長春市典型流域地下水離子分布特征及來源

＊王翰琦 劉曦遙 馬力 馮波*

（1.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 吉林 130021 2.中國地質(zhì)調(diào)查局牡丹江自然資源綜合調(diào)查中心 黑龍江 157423 3.吉林大學(xué)地?zé)豳Y源開發(fā)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 吉林 130026）

地下水是水資源的重要組成部分，在為中國城鄉(xiāng)居民提供用水、支持社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要作用[1]。特別是在地表水資源相對匱乏的中國北方干旱和半干旱地區(qū)，地下水發(fā)揮著不可或缺的作用[2-3]。近年來,關(guān)于長春市水環(huán)境的研究取得了大量的成果,對河流水系的生態(tài)、水量及地表水水質(zhì)特征進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究與分析。楊靖民[4]對伊通河流域地下水和地表水中“三氮”的含量水平及污染進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)地下水中氮污染呈現(xiàn)由上游到下游逐漸增加的趨勢；姜時欣等[5]分析了長春市伊通河中重金屬污染特征含量與潛在生態(tài)風(fēng)險，研究得出重金屬元素含量總體沿河流流向呈階梯式增加,鉻元素存在較高生態(tài)風(fēng)險。上述成果都為長春地區(qū)地下水化學(xué)研究提供了支撐，但仍缺乏對地下水中水文地球化學(xué)過程和各元素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究，因此以長春市典型流域作為研究區(qū)域，分別對2014 年和2022 年潛水采樣點(diǎn)進(jìn)行水化學(xué)分布規(guī)律、離子來源分析探究及模擬工作，可為長春市地下水污染的防治提供科學(xué)依據(jù)，并對我國其他水系的流域治理也有一定的參考價值。

1.研究區(qū)概況

長春市位于北半球中緯地帶，研究區(qū)地處松遼平原東側(cè)，主要分布有黃土波狀臺地和河谷漫灘階地。研究區(qū)大部分是階梯狀臺地，呈波狀或丘陵?duì)钇鸱缓庸绕皆饕珊恿鳑_積平原和一級階地組成。河流呈帶狀沿著長春市周邊兩岸分布，包括伊通河、干霧開河、新開河與飲馬河，地形較為平坦。研究區(qū)主要接受大氣降水補(bǔ)給，流經(jīng)黃土臺地區(qū)補(bǔ)給地表河流水系及湖泊水庫，地下水位埋深較淺。

2.取樣測試與研究方法

(1)樣品采集

依托中國地質(zhì)調(diào)查局牡丹江自然資源調(diào)查中心，在長春典型流域分別獲得2014 年潛水樣品36 組和2022 年潛水樣品23 組。主要陰陽離子委托中國地質(zhì)調(diào)查局牡丹江自然資源調(diào)查中心進(jìn)行測試分析，所測的樣品陰陽離子平衡差均小于5%。

(2)研究方法

通過水化學(xué)類型法、離子比例分析方法研究長春典型流域地下水化學(xué)特征及演變規(guī)律，并采用地下水化學(xué)反向模擬、結(jié)合模擬結(jié)果定量解釋控制地下水演化的水文地球化學(xué)過程。

3.結(jié)果與分析

(1)水化學(xué)特征

2014 年和2022 年漫灘及一級階地采樣點(diǎn)pH 范圍分別為6.55～7.8 和6.33～8.41；黃土波狀臺地采樣點(diǎn)pH 范圍分別為6.23～7.78 和6.89～8.49，總體都呈弱堿性。2014 年TDS 值的分布范圍為23～1357 mg/L，黃土波狀臺地區(qū)域的TDS 值為23～1133 mg/L，漫灘及一級階地的TDS 值為376～1357 mg/L，平均值分別為734.36 mg/L 和695.27 mg/L。2022 年TDS 的分布范圍為95～1222 mg/L, 黃土波狀臺地區(qū)域TDS 值為195～1222 mg/L，漫灘及一級階地區(qū)域TDS 值為95～527 mg/L，平均值分別為466.7 mg/L 和284.42 mg/L。從時間變化來看，2022 年研究區(qū)及各個地貌TDS 值較2014 年降低，可見近些年長春市區(qū)域大力支持伊通河污染治理工作頗有成果。

