德江县岩溶区生活饮用水的化学特征及控制因素研究

令军帅+邱钦钦+洪庆仁+刘士伟

摘要：运用数理统计与分析、离子比例系数分析和Piper图对德江县岩溶区生活饮用水的化学特征进行了研究。结果表明：区内地下水整体上略显碱性，Ca2+和Mg2+为研究区地下水中的主要阳离子，HCO-3和SO2-4为主要阴离子，总硬度和TDS的变化规律基本一致，地下水的水化学类型以HCO3·SO4-Ca、HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg和SO4-Ca型水为主。研究区水动力条件较好，且以碳酸盐岩的溶滤作用为主，硫酸盐矿物的溶滤作用次之，蒸发岩和硅酸盐的溶滤作用较弱。

关键词：德江县；岩溶地下水；水化学特征；控制因素

中图分类号：X703

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0037-05

1 引言

随着西南地区经济社会的快速发展，生活饮用水安全问题也日益突出，饮用水质的好坏直接关系到人民群众的健康及当地经济社会的持续发展。因此，做好一个地区地下水的水化学特征及分布规律的研究，不仅能够揭示当地地下水与环境的演化机制，反映当地地下水的质量状况，而且能够为当地地下水的保护及合理利用提供科学依据[1，2]。

德江县居民生活饮用水主要来源于岩溶地下水和地表水，由于地处山区，交通极为不便，当地居民多以种植烟叶、水稻为主，地下水或多或少受到农药污染的影响。本文综合运用数理统计与分析、离子比例系数法、绘制TDS-总硬度分区图等方法系统全面的对研究区水化学特征及离子变异特征进行了分析，以期为这一地区地下水的合理利用及水质现状评价提供基础信息。

2 研究区概况

研究区位于贵州省铜仁市德江县南部，距离德江县城16 km，多年平均气温15.1 ℃，多年平均降水量为1323.7 mm。研究区水系众多，位于研究区东部边界的乌江是该区的主要河流，大致呈南北走向，其余大小河流均属于典型的山区雨源型河流，河流短小，河床比降大，地表分水岭明显。

研究区位于黔东北南北向构造体系中，属新华夏系构造体系，受长沟断层（F1）、英武溪背斜、沙沟向斜、红坳向斜等构造形迹的控制，区内山峦起伏，沟谷纵横交错，形成了由西部向中部以及东北部高程减小并呈条带状分布的总体地势，利于水体的汇集。

研究区地下水主要以岩溶水为主，此外还分布有基岩裂隙、溶隙水和松散层孔隙水。研究区可溶性岩石分布广泛，溶隙、溶洞、地下岩溶含水层或管道系统发育，为岩溶水的形成提供了有利条件。大气降水、地表水通过岩溶洼地、落水洞、漏斗等补给岩溶地下水，并以泉或暗河的形式排泄。基岩裂隙、溶隙水主要分布在研究区山体的基岩裂隙或岩溶发育较弱的溶隙中，并在有利部位或不同岩性的接触界面以裂隙下降泉的形式出露；松散层孔隙水主要分布在研究区各山坡坡麓、缓坡等地带的残积层、坡洪积层和冲积层等覆盖层较厚地带。研究区地下水主要接受大气降水、地表水补给，地下水水量呈现出季节性特点。

3 样品采集与研究方法

3.1 数据来源

2015年9月，在德江县进行地下水水样采集，共采样38组，水样主要取自研究区岩溶水出露部位。采样点及编号见图1所示。水质指标除pH值现场测定外，其余指标的测定由四川省鑫川建筑工程检测有限公司实验室完成，化验项目主要包括总硬度、溶解性总固体（TDS）、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO-3、CO-3、SO2-4、游离CO2、NH+4、NO-3等。其中Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法测定；K+、Na+采用原子吸收分光光度法测定；Cl-采用硝酸盐滴定法；SO2-4采用EDTA-Ba滴定法；HCO-3采用盐酸滴定法。样品的处理及分析均严格按照《生活饮用水标准检验方法》[3]的规定操作。

