武汉长江新城地下水化学特征及成因分析

引用本文

张雅, 胡元平, 陶良, 等. 2021. 武汉长江新城地下水化学特征及成因分析[J]. 环境科学学报, 41(3): 1022-1030.

Zhang Y, Hu Y P, Tao L, et al. 2021. Hydrochemical characteristic and formation mechanism in the Yangtze River Demonstration District, Wuhan City[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 41(3): 1022-1030.

武汉长江新城地下水化学特征及成因分析

[PDF全文]

张雅¹, 胡元平¹, 陶良², 周峰¹, 杨青雄¹, 刘力¹, 吴波¹, 廖明芳¹

1. 湖北省地质调查院, 武汉 430034;
2. 武汉市测绘研究院, 武汉 430022

收稿日期: 2020-06-03; 修回日期: 2020-07-02; 录用日期: 2020-07-02

基金项目: 武汉市多要素城市地质调查示范项目（No.ZSHJ-WHS-FW-2018-112）

作者简介: 张雅(1993-), 女, E-mail: nanasazya@163.com

通讯作者（责任作者）: 张雅

摘要：为研究武汉地下水水化学特征及形成原因，以长江新城为研究区，于2019年7-9月采集地表水和地下水样品，对区内地下水和地表水进行测试分析.基于水化学结果，运用数理统计、离子比值分析、矿物饱和指数等方法，揭示了长江新城的水化学演化过程和主要离子来源.结果表明，区内地下水阳离子以Ca²⁺为主，阴离子以HCO₃^-为主，地下水和地表水的补给来源密切相关.地下水主要受岩石风化作用控制，同时还受一定程度的蒸发浓缩作用影响，主要离子来源受碳酸盐岩溶解沉淀控制，也存在硅酸盐岩和蒸发盐岩风化溶解作用的影响.地下水受生活污水和农业肥料施用影响较大.

关键词：地下水水化学特征水化学演化长江新城

Hydrochemical characteristic and formation mechanism in the Yangtze River Demonstration District, Wuhan City

ZHANG Ya¹, HU Yuanping¹, TAO Liang², ZHOU Feng¹, YANG Qingxiong¹, LIU Li¹, WU Bo¹, LIAO Mingfang¹

1. Hubei Geological Survey, Wuhan 430034;
2. Wuhan Geomatics Institute, Wuhan 430022

Received 3 June 2020; received in revised from 2 July 2020; accepted 2 July 2020

Abstract: An investigation was carried out on the hydrochemical components of groundwater and surface water samples collected from the Yangtze River Demonstration District during July to September 2019 to study the hydrochemical characteristics and formation of groundwater in Wuhan. Hydrochemical evolution and ion sources of the Yangtze River Demonstration District were probed into by utilizing mathematical statistics, ion ratio analysis and mineral saturation index. The results indicated that Ca²⁺ and HCO₃^- were the principal cation and primary anion in the groundwater, respectively, and groundwater and surface water were recharged from the similar sources. In addition to the general effects of evaporative concentration, the main driving force behind the formation of groundwater hydrochemical characteristics was rock weathering. Specifically, carbonate rocks (most active), silicate rocks and evaporite rocks were the main ion sources of groundwater. Agricultural fertilizer and domestic sewage were also significant influences to be reckoned with of the composition of groundwater.

Keywords: groundwater hydrochemical characteristics hydrochemical evolution the Yangtze River Demonstration District

1 引言(Introduction)

2018年武汉市地下水资源量为10.54亿m³, 占水资源总量的30.15%, 地下水含水层层厚、埋藏浅、量丰富且开发便利(朱红星, 2018).然而, 由于江汉平原东北部岩土中铁、锰、砷等元素含量偏高(蔡玲等, 2019), 加之城镇化进程加快及人类活动的加剧, 导致武汉市地下水水质开始呈现恶化趋势, 2018年武汉市水资源公报显示, 30%以上的地下水为Ⅳ或Ⅴ类, 地下水质量较差, 其水质安全问题在武汉地区十分突出.

近年来, 科研人员在武汉市开展了大量的地下水研究工作, 主要集中在地下水资源分布(文远高等, 2007)、地下水特征及水质分析(宰诗婕, 2018; 张三定等, 2019)、地下水污染状况(王焰新等, 2002; 贾淑霞, 2008; 朱帆济等, 2018)及地下水对工程建设的影响(贺前钱等, 2016)等方面, 然而对于武汉市地下水化学演化过程及其成因机理研究尚未见报道, 对地下水演化过程与规律的认识仍显不足.地下水的化学组分是地下水演化的直接结果, 可以帮助人们分析地下水的演化规律(杨雪等, 2018), 识别地下水污染来源(Machiwal et al., 2015; Zhou et al., 2019).

