长春市典型流域地下水离子分布特征及来源

＊王翰琦 刘曦遥 马力 冯波*

（1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室 吉林 130021 2.中国地质调查局牡丹江自然资源综合调查中心 黑龙江 157423 3.吉林大学地热资源开发技术与装备教育部工程研究中心 吉林 130026）

地下水是水资源的重要组成部分，在为中国城乡居民提供用水、支持社会和经济发展以及维持生态平衡方面发挥着重要作用[1]。特别是在地表水资源相对匮乏的中国北方干旱和半干旱地区，地下水发挥着不可或缺的作用[2-3]。近年来,关于长春市水环境的研究取得了大量的成果,对河流水系的生态、水量及地表水水质特征进行了系统全面的研究与分析。杨靖民[4]对伊通河流域地下水和地表水中“三氮”的含量水平及污染进行了研究，发现地下水中氮污染呈现由上游到下游逐渐增加的趋势；姜时欣等[5]分析了长春市伊通河中重金属污染特征含量与潜在生态风险，研究得出重金属元素含量总体沿河流流向呈阶梯式增加,铬元素存在较高生态风险。上述成果都为长春地区地下水化学研究提供了支撑，但仍缺乏对地下水中水文地球化学过程和各元素迁移转化规律的研究，因此以长春市典型流域作为研究区域，分别对2014 年和2022 年潜水采样点进行水化学分布规律、离子来源分析探究及模拟工作，可为长春市地下水污染的防治提供科学依据，并对我国其他水系的流域治理也有一定的参考价值。

1.研究区概况

长春市位于北半球中纬地带，研究区地处松辽平原东侧，主要分布有黄土波状台地和河谷漫滩阶地。研究区大部分是阶梯状台地，呈波状或丘陵状起伏；河谷平原主要由河流冲积平原和一级阶地组成。河流呈带状沿着长春市周边两岸分布，包括伊通河、干雾开河、新开河与饮马河，地形较为平坦。研究区主要接受大气降水补给，流经黄土台地区补给地表河流水系及湖泊水库，地下水位埋深较浅。

2.取样测试与研究方法

(1)样品采集

依托中国地质调查局牡丹江自然资源调查中心，在长春典型流域分别获得2014 年潜水样品36 组和2022 年潜水样品23 组。主要阴阳离子委托中国地质调查局牡丹江自然资源调查中心进行测试分析，所测的样品阴阳离子平衡差均小于5%。

(2)研究方法

通过水化学类型法、离子比例分析方法研究长春典型流域地下水化学特征及演变规律，并采用地下水化学反向模拟、结合模拟结果定量解释控制地下水演化的水文地球化学过程。

3.结果与分析

(1)水化学特征

2014 年和2022 年漫滩及一级阶地采样点pH 范围分别为6.55～7.8 和6.33～8.41；黄土波状台地采样点pH 范围分别为6.23～7.78 和6.89～8.49，总体都呈弱碱性。2014 年TDS 值的分布范围为23～1357 mg/L，黄土波状台地区域的TDS 值为23～1133 mg/L，漫滩及一级阶地的TDS 值为376～1357 mg/L，平均值分别为734.36 mg/L 和695.27 mg/L。2022 年TDS 的分布范围为95～1222 mg/L, 黄土波状台地区域TDS 值为195～1222 mg/L，漫滩及一级阶地区域TDS 值为95～527 mg/L，平均值分别为466.7 mg/L 和284.42 mg/L。从时间变化来看，2022 年研究区及各个地貌TDS 值较2014 年降低，可见近些年长春市区域大力支持伊通河污染治理工作颇有成果。

地下水阳离子主要为Ca2+和Na+；2014 年阴离子表现出重碳酸根＞氯离子＞硝酸根＞硫酸根；2022 年阴离子以重碳酸根和硝酸根为主。K+和NO3-变异系数均较大，体现了极强的空间变异性；TDS 变异系数远大于pH，体现出TDS 空间分布不均匀。

通过绘制伊通河流域Piper 三线图（图1）可知，2014 年和2022 年研究区地下水中阴离子以重碳酸型、重碳酸硫化物型、重碳酸氯化物硫化物型为主，地下水阳离子类型以钙、钙钠、钙镁型为主。2014 年，主要体现为SO4·HCO3-Ca·Mg 型水和HCO3·Cl-Ca·Mg 型水。2022 年，长春主城区出现了较多重碳酸氯化物硫化物型水、重碳酸硫化物型水；全区地下水类型为低矿化度的HCO3·SO4-Ca·Mg 型水。

图1 2014 年Piper 三线图和2022 年Piper 三线图

(2)水化学主要离子来源分析

①Gibbs 图分析

Gibbs 图将影响天然水化学成分的因素分为岩石风化控制型、大气降水控制型、蒸发结晶控制型。研究区水样点大部分落在岩石风化控制区域，部分处于蒸发浓缩控制区，几乎不存在落在大气降水作用区的点位，说明区内水化学组成主要受岩石风化作用与蒸发结晶作用控制[6]，且岩石风化作用对水化学离子组成起主导作用，受大气降水作用影响较小。其中TDS与Na+/（Na++Ca2+）和具有较好的集群性，而与Cl-/（Cl-+HCO3-）不存在规律性，推测可能与阳离子交替吸附作用和人为活动有关。

