贵州省饮用天然矿泉水化学特征及锶型矿泉水分布规律

2021-05-13吉勤克补子王若帆

地下水 2021年2期

江峰，吉勤克补子，高峰，王若帆，焦恒

(贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州遵义 563000)

饮用天然矿泉水是指在特定地质条件下形成的直接取自天然或人工钻孔而得的地下含水层的水，饮用天然矿泉水必须含有锂、锶、锌、碘、硒、偏硅酸等9种对人体健康有益的组份中的一种或多种，且对人体有害组份含量不得超过所规定的限值。

贵州省地处我国西南腹地，云贵高原东部，有着丰富的饮用天然矿泉水资源，素有“天下山半黔中青，天下泉半黔中鸣”的美誉[1]。贵州省饮用天然矿泉水成因规律的研究一直是省内矿泉水资源研究的热点之一。早在上世纪八十年代，马昌华等[2]通过对全省25件饮用矿泉水的调查研究，对贵州省矿泉资源进行了初步评价；高建平和黄震[3]对江口县平寨矿泉水的地层及其导水和蓄水构造等方面分析了该热矿泉水的补给、径流和排特征；此外，针对省内零星天然矿泉水的水质特征方面的研究亦非常丰富[4-9]。

总的来说，贵州省饮用天然矿泉水的成因规律有关的研究成果较多，但大多仅针对单一泉点的水质特征及其成因进行剖析，缺乏对全省范围的饮用天然矿泉水资源总体特征的研究，尤其是贵州省饮用天然矿泉水的水化学特征及其分布规律方面更是鲜见报道。基于此，本文依托“贵州省矿泉水调查”项目对全省112件饮用天然矿泉水进行了系统地水样采集与测试，基于测试结果对全省的饮用天然矿泉水的水化学特征进行了分析，进一步揭示了贵州省锶型饮用天然矿泉水的分布规律。

1 样品采集与分析方法

本文水样采集涉及全省9个市州，饮用天然矿泉水采样分析总计112件(图1)。水样采集按照《水质采样样品的保存和管理技术规范》(HJ493-2009)要求进行，除现场测定的项目，如水温、pH值等，其余水质指标在贵州省地质矿产中心实验室完成。测试指标主要包括阴阳八大离子(即：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-)以及部分微量元素(锶、硒、偏硅酸以及硫化氢等)。其中阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)采用阳离子色谱仪测定；阴离子(HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-)采用阴离子色谱仪测定。

图1 贵州省饮用天然矿泉水取样点分布图

本文数理统计分析是基于SPSS 19进行，全省锶等值线图是基于MAPGIS 67制作，Piper三线图是基于Origin 2019制作，其余图表的制作及数据处理均是基于Microsoft office excel 2010和word 2010完成。

2 水质特征

2.1 理化性质

贵州省饮用天然矿泉水总体水质良好[10]，无正常视力可见外来异物，且煮沸前后无异臭和味；水温变幅较大，变化于13.0℃～52.9℃之间，平均为22.2℃；pH值介于7.0～8.1之间，平均为7.4，总体呈中性。

2.2 水化学组成

地热井型饮用天然矿泉水阳离子含量方面，钙离子(Ca2+)含量变化范围极大，其值介于2.60～188.3 mg/L之间，平均含量为61.57 mg/L；镁离子(Mg2+)含量变化较大，其值介于0.0～57.1 mg/L，平均含量为24.38 mg/L；钾离子(K+)和钠离子(Na+)含量平均含量分别为3.31 mg/L和23.54 mg/L。阴离子方面，重碳酸氢根离子(HCO3-)含量较为稳定，其值介于94.7～407.5 mg/L，平均离子含量为202.23 mg/L；此外，地热井型饮用天然矿泉水NO3-、SO42-和Cl-平均含量分别为1.43 mg/L、117.97 mg/L和6.79 mg/L。

温泉型饮用天然矿泉水阳离子含量方面，钙离子(Ca2+)含量介于5.00～176.0 mg/L之间，平均含量为71.60 mg/L；镁离子(Mg2+)含量介于1.0～45.0 mg/L，平均含量为20.49 mg/L；钾离子(K+)和钠离子(Na+)含量平均含量分别为2.90 mg/L和14.72 mg/L。阴离子方面，重碳酸氢根离子(HCO3-)含量较为稳定，其值介于157.0～333.0 mg/L，平均离子含量为209.75 mg/L；此外，温泉型饮用天然矿泉水NO3-、SO42-和Cl-平均含量分别为1.40 mg/L、115.15 mg/L和3.37 mg/L。

