德阳市平原区地下水化学时空分布特征研究

闵维康，张 敏，刘 沛

(1.四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610072；2.中国地质调查局应用地质研究中心，四川 成都 610036)

0 引言

德阳市是成渝经济圈重要组成部分，是成都平原北部重要的工农业基地。不合理的开发利用地下水，已导致德阳市多处地下水水位下降和地下水污染[1]。关于德阳市地下水的研究较多，丁爱中等[2]通过模拟试验分析了德阳市浅层地下水高铁含量的成因，表明弱酸性、土壤丰富的有机质含量以及还原环境为影响其地下水铁含量的主要原因。贺密等[3]利用主成分分析法对德阳市平原区地下水进行综合质量评价，并与模糊数学评价结果对比分析。王亮[4]利用主成分分析法对四川省德阳地区12个地下水监测点水质进行综合评价。高东东等[5-6]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。张涵[7]等分析了德阳市中区地下水水质时空异质性、污染影响因素、潜在污染源及污染源时季变化规律。万朔阳等[8]采用水化学模拟分析了什邡市地下水主要组分的物质来源和水岩相互作用过程。陈盟等[9]利用矿物风化系统分析、离子相关性分析及因子分析等方法分析德阳市旌阳区浅层地下水水化学演化规律及影响因素，指出人类活动(生活污水、农业施肥与农药等)对地下水水化学组分的影响作用。

以上文献对德阳市平原区地下水资源、水化学研究较多，而关于地下水主要成分的时空分布特征研究较少。研究地下水化学时空变化趋势及成因对于揭示区域水化学现状及未来发展趋势有重要意义[10-12]。因此本文通过水样采集及水质分析，运用统计学、Piper三线图、克里金插值法、动态分析等方法，对德阳市平原区地下水化学特征及时空分布进行研究，为当地地下水资源的可持续开发与利用提供参考。

1 研究区概况

德阳市平原区地域狭长，面积1 910 km2，占全市总面积的32%。区内降水充沛，多年降雨量608～1 236 mm，年平均降雨量872 mm。降水时间分布极为不均，年内多集中在6-9月，空间分布上自西北向东南递减，分布也极为不均。区内水系发育，江河纵横，流域面积在100 km2以上的河流共10条(段)，总长度1 129 km，其中市境内长度816 km。境内河流为沱江水系，包括绵远河、石亭江、湔江和青白江，由西北流向东南。

研究区海拔高程465～750 m，自西北向东南倾斜，地形平缓，地面坡降3%～8%。地貌主要为绵远河、石亭江等河流冲洪积所形成的漫滩I级阶地和上更新统冰水-流水堆积的II级阶地，阶面较平坦，有条形小洼和垄岗，近山部分断续分布有上更新统坡洪积堆积及中更新统冰水-流水堆积的台地。地层为第四系地层，主要由全新统冲洪积层(Q4al+pl)、上更新统冰水-流水堆积层(Q3fgl+al)、上更新统坡洪积层(Q3dl+pl)和中更新统冰水-流水堆积层(Q2fgl+al)组成。地下水类型为第四系孔隙水，含水层富水性差异大，从水量贫乏(单井涌水量小于100 m3/d)～水量丰富(单井涌水量大于3 000 m3/d)不等。地下水补给形式主要有大气降水入渗补给、渠系入渗补给、库塘入渗补给和农灌入渗补给。孔隙水接受各种补给源入渗之后，储存、运移于第四系砂卵石层孔隙之中，与河流流向基本一致，由西北—东南方向流。在冲洪积扇中下部，由于地下水水力坡度进一步变缓，地下水水位埋深也进一步变浅，地下水多在扇间洼地，以及在扇与上更新统接触地带以下降泉形式排泄，同时向主要河流排泄地下水，此外，蒸发也是区内重要的排泄方式。

