海南島北部剝蝕平原區(qū)淺層地下水水化學特征的形成與演化

張彥鵬，余紹文，黎清華，劉鳳梅

(中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢 430205)

地下水是海南島北部地區(qū)飲用水的重要供水水源，且在廣大城鎮(zhèn)地區(qū)由于受極端干旱天氣的影響，地下水也被作為重要的后備應急供水水源[1-2]。同時，由于瓊北地區(qū)特殊的火成巖地質背景、熱帶氣候條件(強烈的風化作用條件)以及良好的自然環(huán)境，使得地下水成為該地區(qū)重要的優(yōu)質地質資源而備受重視[3]。海南島北部剝蝕平原區(qū)淺層地下水在原生地質背景以及越來越活躍的城鎮(zhèn)發(fā)展和農業(yè)生產等人為活動的影響下，原生劣質地下水形成以及地下水咸化、污染等問題都日益突顯[4-9]，甚至危害到人們的生命健康，在海南國家生態(tài)文明試驗區(qū)建設的大背景下，地下水環(huán)境質量也引起了人們的高度關注。以海南島北部剝蝕平原區(qū)龍門地區(qū)為例，該地區(qū)地下水資源豐富，水質優(yōu)良，具有重要的開發(fā)利用潛力，尤其在雷瓊火山巖地區(qū)具有良好的代表性，但受熱帶氣候條件和農業(yè)生產等人為活動的共同影響，形成了區(qū)域典型的地下水環(huán)境特征[10]。該地區(qū)巖石礦物風化作用強烈，影響了區(qū)域地下水水-巖相互作用[11]，而農業(yè)活動使得該地區(qū)地下水環(huán)境正逐步發(fā)生變化[12]。該地區(qū)淺層地下水作為流域地下水重要的補給區(qū)和徑流區(qū)，開展自然過程和人類活動對區(qū)域地下水環(huán)境共同作用的影響研究，對于區(qū)域乃至整個瓊北地區(qū)地下水環(huán)境演化認識和地下水資源開發(fā)利用具有重要意義。因此，本文以龍門地區(qū)淺層地下水為研究對象，結合水文地質條件并應用多元統(tǒng)計、水化學和同位素地球化學等有效分析方法，對影響該地區(qū)淺層地下水水化學特征的主要控制因素和演化過程進行了分析[13-15]，揭示了該地區(qū)自然過程和人類活動對區(qū)域地下水環(huán)境的影響，為該地區(qū)乃至瓊北地區(qū)地下水資源保護與開發(fā)利用提供重要的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南省中部偏東北地區(qū)，跨瓊海市與定安縣兩地，分布有龍門、嶺口、黃竹等主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該地區(qū)屬熱帶海洋性季風氣候，年均降雨量為2 042.6 mm，降雨季節(jié)分布不均，旱季和雨季分明，其中1、2月份降雨量最少，僅占年均降雨量的4%，常出現(xiàn)歷史性的冬、春季缺水。區(qū)內生產活動以農業(yè)為主，主要以檳榔、橡膠、胡椒、荔枝等熱帶農作物種植和豬、雞等畜禽分散養(yǎng)殖為主，其中檳榔種植近年來成為區(qū)內重要的支柱產業(yè)。

區(qū)內地貌以火山巖臺地為主，地層主要由新生代玄武巖和三疊系花崗巖組成，局部分布有白堊系砂礫巖。區(qū)內中東部玄武巖和花崗巖經過長期風化剝蝕和流水侵蝕作用，已發(fā)育為厚層紅土和礫質黏性土的丘陵狀臺地，其中龍?zhí)痢X口高臺區(qū)為未風化的玄武巖臺地，見圖1。

圖1 研究區(qū)地質背景和采樣點分布圖Fig.1 Location and lithology of the study area with illustration of the sampling site situations

