针对深层地下水[3-5],对浅层地下水的关注程度还不够。随着社会经济的发展,浅层地下水的价值愈来愈被重视,杨巧凤等[6]通过研究常规离子和氢氧稳定同位素特征,明确了深圳沿海带浅层地下水与海水的关系及分布原因;刘林等[7]应用多元统计分析法研究马鞍山地区浅层地下水,成功筛选出人为活动对地下水影响的表征指标;周锴锷等[8]分析了淮河流域平原区浅层地下水中铁锰特征和成因,提出改良建议。

吕城地区居民饮用水以地表长江水为主,但浅层地下水仍有少数居民偶尔饮用,且是大多数居民日常洗涤用水的主要来源。随着工农业快速发展,该区地下水受到不同程度的影响,但针对该区浅层地下水水化学演化特征的相关研究尚未进行。因此,本文通过野外现场调查和采样测试分析,研究该区浅层地下水演化特征,并分析其成因,以期为地下水资源环境管理及合理开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

吕城地区位于江苏省丹阳市东部,长江下游南岸,属中纬度亚热带湿润季风气候区,四季分明,降水充沛,日照充足,雨热同期,多年平均降水量1 056.5 mm,多年平均气温14.9℃。研究区地势平坦开阔,水网密布,前第四纪地层由老到新依次为二叠系、三叠系、白垩系、古近系和新近系,第四系广泛分布。基岩被第四系覆盖,均未出露,地表主要出露全新世如东组,岩性以黄褐色粉质黏土、灰黄色粉土为主(图1)[9]。

图1 研究区地质简图[10]Fig. 1 Geological sketch map of the study area[10]

研究区属太湖冲-湖积平原,地下水类型主要为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水及碳酸盐岩类岩溶水。其中孔隙水广泛分布于研究区第四系中,裂隙水多分布在二叠系、白垩系隐伏岩石节理裂隙中。浅层地下水主要补给来源为大气降水垂直入渗和灌溉水回渗,水位埋深呈现明显季节性变化,枯水期和麦作期水位埋深>1.5 m,丰水期和稻作期水位埋深一般<0.5 m。河流、水塘等侧向补给为次要补给来源,人工开采、植物蒸发蒸腾、向地表水体排泄及越流补给深层地下水为主要排泄途径。

2 技术方法

2.1 样品采集及测试

按照《DD 2008—01地下水污染地质调查评价规范》[11]要求,以“先调查,后采样”为原则,充分利用现存机(民)井,对研究区具有代表性的井点进行取样测试,采样前先抽水一段时间,以保证样品取自潜水含水层原水。采样现场用便携式GPS对采样点坐标进行准确定位,并记录包气带岩土体特征、采样井类型、周边环境及农田分布等详细信息。本次共采集浅层地下水样品15组,采样点位置分布如图2所示。

图2 浅层地下水采样点分布图Fig. 2 Distribution map of shallow groundwater sampling points

2.2 数据分析方法

在系统采样、科学测试的基础上,利用SPSS软件对样品测试结果进行统计分析,AquaChem水化学软件绘制Piper三线图,并对水化学组分进行Spearman相关性分析,进而确定研究区浅层地下水水化学类型和特征,应用Gibbs模型探讨研究区浅层地下水演化成因。

3 结果与讨论

3.1 水化学组分统计分析

对浅层地下水样品数据各指标做数理统计分析,由统计结果(表1)可知,研究区浅层地下水pH值为6.750～7.625,平均值为7.223,变异系数较小,整体属于中性偏弱碱性水。TDS值为284～884 mg/L,属于淡水。

表1 浅层地下水化学组分统计结果

3.2 水化学类型及其分布特征

研究区北侧为京杭运河,东、西两侧为季节性河流,可看作天然水文地质单元,浅层地下水的水化学类型比较复杂。采用舒卡列夫分类法,研究区水化学类型可分为5种,主要以HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Na型、HCO3·SO4-Ca·Na型、HCO3·Cl-Ca·Na型和HCO3-Ca·Na·Mg型为主,各水化学类型的分布情况如图3所示。东北部Ⅰ区为HCO3-Ca型;中部 Ⅱ区为HCO3-Ca·Na型;东部 Ⅳ 区为HCO3·Cl-Ca·Na型;西北部Ⅲ区总体为HCO3·SO4-Ca·Na型,仅LC15井附近为HCO3·Cl-Ca·Na型;南部Ⅴ区为HCO3-Ca·Na·Mg型。

1.采样点;2.HCO3-Ca型;3.HCO3-Ca·Na型;4.HCO3·SO4-Ca·Na型;5.HCO3·Cl-Ca·Na型;6.HCO3-Ca·Na·Mg型图3 研究区水化学类型分布图Fig. 3 Distribution map of hydrochemical types in the study area

图4 浅层地下水水化学类型Piper三线图Fig. 4 Piper diagram of hydrochemical types of shallow groundwater

3.3 水化学相关性分析

表2 浅层地下水水化学参数相关系数

3.4 水化学特征成因

太湖平原西北部地区第四纪以来共经历3次海侵,分别为晚更新世早期太湖海侵、晚更新世晚期滆湖海侵及全新世镇江海侵[18]。从3次海侵范围来看,滆湖海侵对研究区的影响最大,导致TDS含量较高,同时为该区黏性土中钙质结核提供物源基础。由于浅层地下水埋深较浅,易于接受大气降水补给,且研究区居民利用简易手压设备开采浅层地下水用于日常洗涤、灌溉,促进了该区补排循环,从而保证该区TDS值未出现超标现象,甚至与以往资料对比,表现为下降趋势,更趋于淡化(表3)。

表3 近年TDS变化情况统计

图5 研究区水文地质剖面图Fig. 5 Hydrogeological profile of the study area

图6 研究区浅层地下水水化学Gibbs分布图Fig. 6 Gibbs distribution map of hydrochemistry of shallow groundwater in the study area

综上所述,研究区浅层地下水在接受大气降水补给及后期径流、排泄过程中,与包气带表层土壤及含(隔)水层介质之间发生溶滤、混合、阳离子交替等相互作用,加之人类活动影响,最终导致浅层地下水演化现状及差异分布。

4 结论

(2)丹阳市吕城地区浅层地下水水化学特征受原生沉积环境、岩石风化作用、地下水补径排循环条件与人类经济活动的综合影响。岩石风化成土作用及海侵为水化学特征的形成提供物源基础,含水介质和补径排条件为水化学特征提供反应场所及良好的动力条件,人类生产生活在一定程度上改变了浅层地下水演化特征。