極端洪澇作用下江西樂(lè)安河沿岸地下水化學(xué)組分特征及來(lái)源分析

魏信祥, 楊周白露, 許乃政

(1.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院, 江西 南昌 330013; 2.江西水利職業(yè)學(xué)院 水利工程系,江西 南昌 330013; 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心, 江蘇 南京 210016)

1 研究背景

地下水約占地球上液態(tài)淡水資源總量的99%,全球50%的居民生活用水來(lái)源于地下水,同時(shí)地下水還是農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)用水的重要保障,對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)功能健康至關(guān)重要。近年來(lái),不合理的人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)地下水資源構(gòu)成了嚴(yán)重威脅,是造成地下水水質(zhì)污染的主要因素[1-2]。開(kāi)展地下水化學(xué)組分及其形成演化的研究對(duì)于查明地下水中污染成分的來(lái)源及污染程度具有重要意義。地下水化學(xué)組分的形成主要受控于溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用、陽(yáng)離子交替吸附作用和混合作用等[3]。值得注意的是,全球最常見(jiàn)的自然災(zāi)害洪澇也會(huì)對(duì)地下水化學(xué)組分產(chǎn)生顯著的影響。印度Adyar河地下水主要化學(xué)離子濃度在洪澇期間受到稀釋而降低,而有害微量金屬元素及微生物(細(xì)菌、病原體)濃度在攜帶大量污染物的城鎮(zhèn)地表徑流的影響下升高[4],類(lèi)似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在沙特阿拉伯Wadi Baysh流域洪澇災(zāi)害后的地下水中[5]。內(nèi)蒙古大同盆地的一次短期人工水淹實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,洪澇期間地表水和地下水發(fā)生混合,包氣帶蒸發(fā)礦物淋濾作用的增強(qiáng)促使地下水中主要離子濃度升高[6]。在農(nóng)業(yè)活動(dòng)密集的地區(qū),尿素等氮肥被大量使用,發(fā)生洪澇災(zāi)害后地下水中氮污染物濃度普遍升高[7]。

當(dāng)前,地下水水化學(xué)組分形成演化的研究方法主要包括圖示法(如Gibbs圖、Piper三線(xiàn)圖)[8-10]、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法(例如Pearson相關(guān)性分析、Q型-R型聚類(lèi)分析、主成分分析等)[5,11-12]、主要離子比法[13-14]等。考慮到單一方法的局限性,綜合多種方法對(duì)地下水水化學(xué)成分的形成進(jìn)行研究能獲得更加可靠的結(jié)果。張濤等[14]綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線(xiàn)圖、Gibbs模型和離子比等方法分析了黑龍江蛤蟆通河流域地下水的水文地球化學(xué)特征,并探討了水化學(xué)演化規(guī)律及主要離子來(lái)源;魏善明等[15]綜合利用Piper三線(xiàn)圖、離子比及數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法,研究了山東省東汶河沂南地區(qū)地下水水化學(xué)特征及形成機(jī)理;馮海波等[16]運(yùn)用流場(chǎng)對(duì)比、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線(xiàn)圖等方法,揭示了煤礦區(qū)地下水流場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律。

樂(lè)安河位于江西省東北部,是中國(guó)最大的淡水湖鄱陽(yáng)湖的主要支流。樂(lè)安河上游賦存豐富的礦產(chǎn)資源,包括我國(guó)最大的露天銅礦-德興銅礦,幾十年的礦山開(kāi)采不斷向樂(lè)安河輸入有害重金屬元素,使得樂(lè)安河成為鄱陽(yáng)湖五大水系中重金屬污染最為嚴(yán)重的水域之一[17-20]。另外,受沿岸城鎮(zhèn)污水、畜牧養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)施肥等影響,樂(lè)安河還存在COD、氨氮、硝酸鹽、氯化物超標(biāo)等水質(zhì)污染問(wèn)題[21-22]。2022年6月18日至22日,樂(lè)安河流域樂(lè)平市境內(nèi)普降大暴雨,全市平均降雨量達(dá)404.2 mm,樂(lè)安河虎山水文站出現(xiàn)超歷史最高水位,當(dāng)?shù)貑?dòng)防汛I級(jí)響應(yīng)。樂(lè)安河沿岸名口鎮(zhèn)、鸕鶿鄉(xiāng)、眾埠鎮(zhèn)、接渡鎮(zhèn)、浯口鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的低洼地帶發(fā)生洪澇災(zāi)害,受災(zāi)面積達(dá)70 km2。洪澇期間,地表水與相鄰地下含水層之間的水力交換可能造成地下水水質(zhì)的惡化[23],且地下水是當(dāng)?shù)剞r(nóng)村居民重要的飲用水源。因此,本文選擇該地區(qū)為研究對(duì)象,綜合運(yùn)用Piper三線(xiàn)圖、Gibbs圖、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、主要離子比等方法,分析洪澇作用下地下水水化學(xué)特征及形成演化過(guò)程,評(píng)估地下水水質(zhì)狀況及健康風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果將為極端洪澇災(zāi)害影響下的地下飲用水安全和公共健康風(fēng)險(xiǎn)管控提供科學(xué)依據(jù)。研究區(qū)地理位置和地下水采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置和地下水采樣點(diǎn)分布

