鄱阳湖环湖区浅层地下水化学特征及形成机制

赵 楠 芳，鄢 笑 宇，李 青，付 莎 莎，储 小 东

(1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省鄱阳湖水资源与环境重点实验室，江西 南昌 330029； 3.江西省地质环境监测总站，江西 南昌 330095)

地下水资源是水资源的重要组成，直接影响着居民日常生活和社会经济发展[1]。根据历年中国水资源公报统计，我国每年利用的水资源量约有17%来源于地下水。在漫长的地质演变过程中，地下水不断地与周围介质、环境相互作用，改变并影响着区域地下水水化学组分[2-4]。地下水的水化学组分不仅受到地质地貌条件、地表径流条件等自然因素的影响[5-8]，同时还受到人为因素的影响，通过对地下水水化学特征及影响因素分析，可以更好地揭示水体与环境的交换机制，为地下水合理开发利用和污染防治提供重要的依据。

鄱阳湖地区是以保护生态、发展经济为重要战略构想的经济特区，属于平原河网区，水系发达、河网交错。早在20世纪90年代，曾韶华等[9-10]对鄱阳湖地区地下水化学成分的形成以及控制因素进行研究，发现地下水化学成分主要受元素的物理化学性质和地质环境条件的综合作用影响。但随着区域内灌溉、航运、水系连通工程、城市化建设、水利工程等人类活动日益频繁，改变了原有的地表-地下水循环体系，使得地表水与地下水之间的转化关系趋于复杂化，对区域地下水水化学组分有较大影响。近几年来，相关学者从不同角度对鄱阳湖地区的地下水特征进行了研究，胡春华等[11]对比分析了环鄱阳湖区丰水期、枯水期的地下水化学特征；张春艳等[12]对鄱阳湖区域的有机污染物特征、健康风险等进行了研究；饶志等[13]采用健康风险评价模型对鄱阳湖平原地下水重金属进行健康风险评价。考虑到平原河网区地下水水化学组分的多样性和影响因素的复杂性，本文利用Piper三线图法、聚类分析法、离子比例系数法等对研究区内浅层地下水水化学类型进行分析，全面揭示地下水水化学组分的含量变化，探讨地下水水化学特征形成的原因，为区域地下水资源的生态环境保护提供科学依据。

1 研究区域概况

鄱阳湖是我国五大淡水湖泊之首，坐落于江西省北部、长江中下游南岸，流域面积为162 225 km2，约占江西省全省面积的97%。根据全国水资源综合规划水资源分区划分，将鄱阳湖及其周边平原地区划分为鄱阳湖环湖区，范围包括赣江外洲水文站以下、抚河李家渡水文站以下、信江梅港水文站以下、乐安河石镇街水文站以下、昌江古县渡水位站以下、修水永修水位站以下至湖口县的湖口水文站之间的区域，江西省境内面积为20 190 km2(本次研究范围)。

该区域地层发育较全，除泥盆系下统、中侏罗系和上第三系缺失外，其余各系(统)地层均有出露。按沉积建造特征，区内分为北、中、南3个沉积区。北区(修水流域—都昌以北)以浅海相砂页岩及碳酸盐岩为主；中区(南北两区之间)，以前震旦系复理石浅变质岩系、河湖相红色磨拉石和第四系松散堆积为主；南区(西山、瑞洪—波阳以南)，以前震旦系浅变质岩系、晚古生代海陆交互相含煤砂页岩、碳酸盐岩、陆相碎屑岩为主。区内按岩石建造类型及其孔(裂)隙性、含水性、地下水动力条件的差异，含水岩组可分为松散岩孔隙含水岩类、碳酸盐岩裂隙溶洞含水岩类、红层裂隙孔隙含水岩类和基岩裂隙含水岩类[14]。