地下水陽離子主要為Ca2+和Na+；2014 年陰離子表現(xiàn)出重碳酸根＞氯離子＞硝酸根＞硫酸根；2022 年陰離子以重碳酸根和硝酸根為主。K+和NO3-變異系數(shù)均較大，體現(xiàn)了極強(qiáng)的空間變異性；TDS 變異系數(shù)遠(yuǎn)大于pH，體現(xiàn)出TDS 空間分布不均勻。

通過繪制伊通河流域Piper 三線圖（圖1）可知，2014 年和2022 年研究區(qū)地下水中陰離子以重碳酸型、重碳酸硫化物型、重碳酸氯化物硫化物型為主，地下水陽離子類型以鈣、鈣鈉、鈣鎂型為主。2014 年，主要體現(xiàn)為SO4·HCO3-Ca·Mg 型水和HCO3·Cl-Ca·Mg 型水。2022 年，長春主城區(qū)出現(xiàn)了較多重碳酸氯化物硫化物型水、重碳酸硫化物型水；全區(qū)地下水類型為低礦化度的HCO3·SO4-Ca·Mg 型水。

圖1 2014 年P(guān)iper 三線圖和2022 年P(guān)iper 三線圖

(2)水化學(xué)主要離子來源分析

①Gibbs 圖分析

Gibbs 圖將影響天然水化學(xué)成分的因素分為巖石風(fēng)化控制型、大氣降水控制型、蒸發(fā)結(jié)晶控制型。研究區(qū)水樣點(diǎn)大部分落在巖石風(fēng)化控制區(qū)域，部分處于蒸發(fā)濃縮控制區(qū)，幾乎不存在落在大氣降水作用區(qū)的點(diǎn)位，說明區(qū)內(nèi)水化學(xué)組成主要受巖石風(fēng)化作用與蒸發(fā)結(jié)晶作用控制[6]，且?guī)r石風(fēng)化作用對水化學(xué)離子組成起主導(dǎo)作用，受大氣降水作用影響較小。其中TDS與Na+/（Na++Ca2+）和具有較好的集群性，而與Cl-/（Cl-+HCO3-）不存在規(guī)律性，推測可能與陽離子交替吸附作用和人為活動有關(guān)。

②巖石風(fēng)化過程

不同巖石風(fēng)化過程會使不同的離子溶于水中，鈣鎂和鈣鈉的比例關(guān)系可以揭示水中離子源自何種礦物的溶解[7]，研究區(qū)以碳酸鹽巖風(fēng)化為主要作用，蒸發(fā)鹽巖次之。2014 年水樣點(diǎn)較2022 年更分散，沒有呈現(xiàn)明顯的集群性。為進(jìn)一步分析研究區(qū)地下水中主要離子來源，運(yùn)用離子比值具體分析其水文地球化學(xué)過程[8]。

（Na++K+）與Cl-的比值關(guān)系可指示水中鈉離子和鉀離子的來源[9]。研究區(qū)Na+、K+主要來源為蒸發(fā)鹽巖溶解及少部分硅酸鹽巖風(fēng)化作用。研究區(qū)采樣點(diǎn)鈉鉀離子與氯離子的比值整體呈增大趨勢，同時離子比值隨年限增加逐步收攏于值為1 的比值線，表明研究區(qū)地下水中Na+、K+和Cl-主要受巖鹽溶解的影響，間接表明硅酸鹽巖風(fēng)化作用和陽離子交替作用減弱[10]。

（SO42-+Cl-）與HCO3-的關(guān)系可以判別碳酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化溶解對水中離子的貢獻(xiàn)程度，當(dāng)比值小于1 時，水體主要受碳酸鹽巖溶解影響，反之則蒸發(fā)鹽巖溶解更為重要[11]，該地區(qū)受蒸發(fā)鹽巖溶解影響較大；2014 年漫灘及一級階地區(qū)域碳酸鹽巖的貢獻(xiàn)強(qiáng)于蒸發(fā)鹽巖。