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

樂(lè)安河是鄱陽(yáng)湖的主要支流,位于江西省東北部,發(fā)源于懷玉山西麓,自東向西流經(jīng)婺源縣、德興市、樂(lè)平市、萬(wàn)年縣、鄱陽(yáng)縣,至鄱陽(yáng)縣姚公渡與昌江匯合成饒河后最終匯入鄱陽(yáng)湖,全長(zhǎng)279 km,豐水期河寬100～200 m,枯水期河寬30～100 m,流域面積為8 989 km2[19]。本次洪澇災(zāi)害研究區(qū)主要位于樂(lè)平市樂(lè)安河沿岸,坐標(biāo)為東經(jīng)117°5′～117°30′、北緯28°50′～29°0′。研究區(qū)屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),夏季高溫多雨、冬季溫和少雨,年平均氣溫為18.3 ℃,年平均降水量為1 672.3 mm,降水量年內(nèi)分配極不均勻,暴雨多集中在5—7月份,且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),極易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害發(fā)生。區(qū)內(nèi)地勢(shì)大體呈現(xiàn)從東向西逐漸降低趨勢(shì),地形大致呈3個(gè)梯級(jí):北、東、南三方邊緣為低山丘陵(海拔200～500 m),中部是平原與丘陵交錯(cuò)(海拔100～200 m),西部樂(lè)安河及沿岸為平原盆地(海拔20～60 m)。土壤主要有水稻土、潮土、紫色土、石灰土、紅壤等土類(lèi)[24]。根據(jù)含水層的巖性組合特征及地下水的賦存條件,可將區(qū)內(nèi)含水層分為第四系松散沉積物含水層、碎屑巖孔隙-裂隙含水層、碳酸鹽巖裂隙-溶隙含水層、基巖裂隙含水層[25]。研究區(qū)地下水主要以大氣降水和地表水入滲補(bǔ)給為主,地下水總體流向受地形影響,從丘陵流向樂(lè)安河河谷平原。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為研究樂(lè)平市樂(lè)安河沿岸洪澇災(zāi)害影響區(qū)地下水水化學(xué)特征及形成演化規(guī)律,在洪澇災(zāi)害較嚴(yán)重的名口鎮(zhèn)、鸕鶿鄉(xiāng)、眾埠鎮(zhèn)、接渡鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)約70 km2區(qū)域采集地下水水樣。共布設(shè)采樣點(diǎn)位12個(gè),采集地下水樣品24組。其中2022年7月3日—5日采集了12組樣品(洪澇期間),洪水退去2個(gè)月后在相同的點(diǎn)位再次采集了12組樣品(洪澇后期,在此期間研究區(qū)持續(xù)干旱,基本無(wú)降雨)。采集的地下水樣品取自當(dāng)?shù)剞r(nóng)村生活飲用民井,井深約8～15 m,含水層為第四系砂礫石層,具體采樣位置見(jiàn)圖1。

2.3 研究方法

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水水化學(xué)特征及飲用適宜性評(píng)價(jià)

表1 研究區(qū)洪澇期間和洪澇后期地下水水化學(xué)組分濃度測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 地下水水化學(xué)類(lèi)型

圖3 研究區(qū)洪澇期間和洪澇后期地下水Piper三線(xiàn)圖

圖4 研究區(qū)洪澇期間和洪澇后期各采樣點(diǎn)地下水中主要組分當(dāng)量濃度百分比

4 討 論

4.1 極端洪澇背景下的地下水水化學(xué)演化

圖5 樂(lè)平市樂(lè)安河沿岸洪澇期間和洪澇后期地下水Gibbs圖

圖6 樂(lè)平市樂(lè)安河沿岸洪澇期間及洪澇后期地下水主要離子比值

如圖6(a)所示,本研究中(Na++K+)/Cl-當(dāng)量濃度比范圍為0.37～5.50,大部分樣品點(diǎn)落于1∶1分布線(xiàn)以下,表明過(guò)量的Na+、K+可能來(lái)源于硅酸鹽礦物的溶濾;其他5個(gè)樣品位于分布線(xiàn)之上,表明Cl-具有其他來(lái)源,高含量的氯是地下水污染的示蹤劑,因而可能受到人為活動(dòng)的影響[15]。相比于洪澇后期,洪澇期間地下水中過(guò)量的Na+、K+可能主要與連續(xù)暴雨對(duì)農(nóng)田中鉀肥的強(qiáng)淋濾有關(guān),表1也顯示出洪澇期間地下水中K+濃度高于洪澇后期,且顯著高于鄱陽(yáng)湖環(huán)湖區(qū)[13]。