2 样品采集和测试

地下水采样点分布于鄱阳湖环湖区，采样时间为2015年，共采集地下水水样242组，地下水水样均来自民井或常规监测井，采样点分布图见图1。水样的采集、保存和送样严格按HJ/T164-2004《地下水环境监测技术规范》执行。地下水样品测试由江西省地矿测试中心完成，检测项目包括pH、总硬度、矿化度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、NH4+、NO3-、NO2-、F-等，K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子采用原子吸收分光光度计进行测定，Cl-、SO42-等阴离子采用离子色谱仪测定，HCO3-采用滴定法测定。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites

3 结果与讨论

3.1 描述性统计分析

由表1可见，地下水水样中pH值变化范围为3.91～12.25，平均值为6.45，整体呈弱酸性；总硬度变化范围为7～745 mg/L，平均值为135 mg/L，其中极软水、软水、微硬水、硬水和极硬水的占比分别为37.2%、27.7%、28.1%、4.5%和2.5%；矿化度变化范围为30～1 346 mg/L，平均值为223 mg/L，除个别采样点外，均小于1g/L，属淡水。从各离子的均值浓度来看，最主要的阳离子是Ca2+，由大到小为Ca2+>Na+>Mg2+>K+；阴离子以HCO3-为主，从大到小为HCO3->Cl->SO42-> CO32-。pH、总硬度、矿化度和八大阴阳离子的含量变化范围较大，且标准差相对较高，表明这些指标在空间上有较大的分散性，局部地区富集程度较高。

3.2 水化学类型

根据研究区浅层地下水中各离子数据，利用AqQA水化学软件制作出Piper三线图，系统地分析研究区浅层地下水水化学类型，如图2所示。依据舒卡列夫地下水化学分类方法，鄱阳湖环湖区内浅层地下水化学类型分为28种，以HCO3-Ca型(1-A型)、HCO3-Ca·Mg型(2-A型)、HCO3-Na·Ca型(4-A型)、HCO3·Cl-Na·Ca型(25-A型)为主，占比达到52.1%；区内没有以Mg2+(SO42-)为主要阳离子(阴离子)的地下水化学类型。

表1 鄱阳湖环湖区浅层地下水水化学特征统计

图2 鄱阳湖环湖区地下水水化学成分Piper三线图Fig.2 Piper diagram of groundwater chemical compositions

3.3 地下水化学形成机制

3.3.1相关性特征分析

从表2中可以看出，研究区浅层地下水中Ca2+与总硬度之间相关系数达0.966，显著相关，说明Ca2+浓度大小和空间分布对总硬度有着较重要的作用；总硬度与Ca2+、Mg2+和HCO3-之间相关系数均在0.7以上，存在极好的正相关性，说明监测数据可靠、可信；矿化度与Mg2+、Ca2+和Cl-之间，显著相关系数均在0.69以上，存在较高的正相关性，说明这几种离子对矿化度贡献较大；另外，Mg2+和Ca2+也存在极好的正相关性，说明Mg2+和Ca2+伴生。

表2 鄱阳湖环湖区浅层地下水水化学参数相关性矩阵

3.3.2聚类分析

采用R型聚类分析法对研究区内242个地下水采样点的14项水质化验指标(pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、总硬度、矿化度、NH4+、NO3-、NO2-、F-)进行归类。通过图3可以看出，242个采样点的14项水化学指标分类效果较好，在类间距取6.25时可划分为A、B、C和D四大类。A类包含总硬度、矿化度、Ca2+、Mg2+、SO42-、F-和pH七项水化学指标，可以细分为A1和A2两个子类，其中A1子类由总硬度、矿化度、Ca2+、Mg2+、SO42-和F-六项指标构成，可概括为蒸发岩(如石膏)和含氟矿物的溶解过程；A2子类包括pH，这与鄱阳湖环湖区红壤分布极广及人类活动有关。B类包括HCO3-和NH4+两项指标，研究区地下水中HCO3-主要与自然演化有关，如碳酸盐矿物、硅酸盐矿物的风化溶解；NH4+主要受到人类活动的影响，如煤化工企业排放的废气、废水中往往含有高浓度的氮，因此B类可以表示为自然因素和人类活动的共同影响。C类由K+和NO3-两项水化学指标组成，通常情况下，地下水中K+的除来源于含钾矿物的风化溶解之外，还可能来自农业活动过程中有机肥和钾肥的使用，而NO3-往往与农业活动中氮肥的使用密切相关。D类由Na+、Cl-和NO2-三项指标构成，可概括为盐岩的溶解过程，由此可见，D类可以看作蒸发岩矿物的溶解过程。

