咸宁地区地下水水化学特征及其形成机制

何 军, 彭 轲, 肖 攀

(中国地质调查局 武汉地质调查中心,湖北 武汉 430205)

咸宁地区地下水水化学特征及其形成机制

何 军, 彭 轲, 肖 攀

(中国地质调查局 武汉地质调查中心,湖北 武汉 430205)

为查明湖北省咸宁地区地下水水化学特征及其形成的水化学过程,系统地采集了78件浅层地下水样和12件深层地下水样,对研究区孔隙水、裂隙水和岩溶水三种不同类型的地下水中主要阴、阳离子等化学指标进行了相关性分析,探讨了该地区地下水形成的水化学过程。结果表明:浅层孔隙水主要地下水化学类型为HCO3-Ca型,岩溶水以HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型为主,而裂隙水地下水化学类型复杂。Gibbs图显示岩石矿物的风化主导该区孔隙水和岩溶水水化学特征,而裂隙水主要受到了蒸发—沉淀作用的影响,裂隙水中还存在阳离子交换吸附作用。

地下水;水化学特征;形成机制

地下水径流循环的过程中,与其周围的介质进行着极其复杂的物质、能量等信息交换,在时空尺度上水文化学特征不断发生变化。水体的水化学分布受控于地层岩性[1]、地质地貌[2]、海水入侵[3]、人为作用等因素,能够反映该地区水体的历史演变过程[4],因而该特性被广泛用于识别水体化学组成的控制因素[5]。

近年来,依托京广高铁的便利,咸宁市城市化进程逐步加快,经济建设的高速发展,生产与生活用水量急剧增大,隐伏岩溶地下水开采量日益增大,在局部地段出现超量开采,在咸宁市官埠桥—北洪桥一带由于抽水诱发了地面塌陷[6-7]。岩溶地面塌陷的发生与地下水的开采以及可溶岩的岩溶发育程度有重要关联,地下水与可溶岩的水岩相互作用同时也会对地下水化学特征产生影响。因此,研究咸宁地下水化学特征与演化规律,可以更好地揭示地下水与可溶岩相互作用的机制,为该地区地下水资源开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于湖北省咸宁市,咸宁位于湖北省东南部,处在长江黄金水道与京广铁路、京广高铁大动脉交汇处和湘鄂赣三省毗邻的“金三角”。咸宁东临黄石,南接潇湘,西望荆楚,北靠武汉,地跨东经113°31′～114°58′,北纬29°02′～30°18′。研究区属亚热带大陆性季风气候,气候温和,降水充沛,日照充足,四季分明,无霜期长。冬季盛行偏北风,偏冷干燥;夏季盛行偏南风,高温多雨。年平均气温16.8 ℃,年平均降水量1 577.4 mm。区内江河湖港纵横交错,水库、泉水星罗棋布,水资源较为丰富,主要河流为淦河,区内还有官埠河,皆为常年性山区河流,流量较小,季节变化明显。

研究区西南和东南角为丘陵台地,中西部沿横沟河发育NE走向的河流一级阶地,其余北部以及中南部大部分地区为岗状平原,总体地势是SE高,NW低。研究区出露的地层绝大部分地区为第四系全新统和更新统,白垩系—第三系东湖群零星点缀于江汉盆地边缘地带,二叠系和石炭系出露较少,仅在西南和东南角向斜的核部少量出露,泥盆系和志留系位于研究区西南和东南角的丘陵台地区。地下水类型主要有松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和碳酸盐岩溶水三大类。松散岩类孔隙水主要分布于图幅西侧的横沟河、淦河一级阶地,含水层为第四系全新统冲洪积的砂砾石层,最厚可达14 m,富水性中等—弱。碎屑岩类裂隙水主要隐伏于大面积分布的第四系更新统含砾粘土下部,主要含水岩组为白垩系—下第三系的砂砾岩和钙质粉砂岩夹砂砾岩,在研究区的西南和东南角有少量的粉砂岩含水岩组。咸宁地区具有供水意义的为隐伏岩溶水,主要分布于官埠桥—北洪桥一带,受咸宁倒转向斜的控制,向斜核部为二叠系灰岩、燧石结构灰岩及瘤状灰岩,两翼分布有石炭系黄龙灰岩及白云质灰岩。白垩系—下第三系地层为砂砾岩,钙质胶结。砂砾石为灰岩、白云质灰岩,具可溶性。第四系松散层覆盖在具有可溶性的岩层之上,下伏砂砾石层或与砂砾石互层,赋存较丰富地下水资源。研究区地下水主要是大气降雨入渗和河流季节性的补给,排泄途径以人工开采和蒸发为主。

