南昌平原区孔隙地下水水化学特征及成因分析

陈昌剑，马青山，徐卫东，田福金

(1.东华理工大学 水资源与环境工程学院，江西 南昌 300314；2.中国地质调查局 南京地质调查中心，江苏 南京 210016)

地下水化学特征反映了地下水化学宏观状况，进行地下水化学成因分析对于揭示地下水环境变化过程及水文地球化学演化规律具有重要意义，有助于科学规划和有效利用地下水资源、保护和改善生态环境[1]。

近年来，国内外学者对地下水化学成因及演化过程做了大量研究。王晓曦等[2]运用了描述性统计，离子比例系数等方法，阐明了滦河沿岸浅层地下水化学类型在空间上的变化趋势及相关成因。孙英等[3]通过采用描述性分析、离子比值法等手段，揭示了新疆巴楚县平原区地下水化学组分主要受到蒸发浓缩作用影响。刘江涛等[4]综合运用数理统计、舒卡列夫分类、Piper三线图、Gibbs图和离子比值等方法，指出了沁河冲洪积扇地下水水化学演化过程的主要控制因素。Sivakarun N等[5]利用离子比值和水化学参数统计等方法，说明了印度南部沿海地区地下水的影响因素。

南昌市浅层孔隙地下水资源丰富，为南昌市最主要的地下水供水水源[6]。以南昌平原区孔隙水为研究对象，依托“南昌市多要素城市地质调查项目”，根据地下水调查和水化学分析结果，运用统计学和Piper三线图，综合分析地下水化学特征，结合Gibbs图和离子比例系数法，进一步说明地下水中离子组分的成因机制，揭示其来源。

1 研究区概况

研究区位于南昌赣抚冲积平原区内，北纬28°21′2.93″～28°46′15.13″，东经115°48′43.09″～116°7′32.06″，总面积约767.91 km2，地势平坦，海拔17～37 m。气候类型属亚热带季风气候，年平均气温17.6℃，年平均降水量约1 596 mm，年平均蒸发量为1 227.4 mm。

研究区涵盖河漫滩平原、一级阶地、二级阶地以及岗地四种地貌类型，其地表由更新世以来松散的河流冲积层所覆盖，下伏为第三系红层(泥质粉砂岩、砂砾岩)，根据含水介质的不同，在垂向上分为松散岩类孔隙水和红层溶蚀孔隙裂隙水两种类型。孔隙水含水层具有二元结构，上部为亚粘土，亚砂土、粘土、淤泥质粘土等，透水性弱；下部为砂卵砾石层，局部夹淤泥质粘性土透镜体，透水性强。孔隙水含水层平均厚度为15.2 m，主要接受来自大气降水的直接渗入补给[7]，排泄方式以侧向流出及人工开采为主。根据孔隙水富水性将研究区划分为两种Ⅰ区和Ⅱ区，Ⅰ区位于西湖区-东湖区-莲塘镇一带，富水性较强，单井涌水量可达10 L·m/s，Ⅱ区位于东新乡-富山乡-岗上镇以及昌东镇-麻丘镇一带，单井涌水量1～10 L·m/s。地下水整体水流方向为Ⅰ区流向Ⅱ区(见图1和图2)。

图1 孔隙含水层富水性分区及采样点分布图

图2 水文地质剖面示意图

2 样品采集与测试

地下水化学数据主要来源于中国地质调查局“南昌多要素城市地质调查”二级项目，于2018年12月份至2019年7月份野外采集地下水水样90组，采样层位均为第四系松散孔隙含水层，采样深度2～30 m。地下水现场的取样及封装保存，依据水质采样技术指导(HJ494-2009)和水质样品的保存和管理技术规定)HJ493-2009)进行。所取水样送于南国土资源部华东矿产资源监督检测中心进行检测，样品的水温、pH、电导率和Eh等采用Smart型多参数水质分析仪现场测定。地下水主要离子浓度依据实验室检测相关标准进行测定，K+、Na+采用火焰原子吸收光谱仪进行测定，Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法测定，Cl-和SO42-采用离子色谱仪分析测定，HCO3-用盐酸滴定法测定，TDS利用烘干法进行测定。

