德陽市城市規劃區地下水化學特征分析

尹 恒，吳 勇，高東東，古廣華

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059;2.德陽市水務局，四川德陽 618000)

德陽市城市規劃區地下水化學特征分析

尹 恒1，吳 勇1，高東東1，古廣華2

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059;2.德陽市水務局，四川德陽 618000)

根據39個豐水期地下水的水化學分析結果，對德陽市城市規劃區內地下水水化學特征及空間分布進行了研究。研究表明:(1)沿地下水滲流途徑，TDS以及Mg2+、Na+、濃度呈上升趨勢;而 Ca2+濃度卻呈下降趨勢。(2)地下水化學類型具有較明顯的分帶性，在滲流途徑的上游，水化學類型以 HCO3－Ca型水和 HCO3－Ca+Mg型水為主;在徑流途徑的下游或排泄區域，水化學類型以 HCO3+SO4－Ca+Mg型水和 HCO3+SO4－Na+Ca型水為主。(3)區內鐵錳污染比較明顯，部分地區總鐵和錳的含量達到Ⅳ類地下水標準，鐵錳超標主要是受原生地質環境的影響;總硬度超標明顯，39件水樣中12件達到Ⅳ類地下水標準。

水化學特征;地下水化學類型;鐵錳污染;德陽市

德陽市是全國330個嚴重缺水城市之一，又是四川省唯一靠抽取地下水解決工業生產和人們生活用水的重工業城市。隨著城市建設和社會經濟的快速發展，日益增長的用水需求同水資源短缺、水污染加劇、水環境惡化之間的矛盾將日益突出［1］。筆者以“德陽市城市規劃區地下水保護研究”項目為依托，根據39件地下水水化學分析結果，研究德陽市城市規劃區水化學類型特征及空間分布，為德陽市城市規劃區地下水保護提供重要依據。

1 自然地理條件

德陽市城市規劃區位于四川盆地成都平原東北邊緣，西南距省會成都58 km(圖1)。研究區范圍西起天元鎮歇馬店，東至中新鎮，北起孝感鎮，南至八角鎮，總面積213 km2。主要河流為沱江水系上游綿遠河和石亭江河。屬于四川盆地亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，降水充沛，多年平均氣溫16.1℃，多年平均降雨量896.94 mm。規劃區西部屬成都平原東北部，為綿遠河、石亭江冰水－流水堆積扇前緣地帶;研究區東部為構造剝蝕丘陵地貌，以窄谷深丘和寬谷中丘為主。

2 水文地質條件

地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和白堊系砂泥巖類孔隙－裂隙水，前者分布于龍泉山西側的平原區，主要賦存于全新統砂礫卵石層()、上更新統含泥砂礫卵石層()及中更新統砂泥質礫卵石層()中;后者分布于研究區東部丘陵區，賦存于白堊系古店廟組(K1g)和七曲廟組(K1q)砂泥巖淺部風化帶網狀裂隙及深部砂巖層間裂隙孔隙中。由和組成的上部含水層分布于所有河漫灘、Ⅰ級階地和Ⅱ級階地，地下水埋深多在0.5～6 m，局部大于10 m，含水層厚10～25 m，滲透系數一般為30～150 m/d，單井涌水量500～5 000 m3/d;在丘陵區，主要含水層為淺層風化帶網狀孔隙－裂隙弱含水層，風化層一般厚30～50 m，砂巖網狀風化裂隙發育，接受降水和灌水的補給，向溝谷排泄，地下水埋深一般5～10 m，其次，在丘陵區西側受綿遠河、榮華橋壓扭性逆沖斷層及其褶皺隆起地帶所阻，形成寬緩的單斜儲水構造和多層較豐富的高水頭砂巖層間裂隙孔隙承壓含水層，含水層頂板埋深一般50～100 m［2］。

圖1 研究區位置及水系示意圖

研究區內西側平原孔隙水主要接受北方的地下徑流、降水和農渠水的入滲補給，地下水總體上呈北西－南東流向，由于河流切割、人工開采、旌湖蓄水等因素的影響，地下水流場在不同區段表現出不同形式，主要通過地下徑流、人工開采、河渠、蒸發和泉眼等排泄［3］;東側丘陵區，砂泥巖類孔隙－裂隙水主要受大氣降水、灌溉水及水庫、水渠水垂直入滲補給，地下水總體在山頂、山坡部位入滲補給，由坡頂向坡腳運移，最后以泉和滲流形式向低洼溝谷排泄［4］。

