赣州北部丘陵山区浅层地下水化学特征及成因分析

杨艳林, 靖 晶, 齐 信, 邵长生, 王晓晗

(1.中国地质调查局武汉地质调查中心,湖北 武汉 430205; 2.湖北师范大学城市与环境学院,湖北 黄石 435002)

0 引言

地下水在维持生态系统平衡、工农业发展和人类健康有序生活等方面起着极其重要的作用[1-3]。然而人类活动[4]、气候变化[5]会导致地下水水化学特征发生明显变化,地下水环境安全受到严峻挑战,这也引起我国政府和学者的高度关注[6-7]。2021年12月1日起施行的《地下水管理条例》[8],标志着地下水迈入依法管理的新阶段。在科学研究方面,大量学者开展了地下水水化学特征及形成机制方面的研究[9-10],这些研究能够还原该地区的水文地质历史,了解地下水与所处环境的水岩溶解、阳离子交换及人类活动等方面的作用机制,这对地下水资源保护、管理及开发利用具有重要的指导意义[11-12]。

赣州属于典型的丘陵山区,其水资源具有空间分布不均的特点[13]。在干旱年份或秋冬季,降水资源偏少,河流、水库水位大幅下降,甚至出现断流、干涸等现象。同时,赣州市农村供水基础设施薄弱[14],严重影响丘陵山区居民的生产、生活用水。地下水作为重要的自然资源,在维持当地生态环境、经济发展和社会稳定方面,发挥了举足轻重的作用。2015年,原国土资源部在赣州地区开展的一项重要工作就是解决群众饮用水、生产用水和农业用水的保障问题[15]。本文根据2018年最新调查数据,利用地球化学手段对赣州北部丘陵地区开展水化学分析,分析区内浅层地下水水文地球化学特征及其成因机制,探讨影响地下水水化学特征及主要水化学过程,以期为赣州地区地下水资源合理开发及改善水生态环境提供指导。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

研究区位于赣州市赣县区北部,地处亚热带东南季风气候区,四季分明,光照充足,无霜期长,多年平均气温19.3 ℃,多年平均降水量1 446.2 mm。区内水系较发育,平江从北东—南西贯穿于研究区,是贡水的一级支流。区内整体属于中低山丘陵地貌,可分为侵蚀剥蚀构造低山地貌、剥蚀构造丘陵地貌和侵蚀堆积河谷地貌3类(图1)。

图1 研究区地形地貌示意图Fig.1 Topographic map of the study area

1.2 地层岩性及水文地质条件

研究区内出露的地层有震旦系(砂与板岩互层、硅质岩)、寒武系(变余砂砾岩、含砾杂砂岩)、泥盆系(紫红色砂岩)、侏罗系(中粗—细粒黑云二长花岗岩)、三叠系(中—细粒黑云二长花岗岩)、白垩系(砾岩、砂岩、粉砂岩)及第四系(松散沉积物)(图2),其中三叠系分布面积最大。根据地下水的赋存条件、水理性质及水力特征,将研究区地下水划分为3个大类(6个亚类): 第四系孔隙水、碎屑岩类裂隙水(白垩系孔隙裂隙水、寒武系变质岩裂隙水和震旦系变质岩裂隙水)和花岗岩裂隙水(侏罗系花岗岩裂隙水和三叠系花岗岩裂隙水)。大气降水为该区地下水的主要补给来源,降水通过第四系松散堆积层的孔隙,以及裸露区变质岩、碎屑岩、花岗岩的裂隙等,渗入地下,补给地下水。由于该区地形起伏,网状水系发育,地下水径流路径短,多以泉的形式排泄于地表,形成小溪。进入枯水季节,降雨量偏少,小溪、河流、水库等地表水的补给来自于地下水的排泄,支流和水塘等小型水体常出现断流或干涸现象。

1.泉采样点; 2.井采样点; 3.钻孔采样点; 4.水域; 5.第四系松散沉积物; 6.泥盆系紫红色砂岩; 7.白垩系砾岩、砂岩、粉砂岩; 8.侏罗系中粗—细粒黑云二长花岗岩; 9.三叠系中—细粒黑云二长花岗岩; 10.寒武系变余砂砾岩、杂砂岩; 11.震旦系硅质岩、杂砂岩; 12.地名图2 研究区地层岩性及采样点Fig.2 Formation lithology and sampling points in study area

2 样品采集与数据处理

2.1 样品采集与测试

2.2 数据处理

本文运用R语言(Rstudio平台)对研究区地下水主要离子进行统计分析(包括均值、方差、变异系数等)及部分图件编制,运用Surfer软件进行克里金空间插值探究TDS的空间分布特征,绘制Piper三线图、Gibbs图、端元图和离子比值图等图件,分析研究区内地下水化学特征及形成机制。