3.2 离子比例系数

在地下水的化学组分中，各种组分之间的含量比例系数在研究某些水文地球化学问题时常常被作为一项重要的评价指标[4]。如Na+和K+主要来源于硅酸盐或蒸发岩的风化产物，Ca2+和Mg2+可能来源于碳酸盐、硅酸盐或蒸发巖，HCO-3主要来源于碳酸盐岩，SO2-4和Cl-主要来源于蒸发岩的溶解，所以γNa++K+/γCl-系数可以用来确定研究区除岩盐的溶解外是否有硅酸盐的溶解，γCl-/γCa2+系数可以用来描述水动力特征，γCl-/γCa2+值越小则说明该区域水动力条件越好，γCa2+/ γMg2+系数可用来表征地下水矿化度的参数，由于Ca2+是低矿化度水中的主要离子，所以矿化度升高，Mg2+含量升高，Ca2+开始沉淀，此外，γCa2+/ γMg2+系数也可以判断岩溶区地下水的来源，如来自灰岩含水层，γMg2+ /γCa2+应<1，如果来自白云岩含水层，γMg2+ /γCa2+系数可能接近于1，Ca2++Mg2+/HCO-3系数和Ca2++Mg2+/HCO-3+ SO2-4系数可以用来确定研究区除碳酸岩盐的溶解外是否还有蒸发岩的溶解[5～9]。

4 结果与分析

4.1 地下水统计特征

对研究区岩溶泉水水样及河水水样数据的各个指标运用Excel进行数理统计分析，并将各个水样的阴阳离子平衡误差E<±5%的水样监测数据视为可靠数据[10]，分析结果见表1。

通过表1并结合水质检测结果可知，研究区所有水样的pH值在6.00～7.70之间，均值为7.09，整体上略显碱性。河水、岩溶水的总硬度在69.70～375.50 mg/L之间，均值为207.68 mg/L，TDS在84.50～417.90 mg/L之间，均值为248.09 mg/L，所有水样的总硬度、TDS均符合生活饮用水卫生标准的要求。

河水、岩溶水水体中阴离子各组分含量整体上表现为：HCO-3>SO2-4>Cl-，阳离子各组分含量表现为Ca2+>Mg2+>Na++K+，且HCO-3、SO2-4、Ca2+和Mg2+含量的平均值相对较大，表明这四种离子是研究区地下水中的主要离子组分。此外，研究区水样除pH的变异系数较小外，总硬度、Ca2+、HCO-3、SO2-4、Cl-、Mg2+和TDS七项指标的变异系数介于30%～100%之间，显示出中等变异性，而Na++K+的变异系数大于100%，显示出其含量有较强的空间变异性[11]。

4.2 地下水总硬度、TDS的空间分布及水化学类型

根据研究区38个水样的总硬度值和TDS值将所有水样按硬度分类，硬度在75～150 mg/L（软水）之间的水样占23.7%，硬度在150～300 mg/L（微硬水）之间的水样占65.8%，硬度在300～450 mg/L（硬水）之间的水样占10.5%，所以研究区生活饮用水的硬度类型基本为微硬水。按矿化度分类，所有水样的TDS<1 g/L，属于淡水，适宜人蓄饮用。此外，根据研究区38个水样的总硬度值和TDS值绘制了研究区总硬度分区图和TDS等值线图，见图2、图3。

对于研究区水质总硬度的变化，由图2分析可知，研究区大部分地区为微硬水，软水主要在盐井沟、皂师洞、大屋基等地区小范围分布，硬水分布范围有限，仅在露青坝和上塔坪等地局部出现。

对于研究区地下水TDS的变化，由图3可知，研究区TDS大体由研究区中部向北部、西北部、西南部呈逐渐增大的趋势，由中部向西部呈现出先增后减的趋势，同时沿东部乌江一带区域TDS较小。这主要和研究区的地质环境、地形等因素有关，研究区中部及东部沿乌江一带岩溶洼地、漏斗、落水洞发育，为岩溶发育中等～强发育区，地下水径流路径短，水岩作用时间较短，TDS较低，西北部、北部、西南部一带为岩溶发育弱～中等发育区，这里岩溶水接受大气降水入渗补给，水岩作用时间较长，因此，TDS含量较高。同时与主要离子浓度在研究区范围内的变化规律相比较，Ca2+、Mg2+和HCO-3离子的变化呈现出与TDS基本相似的特点，说明Ca2+、Mg2+和HCO-3离子浓度是影响TDS变化的主要原因。由图还可以看出，研究区总硬度和TDS的变化规律也基本相似，又因为天然水的硬度主要由Ca2+和Mg2+引起，说明Ca2+和Mg2+离子浓度是影响TDS变化的主要原因。