3 结果与讨论

3.1 地下水化学的基本特征

地下水化学参数统计是认识地下水化学性质的重要手段。基于统计学理论，运用SPSS 26.0软件对通过阴阳离子平衡检验的90组地下水水样的地下水化学指标进行了统计分析，结果如表1所示。

表1 地下水水化学参数统计表

从表1中可以看出，研究区地下水pH均值为6.27，整体上处于偏酸性环境；TDS介于38.00～593.00 mg/L，属于淡水；阳离子以Ca2+和Na+为主，含量关系为Ca2+>Na+>Mg2+>K+，阴离子主要以HCO3-为主，含量关系为 HCO3->NO3->SO42->Cl-；离子浓度的变异系数值越大，说明其在地下水中的浓度越不稳定，与外界介质易发生反应。K+离子变异系数较大，说明其在地下水中的含量变化较大，具有较大空间差异性，其他离子在空间分布上相对稳定。地下水从Ⅰ区运动到Ⅱ区的过程中，发生了矿物成分的溶解，TDS平均浓度由178.97 mg/L上升为213.36 mg/L。其中，以HCO3。-、Na+和Cl-的物质的量的浓度变化最大，分别上升了0.25 meq·L-1、0.22 meq·L-1、0.18 meq·L-1。

3.2 水化学类型及分布特征

Piper三线图是分析水文地球化学数据的一种很常用的方法。它简单直观的展现了主要离子空间关系[8-9]。根据研究区地下水样常规组分和TDS的资料，绘制出Piper三线图。从图3中可以看出，如阴离子三角图所示，水样点大部分落于D区域，小部分点落于E、F区，总体趋势较为分散，HCO3型地下水占据绝对优势；阳离子三角图中，水样点集中分布于中间偏左下方，Ca、Na+K型水占据水样点的大部分，Mg型相对较少，说明地下水中的阳离子来源较统一。根据菱形图中水样点的分布区域，研究区内地下水以HCO3-Ca及混合型为主。

图3 Piper三线图

地下水化学类型在空间上的分布特征能直观反映各个地下水类型在平面距离上的连续性及转变关系。图4参照舒卡列夫水化学分类法对孔隙地下水进行分区，如图所示，南昌平原区孔隙地下水以HCO3型及HCO3主导的混合型为主。其中，HCO3型地下水分布面积最广，为研究区中部与南部最主要的孔隙地下水类型；混合型地下水主要分布于东湖区-青山湖区北部一带，莲塘镇北、东新乡南也有小面积分布；HCO3-Cl(Cl-HCO3)型主要分布于向塘镇周围，小面积分布于青云谱区一带；HCO3-SO4(SO4-HCO3)型于东新乡南部、莲塘镇北部等地均有较小范围分布；HCO3-SO4(SO4-HCO3)型较集中分布向塘镇、岗上镇一带；SO4型地下水在区域内分布范围最小，于东新乡东部及青云谱镇南部小范围分布。整体上沿地下水流向，地下水离子浓度逐渐上升。由南往北，地下水类型在空间上呈现出HCO3-Cl(HCO3-SO4/SO4-Cl)型→HCO3型→混合型的分带性。

图4 研究区孔隙水水化学分区图

3.3 地下水化学成因分析

3.3.1 主要离子控制因素分析

溶滤作用、蒸发浓缩作用、离子交换等作用是造成浅层孔隙地下水化学成分与浓度发生变化的主要作用[10]。Gibbs图利用水中阳离子质量浓度比值Na+/(Na++Ca2+)和阴离子质量浓度比值Cl-/(Cl-+HCO3-)与溶解性总固体含量(TDS)的关系，宏观上反映水中主要离子的控制因素，根据水样数据分布可以指示三种成因类型：蒸发浓缩型、岩石风化型和降水控制型。为了确定地下水形成的控制因素，运用Gibbs图来对水样数据进一步分析。将水化学数据绘入Gibbs图中，如图5可知，地下水水样点基本落在岩石风化控制范围内，蒸发浓缩以及降水控制区域无水样点分布，说明研究区内的地下水化学形成的控制因素为岩石风化，即地下水中的主要离子成分来源于水-岩相互作用。