因此, 有必要对武汉市地下水的演化规律进行分析, 以便识别地下水化学的控制因素, 更科学有效地指导水资源的合理分配利用与保护.长江新城涵盖了武汉典型地质地貌与不同类型地下水, 水资源丰富多样, 区内存在3个相对完整的水文地质单元, 因此, 科学认识该地区地下水化学特征及形成机制对于保障整个武汉乃至江汉平原类似地区地下水资源可持续开发利用具有重要意义.本文以武汉市长江新城为例, 高精度采集地下水样, 运用数理统计、离子比值分析、矿物饱和指数等方法对长江新城不同类型地下水特征及关键驱动因素进行分析研究, 揭示地下水化学成分的主要形成作用, 以期为武汉广大地区地下水开发利用提供水化学依据.

2 研究区概况(Overview of research area)

长江新城位于武汉中北部长江边, 面积约为550 km², 处于江汉平原的东部, 属北亚热带季风性湿润气候, 冬寒夏暖, 冬夏漫长而春秋短, 年内平均气温为16.7 ℃, 降雨多集中在夏季, 多年平均降雨量为1284 mm(朱红星, 2018).长江新城毗邻长江、府河、滠水河、倒水河和武湖、后湖、涨渡湖等众多河流湖泊(图 1).整体位于低海拔区域, 地形起伏较小, 地势特征为北东高南西低, 海拔为16~70 m.以平原地貌为主, 残丘孤岗时断时连, 三水环抱, 湖泊环绕.滠水河、倒水河由北自南汇入长江.

图 1 研究区水文地质及采样点分布图 Fig. 1 Hydrogeological map of the study area and location of the sampling points

研究区东西边界分别为倒水河、滠水河, 南边界为长江, 北部为变质岩, 中部为武湖, 长江新城可分为3个大的水文地质单元：西部的三里桥、中部的武湖和东部的桃树湖水文地质单元.其中, 三里桥水文地质单元主要含水层为第四系松散堆积物和白垩-新近系泥质粉砂岩、砂岩, 主要接受大气降雨补给, 地下水顺层自北东向西、向南汇入滠水、长江.中部的武湖水文地质单元主要含水层为白垩-新近系砂岩、泥质粉砂岩和南华系变质岩、早白垩花岗岩, 四周高、中部低, 接受大气降雨补给, 地下水通过岩石裂隙自四周向中部汇流入武湖.东部的桃树湖水文地质单元主要含水层为白垩-新近系砂岩、泥质粉砂岩, 西部高、东部低, 主要接受大气降雨补给, 地下水通过岩石风化裂隙自西向东汇入倒水河.

研究区地下水主要为承压水, 可分为第四系孔隙水、碎屑岩裂隙水、变质岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水.第四系孔隙水广泛分布于长江及滠水河沿岸的第四系松散层覆盖物中, 岩性主要为砂砾石, 孔隙相对较大；碎屑岩裂隙水位于第四系孔隙水之下, 在研究区东部零星出露于地表, 含水层由白垩-新近系泥质粉砂岩、含砾砂岩、砾岩组成, 上部由于风化裂隙发育, 富含裂隙水；变质岩裂隙水分布于研究区西北部, 含水层主要为南华系变质岩及少量早白垩花岗岩；碳酸盐岩岩溶水仅在研究区西南角有少量分布.第四系孔隙水和碎屑岩裂隙水是研究区地下水的主要赋存形式, 第四系孔隙水主要以承压水的形式存在, 碎屑岩上部裂隙发育, 向深部裂隙逐渐不发育.

研究区第四系孔隙水主要接受大气降雨和地表水补给, 径流途径短, 地下水水量呈现季节性特点.碎屑岩裂隙水主要接受大气降雨和上覆含水层垂向补给, 以侧向径流及少量人工开采等方式排泄.地下水径流方向受地形控制, 水位随地形变化, 由高海拔区向低海拔区逐渐降低.

