广州市浅层地下水化学时空分布特征及其对土地利用类型的响应

张明珠，王卓微，黎坤，陈建耀，高磊，李绍恒，资惠宇，黄晓旭，邓玉军

广州市浅层地下水化学时空分布特征及其对土地利用类型的响应

张明珠1，王卓微2*，黎坤2*，陈建耀2,3，高磊2，李绍恒2，资惠宇4，黄晓旭5，邓玉军6

1. 广州市水务科学研究所，广东 广州 510220；2. 中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275；3. 中山大学地理科学与规划学院//广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东 广州 510275；4. 广州市防汛防旱防风总指挥部办公室，广东 广州 510275；5. 广州市水务工程建设管理中心，广东 广州 510275；6. 广州市水务局执法监察支队，广东 广州 510275

广州市作为珠三角地区的政治经济中心，人口数已经超过1500万，因此，其供水安全问题至关重要。虽然广州市目前供水主要来源于东江、西江和北江，但是水污染等问题使得其供水能力较为脆弱，而地下水作为应急水源，了解其水质及影响因素为重中之重。为了解广州市地下水化学特征概况和土地利用类型对地下水的影响，分别于2014年12月（旱季）和2015年7月（雨季）各采集72个浅层地下水水样，分析水中pH、TDS和主要的七大离子含量；运用GIS的相关技术方法分析水化学性质的时空分布特征，对水化学类型区域进行划分；采用Duncan多重比较法分析土地利用类型对地下水化学特征的影响。结果表明，广州市浅层地下水化学特征季节性差异不显著，但空间上存在较大差异，其中 Na+和 Cl-在空间上的变异性最大。由于广州市东北地区土壤层较薄，对酸雨的缓冲能力较弱，并且作为流域内的主要补给区，其pH值较低，pH总体呈现出东北低西南高的分布趋势；TDS主要受到海水的影响呈现出与pH相似的分布趋势，另外，农耕地覆盖下和脆弱性较高地区的地下水中的TDS含量相对较高。广州市浅层地下水水化学类型以Ca+Mg-HCO3为主，沿海区域和中心城区由于海水入侵和人类活动的影响导致水化学类型向 Na+K-Cl+SO4型转变。根据差异性分析结果，土地利用方式会对地下水造成一定的影响，但是较为分散的土地利用方式对地下水的影响效果不显著，而由于行政功能划分不同造成的各土地利用方式在不同行政区的比例差异却会对地下水化学性质造成显著的影响。K+与SO42-在浅层地下水中的含量与农耕用地面积存在正相关关系，Na+则主要与城镇用地面积相关，Cl-同时受农耕用地和城镇用地的影响。

广州市；浅层地下水；时空分布；水化学性质；土地利用

随着广州市政治经济的快速发展，水环境问题已经成为了广州市经济发展的制约因素。目前广州市城镇地区的供水水源主要来自西江、东江和北江，一旦发生河流突发污染事件，将严重影响到广州市人民的人身安全和经济发展，因此，需选取另外的水源地作为广州市的应急水源。广州市的地下水主要蕴藏在广花盆地、帽峰山-白云山地区和流溪河河流阶地（贾树华等，1980），其水资源总量占全市水资源量的 26.1%（陈慧川，2011），丰富的地下水资源量为应急供水提供了良好条件。然而，由于广州市的水文地质结构较为复杂，且土地利用方式存在较大的空间差异性，因此，不同地区的地下水化学性质存在较大的差异。为更合理地开发利用广州市地下水资源，本文对广州市地下水化学的时空分布特征进行分析，并通过探讨地下水化学对土地利用类型的响应，为流域地下水管理提供参考。

