珠江三角洲地区酸性地下水分布特征及其影响因素研究

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(1.河北圣洁环境生物科技工程有限公司，河北 石家庄 050051；2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061)

珠江三角洲地区酸性地下水分布特征及其影响因素研究

程新伟1，孙继朝2

(1.河北圣洁环境生物科技工程有限公司，河北 石家庄 050051；2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061)

珠江三角洲地区酸性地下水(pH<6.5)分布范围占全区面积的3/4，区域地下水酸化较普遍，已成为最大的区域地下水环境和生态问题之一。本研究通过珠江三角洲地区地下水pH值及地下水常规无机成分，对地下水酸化的空间分布规律与影响因素进行分析，结果发现：pH<6.5的偏酸性地下水主要分布于东、北、西的低山、丘陵地区，主要土地利用类型为果林用地及农田用地，主要含水介质类型为基岩裂隙水，同时分布有松散岩类孔隙水、还有碳酸盐岩类裂隙溶洞水；pH≥6.5的地下水主要集中在三角洲中心平原区，主要土地利用类型为城市用地，地下水类型为松散岩孔隙水。

珠江三角洲；酸性地下水；影响因素；酸雨

地下水酸化是指在天然条件下经过长期的水环境演化形成的[1]，或者受外环境干扰影响，促使地下水pH值趋于降低，导致地下水偏酸性(pH<6.5[2])的过程。2002年，日本原野地球科学中心森弘和浅等[3]对第四纪火山区附近的酸性地下水分布范围进行了研究发现，pH<4.8的酸性地下水主要发生在当前火山岩区以及分布从几公里至20km的第四纪火山，而且地下水pH值随着与火山距离的增加呈现下降趋势。Lang等[4]研究发现，北欧一些国家地下水的pH值偏低是由于雨水呈偏酸性，雨水入渗补给地下水后导致pH的降低；Preda等[5-6]则发现沉积物中FeS2被氧化生成酸，使地下水的酸度增加、pH降低。沈照理等[7]，文冬光等[8]研究发现：地下水酸化是由于碳酸、硼酸、硅酸及其他弱酸引起的。硅酸及其他弱酸对地下水的pH值只起到次要作用，因为他们在地下水中浓度较小。碳酸体系在地下水中含量高、分布广，对地下水的酸碱性起到主要作用。CO2气体溶解于地下水形成碳酸，碳酸的离解导致地下水中HCO3-、H+增加，pH值降低(曹玉清等[9]，闫志为等[10]，钱会[11])。钱会[12]认为潜水的H+浓度与HCO3-含量正相关，与CO2呈负相关，H2CO3在地下水中的存在形式与地下水中H+浓度相关。

珠江三角洲地区地下水污染研究显示酸性地下水(pH<6.5)分布范围占全区面积的3/4，区域地下水酸化较普遍。地下水pH值对金属元素的活动性产生影响[13]，通过发生解吸或吸附作用，影响着地下水系统中金属离子浓度。随着pH的降低Cd的质量浓度急剧增加，同时较低的pH值有利于As在地下水中的迁移转化。针对地下水酸化问题，国外学者在研究中早有发现，并进行了相关研究。瑞典查尔姆斯理工大学LARS-OVELANG等，澳大利亚M.Preda等[14]及日本原野地球科学中心森弘和浅等[3]研究发现酸性地下水的地理分布情况；Pierce等[15]对酸性地下水中组分赋存情况的影响进行了研究；Lang等[4]，Preda等[5-6]结合酸性地下水的分布，对造成地下水酸化的影响因素进行了分析。针对珠江三角洲地区，由于缺乏珠江三角洲地区地下水酸化系统调查与剖析，对于区域地下水酸化的分布规律、酸化成因及地下水酸化可能导致的环境效应缺乏深入认识。为了解珠江三角洲地区地下水酸化分布特征及规律，研究该区域地下水酸化影响因素，研究珠江三角洲地区地下水酸化空间分布特征，分析地下水酸化的空间分布规律，结合该区地下水补给方式、岩性特征等条件分析珠江三角洲地区地下水酸化影响因素。为进一步研究与控制珠江三角洲地区地下水污染，以及珠江三角洲地区环境保护提供科学依据。