地下水开采型饮用天然矿泉水阳离子含量方面，钙离子(Ca2+)含量介于16.0～122.0 mg/L之间，平均含量为79.56 mg/L；镁离子(Mg2+)含量介于4.0～39.0 mg/L，平均含量为22.97 mg/L；钾离子(K+)和钠离子(Na+)含量平均含量分别为1.65 mg/L和18.45 mg/L。阴离子方面，重碳酸氢根离子(HCO3-)含量较为稳定，其值介于72.0～310.0 mg/L，平均离子含量为237.17 mg/L；此外，地下水开采型饮用天然矿泉水NO3-、SO42-和Cl-平均含量分别为8.23 mg/L、118.50 mg/L和6.68 mg/L。

泉点型饮用天然矿泉水阳离子含量方面，钙离子(Ca2+)含量介于15.0～216.0 mg/L之间，平均含量为85.93 mg/L；镁离子(Mg2+)含量介于2.0～60.0 mg/L，平均含量为18.1 mg/L；钾离子(K+)和钠离子(Na+)含量平均含量分别为1.62 mg/L和5.15 mg/L。阴离子方面，重碳酸氢根离子(HCO3-)含量较为稳定，其值介于65.0～349.0 mg/L，平均离子含量为225.10 mg/L；此外，泉点型饮用天然矿泉水NO3-、SO42-和Cl-平均含量分别为10.93 mg/L、95.88 mg/L和6.14 mg/L。

2.3 水化学类型

贵州省饮用天然矿泉水化学类型丰富，从Piper三线图(图2)可以看出，贵州省饮用天然矿泉水阳离子方面(左下角三角区域)，贵州省饮用天然矿泉水阳离子投点明显集中于Ca2+离子端元，指示其阳离子以Ca2+离子为主，而地热井型和温泉型饮用天然矿泉水有着明显偏向于Mg2+和ALK端元发育的特征；阴离子方面(右下角三角区域)，泉点型和地下水开采井型饮用天然矿泉水投点均落于SO42-离子端元边线，指示其由HCO3-离子为主导向以SO42-离子为主导过渡的趋势特征。

图2 贵州省饮用天然矿泉水Piper三线图

水性质方面(中间菱形区域)，投点大部份集中于右上角区域，指示贵州省饮用天然矿泉水强酸离子含量大于弱酸离子，且非碳酸硬度(次生盐度)超过50%。总体上，贵州省饮用天然矿泉水化学类型以HCO3(SO4)-Ca(Mg)为主。

3 讨论

3.1 水化学组份空间变异性

在数理统计学中，变异系数是概率分布离散程度的归一化量度，是用于表征变量变幅和稳定性的特征参数，变量的变幅越大，稳定性越弱，其变异系数就越大，而较大的变异系数说明影响参与评价的地下水化学组份形成与演化的因素相对更加复杂。

贵州省地热井型饮用天然矿泉水K+、Na+、Cl-、SO42-和NO3-的空间变异性较大，其变异系数分别为101.3%、134.8%、244.5%、136.6%和146.3%(表1)，说明其离子来源复杂多样，主要包括与地表水的混合、人类生产生活、工矿企业生产等的综合影响[11-12]；而Ca2+、Mg2+、HCO3-、偏硅酸和TDS等指标变异系数相对较小，主要反映的是矿物溶解、离子置换等过程的贡献[13-14]。

表1 贵州省饮用天然矿泉水数理统计结果表

贵州省温泉型饮用天然矿泉水Na+、SO42-和NO3-的空间变异性较大，其变异系数分别为171.4%、95.5%和98.8%(表1)，说明其离子来源并非单一水岩作用过程，而受一定程度农业生产生活的影响[15]，其余水质指标变异系数相对较小。

贵州省地下水开采井型和泉点型饮用天然矿泉水Na+、SO42-和NO3-的空间变异性较大，其变异系数均大于100%(表1)，说明贵州省地下水开采井型饮用天然矿泉水受一定程度居民生活污水的影响较为明显，其余水质指标变异系数相对较小，主要反映的是正常水岩作用过程的溶滤作用。

