太湖流域北部地下水化学特征及成因分析

李 亮,邢怀学,龚建师,王赫生,周锴锷,朱应新,邓婷婷

(1.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016;2.江苏省有色金属华东地质勘查局,江苏 南京 210007)

地下水是水资源的重要组成部分[1-2],在自然系统水循环中,地下水不断与接触的岩石圈、生物圈和大气圈进行物质、能量和信息交换,水化学特征不断变化[3-4]。开展地下水的水化学及时空分布特征研究,不仅对揭示地下水的水化学形成作用、地下水循环规律具有重要意义,还能为地下水资源可持续开发提供数据支撑[5-7]。

太湖流域北部位于苏锡常平原,包括无锡市大部分地区、常州市天宁区和武进区部分地区,是长江三角洲经济区的重要组成部分。改革开放以来,太湖流域社会经济发展迅速,经济结构变动剧烈[8],水环境质量也发生了改变,地面沉降、地下水污染等环境地质问题日益突出[9]。一些学者及单位[10-15]在太湖流域开展了大量的水化学、同位素测试分析工作,对当地的水化学环境、地下水循环进行了研究。2000年以来,苏锡常地区地下水禁采[16],地下水位不断回升[17],地下水环境发生了改变。前人针对地下水超采引起的地下水变化问题进行了研究,但对禁采以来的地下水水化学特征研究相对较少。本文通过对太湖北部地区地下水水化学特征进行分析,进一步了解该区地下水禁采以来的地下水化学分布特征及成因机理。

1 研究区概况

太湖流域北部以太湖平原为主,局部少量低山丘陵,地势平坦,河网密布。该区属于北亚热带湿润季风气候,年平均气温16.2 ℃,年降水量1 121.7 mm。

研究区地下水类型主要为松散岩类孔隙水,从上到下依次划分为潜水含水层、第Ⅰ承压水含水层和第Ⅱ承压水含水层(图1)。潜水含水层岩性以中细砂、粉砂、亚砂土为主,厚0.3～28 m,地下水埋深0.5～4 m,单井涌水量5～10 m3/d。受地形影响,潜水流向与地形一致,整体由残丘区流向平原区,由北部长江沿岸向南流入太湖。由于受人类活动影响,含水层局部潜水流向略有不同。区内第Ⅰ承压水分布广泛,含水层岩性以灰色、深灰色、灰黄色粉砂、粉细砂为主,钻孔揭露厚度<15 m,地下水位埋深2.5～12 m,单井涌水量100～500 m3/d。第Ⅱ承压水含水层是苏锡常地区的主要含水层,受中更新世长江古河道和东青古河道控制,岩性以中细砂、中粗砂、含砾粗砂为主,河床厚5～45 m,水位埋深17～47 m,单井涌水量500～3 000 m3/d。第Ⅰ承压含水层和第Ⅱ承压含水层是该区20世纪末主要的地下水开采层,受承压水位降落漏斗的影响,第Ⅰ承压水和第Ⅱ承压水整体由北西、南东向常州市武进区石塘湾镇方向径流。

图1 研究区水文地质剖面图Fig. 1 Hydrological section of the study area

2 样品采集和测试方法

图2 研究区采样位置图Fig. 2 Sampling locations of the study area

3 结果与讨论

基于相关样品的水化学参数测试结果,利用SPSS、Origin软件进行数据分析,综合运用描述性统计、相关性分析、Piper三线图和离子比例系数法研究地下水水化学特征和演变机理。

3.1 水化学特征

对2017—2018年采集的112个潜水样品、10个第Ⅰ承压水样品和9个第Ⅱ承压水样品的主要水化学参数进行特征统计分析,结果如表1所示。

表1 研究区地下水水化学参数统计结果Table 1 Statistics of hydrochemical parameters of groundwater in the study area

3.2 相关性分析

相关性分析可揭示地下水水化学参数的相似性、相异性及来源的一致性和差异性[18-19]。分别对研究区潜水、第Ⅰ承压水和第Ⅱ承压水的主要离子进行Pearson相关系数计算,结果如表2所示。

由第Ⅰ承压水和Ⅱ承压水主要离子相关性(表2)可知,Na+与Ca2+、Mg2+呈反比,推测Na+与Ca2+、Mg2+之间可能发生了以下阳离子交换。

表2 研究区水化学参数相关性系数矩阵Table 2 Correlation coefficient matrices of hydrochemcial parameters in the study area

2Na+(土)+Ca2+(水)=Ca2+(土)+2Na+(水)

2Na+(土)+Mg2+(水)=Mg2+(土)+2Na+(水)

3.3 水岩作用分析

3.3.1 主控因素

(a).TDS-Na+/(Na++Ca2+)图; (b).图图3 研究区地下水Gibbs图[20]Fig. 3 Gibbs diagrams of the groundwater in the study area[20]

图4 硅酸盐岩和碳酸盐岩风化的相对贡献图[21]Fig. 4 Weathering contributions of silicate and carbonate[21]

3.3.2 人类活动输入

利用SO42-、NO3-与Ca2+的比值关系可分析人类活动对地下水主要离子的影响程度:当SO42-/Ca2+>NO3-/Ca2+(毫克当量比值)时,人为活动受工矿活动影响较大;反之,人为活动受农业活动和生活污水的影响较大[24]。研究区潜水SO42+与Ca2+浓度比值较高(图5),说明潜水受人类活动影响,且工矿活动影响大于农业活动、生活污水影响,这与常州、无锡地区发达的工业活动有关。