1 研究区概况及降水pH特征

珠江三角洲地区辖属广东省，位于广东省中南部。丘陵台地主要分布于东、西、北三面，研究区属南亚热带季风湿润气候，年均气温21.9℃。受季风影响，区域降水特征明显：降水季节性强，每年4～9月为汛期，10～次年3月为枯水期；降雨雨量大，年均降雨量1 800～2 200 mm；降雨强度大，汛期6个月，占总降水量的80%以上。多年平均径流深为800～1 200 mm。根据广东省环境保护厅发布的《2012广东省环境状况公报》显示：全省城市降水pH均值为5.10，酸雨频率为37.4%。城市降水pH均值范围在4.46～6.22之间，81.8%的城市出现酸雨，pH最小值<5 .6。佛山、韶关、清远、顺德和深圳等5市(区)属重酸雨区(pH均值<4.5；4.5≤pH均值<5.0且酸雨频率>50%)，占全省城市的22.7%[16]。

1.1 降水(酸雨)pH值与地下水pH值的关系

珠江三角洲地区降雨频繁，大气降水与地下水有着密切的联系，是浅层地下水的主要补给来源。2012年，“珠三角”九市降水pH平均值为4.66～5.59，均为酸性降水。大气降水(酸雨)形成地表漫流通过地表直接入渗补给，进入浅层地下水。由于降水pH值较低，且是区域性降水pH值普遍较低，进入浅层地下水后，直接导致地下水pH值降低，造成地下水酸化。因此，大气降水(酸雨)是直接造成地下水酸化主要影响因素，而SO2排放量是造成珠三角地区酸雨分布广泛、频发的主要因素，故SO2排放量是影响地下水pH值分布的主要因素。同时，大量SO2的产生来源于人类活动，主要为工业生产，因而，人类活动(工业生产)是造成珠江三角洲地区地下水酸化的主要影响因素。

根据广东省降水pH值空间分布图，结合“珠三角”地区九市降水pH值监测结果。由图1所示，珠江三角洲地区 pH值最低(4.5～4.9)的降水主要集中在研究区的西北部区域，涉及的行政区域主要为佛山市、肇庆市及广州市。已有调查结果表明，1995-2012年，广东省城市降水pH值全省均值呈不显著下降趋势；酸雨频率呈先上升后逐渐下降趋势。广东省城市降水pH均值和酸雨频率变化见图1。

1.2 不同含水介质类型地下水补给方式

丘陵台地区浅层地下水补给以大气降水为主，降水形成地表漫流直接入渗补给，区域内由块状基岩组成的中低山，岩石节理裂隙发育，植被繁茂，具有较好的渗入补给条件。在平原及山间谷地地表由粘性土覆盖，不利于降水的入渗。研究区内内陆平原地下水的主要补给形式包括：降水直接入渗补给、河流的入渗补给(西江及北江两大水系沿岸)、丘陵区基岩裂隙水的侧向补给、灌溉回归水的入渗补给，沿海平原还包括砂堤及砂地的凝结水补给等。地下水、地表水之间水力关系复杂，丰、枯期多呈互补排特征。研究区地下水补给模型示意图见图2。

图1 广东省城市降水pH均值和酸雨频率变化

图2 研究区地下水补给模型示意图

根据含水介质类型，研究区地下水包括三大类，分别为基岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水(以下简称岩溶水)及松散岩类孔隙水。其地下水补给、径流、排泄条件，区域内岩性特征、裂隙发育水平及地表植被覆盖度同样影响着地下补给程度。地下水补给主要以降水直接入渗补给、河流的入渗补给、基岩裂隙水的侧向补给等形式完成的。

降水形成地表漫流并通过表层土壤直接入渗补给。西江、北江及其流域内的河网，通过河道的渗漏、农业灌溉后下渗等对区域地下水进行补给。由于西江、北江江水pH值中性或弱碱性，入渗补给地下水后，稀释地下水中H+，导致地下水pH值升高。同时，平原地区还接受丘陵地区的地下水侧向补给。丘陵地区地下水H+在地下径流过程中不断得到稀释及缓冲作用，导致补给水的pH升高，侧向补给地下水后，导致地下水pH升高。丘陵区除了降水补给，无其它补给途径，酸性降水直接导致地下水酸化；平原地区地下水由于接受河网补给(包括直接补给与间接补给)及丘陵地区基岩裂隙水的侧向补给，导致地下水pH值升高。因此，地下水的补给条件也是影响地下水酸化的一个影响因素。