2 研究方法

2.1 样品采集及测试

依照均衡分布，局部重点区加密的原则，本次研究在德阳市平原区采取了79组松散孔隙潜水，所采集水样均为民用大口取水井、机井或泉水，大口井、泉水采用人工取样，机井采用水泵抽水取样。采样点具体分布如图2所示。

2.2 数据分析及方法

数据的统计处理及分析采用Excel软件完成，利用数理统计方法检验数据的合理性。为了解研究区水化学特征及类型，绘制了Piper三线图，进行地下水舒卡列夫分类，采用Surfer、MapGIS的克里金插值法进行了主要离子的空间分布特征分析，搜集了典型监测孔地下水质量数据，采用Excel绘制主要离子的动态曲线。

图2 研究区取样点分布图

3 研究成果及讨论

研究区采集的地下水水样均无味、无嗅。对79组地下水样测试分析，统计主要指标数据见表1，分析表明pH值变化范围为6.22～7.9，平均为7.06，整体属中性水，局部为弱酸性水，其中SY29(什邡市师古镇九里埂村9组)为最小值6.22，超出饮用水标准(6.5～8.5)；硬度、TDS、Ca2+、Mg2+、Na++K+、SO42-、HCO3-、Cl-的方差和偏度值相对较高，含量变化范围较大，表明这些指标在空间上有较大的分散性，局部地区富集程度较高。

3.1 地下水化学类型及分布特征

绘制Piper三线图见图3，可以看出区内优势阳离子为Ca2+，阴离子为SO42-和HCO3-，水样主要集中于1、3、5区，表示水样中碱土金属离子超过了碱金属离子，弱酸根离子超过了碱金属离子，弱酸根超过强酸根且重碳酸硬度超过了50%。依据舒卡列夫分类，区内地下水化学类型分为7种，以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg为主，四种地下水类型占到水样总数的92.41%。由于区内地下水TDS均小于1.5 g/L，因此都属于A组。

HCO3-Ca型占采样总数12.66%，分布较为分散，主要分布在旌阳区黄许镇中部和孝感镇北部、广汉市中部新平镇、三水镇-松林镇南部和连山镇东部。HCO3·SO4-Ca型占采样总数35.44%，集中分布在研究区西部，什邡市绝大部分地区；绵竹市南部土门镇、玉泉镇、新市镇、广济镇；广汉西北部金轮镇、小汉镇、南丰镇、高坪镇、西高镇。HCO3-Ca·Mg型占采样总数25.32%，集中分布在研究东部，旌阳区平原大部分地区；绵竹市绵远镇-什地镇-齐天镇西部、什地镇南部、孝德镇北部地区；广汉市东部。HCO3·SO4-Ca·Mg型占采样总数18.99%，集中分布在绵竹市大部分地区，在旌阳区孝感镇南部、二重厂B泵房-八角井镇北部、广汉市西高镇沙堰村也有分布。HCO3·SO4-Na·Ca型所占比例较小，为3.8%。主要分布在黄许镇福新村、德阳二重，西高镇沙堰村。HCO3·SO4·Cl-Ca型有2组水样为该类型，分布在什邡市师古镇局部、灵杰镇局部。HCO3·Cl-Ca·Mg型有1组水样为该类型，分布在广汉市南兴镇南兴村。