②岩石风化过程

不同岩石风化过程会使不同的离子溶于水中，钙镁和钙钠的比例关系可以揭示水中离子源自何种矿物的溶解[7]，研究区以碳酸盐岩风化为主要作用，蒸发盐岩次之。2014 年水样点较2022 年更分散，没有呈现明显的集群性。为进一步分析研究区地下水中主要离子来源，运用离子比值具体分析其水文地球化学过程[8]。

（Na++K+）与Cl-的比值关系可指示水中钠离子和钾离子的来源[9]。研究区Na+、K+主要来源为蒸发盐岩溶解及少部分硅酸盐岩风化作用。研究区采样点钠钾离子与氯离子的比值整体呈增大趋势，同时离子比值随年限增加逐步收拢于值为1 的比值线，表明研究区地下水中Na+、K+和Cl-主要受岩盐溶解的影响，间接表明硅酸盐岩风化作用和阳离子交替作用减弱[10]。

（SO42-+Cl-）与HCO3-的关系可以判别碳酸盐岩和蒸发盐岩风化溶解对水中离子的贡献程度，当比值小于1 时，水体主要受碳酸盐岩溶解影响，反之则蒸发盐岩溶解更为重要[11]，该地区受蒸发盐岩溶解影响较大；2014 年漫滩及一级阶地区域碳酸盐岩的贡献强于蒸发盐岩。

不同种类的碳酸盐岩溶解会使Ca2+与HCO3-的当量浓度比呈现不同特征[12]。当二者的浓度比为1:2时，水中钙与重碳酸根源自方解石溶解；比值为1:3时，则钙及重碳酸根来源于白云石溶解。研究区大部分样点落在比值线右侧，说明地下水中Ca2+主要源自方解石溶解，与白云石等其他钙岩矿物无相关性。自然条件下，SO42-与Ca2+、Mg2+之和为同源，但其比值结果表明区内存在Ca2+、Mg2+过剩情况，可能有其他来源的钙镁离子存在，Mg2+主要来源于绿泥石及云母类矿物的溶解，说明方解石、绿泥石、云母以及其他钙镁盐岩的溶解参与了水中Ca2+与Mg2+的形成。但除了钙镁盐岩溶解，还存在其他作用会对水体离子成分产生影响，需要重点考虑人为因素对研究区地下水化学影响程度。

③人为输入

由研究区多年水化学数据分析，NO3-污染程度逐年增加，硝酸根变异系数较大，体现极强空间变异性，漫滩附近均超过100%。通过对研究区周边工农业污染源的调查，发现黄土波状台地区域存在大面积的农业区与牲畜养殖基地，化肥及牲畜排泄物质加重了水体污染。2014 年至2022 年地下水受工业污染程度呈降低趋势，其中漫滩及一级阶地处尤为明显，可见与近几年伊通河流域的水污染治理工程有关。根据实地情况可知，研究区周围存在大量的工业区，其中工业废水包括排放的含油污水会加剧伊通河流域的水质污染。除此之外，农业区作业过程中化肥和农药的使用也会对水体造成污染。

表1 2014 年和2022 年不同地貌类型硝酸盐氮离子浓度

(3)水文地球化学反向模拟

为进一步研究长春区域地下水化学迁移转换过程，选取PHREEQC 水文地球化学模拟软件对该地区几条地下水流动路径进行水文地球化学反向模拟工作。

根据研究区水质和水化学分析结果，以及潜水类型和地岩性层，选取伊通河流域和干雾开河流域两条模拟路径。由模拟结果可知，研究区内钠、钙盐呈溶解趋势；黄铁矿呈持续溶解趋势，赤铁矿、针铁矿等含铁矿物呈沉淀趋势；白云石、方解石呈溶解趋势；同时可见有部分黏土矿物生成。

伊通河流域的总矿物转移量为-3.09 mg/L。伊通河上游地下水矿化度较低，水岩反应整体呈沉淀趋势，伊通河流域地下水的pH 呈降低趋势，故研究区长石溶解程度逐渐增大，与模拟结果相符。干雾开河流域的总矿物转移量为-5.56 mg/L，干雾开河上的基岩矿物主要受水体的pH 因素控制，其反应速率与pH 值呈正相关。

4.结论

（1）2014 年研究区主要体现为SO4·HCO3-Ca·Mg 型水和HCO3·Cl-Ca·Mg 型水；2022 年，地下水类型为低矿化度的HCO3·SO4-Ca·Mg 型水。

（2）区内水化学组成主要受岩石风化作用与蒸发结晶作用控制，且岩石风化作用对水化学离子组成起主导作用，受大气降水作用影响较小。

（3）伊通河流域中基岩的溶解趋势明显，与人为活动有关。

（4）应该通过减少城市污水直接排放、减少化肥农药使用、加大对伊通河流域的监管治理等措施，改善河流的水质状况。