图3 采样点聚类分析Fig.3 Dendrogram showing clustering of sampling

3.3.3离子比例系数分析

由图4(a)可以看出，区域内γNa+/γCl-系数为0.155～52.397，平均值为2.635，标准差为5.085。78.9%的采样点中γNa+/γCl->0.85，说明地下水在径流过程中不断通过水岩相互作用令岩石矿物溶解，使Na+从沉积盐岩中释放出来。部分采样点的γNa+/γCl-<0.85，说明地下水中Na+与矿物中的Ca2+发生了阳离子交换作用[15]。

图4 鄱阳湖环湖区地下水中离子比值关系Fig.4 Corralation diagram of ion ratio in groundwater

γ(Ca2++Mg2+)/γ( SO42-+HCO3-)的比值常被用来区分水化学组分形成过程中碳酸盐和硅酸盐的主导地位[16]。由图4(b)中可以看出，研究区大部分采样点分布在1∶1线附近，表明硅酸盐与碳酸盐的风化溶解在水化学组分的形成过程中占主导地位。图中有超过54.1%的水样点γ(Ca2++Mg2+)/γ( SO42-+HCO3-)比值小于1，表明水样中Ca2+、Mg2+主要来源于钙镁硅酸盐或蒸发岩的风化溶解；少部分水样点位于线1∶1上方，说明这部分水样中Ca2+、Mg2+来源于碳酸盐的风化溶解。

γMg2+/γCa2+与γMg2+/γNa+之间的散点图经常被用来确定地下水是发生了矿物溶解作用还是蒸发浓缩作用[17]。由图4(c)可以看出，研究区地下水的γMg2+/γCa2+系数小于2.787，平均值为0.608；γMg2+/γNa+系数小于6.958，平均值为1.063。两种系数均比较小，表明研究区浅层地下水主要受矿物风化溶解的影响，而蒸发浓缩作用相对较弱。

地下水中γ(Ca2++Mg2+)-γ( HCO3-+SO42-)与γ(Na+-Cl-)之间的关系常用来判断Ca2+、Mg2+与Na+之间是否发生了阳离子交换作用[17]。由图4(d)可以看出，这两个参数之间的回归方程为：y=-0.183 5x+0.238 9(R2=0.082)，这表明了阳离子交换作用并不是主要影响地下水中Ca2+、Mg2+和Na+含量的唯一作用。

4 结 论

(1) 研究区浅层地下水属于弱酸性淡水，总硬度偏低，主要为极软水、软水和微硬水；阳离子各组分相对丰度为Ca2+>Na+>Mg2+>K+，阴离子各组分相对丰度为HCO3->Cl->SO42-> CO32-。

(2) 研究区浅层地下水化学类型分为28种，主要为HCO3-Ca型(1-A型)、HCO3-Ca·Mg型(2-A型)、HCO3-Na·Ca型(4-A型)、HCO3·Cl-Na·Ca型(25-A型)，说明了碳酸盐岩溶解对地下水化学类型的控制。

(3) 通过R型聚类分析和离子比例系数表明，研究区浅层地下水水化学组分主要受到矿物风化溶解作用的影响，蒸发浓缩作用和阳离子交换作用相对较弱。地下水中的Ca2+、Mg2+和HCO3-主要为蒸发岩(石膏)、碳酸盐矿物、硅酸盐矿物的风化溶解，K+主要与农业活动中氮肥的使用密切相关，Na+、Cl-和SO42-主要为岩盐的溶解作用。