珠三角重要产业基地地下水埋藏条件与水化学特征分析

孔德秀

(广东省地质调查院，广东 广州 510080)

近年来珠江三角洲地区经济建设高速发展、人口不断增加，“三废”不合理排放等问题不断加剧，地表水和表层底质污染日趋严重[1～2]，珠江三角洲大部分地区浅层地下水体已受到不同程度的污染[3]。目前该区地下水研究旨在查明区域性的浅层地下水水质和污染概况，系统开展地下水循环机制研究鲜少报道，尤其针对不同地下水类型的研究基本空白。而地下水埋藏条件与水化学特征是水循环机制研究的重要基础[4～6]，对其进行单独研究势在必行。地下水化学类型与地形地貌[7]、地层岩性[8]、沉积成因以及水文等因素均有密切关系。本次选取珠三江重要产业基地作为研究对象。通过采集不同含水层的地下水样品，利用钻探及测试分析资料绘制水文地质剖面图、piper三线图[9]、离子比例系数[10]等研究该区含水层岩性、结构特征，分析不同类型地下水水化学类型分布及形成作用。为进一步研究水循环机制、地下水污染成因等作好铺垫、提供依据。

1 研究区概况

研究区位于珠江三角洲中下游，跨越龙江 －顺德－中山，包括龙江镇、佛山市顺德大部分地区和中山民众等地，是珠江三角洲制造业基地之一，工业发展迅速。地貌主体为河网发育平原区、地势低平，地处寒武系变质砂页岩残丘边缘，第四系埋深自西部向东南方向逐渐变深，地下水径流总体沿江向出海口流动，由于地势平坦，地下水径流较为缓慢。区内气候温暖湿润，雨量充沛，年降雨量 1 617.9～1 649.9 mm，1月份平均气温 13.1℃ ～13.3℃，7 月份平均气温25.0℃ ～28.7℃。该地段位于珠江三角洲出海口西侧，地表水体属西江水系、区内水文地质条件复杂，受潮汐影响严重、易受洪水威胁。

2 采样及测试方法

2.1 样品采集情况

依托珠江三角洲地区地下水污染调查评价项目野外调查及样品测试数据进行分析研究，该区共采集样品169组。其中上层滞水(人工开挖取水坑)样 123组，揭露深度 0.6～4.2 m、平均 1.29 m，静止水位 0 ～0.9 m、平均 0.28 m，取样深度在静止水位以下 0.2～0.5之间;潜水(民井)样20组，揭露深度 2.12 ～7.95 m、平均 5.29 m，静止水位 0.3 ～3.1 m、平均1.44 m，取样深度在静止水位以下0.5 m左右;承压水(钻孔)样 26 组，揭露深度 9.7～60.5 m、平均 36.83 m，静止水位 0.63 ～4.93 m、平均 1.85 m，取样平均深度为 24.64 m。

2.2 样品测试

现场观测项目包括地下水位、水温、Ec、Eh、PH值。样品水化学分析由广东省地质实验测试中心完成，分析质量要求及监控办法参照中国地质调查局相关技术标准。K+、Na+、Ca2+、Mg2+等主要离子采用 OPTIMA 2000DV离子光谱仪分析;碳酸氢根 HCO3－、碳酸根 CO32－、氯离子 Cl－采用容量法;硫酸根SO42－采用硫酸钡比浊法;溶解性总固体TDS采用105℃、180℃干燥重量法。

3 数据分析与讨论

3.1 埋藏条件

人工开挖取水坑揭露的上层滞水样点处于不同的微地貌单元，大部分样点与周围河、渠、污水沟、水塘等距离较近，水力联系密切、储水通道可能互通。水体主要分布于砂层中的粘土夹层上，含水层岩性多为淤泥质粉细砂，水位埋深较浅(静止水位0～0.9米)，基本与周边地表水体持平。由于接近地表和分布局限，季节性变化大，易受到大气降水、地表水体的影响，容易被污染。

本次调查该区域20个民井，75%以上的民井仍然在使用、个别还作为饮用水源。揭露的含层岩性多为淤泥质粉细砂、粉细砂和细砂为主，水位埋深浅。潜水层以上没有连续的隔水层，潜水面可自由升降，不承压或都局部承压，同时可直接得到降水，地表水通过包气带的下渗补给，潜水位比上层滞水稍微稳定，但也容易受到当地气候影响而季节性变化，也容易受污染。

