南昌平原區孔隙地下水水化學特征及成因分析

陳昌劍，馬青山，徐衛東，田福金

(1.東華理工大學 水資源與環境工程學院，江西 南昌 300314；2.中國地質調查局 南京地質調查中心，江蘇 南京 210016)

地下水化學特征反映了地下水化學宏觀狀況，進行地下水化學成因分析對于揭示地下水環境變化過程及水文地球化學演化規律具有重要意義，有助于科學規劃和有效利用地下水資源、保護和改善生態環境[1]。

近年來，國內外學者對地下水化學成因及演化過程做了大量研究。王曉曦等[2]運用了描述性統計，離子比例系數等方法，闡明了灤河沿岸淺層地下水化學類型在空間上的變化趨勢及相關成因。孫英等[3]通過采用描述性分析、離子比值法等手段，揭示了新疆巴楚縣平原區地下水化學組分主要受到蒸發濃縮作用影響。劉江濤等[4]綜合運用數理統計、舒卡列夫分類、Piper三線圖、Gibbs圖和離子比值等方法，指出了沁河沖洪積扇地下水水化學演化過程的主要控制因素。Sivakarun N等[5]利用離子比值和水化學參數統計等方法，說明了印度南部沿海地區地下水的影響因素。

南昌市淺層孔隙地下水資源豐富，為南昌市最主要的地下水供水水源[6]。以南昌平原區孔隙水為研究對象，依托“南昌市多要素城市地質調查項目”，根據地下水調查和水化學分析結果，運用統計學和Piper三線圖，綜合分析地下水化學特征，結合Gibbs圖和離子比例系數法，進一步說明地下水中離子組分的成因機制，揭示其來源。

1 研究區概況

研究區位于南昌贛撫沖積平原區內，北緯28°21′2.93″～28°46′15.13″，東經115°48′43.09″～116°7′32.06″，總面積約767.91 km2，地勢平坦，海拔17～37 m。氣候類型屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17.6℃，年平均降水量約1 596 mm，年平均蒸發量為1 227.4 mm。

研究區涵蓋河漫灘平原、一級階地、二級階地以及崗地四種地貌類型，其地表由更新世以來松散的河流沖積層所覆蓋，下伏為第三系紅層(泥質粉砂巖、砂礫巖)，根據含水介質的不同，在垂向上分為松散巖類孔隙水和紅層溶蝕孔隙裂隙水兩種類型。孔隙水含水層具有二元結構，上部為亞粘土，亞砂土、粘土、淤泥質粘土等，透水性弱；下部為砂卵礫石層，局部夾淤泥質粘性土透鏡體，透水性強。孔隙水含水層平均厚度為15.2 m，主要接受來自大氣降水的直接滲入補給[7]，排泄方式以側向流出及人工開采為主。根據孔隙水富水性將研究區劃分為兩種Ⅰ區和Ⅱ區，Ⅰ區位于西湖區-東湖區-蓮塘鎮一帶，富水性較強，單井涌水量可達10 L·m/s，Ⅱ區位于東新鄉-富山鄉-崗上鎮以及昌東鎮-麻丘鎮一帶，單井涌水量1～10 L·m/s。地下水整體水流方向為Ⅰ區流向Ⅱ區(見圖1和圖2)。

圖1 孔隙含水層富水性分區及采樣點分布圖

圖2 水文地質剖面示意圖

2 樣品采集與測試

地下水化學數據主要來源于中國地質調查局“南昌多要素城市地質調查”二級項目，于2018年12月份至2019年7月份野外采集地下水水樣90組，采樣層位均為第四系松散孔隙含水層，采樣深度2～30 m。地下水現場的取樣及封裝保存，依據水質采樣技術指導(HJ494-2009)和水質樣品的保存和管理技術規定)HJ493-2009)進行。所取水樣送于南國土資源部華東礦產資源監督檢測中心進行檢測，樣品的水溫、pH、電導率和Eh等采用Smart型多參數水質分析儀現場測定。地下水主要離子濃度依據實驗室檢測相關標準進行測定，K+、Na+采用火焰原子吸收光譜儀進行測定，Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法測定，Cl-和SO42-采用離子色譜儀分析測定，HCO3-用鹽酸滴定法測定，TDS利用烘干法進行測定。