研究區(qū)內地下水主要賦存在地表風化松散層孔隙、玄武巖孔洞以及花崗巖、砂巖等基巖裂隙中，屬于地下潛水，見圖2。龍門地區(qū)一帶分布的玄武巖既具有層狀特征，又具有巖溶的空隙特征，水量比較豐富，具有地下水集中開采和作為優(yōu)質飲用水資源開發(fā)利用的較大潛力，而其他地區(qū)含水層分布不均，水資源量較貧乏，僅適合分散式供水需求。地下水是研究區(qū)內飲用水的主要供水水源，地下水環(huán)境質量對該地區(qū)經濟發(fā)展和人民身體健康具有重要的影響。

圖2 研究區(qū)水文地質剖面圖Fig.2 Hydrogeological cross section of the study area

2 研究方法

2.1 樣品采集與現(xiàn)場測試

為了研究定安縣龍門鎮(zhèn)周邊火山巖臺地區(qū)農業(yè)活動和巖石風化過程對區(qū)域地下水水化學特征的影響，于2018 年1 月，在龍門嶺至黑山嶺火山巖臺地區(qū)采集了地表水和地下水樣品，共采集水庫及河流地表水樣品3個，并按照均勻布點兼顧典型性的原則，以玄武巖分布區(qū)作為重點，采集了53個具有代表性的生活或農業(yè)灌溉使用的新鮮地下水樣品(見圖1)。現(xiàn)場使用Manta+多參數(shù)水質分析儀對水樣的溫度(T)、酸堿度(pH值)、電導率(Ec)等理化參數(shù)進行了測定，并利用哈希對堿度進行了滴定，測試精度為0.05 mg/L。

2.2 樣品測試分析

各采樣點采集的水樣類型包括陰、陽離子樣品和氫氧同位素樣品。其中，陰、陽離子樣品均使用市售純凈水水瓶盛裝，并且將陽離子樣品采用濃硝酸酸化至pH≤2 保存；氫氧同位素樣品采用8 mL玻璃瓶采集，不留頂空。水樣中陽離子含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)進行測定，測試精度為0.01 mg/L；水樣中陰離子含量采用離子色譜(IC)進行測定，測試精度為0.1 mg/L。水樣中氫氧同位素含量采用Picarro L2130-i 超高精度液態(tài)水同位素分析儀測定，測試精度為δ18O≤0.025‰，δ2H≤0.1‰。以上樣品水化學組分及同位素測試分析均在中國地質大學(武漢)盆地水文過程與濕地生態(tài)恢復學術創(chuàng)新基地完成。

2.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)熱力學原理，水-巖反應中礦物的溶解與沉淀由各種礦物在地下水中的飽和指數(shù)(SI)決定，SI的數(shù)學表達式為

SI=lg(IAP/K)

式中:IAP為離子活度積;K為特定溫度下礦物的溶度積常數(shù)。

為了分析地下水中潛在的礦物沉淀與溶解過程，本文使用軟件Aquachem中的PHREEQC組件相關計算程序對25℃條件下(與當?shù)氐叵滤疁囟冉咏?地下水中方解石、鹽巖、石膏和長石礦物的SI進行了計算，通過SI與相關離子間的對應關系，分析礦物的賦存狀態(tài)。

因子分析法屬于多元分析中處理降維的一種統(tǒng)計方法，該方法從較多的變量或樣品中選取較少的主因子，使這些主因子盡可能地反映原來較多的研究對象所反映的信息，可最大程度地反映所有變量基本關系的地球化學過程。本文采用IBM-SPSS軟件(20版本)進行了因子分析計算，其計算步驟為：首先確定原若干變量是否適合于因子分析，即對原變量作相關性分析；然后構造因子變量，常用極大似然法、最小二乘法等；最后計算因子變量的得分，確定主控因子。

3 結果與討論

3.1 淺層地下水和地表水水化學組成特征分析

研究區(qū)淺層地下水和地表水樣品水化學組分的測試結果，見表1。

表1 研究區(qū)淺層地下水和地表水樣品水化學組分的測試結果Table 1 Test result of hydrochemical composition of shallow groundwater and surface water samples in the study area