利用研究区所有水样中主要阳离子和阴离子的毫克当量百分数绘出了水样的Piper三线图，如图4。由图4可知，研究区岩溶泉水和河水中的主要阳离子较为集中的分布在Ca2+一端，部分分布在Mg2+一端，阴离子集中分布在HCO-3一端。因此，研究区水化学类型主要为HCO3-Ca型、HCO3·SO4-Ca型、HCO3·SO4-Ca·Mg型和SO4-Ca型。HCO3-Ca型水主要分布在研究区中南部断层带附近及中北部响水洞断层附近，HCO3·SO4-Ca型水主要分布在研究区东北部及研究区中部露青坝一带，HCO3·SO4-Ca·Mg型水主要分布在研究区西部、西北部及乌江中上游，SO4-Ca型水仅在清水塘西北侧地层韩家店群（S2-3hn）与栖霞组（P1q-m）的接触带附近出露。

研究区岩溶发育，灰岩分布广泛，常见矿物为方解石和白云石，且泉水与河水中也主要富集的是Ca2+、和HCO-3，由此可以判断研究区地下水水化学组分主要受碳酸盐岩的溶滤作用控制。

4.3 离子比例系数分析水化学形成机制

研究区地下水的γCl-/γCa2+系数均值为0.03，比较小，说明研究区整体上水动力条件较好。通过Cl-—Na++K+的关系图5（a）可以发现，研究区所有水样点除部分位于Cl-=Na++K+线附近外，大部分点位于此线上方，说明研究区除岩盐的溶解外还发生了硅酸盐矿物的溶解。由图5（b）可以看出，几乎所有的水样点均位于Ca2+=Mg2+线的上方，不仅说明研究区TDS总体上较小，而且说明研究区地下水主要为灰岩的溶解作用。

在天然的岩溶地下水系统中，基本的水文地球化学特征由岩溶动力系统的碳、水和钙（镁）等循环决定，这些也决定了碳酸盐岩溶解沉淀过程中钙镁等离子的释放[12]。根据这一理论，碳酸盐岩的溶解产物应该满足Ca2++Mg2+=HCO-3，而由图5（c）可以看出，所有水样点都落在Ca2++Mg2+=HCO-3线的上方，显然表明研究区不仅仅只存在碳酸岩盐的溶解。根据图5（d）看出所有水样点基本在Ca2++Mg2+=HCO-3+ SO2-4线附近，说明研究区除碳酸岩盐的溶解外还存在硫酸盐矿物的溶解。

此外，由表1可知，研究区Na++K+与Cl-浓度较小，说明该区主要以碳酸盐岩的溶滤作用为主，硫酸盐矿物的溶滤作用次之，而硅酸盐矿物和蒸发盐岩的溶滤作用较弱[13]。

5 结论

本文通过利用德江县岩溶区地下水水质检测数据，运用数理统计分析、离子比例系数等方法研究了该地区的水化学特征，得到以下结论。

（1）研究区地下水整体上略显碱性，所有水样的总硬度、TDS都符合生活饮用水卫生标准的要求。除pH的变异系数较小外，总硬度、Ca2+、HCO-3、SO2-4、Cl-、Mg2+和TDS七项指标的变异系数介于30%～100%之间，显示出中等变异性，Na++K+的变异系数大于100%，显示出其含量有较强的空间变异性。

（2）研究區地下水的总硬度和TDS呈现出基本相似的变化规律，水化学类型主要为：HCO3·SO4-Ca型、HCO-3Ca型、HCO3·SO4-Ca·Mg型和SO4-Ca型。

（3）研究区地下水动力条件较好，以碳酸盐岩的溶滤作用为主，硫酸盐矿物的溶滤作用次之，硅酸盐矿物和蒸发盐岩的溶滤作用较弱。

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