3 样品采集与测试(Collecting and testing)

为了解长江新城地下水水化学背景及其污染情况, 于2019年7—9月对长江新城不同含水层地下水和地表水进行了系统采样, 共采集地表水样23件, 地下水样85件, 覆盖长江新城全境, 包括第四系孔隙水(取样深度15~30 m)23件、碎屑岩裂隙水(取样深度30~50 m)49件、变质岩裂隙水(取样深度2~20 m)10件、碳酸盐岩岩溶水(取样深度30~40 m)3件(图 1).按照《水质采样方案设计技术规范》(HJ 495—2009)、《地下水环境监测技术规范》(HJ/T 164—2004)等规范要求对工作区水样采样点进行合理布设.在不同的水文地质单元、地下水及重点河流湖泊等地布设相关水样采集点, 具有二元结构含水层的地区, 在不同深度采集不同类型地下水, 在地下水补给、径流、排泄区均布设水点控制, 使得布设水点在总体和宏观上能够反映所在区域水环境质量状况和空间变化, 并具有一定代表性.

采用便携式多参数仪(SX731, 上海三信仪表厂)测定水样pH、电导率(EC)和氧化还原电位(ORP).样品采用预清洗干净的高密度聚乙烯瓶采集, 取样前均用待取水样润洗3次.用于金属元素分析的水样加酸酸化至pH值＜2.

阴离子采用离子色谱仪(型号Metrohm 883)测试, 阳离子采用电感耦合等离子体发射仪(型号ICAP6300)测试.所有元素分析误差控制在5%以内, 测试精度为±0.001 mg·L^-1.样品水化学分析在中国地质大学(武汉)分析测试中心完成.

4 结果与讨论(Results and discussion) 4.1 水化学组成特征

地下水化学特征及其演化规律研究是建立在对有关水化学参数进行统计分析的基础上完成的, 数理统计分析的结果可以反映研究区一定时间内地下水组分的基本情况(於昊天等, 2017).长江新城地下水和地表水水化学指标统计见表 1.

表 1 长江新城地下水和地表水主要水化学指标统计 Table 1 Statistics of main hydrochemical parameters of groundwater and surface water in the study area

mg·L^-1
水体类型	数据类型	pH	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	SO₄^2-	HCO₃^-	TDS	NO₃^-	NO₂^-	NH₄⁺	总硬度	Fe	Mn
第四系孔隙水 (n=23)	最大值	8.54	7.22	68.85	120.20	35.72	155.49	69.35	505.10	702.51	125.63	12.99	4.26	436.63	0.43	7.12
	最小值	7.29	0.06	1.02	31.40	9.33	0.50	0.27	91.53	167.75	0.14	0	0	119.53	0	0
	平均值	7.75	0.76	6.91	69.21	19.74	21.76	23.82	241.24	327.05	12.37	0.94	0.49	253.96	0.04	1.35
	标准差	0.34	1.64	14.56	29.12	8.20	31.85	19.32	111.54	129.76	25.91	2.70	1.18	101.94	0.10	1.90
碎屑岩裂隙水 (n=49)	最大值	11.40	92.49	137.20	262.72	62.43	508.86	458.47	441.48	1520.25	291.64	4.80	0.66	1520.25	0.05	9.09
	最小值	6.16	0.08	1.42	11.19	0.02	2.80	4.76	0	128.70	0.42	0	0	28.53	0	0
	平均值	7.77	8.27	24.07	74.25	17.72	64.89	59.79	175.28	437.71	42.90	0.48	0.12	418.66	0.01	0.47
	标准差	0.73	17.51	27.24	51.18	13.08	106.52	70.36	111.29	269.24	62.11	1.03	0.11	268.62	0.01	1.57
变质岩裂隙水 (n=10)	最大值	8.06	55.57	98.60	166.86	65.12	297.39	171.36	339.37	1130.19	240.85	0.88	0.73	684.87	0	0.04
	最小值	6.90	0.04	0.68	10.30	2.96	2.44	3.86	36.61	48.95	5.05	0	0	37.89	0	0
	平均值	7.45	11.24	40.31	82.43	26.70	105.62	60.91	182.49	533.95	84.90	0.14	0.23	315.77	0	0.01
	标准差	0.36	17.10	28.82	47.05	20.08	99.92	50.42	100.60	322.87	77.36	0.28	0.27	196.45	0	0.02
碳酸盐岩岩溶裂隙水 (n=3)	最大值	8.19	0.40	6.18	88.62	42.87	135.16	59.04	320.36	677.60	97.06	0	0.10	340.63	0.02	4.52
	最小值	7.35	0.04	1.76	65.36	27.48	5.21	15.12	39.66	462.55	5.48	0	0	301.75	0.02	0.02
	平均值	7.76	0.23	3.59	73.27	34.68	52.90	36.94	218.66	558.80	50.14	0	0.04	325.52	0.02	1.59
	标准差	0.42	0.18	2.31	13.30	7.74	71.54	21.96	155.49	109.28	45.83	0	0.05	20.84	0	2.54
地表水 (n=23)	最大值	7.98	4.61	9.86	54.61	11.12	33.85	40.06	140.35	262.90	10.04	3.45	0.23	181.15	0.16	0.18
	最小值	7.24	0.33	0.67	17.75	5.92	6.90	4.87	57.97	111.23	0.59	0	0	68.71	0	0
	平均值	7.58	1.50	3.06	33.42	8.36	18.30	20.20	98.73	169.35	3.20	0.32	0.07	117.81	0.03	0.01
	标准差	0.22	1.61	3.20	12.92	1.45	8.29	9.77	25.74	50.90	2.62	0.77	0.07	37.61	0.03	0.04
注：除pH无单位外其余均为mg·L^-1.

