南昌平原區(qū)孔隙地下水水化學(xué)特征及成因分析

陳昌劍，馬青山，徐衛(wèi)東，田福金

(1.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 300314；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016)

地下水化學(xué)特征反映了地下水化學(xué)宏觀狀況，進(jìn)行地下水化學(xué)成因分析對(duì)于揭示地下水環(huán)境變化過(guò)程及水文地球化學(xué)演化規(guī)律具有重要意義，有助于科學(xué)規(guī)劃和有效利用地下水資源、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水化學(xué)成因及演化過(guò)程做了大量研究。王曉曦等[2]運(yùn)用了描述性統(tǒng)計(jì)，離子比例系數(shù)等方法，闡明了灤河沿岸淺層地下水化學(xué)類(lèi)型在空間上的變化趨勢(shì)及相關(guān)成因。孫英等[3]通過(guò)采用描述性分析、離子比值法等手段，揭示了新疆巴楚縣平原區(qū)地下水化學(xué)組分主要受到蒸發(fā)濃縮作用影響。劉江濤等[4]綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、舒卡列夫分類(lèi)、Piper三線圖、Gibbs圖和離子比值等方法，指出了沁河沖洪積扇地下水水化學(xué)演化過(guò)程的主要控制因素。Sivakarun N等[5]利用離子比值和水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)等方法，說(shuō)明了印度南部沿海地區(qū)地下水的影響因素。

南昌市淺層孔隙地下水資源豐富，為南昌市最主要的地下水供水水源[6]。以南昌平原區(qū)孔隙水為研究對(duì)象，依托“南昌市多要素城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目”，根據(jù)地下水調(diào)查和水化學(xué)分析結(jié)果，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)和Piper三線圖，綜合分析地下水化學(xué)特征，結(jié)合Gibbs圖和離子比例系數(shù)法，進(jìn)一步說(shuō)明地下水中離子組分的成因機(jī)制，揭示其來(lái)源。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南昌贛撫沖積平原區(qū)內(nèi)，北緯28°21′2.93″～28°46′15.13″，東經(jīng)115°48′43.09″～116°7′32.06″，總面積約767.91 km2，地勢(shì)平坦，海拔17～37 m。氣候類(lèi)型屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.6℃，年平均降水量約1 596 mm，年平均蒸發(fā)量為1 227.4 mm。

研究區(qū)涵蓋河漫灘平原、一級(jí)階地、二級(jí)階地以及崗地四種地貌類(lèi)型，其地表由更新世以來(lái)松散的河流沖積層所覆蓋，下伏為第三系紅層(泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖)，根據(jù)含水介質(zhì)的不同，在垂向上分為松散巖類(lèi)孔隙水和紅層溶蝕孔隙裂隙水兩種類(lèi)型?？紫端畬泳哂卸Y(jié)構(gòu)，上部為亞粘土，亞砂土、粘土、淤泥質(zhì)粘土等，透水性弱；下部為砂卵礫石層，局部夾淤泥質(zhì)粘性土透鏡體，透水性強(qiáng)。孔隙水含水層平均厚度為15.2 m，主要接受來(lái)自大氣降水的直接滲入補(bǔ)給[7]，排泄方式以側(cè)向流出及人工開(kāi)采為主。根據(jù)孔隙水富水性將研究區(qū)劃分為兩種Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，Ⅰ區(qū)位于西湖區(qū)-東湖區(qū)-蓮塘鎮(zhèn)一帶，富水性較強(qiáng)，單井涌水量可達(dá)10 L·m/s，Ⅱ區(qū)位于東新鄉(xiāng)-富山鄉(xiāng)-崗上鎮(zhèn)以及昌東鎮(zhèn)-麻丘鎮(zhèn)一帶，單井涌水量1～10 L·m/s。地下水整體水流方向?yàn)棰駞^(qū)流向Ⅱ區(qū)(見(jiàn)圖1和圖2)。

