旌陽(yáng)區(qū)平原區(qū)淺層地下水水化學(xué)演化及影響因素分析

陳 盟， 吳 勇， 高東東， 呂 利

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004； 2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059；3、四川省環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610064； 4.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，成都 610072)

地下水資源在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市發(fā)展和居民生活方面發(fā)揮著最大的作用。近年來(lái)，關(guān)于德陽(yáng)市地區(qū)地下水水化學(xué)及水資源方面的研究較多。王亮等[1]采用主成分分析得出有機(jī)物污染是影響對(duì)德陽(yáng)市地下水水質(zhì)的主要因素。張敏等[2]利用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)德陽(yáng)市平原區(qū)的地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)及分區(qū)。陳盟等[3]對(duì)德陽(yáng)市廣漢市平原區(qū)的水化學(xué)演化及其控制因素進(jìn)行分析，指出天然水-巖作用是控制水化學(xué)演化的主要因素。Zhang等[4]根據(jù)旌陽(yáng)區(qū)的土地利用和農(nóng)業(yè)氮肥施用估算了第四系含水層的氮負(fù)荷并預(yù)測(cè)了地下水中硝酸鹽濃度。高東東等[5-6]相繼對(duì)德陽(yáng)市平原區(qū)地下水資源的富集特征及可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了分析研究。這些研究成果為德陽(yáng)地區(qū)地下水環(huán)境及地下水資源的后續(xù)研究提供了良好的基礎(chǔ)，但缺乏對(duì)地下水水化學(xué)演化規(guī)律及形成機(jī)制的系統(tǒng)研究，針對(duì)德陽(yáng)市旌陽(yáng)區(qū)地下水水化學(xué)演化的研究更為少見(jiàn)，對(duì)該區(qū)的地下水開(kāi)發(fā)利用及地下水生態(tài)保護(hù)有一定的限制作用。

隨著城區(qū)規(guī)劃與發(fā)展建設(shè)，旌陽(yáng)區(qū)城鎮(zhèn)居民生活用水等對(duì)水資源需求量加大，特別是地下水資源的需求使得區(qū)內(nèi)供水壓力劇增，且區(qū)內(nèi)大面積分布的紅層地區(qū)多不具備供水意義。因此，采用水化學(xué)分析、礦物風(fēng)化系統(tǒng)、相關(guān)性及因子分析等方法闡述旌陽(yáng)區(qū)平原區(qū)淺層地下水化學(xué)演化進(jìn)程及其影響因素，以便對(duì)該地區(qū)的地下水資源的開(kāi)發(fā)利用和地下水環(huán)境保護(hù)工作提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

德陽(yáng)市旌陽(yáng)區(qū)地處成都平原東北部，南距成都市區(qū)40 km。地理坐標(biāo)為31°05′N(xiāo)～31°20′N(xiāo)，104°15′E～104°33′E，總面積648 km2，西部平原區(qū)面積為384.6 km2，東部為丘陵低山區(qū)，面積為263.4 km2。

旌陽(yáng)區(qū)四季分明，氣候溫和，屬亞熱帶濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)氣候區(qū)，平均氣溫為16.1 ℃，平均降水量為893.4 mm，降雨時(shí)空分布不均，全年降雨量的80%以上多集中在5—9月，7月降水量最多(224.5 mm)，12月降雨量最少(4.5 mm)。

2 實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)分析

2.1 水樣采集及分析

2.2 因子分析

因子分析(factor analysis，F(xiàn)A)作為多元統(tǒng)計(jì)方法的一種，通過(guò)濃縮原始數(shù)據(jù)，將彼此可能存在錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系的變量轉(zhuǎn)換成幾個(gè)不相關(guān)的綜合因子[8]，根據(jù)不同研究對(duì)象的要求，可分為分析樣品間相互關(guān)系的Q型和分析變量間相互關(guān)系的R型。其中R型因子分析常用于識(shí)別控制地下水化學(xué)特征的影響因素，能夠剔除水化學(xué)組分中獨(dú)立和重復(fù)的成分[9]，并反映出受人類(lèi)活動(dòng)控制或天然因素控制等的數(shù)據(jù)組，將水化學(xué)組分的內(nèi)在聯(lián)系歸納為少數(shù)幾個(gè)公共因子[10-11]，能夠適用于地下水水化學(xué)演化及影響因素分析方面的研究[12-13]。數(shù)據(jù)分析采用R型因子分析，特征值提取選用主成分法，分析和計(jì)算過(guò)程基于SPSS19.0平臺(tái)。

表1 區(qū)內(nèi)含水層分布及特征Table 1 Characteristics and distribution of aquifer in study area

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Hydrogeological map of the study area