降雨形成地表漫流直接入渗补给丘陵台地区地下水。丘陵台地区中的岩石裂隙不甚发育、植被稀少的地区，大气降水很快流失，不利于降水入渗补给；丘陵台地区中的岩石节理裂隙发育、植被茂盛的地区，有利于降水入渗补给地下水。

1.3 不同地形地貌地区酸性地下水的分布特征

研究区的主要地形地貌为丘陵台地和平原，丘陵台地主要分布于东、西、北三侧，平原主要分布于中部区域。根据研究区内409个地下水采样点分析结果可见，“珠三角”地区酸性地下水空间分布具有区域性分布特点，与区域的地形地貌特征相关。东、北、西的低山、丘陵地区主要分布pH<6.5的偏酸性地下水，而pH≥6.5的地下水主要集中在三角洲中心平原区。丘陵地区中零散分布的平原、盆等地势低平区域，地下水pH值相对略高；而平原地区的零散分布的残丘、台地，地下水pH值普遍较低，地下水偏酸性。综上，从丘陵台地区过渡到平原地区，地下水pH值随地形降低而逐渐升高。地势相对较高的丘陵台地区，地下水一般偏酸性，而地势低缓的平原地区的地下水pH值相对略高。

图3可以看出，pH<6.5的偏酸性地下水主要分布于在东、北、西区域，而pH≥6.5的地下水主要集中在三角洲中心区域；结合地形考虑，pH<6.5的偏酸性地下水，集中在低山、丘陵地区，pH≥6.5的地下水集中在平原区。

图3 珠江三角洲地区地下水pH值等值线图

结合图1可知，珠江三角洲地区降水pH值范围4.66～5.59，区域内均为酸性降水，酸性降水最强的区域，地下水pH为中性或弱碱性，没有同时出现酸性最强的地下水，说明地下水pH除了受酸性降水影响，还有其它影响因素。pH<6.5的偏酸性地下水主要分布于东、北、西的低山、丘陵地区，主要土地利用类型为果林用地及农田用地上，主要含水介质类型为基岩裂隙水，同时分布有松散岩类孔隙水、还有碳酸盐岩类裂隙溶洞水；pH≥6.5的地下水主要集中在三角洲中心平原区，主要土地利用类型为城市用地，为松散岩孔隙水。

1.4 水化学组分的影响因素分析

珠江三角洲地区丘陵区取样主要分布在三角洲的外围，浅层地下水pH值偏低。阳离子是以Na+、Ca2+为主，阴离子主要是HCO3-、Cl-为主。丘陵地区地下水主要是重碳酸盐型地下水。丘陵区地下化学三线图见图4。

从图4可看出，阳离子是以Na+、Ca2+为主，阴离子主要是HCO3-、Cl-为主。大多碱土金属离子超过碱金属离子，碳酸盐硬度超过50%，水中化学组分复杂。三角洲平原区取样，总体来说地下水pH值略高。浅层地下阳离子是以Na+、Ca2+为主，阴离子主要是HCO3-、Cl-为主。阳离子是以Na+、Ca2+为主，阴离子主要是HCO3-、Cl-为主。重碳酸盐型和氯化型为主的地下水是平原区主要地下水类型。平原区地下水大多水样碱土金属离子超过碱金属离子，碳酸盐硬度超过50%，水中化学组分复杂。