统计结果显示, 长江新城地表水和不同类型地下水pH值总体均呈弱碱性.除个别碎屑岩裂隙水和变质岩裂隙水总溶解固体(TDS)超过1000 mg·L^-1外, 地下水TDS浓度总体较低, 平均值为327.05~558.80 mg·L^-1.碎屑岩裂隙水总硬度(TH)最高, 平均值为418.66 mg·L^-1, 其次为碳酸盐岩岩溶水和变质岩裂隙水, 第四系孔隙水总硬度最低, 平均值为253.96 mg·L^-1.从离子浓度均值来看, 不同类型地下水中浓度最高的阳离子均为Ca²⁺, 浓度最高的阴离子均为HCO₃^-, 说明含水层地下水组成具有一定的相似性, 各含水层之间可能存在水力联系.地下水各主要离子浓度均高于地表水, 可能是由于地表水流动迅速、更新快, 主要通过大气降水补给, 导致水体中各离子浓度均较低(党慧慧等, 2015).

区内地下水和地表水中主要阳离子浓度关系为Ca²⁺>Mg²⁺≈Na⁺>K⁺, 主要阴离子浓度关系为HCO₃^->Cl^-≈SO₄^2-, 地表水和地下水主要阴、阳离子浓度关系相似, 说明其补给来源密切相关(刘江涛等, 2018).

Schoeller图是一种常用的水化学特征图示方法, 可用于分析水样中主要离子浓度变化和水化学变化趋势(Maghraby et al., 2015).从图 2可以看出, 长江新城地下水与地表水、不同地下水间曲线变化趋势基本一致, 进一步说明研究区内地表水与地下水、不同类型地下水的补给来源密切相关.位于相同地点而取样深度不同的3组地下水(GW13和GW60、GW11和GW29、GW19和GW63)各参数比较, 发现深部裂隙水各主要离子较浅部第四系孔隙水富集, 这是因为裂隙水的水交替循环速度低于孔隙水, 水岩作用时间充分, 地下水中各离子更容易富集(李海学等, 2019).

图 2 长江新城地表水和地下水(a)、相同地点不同深度地下水(b)主要离子Schoeller图 Fig. 2 Schoeller diagram showing variations of the concentrations of major ions in surface water and groundwater(a) and main ions of groundwater at different depths(b) in the study area

不同类型地下水均存在不同程度的“三氮”(NO₃^-、NO₂^-、NH₄⁺)超标现象, 第四系孔隙水NO₃^-、NO₂^-、NH₄⁺最大浓度分别为125.63、12.99、4.26 mg·L^-1, 均超过Ⅲ类地下水标准限值(20、1.0、0.5 mg·L^-1), 超标率分别为13%、17%、9%；碎屑岩裂隙水NO₃^-、NO₂^-、NH₄⁺最大浓度分别为291.64、4.80、0.66 mg·L^-1, 均超过Ⅲ类地下水标准限值, 超标率分别为49%、14%、2%；变质岩裂隙水NO₃^-、NH₄⁺最大浓度分别为240.85、0.73 mg·L^-1, 超过Ⅲ类地下水标准限值, 超标率分别为80%、20%；碳酸盐岩岩溶水NO₃^-最大浓度为97.06 mg·L^-1, 超过Ⅲ类地下水标准限值, 超标率为67%.