3 地下水水化學特征分析

3.1 采樣點布設

在充分收集了本區已有的地質、水文地質研究成果和資料的基礎上，結合四川省環境地質監測總站已有的19個地下水水質監測點，主要考慮樣品的代表性、樣品點的控制性、地下水流場特征等因素，新布置了20個地下水采樣點，具體分布位置見圖2。本次地下水化學樣品分為2類:孔隙水樣和孔隙－裂隙水樣。其中孔隙水樣38件，孔隙 －裂隙水樣(S003)1件。

本次研究所采集的地下水化學分析水樣均嚴格按照相應野外取樣規范要求進行采集、保存、送樣，新布置地下水樣采樣點于2008年8月31日進行取樣，由四川省地勘局成都巖土水質檢測中心進行化驗;其余19個采樣點的地下水化學分析結果為四川省環境地質監測總站2001～2009年豐水期(8月)監測數據平均值。具體地下水化學分析結果見表1。

圖2 德陽市城市規劃區地下水樣采集點位置圖

3.2 水化學類型

所有水樣，均為無色、無味、無嗅，透明。由表2的水質分析結果可知，德陽市城市規劃區地下水pH在6.9～7.8之間，總體上呈弱堿性;水樣總硬度在300.3～583.1 g/L之間，均值為 431.2 g/L，總體上為硬 －極硬水;TDS在 506.1～897.9 g/L之間，均值為506.1 g/L，全部為低礦化度淡水。

舒卡列夫分類，是根據地下水中六大主要離子(K+合并于Na+)及礦化度劃分的。將毫克當量百分數大于25%的陰陽離子進行組合，分為49型水，每型以一個阿拉伯數字作為代號。按礦化度有劃分為4組:A組礦化度小于1.5g/L，B組 1.5 ～10 g/L，C 組 10 ～40 g/L，D 組大于 40 g/L［5］。研究區水化學類型劃分見表2，水化學分區見圖3(丘陵區缺少水化學分析結果，未進行地下水類型劃分)。

地下水的水化學特征，是受區域地質、地貌、水文氣象、含水層巖性及地下水的形成條件決定的［6、7］。39件水樣中，共有11件水樣舒卡列夫分類為 HCO3－Ca+Mg型水，主要分布于德陽市區內及東河鄉周圍，總硬度在367.8～450.4 g/L之間，均值為 416.6 g/L，TDS在 545.7 ～729.2 g/L 之間，均值為 664.2 g/L，;11件為 HCO3+SO4－Ca型水，主要分布于天元鄉和旌陽鄉北部，總硬度在395.4～523.0 g/L之間，均值為 446.3 g/L，TDS在 597.9 ～808.3 g/L 之間，均值為 671.8 g/L，、;9 件為 HCO3+SO4－ Ca+Mg型水，主要分布于大漢鎮、市區北部和孝感鄉北部，總硬度在 359.5～487.9 g/L 之間，均值為 442.4 g/L，TDS在 506.1 ～735.7 g/L之間，均值為 648.8 g/L，;6件為 HCO3+SO4－Na+Ca型水，主要分布于旌陽鄉南部，其余為零星分布，總硬度在300.3～520.5 g/L之間，均值為 403.7 g/L，TDS在 573.7 ～835.6 g/L之間，均值為 666.0 g/L，;1 件 HCO3－Ca型水，主要分布于孝感鄉和楠木園;1件 HCO3－Na+Ca型水，僅在S028周邊分布。

圖3 德陽市城市規劃區地下水化學類型分區圖

地下水化學類型具有較明顯的分帶性，在徑流途徑的上游，陰離子主要以 HCO3－為主，陽離子主要以 Ca2+為主，水化學類型以HCO3－Ca型水和 HCO3－Ca+Mg型水為主;在徑流途徑的下游或排泄區域，陰離子以和HCO3－為主，陽離子主要為 Ca2+和 Mg2+，個別地段甚至含有 Na+，水化學類型以 HCO3+SO4－Ca+Mg型水和 HCO3+SO4－Na+Ca型水為主。