2 实验方法

于2015年11月采集90件地下水样(图1),其中78件为浅层孔隙水,深度为5～15 m,12件为深层钻孔地下水,钻孔深度为100～150 m。地下水采样点的设计主要考虑地形地貌、地下水补径排条件、母质土壤等因素。现场使用HACH40d便携式水质分析仪测定pH、电导率、溶解氧,其余指标当天送往实验室进行测定。现场采集两份水样,其中一份用浓硝酸酸化至pH<2。钾、钠、钙、镁等主要阳离子采用ICP-AES测定,氯、硫酸根等主要阴离子采用离子色谱测定,重碳酸根采用滴定法测定。本次地下水的样品分析均在国土资源部长沙矿产资源监督检测中心完成。

图1 采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling locations1.孔隙水采样点;2.裂隙水采样点;3.岩溶水采样点;4.河流阶地;5.岗状平原;6.丘陵台地。

3 结果与分析

3.1 主要水化学指标特征

研究区地下水现场测试指标以及主要成分的统计值如表1所示,通过统计分析可以基本得出地下水中各化学成分的富集、变化规律[8]。

地下水中pH的空间变异性较小,其值相对稳定,表明pH受地层的影响较大,如岩溶水和裂隙水地下水pH普遍高于7.0,呈弱碱性,而第四系地下水pH普遍低于7.0,呈弱酸性。大部分孔隙水样采集于第四系更新统含砾粘土和网纹状粘土,土质偏酸性,这可能是地下水偏酸性的主要原因。岩溶水和裂隙水分别受到灰质砾岩和钙质粉砂岩等含水岩组的影响而呈现弱碱性。

表1 地下水水化学参数的统计特征值Table 1 Statistical characteristic values of groundwater hydrochemical parameters

注:pH无量纲,其余指标单位为mg/L。

3.2 相关性分析

3.3 地下水化学类型

岩溶水的主要地下水化学类型为HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型,个别为HCO3-Ca·Na型。岩溶水主要是受地下水与可溶岩—灰质砾岩的水岩相互作用,砾石成分主要为泥晶灰岩、少量石英,而胶结物中发育的方解石脉,其化学成分为CaCO3,遇到水中的CO2便成为可溶的Ca(HCO3)2。

表2 地下水化学参数相关系数Table 2 Correlation coefficients of hydrochemcial parameters of groundwater

注:**和*分别表示在 0.01和0.05显著水平。

裂隙水地下水化学类型较为复杂,7个水样的地下水类型均不一样,分别为HCO3-Na型、HCO3-Na·Ca型、HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Na·Mg型、HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型和SO4·Cl-Ca·Mg型。

图2 地下水Piper三线图Fig.2 Piper diagram of groundwater

4 地下水水化学过程

4.1 溶滤作用

Gibbs研究表明水化学主要受大气降雨、水—岩作用和蒸腾作用影响[13]。为了分析和验证研究区内水化学进程的影响因素,绘制Gibbs图(图3),结果表明,绝大部分孔隙水和岩溶水指向水—岩作用区域,少量孔隙水和裂隙水指向蒸发—沉淀作用;表明岩石矿物的水—岩作用主导该区孔隙水和岩溶水水化学特征,而裂隙水主要还受到了蒸发—沉淀作用的影响。

此外,Cl-离子与TDS和Na++K+离子的比值也可以反映研究区可能存在的溶滤作用。Cl-/TDS随TDS的变化有两个趋势(图4-a),一个是随着TDS的增加基本保持不变,另一个是随着TDS的增大而增大,表明地下水存在岩盐溶解,并且受蒸发作用的影响[14]。通过Cl--Na++K+关系图(图4-b)发现,大多数地下水点位于Cl-=Na++K+线附近,部分点分布在该线两侧,说明该区不仅发生了岩盐的溶解,同时发生硅铝酸盐矿物等的溶解。

4.2 蒸发—沉淀作用

根据前面的地下水水化学Gibbs分布模式图可知,少量的孔隙水和大部分裂隙水落在蒸发沉淀区,表明蒸发沉淀作用对研究区地下水化学特征形成具有重要的影响。由研究区水文地质条件可知,研究区总体地势为四周高,中西部横沟河一带最低,地下水呈现由四周向中间汇集,中西部为河流一级阶地,地势平坦,地下水径流缓慢,为蒸发作用提供了有利条件。研究区裂隙水中出现HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型和SO4·Cl-Ca·Mg型与蒸发沉淀作用有关。另外,浅层地下水在向下渗透的过程中也可能存在Ca(HCO3)2遇到水中的CO2,形成CaCO3沉淀,这就是裂隙水中Ha+的含量较Ca2+含量高的原因之一。