圖1 孔隙含水層富水性分區(qū)及采樣點(diǎn)分布圖

圖2 水文地質(zhì)剖面示意圖

2 樣品采集與測(cè)試

地下水化學(xué)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“南昌多要素城市地質(zhì)調(diào)查”二級(jí)項(xiàng)目，于2018年12月份至2019年7月份野外采集地下水水樣90組，采樣層位均為第四系松散孔隙含水層，采樣深度2～30 m。地下水現(xiàn)場(chǎng)的取樣及封裝保存，依據(jù)水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)(HJ494-2009)和水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定)HJ493-2009)進(jìn)行。所取水樣送于南國(guó)土資源部華東礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)，樣品的水溫、pH、電導(dǎo)率和Eh等采用Smart型多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。地下水主要離子濃度依據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，K+、Na+采用火焰原子吸收光譜儀進(jìn)行測(cè)定，Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法測(cè)定，Cl-和SO42-采用離子色譜儀分析測(cè)定，HCO3-用鹽酸滴定法測(cè)定，TDS利用烘干法進(jìn)行測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水化學(xué)的基本特征

地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)是認(rèn)識(shí)地下水化學(xué)性質(zhì)的重要手段?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)理論，運(yùn)用SPSS 26.0軟件對(duì)通過(guò)陰陽(yáng)離子平衡檢驗(yàn)的90組地下水水樣的地下水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，研究區(qū)地下水pH均值為6.27，整體上處于偏酸性環(huán)境；TDS介于38.00～593.00 mg/L，屬于淡水；陽(yáng)離子以Ca2+和Na+為主，含量關(guān)系為Ca2+>Na+>Mg2+>K+，陰離子主要以HCO3-為主，含量關(guān)系為 HCO3->NO3->SO42->Cl-；離子濃度的變異系數(shù)值越大，說(shuō)明其在地下水中的濃度越不穩(wěn)定，與外界介質(zhì)易發(fā)生反應(yīng)。K+離子變異系數(shù)較大，說(shuō)明其在地下水中的含量變化較大，具有較大空間差異性，其他離子在空間分布上相對(duì)穩(wěn)定。地下水從Ⅰ區(qū)運(yùn)動(dòng)到Ⅱ區(qū)的過(guò)程中，發(fā)生了礦物成分的溶解，TDS平均濃度由178.97 mg/L上升為213.36 mg/L。其中，以HCO3。-、Na+和Cl-的物質(zhì)的量的濃度變化最大，分別上升了0.25 meq·L-1、0.22 meq·L-1、0.18 meq·L-1。

3.2 水化學(xué)類(lèi)型及分布特征

Piper三線圖是分析水文地球化學(xué)數(shù)據(jù)的一種很常用的方法。它簡(jiǎn)單直觀的展現(xiàn)了主要離子空間關(guān)系[8-9]。根據(jù)研究區(qū)地下水樣常規(guī)組分和TDS的資料，繪制出Piper三線圖。從圖3中可以看出，如陰離子三角圖所示，水樣點(diǎn)大部分落于D區(qū)域，小部分點(diǎn)落于E、F區(qū)，總體趨勢(shì)較為分散，HCO3型地下水占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；陽(yáng)離子三角圖中，水樣點(diǎn)集中分布于中間偏左下方，Ca、Na+K型水占據(jù)水樣點(diǎn)的大部分，Mg型相對(duì)較少，說(shuō)明地下水中的陽(yáng)離子來(lái)源較統(tǒng)一。根據(jù)菱形圖中水樣點(diǎn)的分布區(qū)域，研究區(qū)內(nèi)地下水以HCO3-Ca及混合型為主。