圖3 研究區(qū)淺層地下水中主要水化學組分含量箱型圖Fig.3 Box plots for the content of the primary hydrochemical components in shallow groundwater in the study area

根據(jù)研究區(qū)淺層地下水和地表水樣品水化學特征的Piper三線圖(見圖4)顯示，研究區(qū)淺層地下水水化學類型主要為Ca-HCO3型和Na-Cl·SO4型，以及兩者的混合Na·Ca-HCO3型、Ca·Mg-Cl型，而研究區(qū)地表水水化學類型主要為Ca-HCO3型，表明研究區(qū)地下水水化學特征受到多種作用的共同影響。

圖4 研究區(qū)淺層地下水和地表水樣品水化學特征的 Piper三線圖Fig.4 Piper plot showing the proportions of major cations and anions in shallow groundwater

3.2 淺層地下水水化學特征的主要控制因素分析

多元統(tǒng)計方法是識別地下水水化學特征形成與演化過程的重要有效手段[16]。研究區(qū)淺層地下水水化學特征因子分析結果，見表2。

由表2可以看出：

表2 研究區(qū)淺層地下水水化學特征因子分析載荷和共同度估計Table 2 Factor analysis load and common degree esti-mation of the hydrochemical characteristics ofshallow groundwater in the study area

3.3 降水溶濾過程對淺層地下水水化學特征的控制作用分析

研究區(qū)位于海南中北部，區(qū)域大氣降水豐富，年均降雨量可達2 000 mm左右，結合研究區(qū)淺層地下水氫氧同位素特征(見圖5)分析可以看出：該地區(qū)淺層地下水樣品均分布在大氣降水線上及附近，說明大氣降水是該地區(qū)淺層地下水的主要補給來源[23-25];同時，部分淺層地下水和地表水樣品在蒸發(fā)濃縮作用的影響下，使淺層地下水水化學特征受到了一定的影響。可見，大氣降水淋濾入滲和徑流過程中的溶濾作用是影響該地區(qū)地下水水化學特征的關鍵控制因素[26]。

圖5 研究區(qū)淺層地下水和地表水中氫氧同位素組成的關系Fig.5 Plot of the stable oxygen (δ18O) vs stable hydrogen (δ2H) isotopic composition for shallow groundwater and surface water in the study area

由于該地區(qū)受熱帶海洋性氣候的影響，巖石風化作用強烈，在地下水水-巖相互作用過程中巖石風化產物是地下水中主要水化學組分的重要來源，控制了研究區(qū)淺層地下水水化學的總體特征(見圖6)。地下水中主要礦物的飽和指數(shù)(SI)的變化反映了區(qū)域地下水中來源礦物的組成和溶解溶濾程度，不同礦物的SI與對應礦物離子組分之間的關系可直觀地反映礦物的溶解和沉淀狀態(tài)[27]。本文選取研究區(qū)淺層地下水中潛在的主要礦物組分，包括方解石、石膏、鹽巖和硅酸鹽礦物(長石)，研究了研究區(qū)淺層地下水中主要礦物的SI與對應礦物離子組分間的關系，其結果見圖7。

圖6 研究區(qū)淺層地下水和地表水樣品的吉布斯圖Fig.6 Gibbs plot of samples for shallow groundwater and surface water in the study area

圖7 研究區(qū)淺層地下水中主要礦物的飽和指數(shù)(SI) 與對應礦物離子組分間的關系Fig.7 Relationships of the main mineral saturation indices (SI) and the mineralion composition in shallow groundwater in the study area

由圖7可見，研究區(qū)淺層地下水中主要礦物的SI值均小于0，說明淺層地下水仍具有較強的溶解溶濾能力，淺層地下水中主要礦物的SI與對應礦物離子組分之間較好的線性變化特征反映了以上礦物種類對淺層地下水水化學特征具有顯著的貢獻。

