新会区地下水水化学特征及成因

倪泽华

（广东省地质调查院，广东 广州 510110）

地下水在循环过程中不断与周围环境相互作用导致了地下水水化学特征差异的形成，影响其分布规律的因素主要有气候条件、径流条件、地形地貌等自然因素，人类活动的影响也不容忽视[1-2]。通过分析地下水的水化学特征及成因能够揭示地下水的循环机理[3]。目前，国内外学者常利用描述性统计法[4]、Piper三线图法[5]、Gibbs图法[6-7]、离子比例法和饱和指数法[8]等方法研究地下水化学特征，近年来，同位素分析方法[9-10]、水文地球化学模拟[11]、物探结合地下水TDS分析方法[12]等也逐渐应用于地下水化学特征的研究中。

珠江三角洲自古农业活动繁盛，加之改革开放之后经济发展迅猛，成为国内综合实力最强的城市群之一，但这也对区域内水环境造成巨大的影响[13-14]。新会区作为珠江三角洲西岸的一部分，地下水研究工作较少，掌握区内地下水水化学组分的空间分布、水化学特征及成因，能够完善珠三角地区地下水水化学特征研究工作，也为区内地下水资源合理利用与保护提供依据。本文利用《新会区城市地质调查》项目调查数据，采用Gibbs图法、Durov图法、离子比例法、饱和指数法等方法对区内地下水化学类型进行分析，揭示区内地下水化学特征及其成因。

1 研究区概况

新会区在构造单元上属华南褶皱系之粤中坳陷区三级构造单元。岩石类型复杂，沉积岩、变质岩和侵入岩均有发育。南部和北部广泛分布有花岗岩，南部为为燕山期花岗岩；北部主要为早燕山期晚三叠世花岗岩，局部见加里东期晚奥陶世片麻状花岗岩。中部的第四系松散沉积层大面积分布，包括晚更新世礼乐组，全新世桂洲组、山间河流冲积层和现代人工填土。前第四纪地层出露面积较小，包括寒武纪牛角河组、高滩组，晚泥盆世春湾组，早白垩世百足山组和古新世莘庄村组。区内断裂构造十分发育，以北东东、北北西、北东和北西向断裂为主，部分断裂具有一定的活动性。根据含水层类型，区内地下水主要分为松散岩类孔隙水、红层碎屑岩裂隙孔隙水、一般碎屑岩裂隙水、岩浆岩裂隙水四类。地下水总体流向为自西北向东南，以蒸发和人工开采为主要排泄方式，最终排泄汇入于潭江、西江中。

2 数据来源与分析

本次采集地下水样品120组，采样时间为2020 年，采样点主要为区内调查民井，泉水出露点以及水文地质钻孔水样（图1）。样品采集、保存和送样严格按《地下水环境监测技术规范》（HJ/T 164-2004）执行，地下水样品测试委托广东省地质实验测试中心完成，其中水温、pH、TDS、DO均为现场测试，其余指标为实验室所测。对水样结果进行碳酸平衡、电荷平衡等预筛选后剔除1 组异常数据，剩下119 组地下水数据用于本次研究其中松散岩类孔隙水样81 组，基岩裂隙水样38 组。

图1 新会区地下水采样位置图

3 结果与分析

3.1 水化学特征

3.1.1 水化学成分特征

本次地下水样分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。其中松散岩类孔隙水pH变化区间4.25～8.47，其中60.49%的水点pH＜7，平均值6.62，总体呈弱酸性；溶解性总固体（TDS）变 化 区 间34 mg·L-1～15936 mg·L-1，其 中83.95%的 水 点＜1g·L-1，平均值1188.06 mg·L-1，总体为淡水；总硬度变化区间8.71 mg·L-1～2998 mg·L-1，平均值297.11 mg·L-1，总体硬度较低。基岩裂隙水pH变化区间4.77～8.62，其中71.05%的水点pH＜7，平均值6.60，总体呈弱酸性；溶解性总固体（TDS）变 化 区 间51 mg·L-1～15249 mg·L-1，其 中73.68%的 水 点＜1g·L-1，平均值2175.61 mg·L-1，总体为淡水；总硬度变化区间2.9 mg·L-1～4088 mg·L-1，平均值671.26 mg·L-1，总体硬度较低。

