信江流域地下水水化學特征及形成機制

楊 芬， 高 柏， 葛 勤， 馬文潔， 劉媛媛， 林聰業， 高 楊

(東華理工大學水資源與環境工程學院， 核資源與環境國家重點實驗室， 南昌 330013)

地下水作為人類飲用水源之一，是水循環的重要組成環節，具有維持生態環境平衡等作用[1-2]。由于地下水流動速度緩慢、自我調節周期，一旦被污染后將難以治理[3]。隨著社會經濟工業的發展，中國面臨著日益嚴峻的地下水污染問題，2015年調查結果顯示中國35.1%的地下水已經被污染，并超出了國家飲用水標準[4]。江西省地下水資源占全省水資源總量的67.2%[5]，目前已有90%的城市受到地下水污染，其主要污染源為工業、農業、生活污染[6]。信江區域地下水資源量占江西省的9.78%[7]，因此開展地下水調查，識別其污染類型、污染源將為研究區環境風險管理提供依據，對保護人類身體健康，研究區水資源開發利用以及環境污染治理具有指示意義[8-9]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

信江流域地處江西省東北部，是鄱陽湖水系五大河流之一，發源于玉山縣境浙贛邊界懷玉山的玉京峰。河流全長313 km，流域面積17 600 km2，年降水量在1 600～2 100 mm，屬于亞熱帶季風氣候區。流域內城鎮密布，工礦產業發達，代表性礦產有銅、鉛、鋅礦。區域地處揚子地層區和華南地層區，跨揚子準地臺和華南褶皺系兩大構造單元。構造變動強烈，褶皺比較發育，地層年代為晚元古代震旦紀，早古生代寒武紀、奧陶紀，晚古生代石碳紀、泥盆紀、二迭紀，中生代三迭紀、侏羅紀、白堊紀，新生代第四紀，盆地丘陵之間有變質巖、礫巖、砂礫巖、泥巖、石英砂巖、二云母花崗巖等分布。

1.2 樣品采集

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Sampling sites distribution of the groundwater

圖2 樣品分析測試Fig.2 Sample analysis and test

1.3 質量控制

2 地下水水化學特征

2.1 水化學參數和成分

信江流域地下水水化學分析測試結果見表1。流域地下水pH范圍為6.346～7.36，平均值為6.94，水體基本呈中性；Eh(氧化還原電位)值范圍為43～201 mV，平均值為201 mV，研究區地下水均取自農村水井，埋深淺，處于汛期，地下水受到大量補給，致水體處于弱氧化環境；電導率范圍為37.9～384 μs/cm,平均值為157.94 μs/cm；流域內溶解性總固體(TDS)范圍為53.5～576.17 mg/L，平均值為 233.07 mg/L。研究區TDS、電導率及Eh值均高于鄱陽湖流域地下水平均值[20]183 mg/L、118.1 μs/cm、182.07 mV，其原因可能是地表水補給地下水的過程或人類活動的影響。

表1 地下水水化學組分分析結果

2.2 水化學類型

圖3 地下水Piper三線圖Fig.3 Piper diagram of groundwater

3 形成機制分析

3.1 大氣降水成因

利用氫氧同位素關系可以判斷地下水的補給來源，將地下水中的氫氧同位素數據進行擬合(圖4)，得到信江流域δD和δ18O關系為δD=7.57δ18O+9.07，其斜率與截距都與長江流域大氣降水線[21](δD=7.62δ18O+8.2)和全球大氣降水線[22](δD=8δ18O+10)非常接近，表明研究區地下水補給來源基本與長江流域相同，大氣降水是地下水的主要補給來源。

圖4 地下水δD和δ18O關系Fig.4 Relationship between δD and δ18O in groundwater

3.2 風化作用成因

圖5 信江地下水Gibbs圖Fig.5 The Gibbs plots of groundwater in Xinjiang River

圖6 Ca2+/Na+與Mg2+/Na+關系Fig.6 Plots of Ca2+/Na+ and Mg2+/Na+ rations of groundwater

3.3 人類活動影響成因

圖7 人類活動對水化學特征影響Fig.7 Effects of human activities on hydro-chemical characteristics

3.4 陽離子交換吸附作用

陽離子交替吸附在地下水水巖作用過程中普遍存在，它會參與地下水的演化，改變地下水的離子組成。氯堿指數是判斷陽離子吸附作用是否參與了地下水化學特征的組成過程的重要指標，當氯堿指數(CA)CAⅠ、CA Ⅱ均為正值時，含水介質表面的Ca2+、Mg2+與水體中的K+、Na+進行交換；當CAⅠ、CA Ⅱ均為負值時，則發生反方向的交換反應[26]。本文計算了各個采樣點的氯堿指數，繪制氯堿指數分布如圖8所示，研究區除6、23號采樣點氯堿指數CA Ⅰ為-1.02、-5.28外，其他采樣點氯堿指數均為正值，說明這兩個采樣點除陽離子交替作用外，硅酸巖的風化使Na+、K+濃度增大，而其他采樣點均發生了正向的離子交換反應，表明陽離子交替吸附作用參與了地下水的演化。

圖8 地下水氯堿指數Fig.8 Histogram of chloride alkalinity index

3.5 主要離子來源

SPSS軟件是由美國IBM公司推出的一系列用于統計分析運算、數據挖掘、預測分析的軟件。本文使用SPSS軟件對信江流域地下水中主要離子進行Person相關性分析，對地下水中各個離子的來源進行定性分析，結果見表2。

表2 地下水主要離子相關性分析結果

3.6 不同因素對水化學組分貢獻率估算

表3 主成分分析因子分析荷載矩陣

由以上因子分析可計算得大氣降水對地下水溶質的貢獻率為19%；人類活動對地下水溶質貢獻率為19.4%；碳酸巖對地下水溶質貢獻率為29.6%；蒸發巖對地下水溶質貢獻率為19.9%；硅酸巖對地下水溶質貢獻率為12.1%。研究區受人類活動和大氣降水影響明顯；碳酸巖主導了溶質貢獻率，這是因為長江流域主要由碳酸巖風化控制；蒸發巖貢獻率高于硅酸巖，這可能與研究區內有石巖以及芒硝的存在，以及工業較為發展，鹽廠分布有關[28]。

4 結論

(2)大氣降水是研究區地下水的主要補給來源，并經歷了較明顯的蒸發過程。地下水中離子主要來源于巖石風化，蒸發溶解和人類活動也有一定影響；不同巖石端元圖表明碳酸巖和硅酸巖一同參與了巖石風化過程，人類活動對河流溶質的影響主要是礦業活動，農業活動及城市廢水影響相對較小。研究區氯堿指數除個別點外都為正值，表明陽離子交替吸附作用參與了地下水的演化。