3.2 区域分布特征

对全省112件饮用天然矿泉水的空间分布特征进行分析发现，贵州省饮用天然矿泉水北富南贫的特征，但在各市州均有发育(表2)，其中铜仁市最多，占比达31.3%，其次为遵义市，其占比为17.0%，毕节市、贵阳市、黔东南州、黔南州、黔西南州和安顺市发育数量相对较少，占比分别为13.4%、11.6%、7.1%、6.3%、5.4%和5.4%。饮用天然矿泉水类型方面，泉点型饮用天然矿泉水发育最多，其次为地热井型，温泉型再次，地下水开采井型最少(图3)。

图3 贵州省各市州各类型饮用天然矿泉水分布柱状图

表2 贵州省饮用天然矿泉水各市州分布图

3.3 饮用天然矿泉水类型

通过对全省112件饮用天然矿泉水对人体有益组份含量的分析，结合各类饮用天然矿泉水的评价标准，将贵州省饮用天然矿泉水分为单一型、二元复合型和多元复合型(以三元复合型为主)，具体分类见表3和图4。

表3 贵州省饮用天然矿泉水分类表

图4 贵州省饮用天然矿泉水分类柱状图

首先，从图4可以看出，贵州省饮用天然矿泉水以单一型为主，占比高达71.43%，其中尤以单一锶型饮用天然矿泉水为主，其所占单一型饮用天然矿泉水的比例为92.5%，其次为单一偏硅酸型和单一硒型，其占比分别为6.3%和1.3%；其次，二元复合型饮用天然矿泉水类型有偏硅酸+锶二元型、锶+锂二元型以及锂+偏硅酸二元型三种，其中以偏硅酸+锶二元复合型为主，共计24件，占比达88.9%；最后，三元复合型饮用天然矿泉水总体发育数量最少，仅5件，类型为锂+锶+偏硅酸和硫化氢+锶+偏硅酸两种，其分别有4件和1件。

3.4 锶的分布规律

根据前述研究发现，贵州省饮用天然矿泉水中最重要的发育最为常见的为含锶型饮用天然矿泉水，为分析全省饮用天然矿泉水中有益组分锶的分布特征，现对全省及饮用天然矿泉水的锶含量进行克里金空间插值，并根据插值结果利用sufer 15.0进行贵州省饮用天然矿泉水锶含量等值线图的绘制，绘制结果见图5。

图5 贵州省饮用天然矿泉水锶含量等值线图

从图中可以看到，贵州省饮用天然矿泉水锶含量总体呈现出两个高值区域，高值区以遵义市绥阳县(DR61)和安顺市黔西县(DR103)为中心，其最锶含量分别为11.17 mg/L和16.29 mg/L。另外，贵州省饮用天然矿泉水锶含量存在多处明显的锶含量低值区，主要涉及黔东南州全区、贵阳市南部地区以及毕节市-六盘水市西部，上述区域内的饮用天然矿泉水锶含量均低于0.20 mg/L。

已有研究表明，饮用天然矿泉水锶元素主要是受富水岩层矿物组分中的锶元素的含量、水岩作用时间以及水温等的控制[16]，地下水锶含量与地下水中钙离子含量呈现出明显的正相关关系[17]。

贵州省高锶型饮用天然矿泉水的赋存介质均为碳酸盐岩，且以白云岩(Ca(Mg)(CO3)2)为主。锶元素多以分散状态以类质同象形式替换钙离子占据白云岩等碳酸盐岩的钙离子占位。另外，矿泉水中锶元素含量的高低的另一重要影响因素为水岩作用时间。地下水入渗深度越大、循环时间越长，水岩作用时间即越久，因此总体表现为在以遵义市绥阳县DR61地热井和安顺市黔西县DR103地热井为中心的锶含量高值区；贵州省低锶型饮用天然矿泉水(锶含量小于0.2 mg/L)主要分布与黔东南州及毕节-安顺以西区域。低锶区主要受地层岩性的控制，黔东南州发育地层以震旦系碎屑岩为主，含锶矿物相对贫乏，因此即使在该类区域内的地热井水的锶含量亦较低，无法达到锶型矿泉水的限值标准。