目前，国内外已有较多的研究表明，土地利用类型在一定范围内会对地下水产生影响（Jeong，2001；贾亚男等，2003；Chae et al.，2004），例如，蒋勇军等（2004）通过对云南小江岩溶流域 20年的土地利用变化及水质变化分析，得出该区域地下水质的变化与森林面积减少、耕地面积扩大导致的化肥施用量的增加有关；郭芳等（2007）则通过人类活动影响的程度将湖南峒河流域的土地利用方式分为3类，对比得出人类活动程度越强的地区，地下水中 Na+、NO3-、K+、Cl-和 SO42-含量越高；耿玉栋等（2016）则分析了土地利用类型对广州市地下水硝态氮含量的影响，得出城区硝酸盐超标率最高而林区最低。目前国内的研究多集中于岩溶地带的地下水，其他水文地质条件下地下水水质对土地利用类型的响应仍有待更多的讨论。本文在前人的研究基础上，利用GIS强大的数据管理、空间分析能力和制图功能以及统计学的差异性分析法，对广州市地下水的水化学特征、水化学类型和土地利用对其的影响进行了研究和探讨。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

图1 研究区域概况（a）及土地利用情况（b）Fig. 1 Schematic map of the study area and the sampling sites (left) and the land use in Guangzhou (right)

广州市（112°57′～114°3′E，22°26′～23°56′N）位于广东省南部，珠江三角洲中北缘，是西江、东江和北江的交汇处，分为从化区、海珠区、天河区、番禺区等11个行政区域。属亚热带季风气候，多年平均降水量约为 1800 mm，降水主要集中于 4—9月，年平均蒸发量为1603.5 mm。地势东北高西南低，东北部为以花岗岩和变质岩为主的丘陵地区，西部和南部则主要为平原地带。如图 1（a）所示，通过现场实测水位，广州市地下水位的分布趋势与高程基本一致，总体上从北向南呈现补给排泄趋势。

研究区中、新生代构造运动强烈，北西西、北北西、北北东和北东向四组断裂相互交错，主要的控制性断裂有：广从断裂、瘦狗岭断裂、文冲断裂和化龙断裂，这些断裂带将研究区划分为3个水文地质单元（彭卫平等，2006）。地层岩性是造成不同类型地下水的基础，除了第四系的河流冲积相和三角洲相的砂砾层外，研究区的岩层主要为下第三系和白垩系的紫红色泥砂岩，二叠系和石炭系的灰岩、砂岩、页岩等和震旦系的花岗岩等（彭卫平等，2006）。由于研究区受地质构造应力作用和亚热带季风气候的影响，地层岩石破碎，风化作用对地下水化学有较大影响。根据地下水形成、赋存条件、水力特征等将广州市地下水分为松散岩类孔隙水、碳酸岩类岩溶水和基岩裂隙水3大类（彭卫平等，2006），其中，以松散岩类孔隙水为代表的浅层地下水为本文的主要研究对象。

根据国家基础地理信息中心研发的土地利用遥感数据（GlobeLand30—2010），广州市主要以林地、耕地和城镇用地为主，其中耕地占总面积的34%，林地占40%，城镇用地占12.5%，其土地利用分布情况如图1（b）所示。

1.2 采样及测试方法

分别于2014年12月（旱季）和2015年7月（雨季）对广州市的72个浅层地下水井进行采样（图1a），地下水井的剖面图如图 2所示，从左到右分别为从北到南的代表性水井，水井的平均水位埋深为 3.8 m，采样时用泵抽取透水性较好的细砂和粗砂含水层的地下水。现场使用水位计测定水位，并使用便携式HACH水质分析仪测定井水pH。每个井位采集100 mL水样，装入聚乙烯瓶中，于4 ℃条件下保存待分析。水样经0.22 μm过滤后采用离子色谱（ICS-900）测定 Na+、Ca2+、K+、Mg2+、Cl-、SO42-浓度；CO32-和HCO3-采用酸碱指示剂滴定法测定（魏复盛等，2002），总溶解固体（TDS）通过主离子的浓度总和减去1/2HCO3-计算得到（沈照理，1993）。