松散岩类孔隙水中阳离子以Ca2+为主，平均浓度为62.67 mg·L-1，其次为Na+，平均浓度为303.36 mg·L-1，K+、Mg2+浓度较低，平均浓度分别为24.13 mg·L-1、34.16 mg·L-1；阴离子以HCO3-为主，平均浓度为174.35 mg·L-1，其次为Cl-、SO42-、NO3-，其浓度平均值分别为547.47 mg·L-1、53.78 mg·L-1、23.11 mg·L-1（图2）。基岩裂隙水中阳离子以Na+为主，平均浓度为530.73 mg·L-1，其次为Ca2+，平均浓度为161.98 mg·L-1。阴离子以Cl-为主，平均浓度为1197.68 mg·L-1，其次为HCO3-，平均浓度分别为63.98 mg·L-1。SO42-、NO3-浓度较低，平均浓度分别为78.27 mg·L-1、5.12 mg·L-1（图2）。

图2 新会区地下水水化学参数箱图

3.1.2 水化学类型特征

Durov图在继承了Piper三线图反映地下水的化学组分和水化学类型优点的基础上，又可以清楚展示pH和TDS的情况[15]。如图3所示，松散岩类孔隙水以HCO3-Ca型水为主，其次为Cl-Na型水，另外还包含少量的HCO3-Na、SO4-Na、SO4-Ca型水。基岩裂隙水以Cl-Na型水为主，其次为HCO3-Na型水，另外还包含少量的HCO3-Ca、SO4-Na型水。基岩裂隙水中Cl-Na型水多分布于区内海湾平原区，沿江两岸及填海区等咸水分布区，推测受咸潮上溯、海水入侵的影响，导致该地区地下水矿化度高。

图3 新会区地下水Piper三线图

3.2 水化学类型成因分析

3.2.1 地下水化学控制作用

我回了一趟昌隆街看望父亲，这是我离开之后的第二次回家。头一次是五年前，谢瑞天陪我回来的，他说他的身份不便于见我父亲，于是便在县城的宾馆里等我。

Gibbs图能够清晰的反映出地下水中主要离子受大气降水、岩石风化以及蒸发结晶三种作用影响[16]。

由图4可知，区内松散岩类孔隙水和基岩裂隙水均主要受到岩石风化作用控制，其次受到部分蒸发结晶作用（右上角）的影响，结合这些蒸发结晶取样点位置可以发现这些点主要分布于微咸水-咸水区以及沿海的人工围垦区，地下水受海水影响严重，但是也存在两个明显受到人类活动影响的水点（qJ06-q，qJ19-q）。各地层虽都接受大气降水补给，但经历了下渗、径流过程中的溶滤、混合等作用后，大气降水对地下水化学成分已没有明显影响。

图4 新会区地下水水化学Gibbs图

水体和围岩（碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发岩）之间的相互作用可以根据Mg2+/Na+、Ca2+/Na+和HCO3-/Na+的比值关系进行研究[17、18]。如图5所示，研究区地下水样点主要位于蒸发岩和硅酸盐岩风化端元之间，只有少部分样点位于硅酸盐岩和碳酸盐岩风化端元之间，表明蒸发岩和硅酸盐岩在岩石风化过程中起主要影响作用，碳酸盐岩对其影响较小。其中基岩裂隙水样主要受蒸发岩风化作用影响，松散岩类孔隙水样主要受硅酸盐岩风化作用影响。