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile of the study area

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)水化學(xué)特征

3.2 水化學(xué)演化進(jìn)程

蒸發(fā)濃縮作用對(duì)區(qū)內(nèi)水化學(xué)組分及TDS濃度的影響顯著，沿著地下水徑流方向攜帶化學(xué)組分，以物理運(yùn)輸?shù)男问礁患掠嗡畼狱c(diǎn)的水化學(xué)組分、TDS和TH等均有一定的增加。陽(yáng)離子吸附交換作用是另外一種分布較為普遍的水文地球化學(xué)作用，各水樣間Ca2+、Mg2+、Na+和K+等陽(yáng)離子含量差異明顯。

研究區(qū)位于成都平原東北部，研究表明成都平原黏土砂粒組與粉粒組含有大量的石英、云母和長(zhǎng)石等礦物成分[15]，部分地區(qū)則含有一定量的綠泥石、白云母、透閃石和鐵質(zhì)鮞粒以及少量角閃石、黑云母等[16]；黏土礦物以伊利石和蒙脫石組為主[15，17]。這些礦物具有不穩(wěn)定的熱力學(xué)特性，與水接觸時(shí)常產(chǎn)生非全等溶解，影響了地下水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+的含量，對(duì)區(qū)內(nèi)的水化學(xué)演化影響較大[7]，且區(qū)內(nèi)水樣點(diǎn)測(cè)得H2SiO3平均濃度為16.36 mg/L，因此繪制標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(25 ℃，1.013 25×105Pa)下的硅酸鹽體系穩(wěn)定場(chǎng)圖[18](圖5)，圖中水樣點(diǎn)位置相當(dāng)于長(zhǎng)石的溶解態(tài)，借此分析長(zhǎng)石風(fēng)化階段及產(chǎn)生的相應(yīng)次生礦物。計(jì)算過(guò)程和硅酸鹽體系穩(wěn)定場(chǎng)圖繪制利用Microsoft Office 2016中Excel軟件完成。

從圖5中可以看出，長(zhǎng)石多未達(dá)到飽和而處于溶解態(tài)，大多數(shù)處于高嶺石[Al2Si2O5(OH)4]階段，水樣點(diǎn)位于市區(qū)東部的SY16水樣點(diǎn)處于三鋁水石[Al(OH)3]階段，長(zhǎng)石風(fēng)化溶解過(guò)程如下：

表2 研究區(qū)水樣物理化學(xué)指標(biāo)Table 2 Physicochemical parameters of water sample in study area

注：誤差率最大值、最小值、平均值按照誤差率公式計(jì)算值的絕對(duì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖3 研究區(qū)水樣Piper圖Fig.3 Piper diagrams of water sample in the study area

圖4 不同水樣點(diǎn)的離子關(guān)系圖Fig.4 Scatter plots showing the interrelationship between the major ions

圖5 25 ℃時(shí)礦物風(fēng)化系統(tǒng)穩(wěn)定場(chǎng)圖Fig.5 Stability diagrams for some minerals systems at 25 ℃

Ca2++2H4SiO4

(1)

(2)

(3)

在合適條件下，高嶺石與Mg2+發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镸g-綠泥石，反應(yīng)過(guò)程如下：

(4)

隨著H4SiO4濃度的增加，高嶺石和三鋁水石趨于平衡，將發(fā)生以下反應(yīng)：

(5)

圖5(a)和圖5(c)中，部分水樣點(diǎn)位于高嶺石和蒙脫石界限，將從高嶺石轉(zhuǎn)變?yōu)槊擅撌磻?yīng)過(guò)程為

3Ca033Al4.67Si7.33O20(OH)4+2H++23H2O

(6)

6Na0.33Al2.33Si3.67O10(OH)2+2H++23H2O

(7)

3.3 因子分析

4 結(jié)論

利用礦物風(fēng)化系統(tǒng)分析、相關(guān)性分析和因子分析等方法分析了旌陽(yáng)區(qū)平原區(qū)水化學(xué)數(shù)據(jù)，研究了淺層地下水水化學(xué)演化及影響因素，結(jié)論如下。

(2)黏土礦物的風(fēng)化溶解同樣對(duì)區(qū)內(nèi)水化學(xué)演化進(jìn)程具有一定的作用，其溶解過(guò)程得到不同的金屬離子和次生礦物，影響pH及水化學(xué)類(lèi)型，硅酸鹽礦物風(fēng)化系統(tǒng)穩(wěn)定場(chǎng)圖顯示區(qū)內(nèi)黏土礦物逐漸趨于溶解，多穩(wěn)定于高嶺石[Al2Si2O5(OH)4]階段，Y16水樣點(diǎn)處于三鋁水石[Al(OH)3]階段。

表3 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 3 Matrix of rotated factors loading

表4 區(qū)內(nèi)水樣點(diǎn)化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient of hydrochemical components in study area

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