3 結果與討論

3.1 地下水化學的基本特征

地下水化學參數統計是認識地下水化學性質的重要手段。基于統計學理論，運用SPSS 26.0軟件對通過陰陽離子平衡檢驗的90組地下水水樣的地下水化學指標進行了統計分析，結果如表1所示。

表1 地下水水化學參數統計表

從表1中可以看出，研究區地下水pH均值為6.27，整體上處于偏酸性環境；TDS介于38.00～593.00 mg/L，屬于淡水；陽離子以Ca2+和Na+為主，含量關系為Ca2+>Na+>Mg2+>K+，陰離子主要以HCO3-為主，含量關系為 HCO3->NO3->SO42->Cl-；離子濃度的變異系數值越大，說明其在地下水中的濃度越不穩定，與外界介質易發生反應。K+離子變異系數較大，說明其在地下水中的含量變化較大，具有較大空間差異性，其他離子在空間分布上相對穩定。地下水從Ⅰ區運動到Ⅱ區的過程中，發生了礦物成分的溶解，TDS平均濃度由178.97 mg/L上升為213.36 mg/L。其中，以HCO3。-、Na+和Cl-的物質的量的濃度變化最大，分別上升了0.25 meq·L-1、0.22 meq·L-1、0.18 meq·L-1。

3.2 水化學類型及分布特征

Piper三線圖是分析水文地球化學數據的一種很常用的方法。它簡單直觀的展現了主要離子空間關系[8-9]。根據研究區地下水樣常規組分和TDS的資料，繪制出Piper三線圖。從圖3中可以看出，如陰離子三角圖所示，水樣點大部分落于D區域，小部分點落于E、F區，總體趨勢較為分散，HCO3型地下水占據絕對優勢；陽離子三角圖中，水樣點集中分布于中間偏左下方，Ca、Na+K型水占據水樣點的大部分，Mg型相對較少，說明地下水中的陽離子來源較統一。根據菱形圖中水樣點的分布區域，研究區內地下水以HCO3-Ca及混合型為主。

圖3 Piper三線圖

地下水化學類型在空間上的分布特征能直觀反映各個地下水類型在平面距離上的連續性及轉變關系。圖4參照舒卡列夫水化學分類法對孔隙地下水進行分區，如圖所示，南昌平原區孔隙地下水以HCO3型及HCO3主導的混合型為主。其中，HCO3型地下水分布面積最廣，為研究區中部與南部最主要的孔隙地下水類型；混合型地下水主要分布于東湖區-青山湖區北部一帶，蓮塘鎮北、東新鄉南也有小面積分布；HCO3-Cl(Cl-HCO3)型主要分布于向塘鎮周圍，小面積分布于青云譜區一帶；HCO3-SO4(SO4-HCO3)型于東新鄉南部、蓮塘鎮北部等地均有較小范圍分布；HCO3-SO4(SO4-HCO3)型較集中分布向塘鎮、崗上鎮一帶；SO4型地下水在區域內分布范圍最小，于東新鄉東部及青云譜鎮南部小范圍分布。整體上沿地下水流向，地下水離子濃度逐漸上升。由南往北，地下水類型在空間上呈現出HCO3-Cl(HCO3-SO4/SO4-Cl)型→HCO3型→混合型的分帶性。

圖4 研究區孔隙水水化學分區圖

3.3 地下水化學成因分析

3.3.1 主要離子控制因素分析

溶濾作用、蒸發濃縮作用、離子交換等作用是造成淺層孔隙地下水化學成分與濃度發生變化的主要作用[10]。Gibbs圖利用水中陽離子質量濃度比值Na+/(Na++Ca2+)和陰離子質量濃度比值Cl-/(Cl-+HCO3-)與溶解性總固體含量(TDS)的關系，宏觀上反映水中主要離子的控制因素，根據水樣數據分布可以指示三種成因類型：蒸發濃縮型、巖石風化型和降水控制型。為了確定地下水形成的控制因素，運用Gibbs圖來對水樣數據進一步分析。將水化學數據繪入Gibbs圖中，如圖5可知，地下水水樣點基本落在巖石風化控制范圍內，蒸發濃縮以及降水控制區域無水樣點分布，說明研究區內的地下水化學形成的控制因素為巖石風化，即地下水中的主要離子成分來源于水-巖相互作用。