该区施工的26个钻孔中，仅2个未揭露明显含水层，其余钻孔均揭露到不同厚度的含水层。其中，龙山镇台地周边施工的钻孔揭露2～4层微承压－承压含水层，水量相对较大的含水层一般位于风化残积土上部的承压含水层，岩性以河床相的细砂、中细砂为主，局部为砾石，顶板埋深10.0～32.8 m，厚度 4.6 ～23.5 m;水量贫乏的含水层岩性以淤泥质粉细砂、粉细砂和细砂为主，相对隔水层岩性主要为淤泥、淤泥质土和粘性土。顺德区容桂镇和中山小榄镇台地和残丘周边施工的2个钻孔，未揭露明显含水层，第四系厚度分别为7.3 m、7.6 m。其余揭露1～2个含水层，第一含水层顶板埋深 6.6 ～11.3 m，厚度 2.9 ～18.0 m，岩性为砾砂和中砂，中细砂为主，局部含粉细砂和粘性土薄层，水量中等;第二含水层岩性为中砂，分选较差，水量贫乏;

在其它河网发育平原区(包括顺德北滘、龙江、中山黄圃区、三角镇等地)施工钻孔一般揭露2～3个含水层，顶板埋深 14.5～43.7 m，厚度一般 1.1 ～22.0 m。岩性以中粗砂、中细砂、砾砂、卵砾石为主，水量贫乏 －中等，地下水矿化度为4.3 ～24.5 g/L。

在洪奇沥水道中下游平原区民众镇施工的钻孔揭露含水层顶板埋深 16.5 ～48.6 m，厚度为 3.6 ～20.9 m，岩性主要为细砂、中细砂，局部为砾砂，水量中等 －丰富，地下水矿化度为11.9～26.9 g/L。隔水层岩性为淤泥和淤泥质土。

3.2 水化学类型及参数特征统计

Piper三线图及相关统计(见表1)表明，不同类型的地下水水各参数离子浓度及水化学类型差异明显。

上层滞水样品水化学类型与矿化度变化都较大，水化学类型达11种之多，主要为 HCO3－Ca型(占 42.20%)、HCO3·Cl－Na·Ca型(占 15.60%)和 HCO3－Na·Ca型(占14.68%)。各离子浓度相对较低，离子浓度整体表现为Ca2+＞K++Na+＞Mg2+，HCO3－＞SO42－＞Cl－。阳离子中Ca2+＞占主要优势，浓度最大值为476.00 mg/L，最小值为13.70 mg/L。矿化度 0.125 ～ 2.305 g/L、均值 0.690 g/L，其中淡水(＜1 g/L)98组占79.67%、微咸水(1～3 g/L)25组占20.33%。

表1 地下水水化学参数特征值统计 mg/L

潜水样20组，揭露水化学类型2种。其中HCO3－Ca型水占65%、HCO3—Na·Ca型水占35%。各离子浓度相对较低，离子浓度表现为 Ca2+＞K++ Na+＞Mg2+，HCO3－＞SO42－＞Cl－。阳离子中 Ca2+占主要优势，浓度最大值为128.72 mg/L，。矿化度 0.236 ～0.838 g/L，均值 0.599 ＜1 g/L，属于淡水。

承压水样26组，揭露水水化学类型有5种，其中 Cl－Na型占 66.67% 、Cl－ Na·Ca型占 13.33% 、HCO3·Cl－ Na·Ca型占 10.00% 、SO4·Cl－ Na型占 6.67%、HCO3·Cl－ Ca型占3.33%。各离子浓度明显高于上层滞水和潜水，离子浓度表现为K++Na+＞ Ca2+＞Mg2+，Cl－＞HCO3－＞SO42－。阳离子中K++Na+占主要优势，阴离子中Cl－占主要优势，Cl－浓度最大值为 14 954.90 mg/L，最小值为 14.29 mg/L。矿化度 0.457 ～26.868 g/L、均值10.174 g/L，其中淡水(＜1 g/L)占 13.33% 、微咸水(1～3 g/L)占 6.67%、半咸水(3 ～10 g/L)占 16.67%，咸水(＞10 g/L)占63.33% ，以咸水为主。