进一步研究发现, 不同类型地下水中NO₃^-与TDS浓度线性拟合关系较好, TDS随NO₃^-浓度升高而增大(图 3), 同时区内NO₃^-超标较NO₂^-和NH₄⁺严重, 超标率较高.地下水中NO₃^-一般来源于天然有机氮或腐殖质的降解、硝化和人类活动(化肥及农家肥的施用、工农业、生活污水)等(王文祥等, 2013).而本次NO₃^-浓度超标主要出现在研究区东北部, 长江新城东北部大部分地区为农用地, 说明农业施肥造成了地下水中NO₃^-浓度升高, 进一步导致了TDS浓度的升高(董维红等, 2017).

图 3 地下水NO₃^-与TDS浓度的关系 Fig. 3 Relationship diagram between NO₃^- and TDS concentration of groundwater

仅第四系孔隙水中存在Fe浓度超标现象, Fe浓度最高达0.43 mg·L^-1, 超过地下水Ⅲ类水标准限值(0.3 mg·L^-1)；除变质岩裂隙水外, 第四系孔隙水、碎屑岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水均存在Mn超标现象, Mn最高浓度均超过地下水Ⅲ类水标准限值(0.1 mg·L^-1), Mn超标率大于Fe超标率.Fe、Mn超标区均位于长江新城西南部, 上部为第四系孔隙水, 下伏其他含水层.相关研究(蔡玲等, 2019)表明, 江汉平原第四系沉积物中Fe、Mn含量相对较高, 导致地下水中Fe、Mn含量也较高.由于研究区不同含水层之间存在水力联系, 导致不同含水层中均出现Fe、Mn超标现象.

由Piper三线图(图 4)可以看出, 不同类型地下水中主要阳离子均为Ca²⁺和Mg²⁺, 阴离子组成则略有不同.第四系孔隙水主要阴离子为HCO₃^-；碎屑岩裂隙水以HCO₃^-为主, 但存在部分地下水以SO₄^2-和Cl^-为主；变质岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水主要阴离子为HCO₃^-和Cl^-.

图 4 研究区地下水和地表水样品Piper三线图 Fig. 4 Piper diagram of water samples in the study area

4.2 水-岩作用过程

Gibbs图包含岩石风化、蒸发浓缩及大气沉降3个端元, 可用于识别地下水水化学的主要形成机制(Gibbs, 1970).依据Gibbs图(图 5), 长江新城地下水和地表水TDS浓度中等, Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)或Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)比值总体小于0.6, 散点主要分布于岩石风化溶解端元, 部分碎屑岩裂隙水和变质岩裂隙水分布于蒸发浓缩端元, 由此判断, 长江新城地下水中水化学组分主要受到岩石矿物风化溶解的影响.同时, 由于部分地区基岩埋深较小, 裂隙水水位埋深较浅, 还受到蒸发浓缩作用的影响.部分水样Cl^-浓度偏高, 可能存在人为污染来源.地表水在Gibbs图中主要位于岩石风化端元, 指示了地表水主要受岩石风化溶解影响.

图 5 研究区地下水和地表水Gibbs投影图 Fig. 5 Gibbs graph of water samples in the study area

对地下水中的主要阴、阳离子和TDS含量进行Pearson相关分析, 结果显示(表 2), 不同类型地下水中各离子相关性及其对TDS的贡献均有不同.不同类型地下水中Cl^-和Na⁺相关性均显著, Pearson相关系数均高于0.5, 说明两者具有同源关系, 指示地下水中的Cl^-和Na⁺主要来源于岩盐溶解(刘伟江等, 2018).碎屑岩裂隙水和变质岩裂隙水中Cl^-和Ca²⁺和Mg²⁺相关性均显著, 说明此类水地下中Ca²⁺和Mg²⁺具有相同的物质来源.除碳酸盐岩岩溶水外, 第四系孔隙水、碎屑岩裂隙水及变质岩裂隙水中Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、Na⁺均与TDS的相关性显著, 说明这些离子对地下水TDS的贡献较大.碳酸盐岩岩溶水中HCO₃^-与TDS呈负相关, 说明HCO₃^-含量随着TDS增大而减小, 这是由于此类地下水的pH值大部分处于弱碱性范围, HCO₃^-含量受碳酸盐和/或硫酸盐的溶解/沉淀平衡控制(赵江涛等, 2016), 随着TDS增大, 平衡向沉淀端移动, 致使HCO₃^-含量降低.