表1 研究区地下水水质主要指标含量特征统计

图3 研究区水样分析Piper图

3.2 地下水主要组分空间分布特征

3.2.1 主要指标空间分布特征

根据水样的分析结果，利用Surfer软件绘制了研究区浅层地下水中七大离子的等值线图4，据此分析其空间分布及变化规律。

Na++K+含量为5.5～114.8 mg/L，水样集中在5.0～36.0 mg/L，平均浓度为17.91 mg/L，有3组水样含量较高，分布在广汉市南新镇、旌阳区市区绵远河附近和黄许镇内。空间由西向东、由北向南逐渐变大，与TDS的变化基本一致，其原因是受地形、径流条件的影响，西高东低，地下水由西北流向东南，Na+、K+易随地下水的迁移而流失，含量较低，而在地下水排泄区(绵远河—石亭江—鸭子河下游)含量升高。Ca2+是研究区的优势阳离子，含量在53.99～196.39 mg/L，平均浓度为39.46 mg/L，含量变化范围较大。它与TDS具有较高的相关性，其分布也基本与TDS相同，由西向东逐渐升高，在广汉市南新镇、什邡市北部与绵竹市交界处、旌阳区南部与广汉北部交界含量较高。Mg2+浓度为10.70～55.23 mg/L，平均浓度为24.63 mg/L。Mg2+含量由西向东升高的趋势，什邡市、广汉市西北部、旌阳区北部、绵竹南部含量较低，高值区主要集中在研究区东南部和绵竹市北部。HCO3-为优势阴离子。HCO3-含量介于120.11～442.52 mg/L，平均浓度为295.68 mg/L。HCO3-含量由西向东逐渐升高，高值区主要分布沿绵远河—石亭江—鸭子河下游。SO42-来自含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解，迁移能力低于HCO3-。SO42-含量为4.68～276.97 mg/L，平均含量为105.86 mg/L。SO42-分布无明显规律，高值区主要集中在研究区北部和西南部，其中什邡市洛水灵江村1组SY24超标(大于250 mg/L)。Cl-含量地下水阴离子中最少，浓度为3.21～257.9 mg/L，平均值为26.96 mg/L，变化范围较大。从Cl-等值线图可以看出：Cl-含量由北向南逐渐升高，SY56广汉市南兴镇南兴村含量大于250 mg/L。

由TDS等值线图(图5)可以看出：TDS整体呈自西向东、自北向南升高的趋势，地形对其有一定的影响，在绵远河-石亭江-鸭子河冲洪积扇的前缘出现TDS高值区，在绵远河-石亭江-鸭子河冲洪积扇的边缘TDS达到0.7 g/L，一般在北方干旱气候条件下，冲洪积扇具有水文地质分带规律，而在潮湿多雨地区，其水文地质分带不明显。微淡水(1 g/L

按总硬度含量划分区内地下水为微硬水(150～300 mg/L)、硬水(300～450 mg/L)、极硬水(>450 mg/L)3类。由总硬度等值线图(图6)可以看出，硬化带西北向南，由东向西延伸，与区内地下水流向相一致；硬化带与抽水降落漏斗一致。由于大量开采地下水，旌阳区在工农村—二重厂、耐火材料、北郊水厂和通工厂出现四个降落漏斗，在该地区地下水硬度较高。

图4 研究区七大离子等值线图

由硝酸盐含量等值线图(图7)表明，硝酸盐高值点主要分布在西部地区，集中在绵竹市北部(绵远河冲洪积扇扇顶)、石亭江沿线、什邡市西南部鸭子河沿岸，其中什邡市最为严重，该类地区分布大量的化工、采矿场，也是重要的农业生产区，施用的化肥和动物废物经过降水的淋滤也会对地下水造成一定的影响。

图5 TDS等值线图 图6 总硬度含量分布图 图7 硝酸根离子含量分布图

总铁等值线图见图8，其分布具有明显的不均匀性，区内未超标数量占68.35%(ρ(TFe)<0.3 mg/L)，广汉市与什邡市TFe含量普遍较高，石亭江流域TFe含量较高。主要分布在绵竹、什邡西北部、广汉西部和旌阳区西部，高值点主要集中在SY32(什邡市双盛镇)、SY43(广汉市兴隆镇)、SY52(广汉市新丰镇)、SY74(旌阳区旗阳乡)。

锰在本区浅层地下水中含量不高，但广泛存在。区内未超标水样占75.9%，主要分布在什邡、旌阳区西北部和绵竹。广汉与旌阳区南部含量较高，以SY58(旌阳区城北街道)、SY53(广汉市新丰镇)为两个极大点为中心分布。