图2 采样点断面柱状图Fig. 2 Geological column of sampling wells

1.3 数据分析

所有指标的特征统计和差异性分析均采用SPSS 19.0，所有空间插值分布图均采用ArcGIS 10.3。

2 结果与讨论

2.1 水化学特征统计

分别对广州市雨季和旱季浅层地下水进行水化学特征的统计，统计结果如表 1所示。根据统计结果，广州市浅层地下水在雨季和旱季并未呈现出显著差异，说明其在时间上较为稳定。根据变异系数（CV）可以判断指标的空间变异性大小，整体而言，旱季各指标变异系数较雨季大，说明雨季研究区地下水的空间变异性相对旱季小，水化学特征较为稳定。按照变异系数的划分等级，CV＜10%为弱变异性，10%＜CV＜100%为中等变异性，CV＞100%则为强变异性（代述勇等，2010）。根据表1可知，pH的空间变异性最小，接近弱变异性，而其余的水化学指标中，只有雨季的K+和HCO3-为中等变异性，其余离子均为强变异性，在空间上变化程度大，其中，Cl-和 Na+的变异系数最大，这可能是因为广州市纵向跨度较大，最南部的南沙区与海洋相邻，受海水影响所致。

2.2 pH和TDS的时空分布特征

统计方法只能反应各水化学特征的总体情况和空间差异性，但不能反应其在空间上的分布情况。利用 ArcGIS可以对指标进行空间插值，得出各项指标在空间上的分布特征。空间插值法的前提是数据符合正态分布，否则可能存在比例效应（王政权，1999），通过对数据进行 K-S检验，发现本文数据符合正态分布规律。采用 Kriging插值方法进行插值，pH插值结果如图3所示，TDS插值结果如图4所示。由于缺乏广州市北部采样点，且该区域位于边界处，插值结果可能存在较大偏差，因此该区域不予讨论。

图3显示雨季和旱季pH整体上均呈现出北低南高的分布特征，地貌和岩性是造成这种差异的原因之一，广州市北部地区主要为山地和丘陵，易发生水土流失和滑坡，因此土壤层较薄，对酸的缓冲能力较弱，而南部地区则以台地和平原为主，风化层较厚，对酸的缓冲能力较强（张玉玺等，2011）。根据陶贞（2012）等的研究，广州地区雨水的pH均值为 4.35，呈酸性，因此，对酸的缓冲能力决定了地下水pH的分布情况；而西部的花都区为广州市的岩溶地区，灰岩广泛分布（彭卫平，2006）62，因此该区pH相对较高。另外，根据广州市的地下水位可以判断地下水流动的总体情况，北部地区水位高，属于流域内的补给区，直接受降水影响，且由于广州市雨水为酸性，因此，补给区的pH整体呈偏酸性，而地下水从补给区到排泄区的流动过程中，跟地层间发生反应，酸性被中和。虽然两个季节pH的均值基本相同，但两个季节pH的空间分布存在一定的差异，广州市中部地区雨季时pH较旱季低。

表1 广州市浅层地下水水化学特征统计Table 1 Statistics value of hydrochemical parameters of shallow groundwater in Guangzhou mg∙L-1

图3 广州市浅层地下水pH空间分布Fig. 3 The distribution of pH value of shallow groundwater in Guangzhou

图4 广州市浅层地下水TDS空间分布Fig. 4 The distribution of TDS of shallow groundwater in Guangzhou

由图4可知，不论旱季还是雨季，TDS均呈现出从北到南沿水流方向逐渐升高的趋势，造成这种趋势的原因除了从补给区到排泄区的规律呈现外，更重要的是海水入侵会造成沿海地区浅层地下水TDS突增。对比雨季和旱季的插值图发现，旱季TDS的高值区较雨季多，说明降水对研究区浅层地下水具有稀释作用。通过对比TDS和土地利用类型的空间分布图发现，林地覆盖下的地下水TDS较低，而受人类活动影响较大的农耕地和城镇用地的地下水的TDS相对较高。另外，将TDS的分布图与广州市地下水的脆弱性等级分布图进行对比发现（杨木壮等，2011），脆弱性较高的地区，TDS相对较高。由于酸性条件会造成更多物质的溶解，通过计算pH与TDS之间的Pearson相关系数发现，pH与TDS之间不存在显著相关关系（旱季为0.15，雨季为0.18），说明，pH的变化不是导致TDS变化的主要原因。