3.3 参数相关性及形成作用

据相关研究，离子间的相互关系对判断地下水来源和形成作用有很好的指导意义。Cl－、Na+含量与溶解性总固体之间的相关关系可推测地下水是蒸发浓缩的产物还是盐类矿物溶解的结果[11]。钠氯系数(γNa/γCl)可以判断地层水的来源、浓缩变质作用程度及水动条件等[12]。通常，标准海水的 γNa/γCl平均值为 0.85 ～ 0.87[13]，岩盐层溶滤形成的地层水 γNa/γCl大约为1，受大气降水淋滤用作用影响的地层水γNa/γCl一般大于1，经过阳离子交替吸附和强烈的水 －岩相 相 互 作 用 的 沉 积 水 γNa/γCl〈0.87[13]。钙 镁 系 数，若(γCa+Mg/γHCO3+SO4＞ ＞ 1，指示 Ca2+和 Mg2+主要来源于碳酸盐矿物的溶解;若 γCa+Mg/γHCO3+SO4＜ ＜1，则指示Ca2+和Mg2+主要来源于硅酸盐或硫酸盐矿物的溶解;若γCa+Mg/γHCO3+SO4大约为 1，则指示既有硅酸盐的溶解，又有碳酸盐的溶解[14－15]。经历了浓缩作用。

图1 γCa+Mg/γHCO3+SO4系数

图2 承压水 Cl－与 Na+浓度随 TDS变化

4 结语

上层滞水，65%的样品钠氯系数大于0.87，反映了大气降水岩盐淋滤成因;35%的样品钠氯系数小于0.87，表明发生了阳离子交替吸附与强烈的水岩反应过程。Cl－、Na+与TDS基本无线性关系。但钙镁系数(γCa+Mg/γHCO3+SO4)在 0.25～2.12 之间(见图 1)，均值为 1，大部分等于 1或者在1附近，表明该类型地下水大部分既有硅酸盐的溶解，又有碳酸盐的溶解。

潜水，80%的样品钠氯系数大于1，反映受大气降水淋滤作用影响;20%的钠氯系数小于0.87，表明发生了阳离子交替吸附与强烈的水岩相互作用。Cl－、Na+与 TDS无明显的线性关系。钙镁系数(γCa+Mg/γHCO3+SO4)在 0.78～1.03之间(图1)，均值为0.92，表明该类型地下水大部分既有硅酸盐的溶解，又有碳酸盐的溶解。

承压水，62%的样品钠氯系数小于0.87，表明发生了阳离子交替吸附与强烈的水岩相互作用。钙镁系数(γCa+Mg/γHCO3+SO4)在 0.52～384.50之间，变化较大，65% 的样点钙镁系数远大于1，推断Ca2+和Mg2+来源中碳酸盐的溶解占主导作用。同时Cl－与TDS之间呈现极好的线性关系(见图2)，相关系数达0.981，说明该地区大部分承压水为蒸发浓缩的产物和盐类矿物溶解结果[12];Na+与 TDS也呈现出极好的线性关系(见图2)，相关系数达0.987，也说明水体

(1)上层滞水处于不同的微地貌单元，含水层岩性多为淤泥质粉细砂，揭露深度浅、与周围水体水力联系密切、水位埋深基本与附近地表水体持平，上层滞水水化学类型复杂，水化学特征多变;潜水含层岩性以粉细砂、细砂为主，水位相对稳定，但水位埋深也较浅。由于埋深浅上层滞水和潜水容易受到污染。不同地区钻孔揭露的第四系厚度、承压含水层岩性、含水量等均有所不同。

(2)上层滞水水化学类型种类较多、矿化度变比较大;潜水和承压水水化学类型种类相对少，潜水仅出现2种水化学类型。该区地下水由浅至深有明显的变化特点:(1)从类型看，浅层地下水(包括上层滞水)水化学类型以 HCO3－Ca型、HCO3—Na·Ca型为主;而钻孔揭露的承压水水化学类型以Cl－Na为主。②各离子含量，浅层地下水主要优势阳离子和阴阴离分别为 Ca2+和离子 HCO3－离子，各离子浓度值相对较底，大部分矿化度＜1 g/L为淡水;而钻孔揭露的承压水水化学类型以 Cl－Na为主，阳离子 K++Na+和阴离子Cl－占主要优势，各离子浓度值明显高于上层滞水和潜水，咸水(＞10 g/L)占了 60%以上，矿化度最高值达到 26.868 g/L，平均 10.17 g/L。③形成作用，浅层地下水 Cl－、Na+与TDS无明显的线性关系，钠氯系数与钙镁系数反映了主要受大气降水淋滤作用影响;大部分既有硅酸盐的溶解，又有碳酸盐的溶解。而钻孔揭露的承压水Cl－和Na+与TDS之间呈现极好的线性关系(相关系数均达到0.98以上)，说明大部分承压水为蒸发浓缩的产物和盐类矿物溶解结果;钠氯系数表明该类型水体发生了阳离子交替吸附与强烈的水岩相互作用;钙镁系数推断 Ca2+和 Mg2+来源中碳酸盐的溶解占主导作用。