3.2.2 主要指标时间分布特征

搜集1993-2012年德阳市区典型监测井地下水质检测数据，绘制近20年几大主要离子的动态趋势图见图10～图13。从图10中可以看出，1993-2001年，总硬度平均含量为433 mg/L；TDS平均含量为708 mg/L，2001-2012年平均含量为424 mg/L；TDS年平均含量为629 mg/L。以2001年为分界点，1993-2001年总硬度和TDS呈微弱增加的趋势；2001-2012年TDS呈明显下降趋势，总硬度呈缓慢下降的态势。其原因可能为2001年以来绵远河修建了几座水闸，从而增加了河水补给地下水的量；同时德阳市关闭了部分自备水厂，降低了地下水的开采量。

图8 TFe含量分布图

图9 Mn含量分布图

图10 典型地下水监测井总硬度与TDS近20年动态曲线

SO42-整体呈微弱上升趋势，具有较强波动性。1993-1997年SO42-平均浓度为94.24 mg/L；1998-2002年SO42-平均浓度为107.46 mg/L，比上一阶段升高13.22 mg/L；2003-2007年SO42-平均浓度为96.19 mg/L，比上一阶段降低11.27 mg/L；2008-2012年SO42-平均浓度为118.74 mg/L，比上一阶段升高22.55 mg/L。1993年SO42-含量为88.14 mg/L，1998年SO42-含量为94.24 mg/L，2003年SO42-含量为97.55 mg/L，2008年SO42-含量为113.85 mg/L，2013年SO42-含量为113.48 mg/L，对比每隔五年，SO42-含量均有所增高。

图11 典型地下水监测井SO42-近20年动态曲线

Cl-呈整体逐渐上升的趋势。1993-1997年Cl-平均浓度为26.02 mg/L；1998-2002年Cl-平均浓度为33.59 mg/L；2003-2007年Cl-平均浓度为32.61 mg/L；2008-2012年Cl-平均浓度为33.64 mg/L；1993-2001年间Cl-上升速率较高。1993年Cl-含量为25.33 mg/L，1998年Cl-含量为29.67 mg/L，比1993年升高4.34 mg/L；2003年Cl-含量为30.33 mg/L，与1998年基本持平；2008年Cl-含量为38.83 mg/L，比2003年升高了8.50 mg/L；2013年Cl-含量为32.62 mg/L，比2008年下降了6.21 mg/L。NO3-含量1993-1999年呈上升的趋势，1999年后下降明显，2001年比1999年下降了15.28 mg/L；此后2001-2005年较为平稳，且含量较低在3.00～5.00 mg/L，2006年增长迅速，比2005年增加了13.64 mg/L，2006-2012年整体呈增长的趋势。

图12 典型地下水监测井Cl-近20 a动态曲线

图13 典型地下水监测井铁与锰近20 a动态曲线

总铁含量在0.2～0.9 mg/L，由趋势线可以看出Fe总体是呈升高趋势的。年际变化较大，波动性强，统计出总铁近20 a间大多数年均值大于0.3 mg/L，超标年份居多。Mn含量比较稳定，含量在0.028～0.194 mg/L，1993、2003-2005、2007-2010及2012年的Mn的年均值均超过饮用水标准。

4 结语

(1)研究区水化学优势阳离子为Ca2+，阴离子为SO42-和HCO3-，水样中碱土金属离子超过了碱金属离子，弱酸根离子超过了碱金属离子。地下水化学类型分为7种，以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg为主。

(2)绘制主要离子的等值线图，表明各大离子浓度含量基本上与地下水流向相一致，呈现由西向东、自北向南升高逐渐升高趋势。TDS、总硬度、TFe、Mn离子在工厂周边浓度聚集，硝酸盐在农业及养殖场浓度聚集，其空间分布与工农养殖业发展呈现相关性。

(3)典型监测孔地下水质分析数据表明，总硬度、TDS指标从2001年后呈下降趋势，与地下水开采和补给正相关，氯、锰呈整体逐渐上升的趋势；硝酸根和铁含量波动较大。