圖5 地下水Gibbs圖

3.3.2 離子來源和形成作用解析

Gibbs圖揭示了地下水的控制性因素，反映了地下水在運動過程中主要發生溶濾作用及陽離子交換作用等水-巖作用。地下水離子濃度以及分布狀態受到地下水流和流經巖土體礦物種類的影響。為了進一步探究地下水中化學組分的來源，利用離子比例系數對各主要離子進行分析。

γ(Na++K+)與γ(Cl-)的毫克當量濃度比值可以反映地下水中Na+及K+的來源[11]。若γ(Na++K+)/γ(Cl-的值接近于1，說明地下水中Na+、K+來自巖鹽的溶解；若γ(Na++K+)/γ(Cl-)的值接大于1，說明地下水中Na+、K+來自硅酸鹽的溶解；若γ(Na++K+)/γ(Cl-)的值接小于1，則說明可能存在陽離子交換作用。如圖6(a)，比例系數范圍0.86～3.59，大部分的點均位于y=x線上方，少數點接近y=x線，說明孔隙地下水中Na+和K+除了來源于鹽巖溶解外，過剩的Na+和K+可能來源于硅酸鹽巖的溶解。Ⅱ區γ(Na++K+)/γ(Cl-)的的比值相對Ⅰ區高，可能是因為Ⅱ區在排泄區地勢平緩，地下水流速緩慢，水巖作用充分，并發生了一定程度的蒸發濃縮作用，所以導致排泄區γ(Na++K+)/γ(Cl-)值偏高。

圖6 離子比例系數圖

地下水中的Ca2+、Mg2+可能的主要來源為碳酸鹽、硅酸鹽及蒸發巖。根據γ(Ca2++Mg2+)與γ(HCO3-+SO42-)的毫克當量比值，可以判斷出Ca2+、Mg2+的主要來源[12]。若γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)大于1，說明地下水中Ca2+、Mg2+來自碳酸鹽的溶解；若γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)小于1，則說明地下水中Ca2+、Mg2+來自硅酸鹽和蒸發巖的溶解。如圖6(b)所示，52個水樣點比值大于1，另外38水樣點比值小于1，說明碳酸鹽、硅酸鹽以及蒸發巖為研究區地下水中Ca2+、Mg2+的共同來源，碳酸鹽占據更大比重。比值小于1的水樣點聚集在排泄區，說明地下水在運動過程中獲得硅酸鹽溶解補充。

γ(SO42-+Cl-)與γ(HCO3-)的比值關系可以進一步識別出碳酸鹽與蒸發巖對主要陰離子的來源的影響程度[13-14]。如圖6(c)，約54%孔隙地下水水樣γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)大于1，其余比值小于1，碳酸鹽與蒸發巖比例相當。蒸發巖是指硫酸鹽、巖鹽等，由前文知巖鹽溶解并非是地下水化學組分的主要來源，因此可以判斷硫酸鹽巖與碳酸鹽巖是主要的陰離子來源。

地下水流動速度是溶濾作用強弱程度的控制性因素，γ(Cl-)/γ(Ca2+)表征地下水動力特征參數，γ(Cl-)/γ(Ca2+)比值大常說明地下水流動滯緩，地下水交替程度弱[15]。據圖6(d)，水樣點的γ(Cl-)/γ(Ca2+)值并未隨著Cl-值的增大而增大，比值的范圍介于0.14～3.39，其中約87%的點γ(Cl-)/γ(Ca2+)小于1，這表明地下水在孔隙含水層中流動速度大，水流與巖石中的礦物接觸時間短，溶濾作用強度較弱。

4 結語

(1)研究區內孔隙地下水大部分偏酸性，陰離子以HCO3-為主，陽離子中Ca2+、Na+為主。

(2)沿地下水流動方向，TDS濃度整體上升，各離子組分濃度均有不同程度上升，HCO3-、Na+和Cl-的濃度變化相對較大。水化學類型復雜，以HCO3-Ca型、混合型淡水為主，由南往北具有分帶性

(3)地下水的控制性成因是巖石風化，巖石礦物中的化學組分主要通過溶濾作用進入地下水中，由于地下水流動速度較大，溶濾作用有限。孔隙水地下水中的Na+、K+來源于硅酸鹽巖，Ca2+、Mg2+來源于碳酸鹽巖、硅酸鹽巖以及蒸發巖，以及SO42-、Cl-與HCO3-等陰離子來源于硫酸鹽巖與碳酸鹽巖。