圖8 研究區(qū)淺層地下水和地表水中HC/Na+ 與Ca2+/Na+摩爾濃度比值的關系Fig.8 Relationship between HC/Na+ and Ca2+/Na+ molarity in shallow groundwater and surface water in the study area

由圖8可見，研究區(qū)地表水和淺層地下水樣點多分布在靠近硅酸鹽礦物風化水解的一端，表明硅酸鹽礦物(如長石等)的風化水解對研究區(qū)淺層地下水水文地球化學特征起到了控制性作用，這與該地區(qū)玄武巖和花崗巖為主要地層單元相一致。此外，蒸發(fā)鹽巖礦物亦有一定的貢獻，說明海洋性大氣降水也具有明顯的貢獻和影響。

3.4 農業(yè)活動對地下水環(huán)境的影響分析

圖9 研究區(qū)淺層地下水中N與Cl-和δ18O 組成的關系Fig.9 Relationship between Cl-,δ18O and N in groundwater in the study area

3.5 硫化物礦物氧化與離子交換過程對地下水水化學特征的影響分析

研究區(qū)淺層地下水中硫酸鹽來源受人為活動的影響小，除石膏等可溶鹽礦物溶解外，該地區(qū)火山巖中普遍存在硫化物礦物，構成淺層地下水中硫酸鹽的重要來源(見圖10)。近年來隨著該地區(qū)地下水的持續(xù)開發(fā)利用，地下水水位下降以及硝酸鹽和有機物污染物的輸入，加速了巖石風化過程中硫化物礦物氧化與硫酸鹽礦物溶解作用過程[32-35]。在硫化物礦物氧化與硫酸鹽礦物溶解過程中，地下水中會產生大量H+離子，引起地下水酸化，這也是導致該地區(qū)淺層地下水普遍為中-弱酸性的潛在影響過程。具體反應式如下：

圖10 研究區(qū)淺層地下水中S/Cl-與Cl-的關系Fig.10 Relationship between S/Cl- and Cl- in shallow groundwater in the study area

(1)

(2)

由于該地區(qū)普遍缺少碳酸鹽礦物對酸性物質的中和，黏土礦物對酸性物質的弱中和作用和緩沖作用對平衡地下水環(huán)境具有重要的影響，具體體現(xiàn)在以下兩個過程：①硫化物礦物氧化產生的酸性物質促進了含水層介質的溶解過程，尤其是長石等硅酸鹽礦物的溶解過程[36]；②大量H+離子的產生促進了黏土礦物中陽離子交換過程的發(fā)生，使得K+、Na+等離子從黏土礦物中釋放，增加了地下水中K+和Na+的含量(見圖11)，尤其是地下水中K+的增加對于滿足地區(qū)植物生長對鉀的需求具有一定的生態(tài)意義。

圖11 研究區(qū)淺層地下水中潛在陽離子交換過程分析Fig.11 Analysis of the potential cation exchange process in shallow groundwater in the study area

4 結 論

(1) 海南島北部剝蝕平原區(qū)龍門地區(qū)淺層地下水水化學特征以低礦化度的溶解溶濾水為主，受到大氣降水過程和組成的顯著影響。

(2) 該地區(qū)地下水水-巖相互作用過程以礦物溶解過程為主，其中硅酸鹽礦物的溶解是該地區(qū)淺層地下水水化學特征的主要控制因素。

(3) 人類活動尤其是農業(yè)活動中化肥的大量施用是造成該地區(qū)淺層地下水硝酸鹽污染的主要原因，也是影響該地區(qū)地下水環(huán)境的主要過程。

(4) 硫化物礦物氧化是該地區(qū)淺層地下水重要的水文地球化學過程，顯著地控制和影響地下水中硅酸鹽礦物溶解及酸堿平衡過程，促進了地下水中陽離子交換過程的發(fā)生。