不同種類的碳酸鹽巖溶解會使Ca2+與HCO3-的當(dāng)量濃度比呈現(xiàn)不同特征[12]。當(dāng)二者的濃度比為1:2時，水中鈣與重碳酸根源自方解石溶解；比值為1:3時，則鈣及重碳酸根來源于白云石溶解。研究區(qū)大部分樣點(diǎn)落在比值線右側(cè)，說明地下水中Ca2+主要源自方解石溶解，與白云石等其他鈣巖礦物無相關(guān)性。自然條件下，SO42-與Ca2+、Mg2+之和為同源，但其比值結(jié)果表明區(qū)內(nèi)存在Ca2+、Mg2+過剩情況，可能有其他來源的鈣鎂離子存在，Mg2+主要來源于綠泥石及云母類礦物的溶解，說明方解石、綠泥石、云母以及其他鈣鎂鹽巖的溶解參與了水中Ca2+與Mg2+的形成。但除了鈣鎂鹽巖溶解，還存在其他作用會對水體離子成分產(chǎn)生影響，需要重點(diǎn)考慮人為因素對研究區(qū)地下水化學(xué)影響程度。

③人為輸入

由研究區(qū)多年水化學(xué)數(shù)據(jù)分析，NO3-污染程度逐年增加，硝酸根變異系數(shù)較大，體現(xiàn)極強(qiáng)空間變異性，漫灘附近均超過100%。通過對研究區(qū)周邊工農(nóng)業(yè)污染源的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)黃土波狀臺地區(qū)域存在大面積的農(nóng)業(yè)區(qū)與牲畜養(yǎng)殖基地，化肥及牲畜排泄物質(zhì)加重了水體污染。2014 年至2022 年地下水受工業(yè)污染程度呈降低趨勢，其中漫灘及一級階地處尤為明顯，可見與近幾年伊通河流域的水污染治理工程有關(guān)。根據(jù)實(shí)地情況可知，研究區(qū)周圍存在大量的工業(yè)區(qū)，其中工業(yè)廢水包括排放的含油污水會加劇伊通河流域的水質(zhì)污染。除此之外，農(nóng)業(yè)區(qū)作業(yè)過程中化肥和農(nóng)藥的使用也會對水體造成污染。

表1 2014 年和2022 年不同地貌類型硝酸鹽氮離子濃度

(3)水文地球化學(xué)反向模擬

為進(jìn)一步研究長春區(qū)域地下水化學(xué)遷移轉(zhuǎn)換過程，選取PHREEQC 水文地球化學(xué)模擬軟件對該地區(qū)幾條地下水流動路徑進(jìn)行水文地球化學(xué)反向模擬工作。

根據(jù)研究區(qū)水質(zhì)和水化學(xué)分析結(jié)果，以及潛水類型和地巖性層，選取伊通河流域和干霧開河流域兩條模擬路徑。由模擬結(jié)果可知，研究區(qū)內(nèi)鈉、鈣鹽呈溶解趨勢；黃鐵礦呈持續(xù)溶解趨勢，赤鐵礦、針鐵礦等含鐵礦物呈沉淀趨勢；白云石、方解石呈溶解趨勢；同時可見有部分黏土礦物生成。

伊通河流域的總礦物轉(zhuǎn)移量為-3.09 mg/L。伊通河上游地下水礦化度較低，水巖反應(yīng)整體呈沉淀趨勢，伊通河流域地下水的pH 呈降低趨勢，故研究區(qū)長石溶解程度逐漸增大，與模擬結(jié)果相符。干霧開河流域的總礦物轉(zhuǎn)移量為-5.56 mg/L，干霧開河上的基巖礦物主要受水體的pH 因素控制，其反應(yīng)速率與pH 值呈正相關(guān)。

4.結(jié)論

（1）2014 年研究區(qū)主要體現(xiàn)為SO4·HCO3-Ca·Mg 型水和HCO3·Cl-Ca·Mg 型水；2022 年，地下水類型為低礦化度的HCO3·SO4-Ca·Mg 型水。

（2）區(qū)內(nèi)水化學(xué)組成主要受巖石風(fēng)化作用與蒸發(fā)結(jié)晶作用控制，且?guī)r石風(fēng)化作用對水化學(xué)離子組成起主導(dǎo)作用，受大氣降水作用影響較小。

（3）伊通河流域中基巖的溶解趨勢明顯，與人為活動有關(guān)。

（4）應(yīng)該通過減少城市污水直接排放、減少化肥農(nóng)藥使用、加大對伊通河流域的監(jiān)管治理等措施，改善河流的水質(zhì)狀況。