李锐等[17]研究表明，广西滨海平原天然状态下地下水pH值为3.33～7.0均值为5.12，说明滨海地区地下水酸化分布显著。至于天然状态下地下水中的H+从何而来，周训等[18]认为来源于粘土层中的H2O+、H2CO3的离解以及雨水中的酸度，而H2CO3则是由CO2溶解于水而形成的，CO2则主要来源于生物成因。同时，地下水pH值偏低与含水系统中碱性物质的缺少有关，有利于H+集聚。张华等[19]还发现雨水矿化度低、含水介质可溶性岩含量极低、迅速的水循环及长期的淋滤作用是导致其地下水矿化度低的原因。李学礼[20]则认为硅酸盐在富含碳酸和生物质的环境中进行的的分解作用，导致形成微矿化硅酸、硅酸-重碳酸型酸性潜水。其他体系也可能对地下水酸化起主要作用，如NH4+-NH3、H2S-HS-等体系；硫酸、盐酸直接进入地下水导致地下水pH值迅速降低；此外，在酸性硫酸盐土壤区也分布有酸性地下水。结合文献调研结果，从地下水酸化特征、酸化影响因素、酸化的危害三个方面进行国内外研究现状的阐述与分析，发现国内外学者对地下水的酸化特征、酸化成因均有研究，但是研究比较单一，系统的研究较少，对区域性对地下水酸化成因的系统研究目前国内研究较少，弄清了地下水化学特征、pH的特点以及酸性地下水的影响因素。针对珠江三角洲地区，研究酸性地下水的空间分布规律及地下水pH值与化学组分特征，结合pH的分布规律，研究该地区地下水酸化影响因素，确保水源地水质安全，显得尤为重要。

图4 丘陵区和平原区地下水化学三线图

2 结语

(1)SO2排放量最大的区域与降水pH最强的区域分布具有高度一致性，SO2排放量是造成珠江三角洲地区酸雨分布广泛、频发的主要因素。降水(酸雨)补给地下水，导致地下水酸化。大量SO2的产生来源于人类活动(工业生产)，人类活动是造成珠三角地区地下水酸化的主要影响因素。

(2)pH<6.5的偏酸性地下水主要分布于东、北、西的低山、丘陵地区，主要土地利用类型为果林用地及农田用地上，主要含水介质类型为基岩裂隙水，同时分布有松散岩类孔隙水、还有碳酸盐岩类裂隙溶洞水；pH≥6.5的地下水主要集中在三角洲中心平原区，主要土地利用类型为城市用地，地下水类型为松散岩孔隙水。

(3)丘陵区除了大气降水补给，无其它补给途径，酸性降水直接导致地下水酸化；平原地区地下水由于接受河网补给(包括直接补给与间接补给)及丘陵地区基岩裂隙水的侧向补给，导致地下水pH升高，补给条件是影响地下水酸化的一个影响因素。

(4)丘陵台地区由于土壤粘结性差，呈块状结构，通透性好，对酸的缓冲能力甚低；平原区表层分布较厚的粘土层，透水性差，降雨的入渗系数较小，且平原区地下水组分中Ca2+、HCO3-高于丘陵地区，说明降水入渗过程中发生了水—岩作用，水—岩作用对降水起到缓冲作用。岩性特征是影响地下水酸化一个影响因素。

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StudyondistributioncharacteristicsofacidgroundwateranditsinfluencingfactorsinthePearlRiverDelta

CHENGXin-wei1，SUNJi-chao2

(1.Hebei holy environment biological science and Technology Engineering Co Ltd., Shijiazhuang,Hebei,050051, China;2.Institute of hydrogeology and environmental geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang,Hebei, 050061, China)

The distribution of acid groundwater (pH < 6.5) in the Pearl River Delta area is 3/4 of the whole area, and regional groundwater acidification is more common. It has become one of the largest regional groundwater environmental and ecological problems. In this study, the spatial distribution of groundwater acidification and its influencing factors were analyzed by the groundwater pH values and conventional inorganic constituents in the Pearl River Delta region, the results showed that acidic groundwater pH < 6.5 mainly distributed in the East, North and west low mountain and hilly areas, the main land use types of land for forest land and farmland, the main aquifer type is bedrock fissure water, and the distribution of pore water in loose rock and karst fracture water; The groundwater of pH≥ 6.5 is mainly concentrated in the plain area of delta center. The main land use type is urban land, and groundwater type is loose rock pore water.

Pearl River Delta；acid groundwater；influencing factors；acid rain

P641.135

A

1004-1184(2017)05-0025-03

2017-05-11

程新伟(1981-)，男，安徽黄山人，工程师，主要从事环境影响评价方面工作。