(3)平面上从低山区到丘陵、平原区，水化学类型具有一定的分带性，依次为 HCO3－HCO3·Cl― HCO3·SO4― SO4·Cl―Cl型水变化特点。阳离子分布与岩性关系密切，一般在花岗岩地区钠离子较多，碳酸盐岩地区钙、镁离子较多。

总体而言，由于易遭受自然环境变化和人类活动影响，地质历史上三次海侵海退的影响，在地层中残留大量盐份，经降雨及地表水入渗的影响，局部浅层地下水逐渐淡化，但因地势平坦、地表多为粘性土覆盖，地下径流缓慢，使自然淡化速度向深部趋于减弱，地下水中氯、钠离子和矿化度随着含水层埋藏深度的增加有着明显的递增，局部为上淡下咸水的双层结构。地下水化学类型与地形地貌、地层岩性、沉积成因以及水文等因素均有密切关系。研究该区域的含水层岩性、结构特征，分析不同类型地下水水化学类型分布及形成作用。为进一步研究水循环机制、地下水污染成因等提供依据。

[1]麦碧娴，林峥，张干，等.珠江三角洲河流和珠江口表层沉积物中有机污染物研究:多环芳烃和有机氯农药分布特征[J].环境科学学报.2000，20(2):192 －197.

[2]汪珊，孙继朝，张宏达，等.珠江三角洲环境有机污染现状与防治对策[J].环境与可持续发展.2006(4):28－31.

[3]程炯，王继增，刘平，等.珠江三角洲水环境问题及其对策[J].水土保持通报.2006，26(2):91 －93.

[4]章光新，邓伟，何岩，等.中国东北公嫩平原地下水水化学特征与演变规律[J].水科学进展.2006，17(1):20－28.

[5]赵振华，袁革新，吴吉春，等.西北某放射性废物处置选区地下水水化学特征及地球化学模拟[J].水文地质工程地质.2011，38(4):1－7.

[6]王文祥，王瑞久，李文鹏，等.塔里木盆地河水氢氧同位素与水化学特征分析[J].水文地质工程地质.2013，40(4):29－35.

[7]荆秀艳，王文科，张福存，等.银北平原浅层地下水水化学特征及成因分析[J].人民黄河.2012，34(1):65 －68.

[8]WANG W K，DUAN L，YANG X T，et al.Shallow Groundwater Hydro－chemical Evolution and simulation with Special Focus on Guanzhong Basin，Chian[J]. Environmental Engineering and Management Journal，2013，12(7):1447 － 1455.

[9]沈照理，朱宛华，钟佐燊.水文地球化学基础[M].北京:地质出版社.1993.

[10]蒲焘，何元庆，朱国锋，等.丽江盆地地表 －地下水的水化学特征及其控制因素[J].环境科学.2012，33(1):48－54.

[11]蔡春芳，梅博文，等.塔里木盆地油田水文地球化学[J].地球化学.1996，25(6):614 －623.

[12]李建森，李廷伟，马海州，等.柴达木盆地西部新近系和古近系油田卤水水化学特征及其地质意义[J].水文地质工程地质.2013，40(6):28 －36.

[13]林晓英，曾溅辉，杨海军，等.塔里木盆地哈得逊油田石炭系地层水化学特征及成因[J].现代地质.2012，26(2):377－383.

[14]范立，译.瓦良亚什科.钾盐矿床形成的地球化学规律[M].北京:中国工业出版社.1965:30－57.

[15]李生海.鄂尔多斯白恶纪盆地北区地下水水化学演化的同位素示踪[D].长春:吉林大学.2008.