辽阳县不同深度地下水化学特征及其控制因素研究

王 爽

(辽宁省辽阳水文局,辽宁 辽阳 111000)

0 引 言

地下水化学特征既可以反映地下水的历史演变,也可以为生态环境系统提供非常珍贵的变化信息,研究地下水化学特征对生态环境保护和水资源管理规划,全面掌握地下水环境变化过程等极具现实意义,如Carol等[1-2]。以滨海平原区为例,通过研究发现人类活动、蒸发作用以及溶滤作用会影响地下水的盐化;张涛等对尼洋河沿岸地下水及河水化学特征利用离子比等、Gibbs模型、Piper三线图和数理统计方法进行研究,并认为硅酸盐岩的溶解和岩石风化决定着该流域水化学离子组成,这是影响离子组成的关键因素;周俊等以贡嘎山海螺沟流域为例,运用主成分分析、描述性统计等方法探究水化学主离子特征及控制因素,结果显示主离子来源主要受岩石的化学风化控制,该流域岩石风化类型以碳酸盐岩为主;刘久潭等以青岛西海岸新区为例,应用因子分析和数理统计法研究地下水化学特征,结果表明水岩作用控制着该区域的水化学组成,生活污水排放、地质因素及工农业生产活动为主要污染源;韩峰等以新泰市为例,应用因子分析和相关性分析的方法探究区域地下水化学特征,结果发现该地区以HCO3-Ca型为主,人为活动、大气降雨、蒸发浓度及岩石风化是水化学组成主要影响因素[3-6]。

地下水在辽阳县居民生活及工农业发展和城市经济建设中占据了重要的地位,截止目前研究辽阳县地下水化学特征及其控制因素的较少。鉴于此,文章结合辽阳县水文地质条件,运用主要离子关系图、数理统计等方法分析不同深度地下水化学特征及其控制因素,以期为科学管理保护及合理开发利用地下水资源提供决策依据。

1 采样与测试

1.1 研究区概况

辽阳县地处辽东半岛中部,山区位于南部,平原区位于西部。研究区属于温带大陆性季风气候,年均气温为8.4℃,年降水量为735.3mm。境内河流较多,太子河贯穿全境,主要河流有太子河、浑沙河、浑河、汤河、兰河、细河、汤河西支、柳壕河、王家堡子河、八盘岭河、河栏沟河、判甲炉河、杨柳河、兵马河、南沙河、运粮河、北地河等。境内地质构造极为复杂,其形迹以东西向构造和新华夏系构造为主体构成地质骨架,此外还有华夏系或华夏式系构造、北西向构造与旋卷构造等。

1.2 测试方法

本研究于2020年5月和2020年11～12月对研究区采集36组浅层地下水样和8组中深层地下水样,共采集水样44组,其中浅层水样采自辽阳县机民井和专门监测站点,中深层水样全部来源于辽阳县专门监测站点。依据《地下水监测网运行维护规范》进行样品的采集与保存,由辽阳县矿产资源监测中心完成地下水样品的测试分析,测试质量能够达到现行规范要求,测试指标有NO3-、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+和溶解性固体总量TDS。结合测试数据,运用SPSS数理统计及离子比例系数法等分析地下水化学特征及类型。

2 结果与分析

2.1 地下水化学组分含量统计

研究地下水化学特征及其演变规律的关键是进行化学参数的描述性统计,特定时期内地下水组分的变化状况可以利用数理统计分析结果来衡量,故有必要分析中深层和浅层地下水的常规离子和溶解性固体总量TDS等化学参数,如表1所示。

表1 辽阳县地下水化学组分含量统计值

由表1可知,辽阳县浅层和中深层地下水优势阳、阴离子分别为Ca2+、Na+和HCO3-,中深层各组分质量浓度平均值均低于浅层地下水。从变异系数上,浅层地下水中除HCO3-外其它各离子变异系数较大(>50%),NO3-和Cl-变异系数极大(>100%);中深层地下水中只有1处检出NO3-,除Cl-、SO42-变异系数极大外其它离子均相对较小。因此,人类活动可能已经影响到了中深层地下水Cl-、SO42-及浅层地下水多数组分。

另外,浅层、中深层地下水质量浓度ρ(TDS)为780.51mg/L和571.68mg/L,有3个浅层地下水样为微咸水,所占比例3.33%,所有中深层水样均为淡水。

2.2 地下水化学类型

研究选用三线图示法揭示辽阳县地下水化学特征及其演变规律,结果显示中深层和浅层地下水优势离子不明显,阳离子呈分散分布特征;阴离子呈集中分布特征,分布接近HCO3-轴,说明阴离子浓度占比较高,浅层地下水个别阴离子与Cl-轴相近[7-8]。

根据舒卡芙分类标准确定浅层和中深层地下水化学类型分别为12种、5种,浅层主要为HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型和HCO3-—Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Na+·Mg2+型,中深层主要为HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Ca2+型和HCO3-—Na+·Ca2+型。