图3 地下水水化学Gibbs分布模式Fig.3 Hydrochemistry Gibbs distribution pattern of underground water a.Gibbs水化学Boomerang Envelope模型;b,c.研究区地下水化学组成Gibbs分布。

图4 地下水离子比值关系图Fig.4 Relationships of ionic ratios of underground water

4.3 离子交换作用

图5 地下水(Na+-Cl-)与关系图Fig.5 Relationship between(Na+-Cl-)and(Ca2++Mg2+)-

5 结论

通过对咸宁地区三种不同类型的地下水水化学特征以及控制其形成的水化学过程进行分析和探讨,得出以下结论:

(2) 孔隙水以HCO3-Ca型为主,岩溶水的主要地下水化学类型为HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型,裂隙水地下水化学类型较为复杂,种类众多。

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

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

[3] Moussa AB,Zourai K,Marc V.Hydrochemical and Isotope Evidence of Groundwater Salinization Processes on the Coastal Plain of Hammamet-nabeul,North-eastern Tunisia[J].Physics and Chemistry of the Earth,2011,36(5):167-178.

[4] 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.

[5] 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.

[6] 肖尚德,周衍龙,高云福,等.岩溶地面塌陷敏感性预测的层次评判法——以咸宁市城区为例[J].湖北地矿,1999,13(4):33-38.

[7] 高云福,郭会荣.咸宁市城区岩溶地面塌陷预测[J].中国地质灾害与防治学报,1999,10(3):95-101.

[8] 杨子林,李培月,吴健华,等.泾源县饮用地下水水化学特征及水质评价[J].南水北调与水利科技,2010,8(5):99-104.

[9] 殷科,洪汉烈,韩文,等.网纹红土中铁矿物与粘土矿物赋存关系的X射线衍射证据[J].光谱学与光谱分析,2013,33(4):1126-1129.

[10] 王晓曦,王文科,王周锋,等.滦河下游河水及沿岸地下水水化学特征及其形成作用[J].水文地质工程地质,2014,41(1):25-33.

[11] 陈雯,黎清华,刘怀庆,等.广西钦州港地区地下水水化学特征及形成作用[J].华南地质与矿产,2016,32(1):78-84.

[12] 苗迎,孔祥胜,宋朝静.南宁市区地下水水化学特征及形成机制[J].中国岩溶,2015,34(3):228-233.

[13] Gibbs R J.Mechanisms Controlling World Water Chemistry[J].Science,1970,17:1088-1090.

[14] 王文科,王雁林,段磊,等.关中盆地地下水环境演化与可再生维持途径[M].郑州:黄河水利出版社,2006.

[15] 肖国强,杨吉龙,胡云壮,等.秦皇岛洋—戴河滨海平原海水入侵过程水文化学识别[J].安全与环境工程,2014,21(2):32-39.

(责任编辑：陈姣霞)

Hydrochemical Characteristics and Formation Mechanism ofGroundwater in Xianning Area

HE Jun, PENG Ke, XIAO Pan
(WuhanCenter,ChinaGeologicalSurvey,WuhanHubei430205)

For further revealing the hydrochemical characteristics and formation mechanism of groundwater in Xianning area,78 samples from shallow aquifer and 12 samples from deep bore holes were collected to analyze the correlation between main cations and anions in pore water,fissure water and karst water,and the hydrochemical processes and formation mechanism of groundwater were discussed.The results indicate that the main hydrochemical type of pore water is HCO3-Ca,most of karst water is HCO3-Ca and HCO3-Ca·Mg,while hydrochemical type of fissure water is relatively complicated.The Gibbs charts show that weathering of rocks and minerals dominate the hydrochemical characteristics of pore and karst water,but the fissure water is mainly influenced by evaporation and precipitation as well as cation exchange adsorption.

groundwater; hydrochemical characteristics; formation mechanism

2016-08-12;改回日期:2016-08-17

中国地质调查局项目 “武汉都市圈京广高铁沿线城镇群地质环境综合调查”项目(编号:12120115043701)资助。

何军(1984-),男,工程师,环境地质专业,从事环境地质调查评价工作。E-mail:05302105hj@163.com

P641.3

A

1671-1211(2017)02-0196-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.016

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.024.html 数字出版日期:2017-03-14 08:25