表 2 长江新城地下水TDS与离子含量相关性矩阵 Table 2 Correlation matrices of hydrochemical parameters of groundwater in the study area

		K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	SO₄^2-	HCO₃^-	TDS
第四系孔隙水	K⁺	1
	Na⁺	0.43^*	1
	Ca²⁺	0.07	0.43^*	1
	Mg²⁺	-0.04	0.39	0.81^**	1
	Cl^-	0.22	0.89^**	0.40	0.35	1
	SO₄^2-	0.19	0.10	0.16	0.12	0.35	1
	HCO₃^-	0.07	0.19	0.86^**	0.72^**	-0.02	-0.22	1
	TDS	0.11	0.67^**	0.74^**	0.79^**	0.56^**	0.05	0.63^**	1
碎屑岩裂隙水	K⁺	1
	Na⁺	0.32^*	1
	Ca²⁺	0.09	0.53^**	1
	Mg²⁺	0.17	0.67^**	0.90^**	1
	Cl^-	0.03	0.57^**	0.85^**	0.79^**	1
	SO₄^2-	0.18	0.16	0.37^**	0.42^**	0.14	1
	HCO₃^-	0.30^*	0.42^**	0.46^**	0.50^**	0.14	-0.10	1
	TDS	0.28^*	0.71^**	0.89^**	0.89^**	0.89^**	0.23	0.42^**	1
变质岩裂隙水	K⁺	1
	Na⁺	0.50	1
	Ca²⁺	0.62	0.62	1
	Mg²⁺	0.72^*	0.77^**	0.92^**	1
	Cl^-	0.68^*	0.75^*	0.90^**	0.98^**	1
	SO₄^2-	0.67^*	0.91^**	0.60	0.72^*	0.65^*	1
	HCO₃^-	0.16	0.51	0.74^*	0.64^*	0.58	0.43	1
	TDS	0.74^*	0.81^**	0.94^**	0.97^**	0.95^**	0.80^**	0.61	1
碳酸盐岩岩溶水	K⁺	1
	Na⁺	0.91	1
	Ca²⁺	0.14	-0.27	1
	Mg²⁺	0.49	0.80	-0.79	1
	Cl^-	0.74	0.95	-0.56	0.95	1
	SO₄^2-	0.39	0.73	-0.85	0.99	0.91	1
	HCO₃^-	-0.75	-0.95	0.55	-0.94	-1.00^**	-0.91	1
	TDS	0.55	0.84	-0.75	1.00^*	0.97	0.98	-0.97	1
注：和*分别表示在0.05和0.01水平上相关性显著.

地下水中的Ca²⁺和Mg²⁺主要来自碳酸盐或硅酸盐及蒸发岩的溶解, 因此, 可用(Ca²⁺+Mg²⁺)与(SO₄^2-+HCO₃^-)之间的毫克当量比值来判断Ca²⁺和Mg²⁺的主要来源(安乐生等, 2012).从图 6a可以看出, 长江新城地下水样主要位于γ(Ca²⁺+Mg²⁺)/γ(HCO₃^-+SO₄^2-)=1线附近, 表明研究区同时存在碳酸盐矿物和铝硅酸盐矿物溶解, 共同影响着地下水化学组分的形成.仅少部分碎屑岩裂隙水样品落于γ(Ca²⁺+Mg²⁺)/γ(HCO₃^-+SO₄^2-)=1线上方, 表明此部分地下水中Ca²⁺和Mg²⁺主要来源于碳酸盐矿物溶解(董维红等, 2017; 栾风娇等, 2017).Na⁺与Cl^-之间的毫克当量比值关系可以进一步确定是否存在铝硅酸盐矿物的溶解, γ(Na⁺)/γ(Cl^-)=1说明Na⁺来源于岩盐溶解(Lin et al., 2016), 反之来源于铝硅酸盐矿物溶解.长江新城地下水主要位于γ(Na⁺)/γ(Cl^-)=1线上方和下方, 说明研究区同时存在岩盐和硅酸岩溶解现象, 且Cl^-相对于Na⁺过量, 表明地下水中Cl^-除岩盐溶解来源外, 还有其他人为来源.