圖3 Piper三線圖

地下水化學(xué)類(lèi)型在空間上的分布特征能直觀反映各個(gè)地下水類(lèi)型在平面距離上的連續(xù)性及轉(zhuǎn)變關(guān)系。圖4參照舒卡列夫水化學(xué)分類(lèi)法對(duì)孔隙地下水進(jìn)行分區(qū)，如圖所示，南昌平原區(qū)孔隙地下水以HCO3型及HCO3主導(dǎo)的混合型為主。其中，HCO3型地下水分布面積最廣，為研究區(qū)中部與南部最主要的孔隙地下水類(lèi)型；混合型地下水主要分布于東湖區(qū)-青山湖區(qū)北部一帶，蓮塘鎮(zhèn)北、東新鄉(xiāng)南也有小面積分布；HCO3-Cl(Cl-HCO3)型主要分布于向塘鎮(zhèn)周?chē)?，小面積分布于青云譜區(qū)一帶；HCO3-SO4(SO4-HCO3)型于東新鄉(xiāng)南部、蓮塘鎮(zhèn)北部等地均有較小范圍分布；HCO3-SO4(SO4-HCO3)型較集中分布向塘鎮(zhèn)、崗上鎮(zhèn)一帶；SO4型地下水在區(qū)域內(nèi)分布范圍最小，于東新鄉(xiāng)東部及青云譜鎮(zhèn)南部小范圍分布。整體上沿地下水流向，地下水離子濃度逐漸上升。由南往北，地下水類(lèi)型在空間上呈現(xiàn)出HCO3-Cl(HCO3-SO4/SO4-Cl)型→HCO3型→混合型的分帶性。

圖4 研究區(qū)孔隙水水化學(xué)分區(qū)圖

3.3 地下水化學(xué)成因分析

3.3.1 主要離子控制因素分析

溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用、離子交換等作用是造成淺層孔隙地下水化學(xué)成分與濃度發(fā)生變化的主要作用[10]。Gibbs圖利用水中陽(yáng)離子質(zhì)量濃度比值Na+/(Na++Ca2+)和陰離子質(zhì)量濃度比值Cl-/(Cl-+HCO3-)與溶解性總固體含量(TDS)的關(guān)系，宏觀上反映水中主要離子的控制因素，根據(jù)水樣數(shù)據(jù)分布可以指示三種成因類(lèi)型：蒸發(fā)濃縮型、巖石風(fēng)化型和降水控制型。為了確定地下水形成的控制因素，運(yùn)用Gibbs圖來(lái)對(duì)水樣數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。將水化學(xué)數(shù)據(jù)繪入Gibbs圖中，如圖5可知，地下水水樣點(diǎn)基本落在巖石風(fēng)化控制范圍內(nèi)，蒸發(fā)濃縮以及降水控制區(qū)域無(wú)水樣點(diǎn)分布，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)的地下水化學(xué)形成的控制因素為巖石風(fēng)化，即地下水中的主要離子成分來(lái)源于水-巖相互作用。

圖5 地下水Gibbs圖

3.3.2 離子來(lái)源和形成作用解析

Gibbs圖揭示了地下水的控制性因素，反映了地下水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要發(fā)生溶濾作用及陽(yáng)離子交換作用等水-巖作用。地下水離子濃度以及分布狀態(tài)受到地下水流和流經(jīng)巖土體礦物種類(lèi)的影響。為了進(jìn)一步探究地下水中化學(xué)組分的來(lái)源，利用離子比例系數(shù)對(duì)各主要離子進(jìn)行分析。

γ(Na++K+)與γ(Cl-)的毫克當(dāng)量濃度比值可以反映地下水中Na+及K+的來(lái)源[11]。若γ(Na++K+)/γ(Cl-的值接近于1，說(shuō)明地下水中Na+、K+來(lái)自巖鹽的溶解；若γ(Na++K+)/γ(Cl-)的值接大于1，說(shuō)明地下水中Na+、K+來(lái)自硅酸鹽的溶解；若γ(Na++K+)/γ(Cl-)的值接小于1，則說(shuō)明可能存在陽(yáng)離子交換作用。如圖6(a)，比例系數(shù)范圍0.86～3.59，大部分的點(diǎn)均位于y=x線上方，少數(shù)點(diǎn)接近y=x線，說(shuō)明孔隙地下水中Na+和K+除了來(lái)源于鹽巖溶解外，過(guò)剩的Na+和K+可能來(lái)源于硅酸鹽巖的溶解。Ⅱ區(qū)γ(Na++K+)/γ(Cl-)的的比值相對(duì)Ⅰ區(qū)高，可能是因?yàn)棰騾^(qū)在排泄區(qū)地勢(shì)平緩，地下水流速緩慢，水巖作用充分，并發(fā)生了一定程度的蒸發(fā)濃縮作用，所以導(dǎo)致排泄區(qū)γ(Na++K+)/γ(Cl-)值偏高。