2.3 广州市地下水水化学类型分布差异

图5 基于DTM的广州市浅层地下水化学类型分区图Fig. 5 Groundwater chemical types division of shallow groundwater in Guangzhou based on DTM

利用 Piper图划分水化学类型是国际通用的分类方法，但是无法体现空间差异。利用Voronoi图（泰森多边形法）和DTM法（Digital Terrain Model）可对地下水化学类型进行空间划分，通过实例比对，发现DTM法能更好地反映数据在空间上的变化特征，并且可视化效果相对更好（马雷等，2012）。DTM 是对一种或者多种地面特性空间分布的数字描述，是叠加在二维地理空间上的一维或多维的地面特征向量空间（李志林等，2003；柴华彬等，2004）。本文利用DTM分析功能对广州市浅层地下水进行空间插值，根据Piper图的分类方法将Ca2+和Mg2+、Na+和K+、Cl-和SO42-分别合并后进行插值，毫克当量百分数超过50%的离子组合参与水化学类型的划分，即可得到区域的地下水化学类型，结果如图5所示。

图5显示，雨季Ca+Mg-HCO3类型的地下水占总体的85%，旱季占81%，因此，不论雨季还是旱季，广州市地下水以Ca+Mg-HCO3为主。而雨季和旱季部分地区水化学类型存在差异，雨季番禺区东南部、南沙区北部和增城区南部的水化学类型为Ca+Mg-Cl+SO4，番禺区西北部的水化学类型为Na+K-Cl+SO4，而位于荔湾、海珠和越秀等部分中心城区的地下水化学类型则为Na+K-HCO3；旱季南沙区南部的地下水化学类型为Na+K-Cl+SO4，南沙区北部、中心城区和从化区西部则为Ca+Mg-Cl+SO4。通过与TDS的对比发现，番禺区和南沙区的地下水化学类型主要受海水的影响产生了变化，但可能由于受到潮汐和河水流量的影响，海水入侵范围的不同造成了雨季和旱季地下水化学类型的差异。而从化区西部和中心城区的水化学类型的变化则主要由人类活动的输入造成，且由于旱季降水较少，降水对地下水的稀释能力弱，水化学类型呈现差异的范围较雨季大。

2.4 水化学特征对土地利用类型的响应

为探讨人类活动对水化学性质的影响，本文采用Duncan多重比较法（Malik et al.，2017）对不同土地利用条件下和不同行政区域的地下水物理化学指标进行统计，分析其差异情况。统计时去除了明显受到海水入侵影响的南沙区、番禺区，以及水文地质与其他地区存在较大差异的花都区的采样点，城市化程度较高的海珠区、天河区、荔湾区和

越秀区统称为中心城区。表2和表3表明，由于Ca2+、Mg2+和HCO3-主要受地质条件影响，人类活动对其含量的变化影响不显著（Datta et al.，1996；Lang et al.，2006；Xiao et al.，2015），因此，下文重点讨论 pH、TDS、Na+、Cl-、K+与 SO42-。

2.4.1 不同土地利用类型下的地下水化学特征差异性分析

表2显示，雨季时，不同土地利用条件下的各地下水物理化学指标存在一定差异，但差异性不显著（P＞0.05）。pH在各土地利用条件下的值接近于中性，草地和农耕用地的pH略低于林地和城镇用地，这是由于耕地土壤的植物生产量大，使得土壤中 CO2含量增加，并且有机酸的来源也较多（Ellaway et al.，1999），因此pH呈偏酸性；TDS反映了水生态系统的污染负荷（Jonnalagadda et al.，2001），而Cl-则是很好的环境污染指示因子（赵新锋等，2007），TDS和Cl-在农耕用地下的地下水中的含量最高，这是由于耕地相对酸性的环境使得下渗水的侵蚀力增强，更多的物质随下渗作用进入地下水中；K+、SO42-的含量在农耕用地下的地下中的含量也最高，这在一定程度上与农业施用的钾肥有关。因此，农耕用地下的浅层地下水污染负荷较大，化肥的施用可能对地下水化学性质造成一定的影响。