图 6 长江新城地下水(Ca²⁺+Mg²⁺)与(SO₄^2-+HCO₃^-)及Na⁺与Cl^-关系图 Fig. 6 Plots of Ca²⁺+Mg²⁺ versus SO₄^2-+HCO₃^- and Na⁺ versus Cl^- in the study area

Ca²⁺/Na⁺、Mg²⁺/Na⁺和HCO₃^-/Na⁺物质的量浓度比值常用来研究水和不同岩石之间的反应, 碳酸盐岩风化作用控制端元该比值分别接近于50、10和120, 而硅酸盐岩控制端元该比值接近于0.35±0.15、0.24±0.12和2±1(Xiao et al., 2012; 张涛等, 2018).长江新城地下水样品中除第四系孔隙水样品主要集中于碳酸盐岩控制端元, 其他类型地下水样品均在碳酸盐岩和硅酸盐岩控制端元之间与碳酸盐岩和蒸发盐岩控制端元之间有分布, 说明长江新城地下水主要受碳酸盐岩风化溶解作用控制, 同时也存在硅酸盐岩和蒸发盐岩风化溶解作用的影响(图 7).

图 7 长江新城地下水Ca²⁺/Na⁺与HCO₃^-/Na⁺、Mg²⁺/Na⁺比值 Fig. 7 Plots of HCO₃^-/Na⁺ versus Ca²⁺/Na⁺ and Mg²⁺/Na⁺ versus Ca²⁺/Na⁺ in the study area

利用水文地球化学模拟软件PHREEQC计算了不同含水层不同矿物的饱和指数(SI), 结果发现(图 8), 不同含水层之间相同矿物的饱和指数变化规律基本相同.地下水中石膏和岩盐的饱和指数均小于0；方解石和白云石的饱和指数趋近于0, 呈溶解/沉淀状态, 且随着TDS浓度的升高, 各矿物饱和指数均呈上升趋势.结合以上分析, 初步推断碳酸盐矿物中的方解石、白云石, 以及蒸发盐岩矿物中的石膏、岩盐是本地区地下水的主要离子来源(李常锁等, 2018).

图 8 长江新城地下水TDS含量与矿物饱和指数关系 Fig. 8 Relationship between mineral saturation index and TDS content in groundwater

当岩石风化为离子主要来源且碳酸盐岩是Ca²⁺的主要控制因素时, SO₄^2-、NO₃^-与Ca²⁺的物质的量比值关系可用于分析人类活动对地下水中主要离子的影响(左禹政等, 2017).长江新城地下水中NO₃^-/Ca²⁺比值高于SO₄^2-/Ca²⁺比值(图 9), 这说明长江新城地区地下水受农业活动及生活污水影响较大, 这与长江新城工业活动不发达, 农业活动强度大于工业活动的特点相吻合.

图 9 地下水SO₄^2-/Ca²⁺与NO₃^-/Ca²⁺的变化关系 Fig. 9 Correlation between SO₄^2-/Ca²⁺ and NO₃^-/Ca²⁺ of groundwater

5 结论(Conclusions)

1) 长江新城地表水和地下水阳离子以Ca²⁺为主, 阴离子以HCO₃^-为主, Cl^-存在人为来源, 不同类型地下水水化学类型存在一定的差异.地下水存在“三氮”超标现象, 且第四系孔隙水和碎屑岩裂隙水超标较为严重, 其中, NO₃^-因农业肥料的使用而导致超标现象较NO₂^-和NH₄⁺严重.同时, 长江新城西南部还因第四系沉积物中Fe、Mn含量相对较高而形成原生高浓度铁锰地下水.

2) 地下水主要受岩石风化作用控制, 部分埋深较浅的裂隙水还在一定程度上受蒸发浓缩作用的影响, 地下水主要离子来源受方解石、白云石等碳酸盐岩矿物溶解沉淀控制, 也存在硅酸岩矿物和蒸发岩矿物溶滤作用的影响.

3) 地表水和地下水的补给来源密切相关, 地下水水质易受地表水质量影响.地下水受人类活动影响较大, 其中, 生活污水及农业活动特别是肥料施用的影响大于工业活动的影响.因此, 为了保障此类地区地下水资源的可持续利用, 应规范生活废水排放处理与农业肥料的使用.

4) 本文揭示的武汉长江新城地下水化学演化规律可以为该地区、武汉乃至江汉平原相似农业活动较强烈地区地下水功能区划和地下水可持续利用提供科学依据.

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环境科学学报 2021, Vol. 41 Issue (3): 1022-1030