德阳市城市规划区地下水化学特征分析

2012-09-05高东东古广华

地下水 2012年1期

关键词：规划区等值线图德阳市

尹恒，吴勇，高东东，古广华

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川成都 610059;2.德阳市水务局，四川德阳 618000)

德阳市城市规划区地下水化学特征分析

尹恒1，吴勇1，高东东1，古广华2

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川成都 610059;2.德阳市水务局，四川德阳 618000)

根据39个丰水期地下水的水化学分析结果，对德阳市城市规划区内地下水水化学特征及空间分布进行了研究。研究表明:(1)沿地下水渗流途径，TDS以及Mg2+、Na+、浓度呈上升趋势;而 Ca2+浓度却呈下降趋势。(2)地下水化学类型具有较明显的分带性，在渗流途径的上游，水化学类型以 HCO3－Ca型水和 HCO3－Ca+Mg型水为主;在径流途径的下游或排泄区域，水化学类型以 HCO3+SO4－Ca+Mg型水和 HCO3+SO4－Na+Ca型水为主。(3)区内铁锰污染比较明显，部分地区总铁和锰的含量达到Ⅳ类地下水标准，铁锰超标主要是受原生地质环境的影响;总硬度超标明显，39件水样中12件达到Ⅳ类地下水标准。

水化学特征;地下水化学类型;铁锰污染;德阳市

德阳市是全国330个严重缺水城市之一，又是四川省唯一靠抽取地下水解决工业生产和人们生活用水的重工业城市。随着城市建设和社会经济的快速发展，日益增长的用水需求同水资源短缺、水污染加剧、水环境恶化之间的矛盾将日益突出［1］。笔者以“德阳市城市规划区地下水保护研究”项目为依托，根据39件地下水水化学分析结果，研究德阳市城市规划区水化学类型特征及空间分布，为德阳市城市规划区地下水保护提供重要依据。

1 自然地理条件

德阳市城市规划区位于四川盆地成都平原东北边缘，西南距省会成都58 km(图1)。研究区范围西起天元镇歇马店，东至中新镇，北起孝感镇，南至八角镇，总面积213 km2。主要河流为沱江水系上游绵远河和石亭江河。属于四川盆地亚热带湿润季风气候区，气候温和，降水充沛，多年平均气温16.1℃，多年平均降雨量896.94 mm。规划区西部属成都平原东北部，为绵远河、石亭江冰水－流水堆积扇前缘地带;研究区东部为构造剥蚀丘陵地貌，以窄谷深丘和宽谷中丘为主。

2 水文地质条件

地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和白垩系砂泥岩类孔隙－裂隙水，前者分布于龙泉山西侧的平原区，主要赋存于全新统砂砾卵石层()、上更新统含泥砂砾卵石层()及中更新统砂泥质砾卵石层()中;后者分布于研究区东部丘陵区，赋存于白垩系古店庙组(K1g)和七曲庙组(K1q)砂泥岩浅部风化带网状裂隙及深部砂岩层间裂隙孔隙中。由和组成的上部含水层分布于所有河漫滩、Ⅰ级阶地和Ⅱ级阶地，地下水埋深多在0.5～6 m，局部大于10 m，含水层厚10～25 m，渗透系数一般为30～150 m/d，单井涌水量500～5 000 m3/d;在丘陵区，主要含水层为浅层风化带网状孔隙－裂隙弱含水层，风化层一般厚30～50 m，砂岩网状风化裂隙发育，接受降水和灌水的补给，向沟谷排泄，地下水埋深一般5～10 m，其次，在丘陵区西侧受绵远河、荣华桥压扭性逆冲断层及其褶皱隆起地带所阻，形成宽缓的单斜储水构造和多层较丰富的高水头砂岩层间裂隙孔隙承压含水层，含水层顶板埋深一般50～100 m［2］。

图1 研究区位置及水系示意图

研究区内西侧平原孔隙水主要接受北方的地下径流、降水和农渠水的入渗补给，地下水总体上呈北西－南东流向，由于河流切割、人工开采、旌湖蓄水等因素的影响，地下水流场在不同区段表现出不同形式，主要通过地下径流、人工开采、河渠、蒸发和泉眼等排泄［3］;东侧丘陵区，砂泥岩类孔隙－裂隙水主要受大气降水、灌溉水及水库、水渠水垂直入渗补给，地下水总体在山顶、山坡部位入渗补给，由坡顶向坡脚运移，最后以泉和渗流形式向低洼沟谷排泄［4］。

3 地下水水化学特征分析

3.1 采样点布设

在充分收集了本区已有的地质、水文地质研究成果和资料的基础上，结合四川省环境地质监测总站已有的19个地下水水质监测点，主要考虑样品的代表性、样品点的控制性、地下水流场特征等因素，新布置了20个地下水采样点，具体分布位置见图2。本次地下水化学样品分为2类:孔隙水样和孔隙－裂隙水样。其中孔隙水样38件，孔隙－裂隙水样(S003)1件。