图5 潜水与关系图Fig. 5 Relation of in shallow groundwater

3.4 离子比系数

在地下水化学成分中,各组分之间的含量比系数可用来研究某些水文地球化学问题[25],离子比系数可反映地下水水化学演化过程。

3.4.1 γNa+/γCl-

γNa+/γCl-系数称为地下水成因系数,是表征地下水Na+富集程度的水文地球化学参数[26]。标准海水的γNa+/γCl-系数平均值为0.85,低矿化度水具有较高的γNa+/γCl-系数,高矿化度水具有较低的γNa+/γCl-系数[27]。

由图6(a)可知,研究区潜水大部分样品、承压水所有样品位于1∶1线以上,说明Na+毫克当量浓度基本均大于Cl-毫克当量浓度,表明地下水在径流过程中发生了物理、化学作用,使Na+释放出来。促使Na+增加的物理、化学作用主要有两方面:① 水中的Ca+和土壤中的Na+发生交换,使Na+毫克当量浓度大于Cl-毫克当量浓度;② 硅酸盐溶解[28],使水中Na+浓度增加,可能是钠长石的溶解造成的[29]。由图6(a)可知,γNa+/γCl-系数具有“第Ⅱ承压水>第Ⅰ承压水>潜水”的规律,说明从潜水到第Ⅰ承压水、第Ⅱ承压水,矿化度逐渐降低。由图6(b)可知,潜水中部分样点γK+/γCl->0.2,说明发生了钾长石的溶解[29]。

图6 研究区地下水γNa+-γCl-关系(a)、γK+/γCl--TDS(b)关系图Fig. 6 Relation of γNa+-γCl-(a) and γK+/γCl--TDS(b) of groundwater in the study area

由图7(a)可知,潜水投影点位于或接近1∶1线附近,表明潜水主要来源于大气降水,主要离子Ca2+、Mg2+、HCO3-来源于碳酸盐岩、钙镁硅酸盐岩的风化、溶解[32]。承压水投影点主要分布在1∶1线下方,表明在地下水演化过程中HCO3-增加或Ca2+、Mg2+减少,结合Na+与Ca2+、Mg2+呈负相关,说明通过离子交换作用,水中的Ca2+、Mg2+替换了土壤颗粒中的Na+,从而使γ(Ca2++Mg2+)浓度降低。

3.4.3 γCa2+/γMg2+

γCa2+/γMg2+值可以反映地下水中溶解物的特征,当γCa2+/γMg2+值>2时,表明硅酸盐溶解可使Ca2+和Mg2+进入地下水;当γCa2+/γMg2+为1～2,表明方解石发生了溶解;当γCa2+/γMg2+值为0～1,表明白云石或碳酸盐岩发生了溶解[29]。

由图7(b)可知,潜水样品大部分γCa2+/γMg2+值>2(少部分为1～2),表明潜水主要为硅酸盐岩溶解及少量方解石溶解;承压水部分样品γCa2+/γMg2+值为1～2,表明承压含水层方解石发生了溶解。

图7 研究区地下水和γCa2+/γMg2+-TDS(b)关系图Fig. 7 Relation of and γCa2+/γMg2+-TDS(b) of groundwater in the study area

3.4.5 γNa+/γCa2+

由图8(b)可知,承压水γNa+/γCa2+值大部分>2,表明承压水中Ca2+、Na+之间发生了阳离子交换,同时伴随着硅酸盐岩的溶解[32]。潜水中γNa+/γCa2+值大部分为0.5～2,表明大气降水淋滤、碳酸盐岩溶解占了较大比重,该结论与3.2章节得出的结论一致。

图8 研究区地下水和γNa+/γCa2+-TDS(b)关系图Fig. 8 Relation of and γNa+/γCa2+-TDS(b) of groundwater in the study area

3.5 Piper三线图

利用Origin Pro软件中的Piper模块绘制地下水Piper三线图(图9)。潜水水化学类型以Ca·

图9 研究区地下水Piper三线图Fig. 9 Piper three-line diagram of groundwater in the study area

Na-HCO3型、Ca·Na-HCO3·SO4型为主,第Ⅰ承压水水化学类型以Ca·Na-HCO3型、Ca-HCO3型为主,第Ⅱ承压水水化学类型以Ca·Na-HCO3型、Na-HCO3型为主。总体看,承压水水化学类型较单一,潜水水化学类型相对复杂,主要由于潜水处于半开放状态,影响因素较多,而承压水处于半封闭状态,离子浓度相对稳定。潜水中弱酸根>强酸根,表明自然环境下的浓缩作用不强烈。

(1) 地下水主要阳离子为Na++K+和Ca2+,从承压水到潜水,Na++K+比重逐渐减少,Ca2+比重逐渐增大,Mg2+比重基本不变。

4 结论

(2)地下水主要受矿物风化-溶滤作用影响,硅酸盐岩的溶解对地下水化学特征影响较大。潜水受人类活动影响,其中工矿活动的影响大于农业活动、生活污水的影响。承压水发生了阳离子交换作用,Ca2+和Mg2+浓度降低,Na+浓度增高。

(3)潜水的水化学类型以Ca·Na-HCO3型、Ca·Na-HCO3·SO4型为主;承压水的化学类型单一,第Ⅰ承压水水化学类型以Ca·Na-HCO3型、Ca-HCO3型为主,第Ⅱ承压水水化学类型以Ca·Na-HCO3型、Na-HCO3型为主。