表2 不同土地利用条件下地下水水化学特征比较Table 2 Variations of physico-chemical parameters in different land uses

表3 不同行政区的地下水水化学特征比较Table 3 Variations of physico-chemical parameters in different districts

旱季时，K+与SO42-在草地下的地下水中的含量显著高于其他土地利用类型（P＜0.05），其他指标在不同的土地利用类型条件间不存在显著性差异。据相关研究，景观破碎化会引起污染物质浓度的增加（Lee et al.，2009；赵鹏等，2012），草地在广州市的分布较为分散，且草地依赖钾肥的施用来增强草的抗性（游明鸿等，2003），此外，旱季雨水少，稀释能力弱，推测这些都是造成旱季草地下地下水K+和SO42-浓度高于其他土地利用类型下地下水的原因。

2.4.2 不同行政区域下的地下水差异性分析

表 3所示为不同行政区下地下水的物理化学性质差异对比，由于不同的行政区相对的经济功能不同，且相对于土地利用类型分布较为分散的特点而言，行政区更具有整体性，因此相较于土地利用覆盖下的地下水差异特征，行政区的差异性更为显著。结果显示，不同指标在不同的行政区间存在显著性差异（P＜0.05）。

雨季时，pH在各行政区间无显著性差异，TDS在中心城区地下水中的含量最高，黄埔区最小，中心城区与黄埔区间的差异性较显著，由于中心城区是广州市内城市化程度最高的地区，说明城市化过程中人类活动的影响会导致TDS含量的增加。表4所示为各行政区下不同土地利用类型面积统计结果，由表可知，中心城区的城镇用地面积为所有行政区中最大，受人类活动干扰程度最大，Na+在中心城区的含量远高于其他地区，此结论与郭芳等（2007）在岩溶地区所得出的研究结论一致。Cl-、K+与SO42-含量均以增城区最高，黄埔区最低，其中，只有 K+含量在这两个区间存在显著性差异，其他离子间差异不显著。通过对比发现，增城区农耕用地在增城区土地利用类型中所占的比例（表4）为所有行政区中最大，且3种离子含量与农耕用地面积所占比例大小存在一定的正相关关系，因此推测，Cl-、K+与SO42-在地下水中的含量大小主要受农耕用地面积影响。

表4 广州市各行政区土地利用类型面积分布Table 4 The proportion of different land uses in each districts%

旱季时，中心城区 pH显著高于从化区；TDS在白云区和增城区间存在显著性差异；中心城区的SO42-含量最高，与除从化区外的其他行政区均存在显著性差异；Na+与Cl-含量也以中心城区为最高，与其他各区均存在显著性差异。

通过对不同土地利用条件下和不同行政区下的水化学特征的差异性分析可知，雨季土地利用类型对研究区浅层地下水的影响较大，其中以农耕来源的Cl-、K+与SO42-的含量最为显著，而Na+与Cl-则不论旱季还是雨季都与城镇用地和城市化发展程度呈现出正相关性，说明，Na+与Cl-可能更多与居民集中生活的污水排放有关。旱季则由于下渗作用减弱，使得来源于面源的离子含量未与土地利用类型间呈现出显著相关性。

3 结论

（1）广州市地下水化学特征在时间上较为稳定，未呈现明显的季节性差异，但存在明显的空间差异性，这种差异的产生主要是由海水引起。地下水化学类型以Ca+Mg-HCO3为主，番禺和南沙区由于受到海水入侵的影响，Na+和Cl-所占的当量百分比增加，水化学类型出现变化，而中心城区和旱季时的从化西部则由于受到人类活动的影响水化学类型改变。

（2）酸雨对广州市地下水pH存在较大影响，且广州市地下水的pH值整体上呈现出东北低西南高的趋势分布，造成这种现象的主要原因除了受地形条件的影响外，还与地下水的补给排泄特征和岩性的差异存在较大关系。广州市地下水TDS整体的分布趋势与pH相同，造成这种现象的原因除了海水的影响外还受到土地利用条件的影响。