3 结果与分析

3.1 地下水现场指标特征

依据不同岩性地下水的现场水质测试,绘制其pH值与TDS的箱形与小提琴组合图(图3)。地下水采样点的pH值介于5.08～7.87之间,均值为6.27,呈弱酸性。其中震旦系变质岩裂隙水的平均pH值最高,白垩系孔隙裂隙水的平均pH值最小,侏罗系花岗岩裂隙水的pH值变幅最大,白垩系孔隙裂隙水的pH值变幅最小。TDS介于15.6～375.7 mg/L,属于淡水范畴。其中白垩系孔隙裂隙水的平均TDS最大,侏罗系花岗岩裂隙水的平均TDS最小,第四系孔隙水的TDS变化最大,而寒武系变质岩裂隙水的TDS变化最小。

图3 现场测试指标中pH值和TDS的箱形与小提琴组合Fig.3 Box and violin combination diagram of pH and TDS for onsite testing indicators

3.2 地下水离子含量特征

图4 研究区水化学参数统计Fig.4 Statistical of hydrochemical parameters in the study area

3.3 地下水化学类型

a.碱土金属超碱金属; b.碱金属超碱土金属; c.弱酸超强酸; d.强酸超弱酸; e.碳酸硬度超50%; f.非碳酸硬度超50%; g.非碳酸碱金属超50%; h.碳酸金属超50%; i.阴阳离子对不超50%; A.Mg2+型; B.Ca2+型; C.Na++K+型; D.无主导型; 型; 型; G.Cl-型; 型; 型; 型; IV.Cl--Na+型; V.Cl--Ca2+·Mg2+型; 型图5 研究区地下水化学Piper三线图Fig.5 Piper diagram of groundwater hydrochemistry in the study area

3.4 地下水TDS分布特征

TDS是地下水中各主要离子的集中体现,也是研究地下水水化学特征的重要指标[8]。基于地质统计法分析研究区地下水TDS的空间分布特征,本文采用Surfer软件中的克里金插值,绘制了研究区内TDS的宏观空间分布(图6)。总体来看,研究区内TDS的空间分布具有明显的分异: 河谷平原耕地区,地下水的TDS浓度明显较大,如白枧村、清溪村、枧田村、吉埠村等,这些地方同时也是地下水排泄区、人类活动强烈区; 而丘陵山区(林区),即地下水补给区、人类活动弱区,地下水的TDS浓度明显较低。由此可知,人类活动对地下水TDS的空间分布有较大影响。

图6 研究区地下水中TDS空间分布Fig.6 Spatial distribution of TDS in groundwater of the study area

4 讨论

地下水水化学成分的演化通常受水岩溶解作用、蒸发浓缩作用、阳离子交换作用、气象水文、地形地貌,以及人类活动的影响[19]。本文主要讨论水岩溶解作用、阳离子交换作用和人类活动的影响。

4.1 水岩溶解作用

图7 研究区地下水Gibbs图Fig.7 Gibbs plots for groundwater in the study area

(a) Mg2+/Na+与Ca2+/Na+比值与Ca2+/Na+比值

图8 研究区岩石风化溶解相对贡献Fig.8 Relative contribution of weathering and dissolution of rocks in the study area

4.2 阳离子交换作用

图9 研究区地下水阳离子交换作用Fig.9 Cation exchange of groundwater in the study area

由图9知,大部分样点位于参考线附近,说明地下水在运移过程中,Ca2+和Mg2+离子与黏土、粉砂质黏土和粉砂土等基质中的Na+和K+离子发生阳离子交换或反阳离子交换。其中约有11个点(占总数的20.75%),即图9中的灰色区,离参考线较远,发生阳离子交换作用不明显。

为了探究地下水中阳离子的交换方向,可借助氯碱指数(CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ)[25]来判断。通常情况下,当地下水中Ca2+和Mg2+与含水层颗粒表面吸附的Na+和K+进行阳离子交换作用时,CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ均为负值; 相反,若存在反阳离子交换作用,则CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ值将会为正值。地下水样品中氯碱指数情况见图10。

图10 研究区地下水样品氯碱指数Fig.10 Chloralkali index of groundwater in the study area

由图10知,TDS与氯碱指数呈正相关,即TDS越大,氯碱指数也越大。第四系孔隙水、白垩系孔隙裂隙水、三叠系花岗岩裂隙水、寒武系变质岩裂隙水和震旦系变质岩裂隙水等地下水样的氯碱指数均小于0,表明地下水中Ca2+、Mg2+替换了基质中吸附的K+、Na+,导致地下水中Na+、K+浓度升高; 而侏罗系花岗岩裂隙水中部分水样氯碱指数大于0,表明其地下水中存在反阳离子交换作用,致使其Ca2+和Mg2+浓度相对较高,与离子特征分析相一致。

4.3 人类活动的影响

图11 研究区地下水中浓度散点Fig.11 Scatter diagram of concentration in groundwater of the study area

图12 研究区地下水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+和含量关系Fig.12 Content relationship of Ca2+、Mg2+、Na+、K+ and in groundwater of the study area

5 结论

(3)研究区内TDS的空间分布具有明显的分异,在河谷平原耕地区,地下水的TDS浓度明显较大,而在丘陵山区,地下水的TDS浓度明显较低,表明TDS空间分布与人类活动密切相关。