綜上所述,極端洪澇背景下樂(lè)安河河岸地下水水化學(xué)組分演化異常復(fù)雜,經(jīng)歷了水-巖相互作用、硅酸鹽礦物溶解、離子交換等過(guò)程的水文地球化學(xué)過(guò)程,同時(shí)還受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人為活動(dòng)的強(qiáng)烈影響。

4.2 地下水污染組分來(lái)源分析

地下水污染組分的化學(xué)分析不能提供污染因子之間關(guān)系的信息,也無(wú)法識(shí)別其來(lái)源,因此多元統(tǒng)計(jì)方法被廣泛用于識(shí)別地下水污染因子的來(lái)源[4-5,15, 31]。洪澇期間樂(lè)安河沿岸地下水中Mn濃度為0.001～1.866 mg/L,均值為0.273 mg/L;洪澇后期Mn濃度為bdl ～0.436 mg/L,均值為0.090 mg/L(表1),洪澇期間地下水中Mn濃度明顯更高(圖2)。圖7為洪澇期間地下水微量金屬、pH、TDS的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果。由圖7可以看出,Mn與TDS相關(guān)性很強(qiáng),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.79。洪澇期間的持續(xù)降雨加強(qiáng)了對(duì)包氣帶土壤的侵蝕和溶濾作用,雨水?dāng)y帶大量懸浮顆粒進(jìn)入地下水,地表土壤堆積物中的錳通過(guò)氧化包氣帶進(jìn)入還原的地下含水層[38],高價(jià)的錳氧化物被還原為Mn2+可溶鹽,從而增加了地下水中Mn的濃度。與環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)類(lèi)似,包氣帶土壤中的含錳礦物是區(qū)內(nèi)地下水中Mn的主要來(lái)源[33]。洪澇后期洪水退去,研究區(qū)域內(nèi)大部分地下水埋藏較淺,氧化還原電位升高,導(dǎo)致可溶Mn含量降低,因?yàn)镸n在還原環(huán)境下更容易富集[13]。洪澇期間重金屬Cd在所有采樣點(diǎn)均低于檢出限,但是洪澇后期(洪澇發(fā)生后2個(gè)月)地下水中Cd濃度普遍超標(biāo)(表1),可能是受地表水補(bǔ)給地下水滯后性的影響。何柱錕等[24]利用正定矩陣因子分解法對(duì)樂(lè)安河沉積物的重金屬來(lái)源解析結(jié)果表明,樂(lè)安河重金屬污染主要來(lái)源于上游采礦活動(dòng)(貢獻(xiàn)率達(dá)67%)。因此受高強(qiáng)度降雨的影響,樂(lè)安河上游的重金屬Cd被洪水?dāng)y帶遷移至下游的樂(lè)平市,這可能是導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)地下水Cd污染的重要原因。

圖7 洪澇期間研究區(qū)地下水微量金屬、pH、TDS的Pearson相關(guān)性分析

5 結(jié) 論

(2)受區(qū)域地質(zhì)背景的影響,地下水水化學(xué)類(lèi)型顯示出較大的空間差異。洪澇期間,地下水水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Ca·Na、HCO3·SO4-Ca·Na及HCO3·SO4-Ca為主;洪澇后期出現(xiàn)了更多陰離子包含Cl型及NO3型的地下水(分別占比25%和8.3%),反映出地下水水化學(xué)類(lèi)型受到了人為活動(dòng)的影響。

(3)總體來(lái)說(shuō),區(qū)內(nèi)地下水主要組分的形成受水-巖相互作用、硅酸鹽礦物溶解、陽(yáng)離子交替吸附作用的控制,局部地區(qū)受農(nóng)業(yè)施肥、污水排放等人為活動(dòng)的干擾。地下水中大部分微量金屬元素濃度很低,部分樣品的Mn、Cd濃度超標(biāo)主要是由于受到強(qiáng)降雨對(duì)土壤的侵蝕和溶濾以及樂(lè)安河上游采礦活動(dòng)的影響。