本次研究所采集的地下水化学分析水样均严格按照相应野外取样规范要求进行采集、保存、送样，新布置地下水样采样点于2008年8月31日进行取样，由四川省地勘局成都岩土水质检测中心进行化验;其余19个采样点的地下水化学分析结果为四川省环境地质监测总站2001～2009年丰水期(8月)监测数据平均值。具体地下水化学分析结果见表1。

图2 德阳市城市规划区地下水样采集点位置图

3.2 水化学类型

所有水样，均为无色、无味、无嗅，透明。由表2的水质分析结果可知，德阳市城市规划区地下水pH在6.9～7.8之间，总体上呈弱碱性;水样总硬度在300.3～583.1 g/L之间，均值为 431.2 g/L，总体上为硬－极硬水;TDS在 506.1～897.9 g/L之间，均值为506.1 g/L，全部为低矿化度淡水。

舒卡列夫分类，是根据地下水中六大主要离子(K+合并于Na+)及矿化度划分的。将毫克当量百分数大于25%的阴阳离子进行组合，分为49型水，每型以一个阿拉伯数字作为代号。按矿化度有划分为4组:A组矿化度小于1.5g/L，B组 1.5 ～10 g/L，C 组 10 ～40 g/L，D 组大于 40 g/L［5］。研究区水化学类型划分见表2，水化学分区见图3(丘陵区缺少水化学分析结果，未进行地下水类型划分)。

地下水的水化学特征，是受区域地质、地貌、水文气象、含水层岩性及地下水的形成条件决定的［6、7］。39件水样中，共有11件水样舒卡列夫分类为 HCO3－Ca+Mg型水，主要分布于德阳市区内及东河乡周围，总硬度在367.8～450.4 g/L之间，均值为 416.6 g/L，TDS在 545.7 ～729.2 g/L 之间，均值为 664.2 g/L，;11件为 HCO3+SO4－Ca型水，主要分布于天元乡和旌阳乡北部，总硬度在395.4～523.0 g/L之间，均值为 446.3 g/L，TDS在 597.9 ～808.3 g/L 之间，均值为 671.8 g/L，、;9 件为 HCO3+SO4－ Ca+Mg型水，主要分布于大汉镇、市区北部和孝感乡北部，总硬度在 359.5～487.9 g/L 之间，均值为 442.4 g/L，TDS在 506.1 ～735.7 g/L之间，均值为 648.8 g/L，;6件为 HCO3+SO4－Na+Ca型水，主要分布于旌阳乡南部，其余为零星分布，总硬度在300.3～520.5 g/L之间，均值为 403.7 g/L，TDS在 573.7 ～835.6 g/L之间，均值为 666.0 g/L，;1 件 HCO3－Ca型水，主要分布于孝感乡和楠木园;1件 HCO3－Na+Ca型水，仅在S028周边分布。

图3 德阳市城市规划区地下水化学类型分区图

地下水化学类型具有较明显的分带性，在径流途径的上游，阴离子主要以 HCO3－为主，阳离子主要以 Ca2+为主，水化学类型以HCO3－Ca型水和 HCO3－Ca+Mg型水为主;在径流途径的下游或排泄区域，阴离子以和HCO3－为主，阳离子主要为 Ca2+和 Mg2+，个别地段甚至含有 Na+，水化学类型以 HCO3+SO4－Ca+Mg型水和 HCO3+SO4－Na+Ca型水为主。

通过计算各组分的毫克当量百分数，并绘制 Piper图(图4)，可以客观的反映该地区的水化学特征。由图4可知，德阳市规划区地下水阳离子主要为钙离子，阴离子主要是重碳酸根和硫酸根。根据 Piper三线图解分区，水样主要位于1、3、5区，水样中碱土金属离子超过碱金属离子，弱酸根超过强酸根且碳酸盐硬度超过50%;水样 S042位于1、4、6区，碱金属离子超过碱金属离子，强酸大于弱酸且非碳酸盐硬度超过50%;S014和 S015位于1、4、9区，碱金属离子超过碱金属离子，强酸大于弱酸且任一对阴阳离子含量均不超过50%毫克当量百分数。

3.3 TDS、总硬度和主要离子分布特征

利用 Surfer 8.0中的 Kriging插值方法，绘制德阳市城市规划区 TDS、总硬度、Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3－、和Cl－的浓度等值线图，见图4至图12。部分地区缺少分析结果，在图中为空白。

图4 德阳市城市规划区水样分析Diper图

图7 Ca2+浓度等值线图

图5 TDS等值线图

图8 Mg2+浓度等值线图

图6 总硬度分区图

图9 Na+浓度等值线图

表2 德阳市城市规划区丰水期地下水水化学分析表 mg/L

根据TDS的高低可以将地下水划分为淡水(TDS＜1 g/L)，微咸水(1 g/L＜TDS＜3 g/L)和咸水(TDS＞3 g/L);按硬度(以CaCO3计)分级标准将地下水划分为软水(＜150 mg/L)、微硬水(150－300 mg/L)、硬水(300－450 mg/L)、极硬水(＞450 mg/L)［8］。研究区内为淡水，由图5的TDS等值线图可知，TDS总体变化趋势为由北向南逐渐增加，在楠木园，旌阳乡北部和大汉镇北部，TDS大于700 mg/L;区内大部分地区为硬水，极硬水在楠木园—天元乡、大汉镇、孝感乡北部和旌阳乡北部等地区分布，由图6的总硬度分区图可知总硬度的变化趋势是由西北向东南，先升高后降低。TDS和总硬度的高值区域重合较好，渐变规律基本一致。