图5 新会区地下水Mg2+/Na+与 Ca2+/Na+、HCO3-/Na+与 Ca2+/Na+比值关系

3.2.2 矿物饱和指数

利用Phreeqc软件可以计算出新会区地下水主要矿物（岩盐、石膏、方解石、白云石）的饱和指数（SI），进而判断其溶解状态[19]。

如图6所示，新会区所有地下水点中的岩盐和石膏均处于溶解状态（SI＜0），说明岩盐（NaCl、KCl）和石膏（CaSO4）溶解是研究区内地下水矿化过程中K+、Na+、Cl-、Ca2+、SO42-的重要物质来源。

图6 新会区地下水主要矿物的饱和指数图

方解石矿物（CaCO3）饱和指数结果显示81%的水点（81.6%的基岩裂隙水、80.2%的松散岩类孔隙水）处于溶解状态，白云石矿物（CaMg（CO3）2）饱和指数结果显示87%的水点（84.2%的基岩裂隙水、88.9%的松散岩类孔隙水）处于溶解状态，其余大部分水点中白云石和方解石均处于饱和状态，另外由于补给、径流、排泄的差异，少部分水点白云石和方解石溶解状态存在差异。

3.2.3 主要离子比例关系

不同岩石风化对地下水主要化学组分来源的影响可以通过离子比值法进行判别[20]。自然条件下，地下水中的Na+、K+和Cl-主要来源于岩盐的溶解作用。根据图7中（a）图和（b）图可以发现，区内地下水多数分布于γ（Na+）/γ（Cl-）＞1，γ（Na++K+）/γ（Cl-）＞1的区域。其中基岩裂隙水中有63.2%的水点γ（Na+）/γ（Cl-）＞1，65.8%的水点γ（Na++K+）/γ（Cl-）＞1，说明区内基岩裂隙水中除岩盐的溶解作用外还存在硅酸盐的溶解或阳离子交换作用导致Na+、K+浓度的升高。松散岩类孔隙水中54.3%的水点γ（Na+）/γ（Cl-）＞1，80.2%的水点γ（Na++K+）/γ（Cl-）＞1，也说明松散岩类孔隙水中除岩盐的溶解作用外还存在硅酸盐矿物的溶解作用、阳离子交换作用以及人类活动的影响，松散岩类孔隙水中K+浓度1.02 mg·L-1～125.4 mg·L-1，平均值为14.9 mg·L-1，变异系数为1.71，说明存在人类活动影响导致松散岩类孔隙水K+浓度明显升高。对比区内基岩裂隙水和松散岩类孔隙水γ（Na++K+）/γCl-＞1的水点数量可知，松散岩类孔隙水中的硅酸盐的溶解作用明显强于基岩裂隙水。

图7中（c）图显示多数水点分布于γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-）＞1区域，但是基岩裂隙水中只有47.4%的水点γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-）＞1，结合（d）图36.8%的基岩裂隙水点γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-）+SO42-）＞1可知，说明存在阳离子交换作用导致Ca2+和Mg2+浓度降低。松散岩类孔隙水中85.2%的水点γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3-＞1，说明松散岩类孔隙水中碳酸盐岩（方解石、白云岩）和蒸发岩（石膏）均发生溶解，但蒸发岩的溶解作用更强，45.7%的水点γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-）＞1，说明存在阳离子交换作用导致Ca2+和Mg2+浓度降低。

图7 新会区地下水离子比值关系图

蒸发岩和碳酸盐岩矿物溶解作用的主导地位可以通过γ（Cl-+SO42-）/γ（HCO3-）关系判断[21]。图7（e）图显示多数水点γ（Cl-+SO42-）/γ（HCO3-）＞1，其中71.1%基岩裂隙水点，44.4%的松散岩类孔隙水点γ（Cl-+SO42-）/γ（HCO3-）＞1，说明基岩裂隙水中蒸发岩的溶解作用强于碳酸盐岩的溶解作用，松散岩类孔隙水中碳酸盐岩的溶解作用强于蒸发岩的溶解作用。