通過計算各組分的毫克當量百分數，并繪制 Piper圖(圖4)，可以客觀的反映該地區的水化學特征。由圖4可知，德陽市規劃區地下水陽離子主要為鈣離子，陰離子主要是重碳酸根和硫酸根。根據 Piper三線圖解分區，水樣主要位于1、3、5區，水樣中堿土金屬離子超過堿金屬離子，弱酸根超過強酸根且碳酸鹽硬度超過50%;水樣 S042位于1、4、6區，堿金屬離子超過堿金屬離子，強酸大于弱酸且非碳酸鹽硬度超過50%;S014和 S015位于1、4、9區，堿金屬離子超過堿金屬離子，強酸大于弱酸且任一對陰陽離子含量均不超過50%毫克當量百分數。

3.3 TDS、總硬度和主要離子分布特征

利用 Surfer 8.0中的 Kriging插值方法，繪制德陽市城市規劃區 TDS、總硬度、Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3－、和Cl－的濃度等值線圖，見圖4至圖12。部分地區缺少分析結果，在圖中為空白。

圖4 德陽市城市規劃區水樣分析Diper圖

圖7 Ca2+濃度等值線圖

圖5 TDS等值線圖

圖8 Mg2+濃度等值線圖

圖6 總硬度分區圖

圖9 Na+濃度等值線圖

表2 德陽市城市規劃區豐水期地下水水化學分析表 mg/L

根據TDS的高低可以將地下水劃分為淡水(TDS＜1 g/L)，微咸水(1 g/L＜TDS＜3 g/L)和咸水(TDS＞3 g/L);按硬度(以CaCO3計)分級標準將地下水劃分為軟水(＜150 mg/L)、微硬水(150－300 mg/L)、硬水(300－450 mg/L)、極硬水(＞450 mg/L)［8］。研究區內為淡水，由圖5的TDS等值線圖可知，TDS總體變化趨勢為由北向南逐漸增加，在楠木園，旌陽鄉北部和大漢鎮北部，TDS大于700 mg/L;區內大部分地區為硬水，極硬水在楠木園—天元鄉、大漢鎮、孝感鄉北部和旌陽鄉北部等地區分布，由圖6的總硬度分區圖可知總硬度的變化趨勢是由西北向東南，先升高后降低。TDS和總硬度的高值區域重合較好，漸變規律基本一致。

圖10 HCO3－濃度等值線圖

圖11 SO42－濃度等值線圖

從 Ca2+濃度等值線圖(圖7)可獲得，Ca2+的總體趨勢是由北西向南東逐漸降低，在孝感鄉、天元鄉、旌陽鄉北部以及東河鄉北部Ca2+濃度較高;Mg2+濃度的總體變化趨勢是由南向北逐漸增大，在孝感—旌陽鄉一帶、大漢鎮和東河鄉北部濃度較低;Na+濃度等值線圖(圖9)體現出來的 Na+濃度由北西向南東逐漸增加，其中旌陽鄉北部－德陽城區－大漢鎮一帶為高值區域，Na濃度基本大于50 mg/L。

由HCO3－濃度等值線圖(圖10)觀察出，HCO3－濃度的總體變化趨勢為由北向南逐漸變大，在個別地區表現出不同規律，如大漢鎮為濃度值較低的地區;濃度表現出的特征為由北西向南東逐漸增加，在旌陽鄉附近出現異常，表現為低濃度區域;Cl－濃度總體特征為由北向南逐步增加，在孝感鄉－旌陽鄉北部一帶Cl－濃度較高，基本大于40 mg/L。

總硬度與 Ca2+、Mg2+、HCO3－具有較好的相關性，表現為在總硬度高的區域，Ca2+、Mg2+、HCO3－濃度均較高，特別是在楠木園－天元鄉一帶最為明顯。TDS與 Ca2+、HCO3－具有較好的相關性，TDS與 Ca2+、HCO3－呈現基本相似的變化規律，因此可以判斷研究區 TDS的變化是由 Ca2+和 HCO－3的濃度變化造成的。

圖12 Cl－濃度等值線圖

沿滲流途徑上，即由西北向東南，Mg2+、Na+、、TDS逐漸增加，Ca2+逐漸減少。沿含水層的徑流路徑，Na+離子的濃度增高，并且伴隨著Ca2+離子濃度的降低、這些都是因為地下水與粘土礦物發生離子交換的結果;Mg2+離子濃度變化是由于脫白云石化作用［9］或含鎂的碳酸鹽類沉積巖和巖漿巖、變質巖中含鎂礦物的溶解［5］。SO42－離子濃度變化是由于含石膏或其它硫酸鹽的沉積巖的溶解和硫化物的氧化［5］。TDS變化是溶濾作用與濃縮作用共同影響的結果。