图5 地下水Gibbs图

3.3.2 离子来源和形成作用解析

Gibbs图揭示了地下水的控制性因素，反映了地下水在运动过程中主要发生溶滤作用及阳离子交换作用等水-岩作用。地下水离子浓度以及分布状态受到地下水流和流经岩土体矿物种类的影响。为了进一步探究地下水中化学组分的来源，利用离子比例系数对各主要离子进行分析。

γ(Na++K+)与γ(Cl-)的毫克当量浓度比值可以反映地下水中Na+及K+的来源[11]。若γ(Na++K+)/γ(Cl-的值接近于1，说明地下水中Na+、K+来自岩盐的溶解；若γ(Na++K+)/γ(Cl-)的值接大于1，说明地下水中Na+、K+来自硅酸盐的溶解；若γ(Na++K+)/γ(Cl-)的值接小于1，则说明可能存在阳离子交换作用。如图6(a)，比例系数范围0.86～3.59，大部分的点均位于y=x线上方，少数点接近y=x线，说明孔隙地下水中Na+和K+除了来源于盐岩溶解外，过剩的Na+和K+可能来源于硅酸盐岩的溶解。Ⅱ区γ(Na++K+)/γ(Cl-)的的比值相对Ⅰ区高，可能是因为Ⅱ区在排泄区地势平缓，地下水流速缓慢，水岩作用充分，并发生了一定程度的蒸发浓缩作用，所以导致排泄区γ(Na++K+)/γ(Cl-)值偏高。

图6 离子比例系数图

地下水中的Ca2+、Mg2+可能的主要来源为碳酸盐、硅酸盐及蒸发岩。根据γ(Ca2++Mg2+)与γ(HCO3-+SO42-)的毫克当量比值，可以判断出Ca2+、Mg2+的主要来源[12]。若γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)大于1，说明地下水中Ca2+、Mg2+来自碳酸盐的溶解；若γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)小于1，则说明地下水中Ca2+、Mg2+来自硅酸盐和蒸发岩的溶解。如图6(b)所示，52个水样点比值大于1，另外38水样点比值小于1，说明碳酸盐、硅酸盐以及蒸发岩为研究区地下水中Ca2+、Mg2+的共同来源，碳酸盐占据更大比重。比值小于1的水样点聚集在排泄区，说明地下水在运动过程中获得硅酸盐溶解补充。

γ(SO42-+Cl-)与γ(HCO3-)的比值关系可以进一步识别出碳酸盐与蒸发岩对主要阴离子的来源的影响程度[13-14]。如图6(c)，约54%孔隙地下水水样γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)大于1，其余比值小于1，碳酸盐与蒸发岩比例相当。蒸发岩是指硫酸盐、岩盐等，由前文知岩盐溶解并非是地下水化学组分的主要来源，因此可以判断硫酸盐岩与碳酸盐岩是主要的阴离子来源。

地下水流动速度是溶滤作用强弱程度的控制性因素，γ(Cl-)/γ(Ca2+)表征地下水动力特征参数，γ(Cl-)/γ(Ca2+)比值大常说明地下水流动滞缓，地下水交替程度弱[15]。据图6(d)，水样点的γ(Cl-)/γ(Ca2+)值并未随着Cl-值的增大而增大，比值的范围介于0.14～3.39，其中约87%的点γ(Cl-)/γ(Ca2+)小于1，这表明地下水在孔隙含水层中流动速度大，水流与岩石中的矿物接触时间短，溶滤作用强度较弱。

4 结语

(1)研究区内孔隙地下水大部分偏酸性，阴离子以HCO3-为主，阳离子中Ca2+、Na+为主。

(2)沿地下水流动方向，TDS浓度整体上升，各离子组分浓度均有不同程度上升，HCO3-、Na+和Cl-的浓度变化相对较大。水化学类型复杂，以HCO3-Ca型、混合型淡水为主，由南往北具有分带性

(3)地下水的控制性成因是岩石风化，岩石矿物中的化学组分主要通过溶滤作用进入地下水中，由于地下水流动速度较大，溶滤作用有限。孔隙水地下水中的Na+、K+来源于硅酸盐岩，Ca2+、Mg2+来源于碳酸盐岩、硅酸盐岩以及蒸发岩，以及SO42-、Cl-与HCO3-等阴离子来源于硫酸盐岩与碳酸盐岩。