（3）土地利用类型对广州市浅层地下水水化学性质存在一定影响，其中雨季规律更显著。K+与SO42-含量与农耕用地面积存在一定的正相关关系，而 Na+含量则主要与居民集中生活生产的城镇用地面积相关，Cl-同时受农耕用地和城镇用地面积影响。

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Abstract: Water security is a critical issue in Guangzhou, which serves as the political and economic center in the Pearl River Delta with a population more than 15 million. Although water supply usually comes from Dongjiang River, Xijiang River and Beijiang River, groundwater could be the most viable water source in any emergency water crises due probably to water pollutionand so on.Spatial and temporal change in groundwater quality and its influence factors are scientific bases for protection and use of groundwater resources. Seventy-two shallow groundwater samples were collected in December, 2014 and July, 2015 in Guangzhou to investigate the spatial and seasonal distribution of geochemical characteristics and hydro-chemical types. TDS and pH were measured in situ, while Na+, Ca2+, K+, Mg2+, Cl-, SO42-, HCO3-were measured by ion chromatography in the laboratory. GIS tool was used to figure out the relationship between the contamination of shallow groundwater and land use pattern in Guangzhou by Duncan multiple range test. Spatial variation of geochemical characteristics was found to be more significant than seasonal change,which occurs chiefly in the dry season. Na+and Cl-showed their largest variation compared to the other parameters. The value of pH increased from northeast to southwest due to the thin soil layer and thus a weak buffer to acid rain in northern Guangzhou. The spatial distribution of TDS was similar to pH with a high TDS in the agriculture land and vulnerable areas in response to anthropogenic activities and probable seawater intrusion. The shallow groundwater was dominated by Ca+Mg-HCO3type but changed to Na+K-Cl+SO4type in the urban area and coastal area. The spatial variation of land use contributed to the change in hydro-chemical characteristics of different districts of Guangzhou. The concentration of K+and SO42-in shallow groundwater had a positive correlation with the area of agricultural land, while the concentration of Na+was high in the urban area and the concentration of Cl-was high in these two areas.

Key words: Guangzhou; shallow groundwater; spatial and seasonal distribution; geochemical characteristics; land use

Spatial and Seasonal Geochemical Characteristics of Shallow Groundwater in Response to Land Use Pattern in Guangzhou

ZHANG Mingzhu1, WANG Zhuowei2*, LI Kun2*, CHEN Jianyao2,3, GAO Lei2, LI Shaoheng2,ZI Huiyu4, HUANG Xiaoxu5, DENG Yujun6

1. Guangzhou Water Research Institute, Guangzhou 510220, China; 2. School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Urbanization and Geo-simulation, School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275, China;4. Guangzhou Flood, Drought and Wind Prevention Headquarters Office, Guangzhou 510220, China;5. Guangzhou Water Supply Engineering Construction Management Center, Guangzhou 510220, China;6. Guangzhou Water Authority Law Enforcement Detachment, Guangzhou 510220, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.012

X143

A

1674-5906（2017）09-1539-08

张明珠, 王卓微, 黎坤, 陈建耀, 高磊, 李绍恒, 资惠宇, 黄晓旭, 邓玉军. 2017. 广州市浅层地下水化学时空分布特征及其对土地利用类型的响应[J]. 生态环境学报, 26(9): 1539-1546.

ZHANG Mingzhu, WANG Zhuowei, LI Kun, CHEN Jianyao, GAO Lei, LI Shaoheng, ZI Huiyu, HUANG Xiaoxu, DENG Yujun.Spatial and seasonal geochemical characteristics of shallow groundwater in response to land use pattern in Guangzhou [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9): 1539-1546.

国家自然科学基金项目（41371055；41611140112；41771027；41701585）；广州水务局科技项目（GZSW1451S/YD15G0320；2016-203；swjgky-2017001号）

张明珠（1985年生），女，高级工程师，硕士，研究方向为水环境。E-mail: 2271074212@qq.com*通信作者，E-mail: swangc@126.com；E-mail: 807786375@qq.com

2017-07-12