图10 HCO3－浓度等值线图

图11 SO42－浓度等值线图

从 Ca2+浓度等值线图(图7)可获得，Ca2+的总体趋势是由北西向南东逐渐降低，在孝感乡、天元乡、旌阳乡北部以及东河乡北部Ca2+浓度较高;Mg2+浓度的总体变化趋势是由南向北逐渐增大，在孝感—旌阳乡一带、大汉镇和东河乡北部浓度较低;Na+浓度等值线图(图9)体现出来的 Na+浓度由北西向南东逐渐增加，其中旌阳乡北部－德阳城区－大汉镇一带为高值区域，Na浓度基本大于50 mg/L。

由HCO3－浓度等值线图(图10)观察出，HCO3－浓度的总体变化趋势为由北向南逐渐变大，在个别地区表现出不同规律，如大汉镇为浓度值较低的地区;浓度表现出的特征为由北西向南东逐渐增加，在旌阳乡附近出现异常，表现为低浓度区域;Cl－浓度总体特征为由北向南逐步增加，在孝感乡－旌阳乡北部一带Cl－浓度较高，基本大于40 mg/L。

总硬度与 Ca2+、Mg2+、HCO3－具有较好的相关性，表现为在总硬度高的区域，Ca2+、Mg2+、HCO3－浓度均较高，特别是在楠木园－天元乡一带最为明显。TDS与 Ca2+、HCO3－具有较好的相关性，TDS与 Ca2+、HCO3－呈现基本相似的变化规律，因此可以判断研究区 TDS的变化是由 Ca2+和 HCO－3的浓度变化造成的。

图12 Cl－浓度等值线图

沿渗流途径上，即由西北向东南，Mg2+、Na+、、TDS逐渐增加，Ca2+逐渐减少。沿含水层的径流路径，Na+离子的浓度增高，并且伴随着Ca2+离子浓度的降低、这些都是因为地下水与粘土矿物发生离子交换的结果;Mg2+离子浓度变化是由于脱白云石化作用［9］或含镁的碳酸盐类沉积岩和岩浆岩、变质岩中含镁矿物的溶解［5］。SO42－离子浓度变化是由于含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解和硫化物的氧化［5］。TDS变化是溶滤作用与浓缩作用共同影响的结果。

3.4 地下水总硬度、总铁和锰的分布特征

德阳市城市规划区污染类型主要以原生污染为主，表现形式为总硬度、铁和锰含量过高［10］。根据水化学分析结果中总铁和Mn2+离子浓度，利用 Surfer 8.0中的 Kriging插值方法，绘制总铁和 Mn2+分布图，见图13和图14。

由图6的总硬度分区图分析可知，研究区内大部分区域总硬度小于或等于450 mg/L，达到或优于Ⅲ类［11］地下水标准。在楠木园—天元乡、孝感乡北部、大汉镇北部和东河乡北部，总计12件水样，总硬度大于450 mg/L，达到Ⅳ类地下水标准。

由 Mn2+分布图(图14)可知，研究区内大部分地区Mn2+浓度小于等于0.1 mg/L，达到或优于Ⅲ类地下水标准。在研究区西侧靠近石亭江和孝感乡北部，Mn2+浓度大于0.1 mg/L，达到Ⅳ类地下水标准，部分地区甚至大于1 mg/L，达到Ⅴ类地下水标准。

图13 总铁分布图

由总铁分布图(图13)可知，在楠木园－天元乡和绵远河东部的旌阳乡一带，总铁浓度小于0.1 mg/L，达到Ⅰ类地下水标准;在孝感乡－大汉镇，总铁浓度总体偏高，主要为Ⅱ类和Ⅲ类地下水;在孝感乡东部、南部和大汉镇部分地区，总铁浓度大于0.3 mg/L，达到Ⅳ类地下水标准。

图14 Mn2+分布图

据考察，研究区内没有铁、锰的工业污染源［12］，该地区农民没有施用含锰化肥的习惯，故该区域的铁锰污染不可能是工业污染源、农业污染源和生活污染源(如电池等)造成的。

四川地质环境监测总站根据多年对该区的水文地质条件的掌握和地下水动态监测资料，认为该区铁锰超标主要原因是受地下水原生地质环境的影响［3］。研究区内含水层不同程度含有铁锰质薄膜或结核，地下水在径流过程中，由于淋滤和溶蚀作用而含较多的可溶性锰离子和低价铁离子。而丁爱中等人，认为研究区内地下水的的弱酸性、还原条件、土壤有机质含量、地层中存在较多的铁氧化物为地下水二价铁的溶解和土壤铁化合物的还原创造了直接条件，从而为该区地下水铁含量超标成因提供了有利依据［13］。