2.3 地下水化学成因

1)离子相关性分析。研究采用SPSS20.0软件分析辽阳县中深层和浅层地下水常规化学指标相关性如表2所示。

表2 辽阳县地下水化学离子相关性

由表2可知,在0.01水平(双侧)上浅层地下水中TDS质量浓度与SO42-、Cl-、Mg2+高度正相关(R>0.8),在0.01水平(双侧)上TDS质量浓度与Ca2+、Na+中度正相关(0.5

在0.01水平(双侧)上中深层地下水中TDS质量浓度与SO42-、Cl-、Mg2+高度正相关(R>0.8),表明这三种离子显著影响着中深层地下水TDS,具有重要控制作用。在0.01水平(双侧)上ρ(SO42-)、ρ(Mg2+)与ρ(Cl--)高度正相关(R>0.9),表明三者来源可能相同。

2)溶滤作用。一般地,Gibbs半对数坐标图可以直观地反映蒸发-浓缩、大气降水以及岩石风化作用等地下水化学形成机制[9]。由GIbbs曲线可知,在岩石风化作用控制区分布的样点反映了地下水化学受岩石溶滤作用的影响,随着阴离子比值的增高部分浅层地下水样点向蒸发-浓缩控制区移动。通过对比中深层和浅层地下水发现,中深层明显低于浅层地下水的阴离子比值和TDS质量浓度,这表明浅层地下水存在相对复杂的组分控制因素。因此,岩石风化溶滤作用是辽阳县地下水化学形成的主要控制因素,蒸发-浓缩结晶作用对个别浅层地下水产生影响,地下水化学形成受大气降水的影响较低[10]。

3)阳离子交替吸附作用。辽阳县广泛分布的黏性土为吸附作用提供了条件,可以利用离子浓度关系判定研究区地下水阳离子交换作用的发生程度。结果发现,辽阳县地下水样点大多分布于y=-x线周围,通过拟合浅层和中深层地下水样点数据生成相应的拟合曲线为y=-0.915x+0.7281、y=-1.087x+0.5285,相关系数R2为0.920和0.982,说明辽阳县中深层和浅层地下水化学组分的形成机制与阳离子交替吸附作用存在密切联系。

为了更加直观地分析地下水阳离子交替吸附的正向和逆向反应过程引入氯碱指数CAI1、CAI2,其中,CAI1与CAI2均为负值或正值时,则代表地下水中的阳离子发生正向(含水介质中吸附态的K+、Na+被地下水中的Mg2+、Ca2+置换)和逆向(含水层中Mg2+、Ca2+被地下水中的K+、Na+置换)交换作用。研究区内有100%的中深层样点和90%的浅层样点CAI1、CAI2为负值,可见中深层和浅层阳离子发生正向反应,即围岩中的Na+、K+离子被地下水中的Mg2+、Ca2+离子置换,地下水中的Na+、K+离子增多,Mg2+、Ca2+离子减少。

4)人为活动的影响。人为活动对自然界水体的影响主要体现在NO3-浓度上,对于NO3-质量浓度天然来源限制为10mg/L,超过该限制则表示人类氮源输入对自然界水体产生影响。结合实测数据,研究区超过NO3-浓度天然限制的浅层地下水样点有11个,所占比例为30.56%,超过20mg/L(Ⅲ类水质标准)的样点有6个,所占比例16.67%,所有中深层地下水样点均低于NO3-浓度天然限制。因此,人为因素已经影响到了辽阳县浅层地下水化学组成,未对深层地下水产生明显影响[10-11]。

淡水环境下,Cl-作为地下水中的保守离子一般不参与离子交换和化学反应,能够发挥示踪剂的作用。化肥、工业和生活污水等人类活动与地下水环境中的高浓度Cl-有关,可以利用Cl-来指示地下水受人类活动的影响,采用ρ(NO3-)与ρ(Cl-)关系图反映硝酸盐来源。结果表明,辽阳县浅层地下水样点的NO3-浓度>天然限制,其NO3-与Cl-之间的相关性较好,Cl-浓度随着NO3-浓度的增加表现出显著上升趋势,这从侧面反映了浅层地下水化学组成受人为因素的影响。同时,辽阳县中深层和浅层地下水中的ρ(Cl-)与ρ(SO42-)之间的正相关性较好,表明化肥、工业和生活污水等人类活动也会影响到地下水硫酸盐浓度。

3 结 论

1)辽阳县浅层地下水优势阴阳离子为HCO3-、Ca2+,除HCO3-外其它离子均具有较大的变异系数,说明外界影响对浅层地下水化学特征影响显著;中深层地下水优势阴阳离子为HCO3-、Na+,除Cl-、SO42-外其它变异系数较为稳定。

2)辽阳县浅层和中深层化学类型分别为12种、5种,浅层主要为HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型和HCO3-—Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Na+·Mg2+型,中深层主要为HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Ca2+型和HCO3-—Na+·Ca2+型。

3)人类活动、阳离子交替吸附作用和岩石溶滤作用共同影响着地下水化学特征,并且浅层相较于中深层化学成分受人为因素的影响更显著,人类活动与中深层及浅层地下水硝酸盐、硫酸盐变化有关。