3.4 地下水總硬度、總鐵和錳的分布特征

德陽市城市規劃區污染類型主要以原生污染為主，表現形式為總硬度、鐵和錳含量過高［10］。根據水化學分析結果中總鐵和Mn2+離子濃度，利用 Surfer 8.0中的 Kriging插值方法，繪制總鐵和 Mn2+分布圖，見圖13和圖14。

由圖6的總硬度分區圖分析可知，研究區內大部分區域總硬度小于或等于450 mg/L，達到或優于Ⅲ類［11］地下水標準。在楠木園—天元鄉、孝感鄉北部、大漢鎮北部和東河鄉北部，總計12件水樣，總硬度大于450 mg/L，達到Ⅳ類地下水標準。

由 Mn2+分布圖(圖14)可知，研究區內大部分地區Mn2+濃度小于等于0.1 mg/L，達到或優于Ⅲ類地下水標準。在研究區西側靠近石亭江和孝感鄉北部，Mn2+濃度大于0.1 mg/L，達到Ⅳ類地下水標準，部分地區甚至大于1 mg/L，達到Ⅴ類地下水標準。

圖13 總鐵分布圖

由總鐵分布圖(圖13)可知，在楠木園－天元鄉和綿遠河東部的旌陽鄉一帶，總鐵濃度小于0.1 mg/L，達到Ⅰ類地下水標準;在孝感鄉－大漢鎮，總鐵濃度總體偏高，主要為Ⅱ類和Ⅲ類地下水;在孝感鄉東部、南部和大漢鎮部分地區，總鐵濃度大于0.3 mg/L，達到Ⅳ類地下水標準。

圖14 Mn2+分布圖

據考察，研究區內沒有鐵、錳的工業污染源［12］，該地區農民沒有施用含錳化肥的習慣，故該區域的鐵錳污染不可能是工業污染源、農業污染源和生活污染源(如電池等)造成的。

四川地質環境監測總站根據多年對該區的水文地質條件的掌握和地下水動態監測資料，認為該區鐵錳超標主要原因是受地下水原生地質環境的影響［3］。研究區內含水層不同程度含有鐵錳質薄膜或結核，地下水在徑流過程中，由于淋濾和溶蝕作用而含較多的可溶性錳離子和低價鐵離子。而丁愛中等人，認為研究區內地下水的的弱酸性、還原條件、土壤有機質含量、地層中存在較多的鐵氧化物為地下水二價鐵的溶解和土壤鐵化合物的還原創造了直接條件，從而為該區地下水鐵含量超標成因提供了有利依據［13］。

4 結論

通過對德陽市城市規劃區39件豐水期地下水化學資料的分析，可以得出如下結論:

(1)研究區內地下水為硬－極硬淡水，呈弱堿性;區內地下水類型主要為 HCO3－Ca+Mg型水、HCO3+SO4－Ca型水、HCO3+SO4－Ca+Mg型水和HCO3+SO4－Na+Ca型水。

(2)通過Kriging插值方法，研究地下水 TDS、總硬度和主要離子的空間變化規律，發現沿地下水滲流途徑上，TDS以及 Mg2+、Na+、濃度呈上升趨勢;而 Ca2+濃度卻呈下降趨勢。

(3)地下水化學類型具有較明顯的分帶性，在徑流途徑的上游，水化學類型以 HCO3－Ca型水和 HCO3－Ca+Mg型水為主;在徑流途徑的下游或排泄區域，水化學類型以 HCO3+SO4－Ca+Mg型水和 HCO3+SO4－Na+Ca型水為主。

(4)區內鐵錳污染比較明顯，部分地區總鐵和錳的含量達到Ⅳ類地下水標準，鐵錳超標主要是受原生地質環境的影響;總硬度超標明顯，39件水樣中12件達到Ⅳ類地下水標準。

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P641.12

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1004－1184(2012)01－0030－06

2011－08－31

尹恒(1986－)，男，四川德陽人，在讀碩士研究生，主攻方向:水文地質 。