圖6 離子比例系數(shù)圖

地下水中的Ca2+、Mg2+可能的主要來(lái)源為碳酸鹽、硅酸鹽及蒸發(fā)巖。根據(jù)γ(Ca2++Mg2+)與γ(HCO3-+SO42-)的毫克當(dāng)量比值，可以判斷出Ca2+、Mg2+的主要來(lái)源[12]。若γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)大于1，說(shuō)明地下水中Ca2+、Mg2+來(lái)自碳酸鹽的溶解；若γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)小于1，則說(shuō)明地下水中Ca2+、Mg2+來(lái)自硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解。如圖6(b)所示，52個(gè)水樣點(diǎn)比值大于1，另外38水樣點(diǎn)比值小于1，說(shuō)明碳酸鹽、硅酸鹽以及蒸發(fā)巖為研究區(qū)地下水中Ca2+、Mg2+的共同來(lái)源，碳酸鹽占據(jù)更大比重。比值小于1的水樣點(diǎn)聚集在排泄區(qū)，說(shuō)明地下水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲得硅酸鹽溶解補(bǔ)充。

γ(SO42-+Cl-)與γ(HCO3-)的比值關(guān)系可以進(jìn)一步識(shí)別出碳酸鹽與蒸發(fā)巖對(duì)主要陰離子的來(lái)源的影響程度[13-14]。如圖6(c)，約54%孔隙地下水水樣γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)大于1，其余比值小于1，碳酸鹽與蒸發(fā)巖比例相當(dāng)。蒸發(fā)巖是指硫酸鹽、巖鹽等，由前文知巖鹽溶解并非是地下水化學(xué)組分的主要來(lái)源，因此可以判斷硫酸鹽巖與碳酸鹽巖是主要的陰離子來(lái)源。

地下水流動(dòng)速度是溶濾作用強(qiáng)弱程度的控制性因素，γ(Cl-)/γ(Ca2+)表征地下水動(dòng)力特征參數(shù)，γ(Cl-)/γ(Ca2+)比值大常說(shuō)明地下水流動(dòng)滯緩，地下水交替程度弱[15]。據(jù)圖6(d)，水樣點(diǎn)的γ(Cl-)/γ(Ca2+)值并未隨著Cl-值的增大而增大，比值的范圍介于0.14～3.39，其中約87%的點(diǎn)γ(Cl-)/γ(Ca2+)小于1，這表明地下水在孔隙含水層中流動(dòng)速度大，水流與巖石中的礦物接觸時(shí)間短，溶濾作用強(qiáng)度較弱。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)研究區(qū)內(nèi)孔隙地下水大部分偏酸性，陰離子以HCO3-為主，陽(yáng)離子中Ca2+、Na+為主。

(2)沿地下水流動(dòng)方向，TDS濃度整體上升，各離子組分濃度均有不同程度上升，HCO3-、Na+和Cl-的濃度變化相對(duì)較大。水化學(xué)類(lèi)型復(fù)雜，以HCO3-Ca型、混合型淡水為主，由南往北具有分帶性

(3)地下水的控制性成因是巖石風(fēng)化，巖石礦物中的化學(xué)組分主要通過(guò)溶濾作用進(jìn)入地下水中，由于地下水流動(dòng)速度較大，溶濾作用有限。孔隙水地下水中的Na+、K+來(lái)源于硅酸鹽巖，Ca2+、Mg2+來(lái)源于碳酸鹽巖、硅酸鹽巖以及蒸發(fā)巖，以及SO42-、Cl-與HCO3-等陰離子來(lái)源于硫酸鹽巖與碳酸鹽巖。