地下水中阳离子交换作用是否明显可以根据γ（Na+-Cl-）与γ（Ca2++Mg2+）-γ（HCO3-+SO42-）的关系验证，当γ（Na+-Cl-）与γ（Ca2++Mg2+）-γ（HCO3-+SO42-）比值接近-1时，表明地下水中阳离子交换作用明显[22]。区内地下水点沿着斜率-1.0282的直线分布（R2=0.987），说明区内基岩裂隙水和松散岩类孔隙水均存在明显的阳离子交换作用。但基岩裂隙水样点沿着斜率-1.0004的直线分布（R2=0.9956），而松散岩类孔隙水样点沿着斜率-1.1361的直线分布（R2=0.9761），说明地下水中基岩裂隙水的阳离子交换作用强于松散岩类孔隙水。

地下水化学演化过程中离子交换强度可以根据地下水氯碱指数（CAI）判别，若地下水中Ca2+或Mg2+与含水层中的Na+进行交换，则CAI-I与CAI-II均为负值；若地下水中的Na+与含水层中的Ca2+或Mg2+发生离子交换，则CAI-I与CAI-II均正值[23]。

2（Na，K）++ （Ca，Mg）X2=（Ca，Mg）2++2（Na，K）X（逆向阳离子交换作用）

图8显示66.4%的水点（63.2%的基岩裂隙水、67.9%的松散岩类孔隙水）CAI-I和CAI-II值均为负值，说明地下水中主要发生Ca2+或Mg2+将含水层矿物中Na+、K+交换出来的离子交换反应，最终导致地下水中Na+、K+浓度升高的情况。然后将氯碱指数均为负值的水点与图7的（c）、（d）图中γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3-＜1和γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-）＜1的水点进行比对，发现氯碱指数均为负值的水点同时满足γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3-＜1且γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-））＜1，这说明这部分水点的Ca2+或Mg2+浓度降低是因为阳离子交换作用导致的。

图8 新会区地下水氯碱指数关系图

3.2.4 人类活动影响

区内影响地下水水化学成因的主要人类活动有工矿活动、农业活动以及生活污水排放。通过将Cl-、SO42-、NO3-这三个有明显人类活动特征的离子代入Gibbs模型的阴离子式[24]，进一步解释人类活动对地下水的水化学特征的影响，结果显示区内地下水受到水岩作用和人类活动共同影响。再根据SO42-/Ca2+与NO3-/Ca2+关系图[25-28]发现农业活动和生活污水排放对地下水的影响更大，最后根据K+与NO3-比值关系图（图9（c））判断农业活动和生活污水排放的主导作用，结果显示62%的水点分布在1∶1等值线的上方，说明区内主要受到生活污水排放污染，这一结果与调查区内城镇普遍存在的生活污水未经处理随意排放以及化粪池泄露的情况相符。

图9 比值关系图

4 结论

1）新会区松散岩类孔隙水和基岩裂隙水pH均呈弱酸性。松散岩类孔隙水中阳离子主要为Ca2+，阴离子主要为HCO3-；水化学类型以HCO3-Ca型水为主，其次为Cl-Na型水。基岩裂隙水阳离子主要为Na+，阴离子主要为Cl-；水化学类型以Cl-Na型水为主，其次为HCO3-Na型水。

2）新会区地下水中Na+、K+、和Cl-主要来自岩盐矿物的溶解，过量的Na+、K+来源于钠长石和钾长石等硅酸矿物的溶解、阳离子交换作用以及人类活动的影响，并且松散岩类孔隙水中的硅酸盐的溶解作用明显强于基岩裂隙水。区内地下水中Ca2+和Mg2+主要来源于蒸发岩（石膏）和碳酸盐岩（方解石、白云岩）的风化溶解作用，在基岩裂隙水中蒸发岩的溶解作用强于碳酸盐岩的溶解作用，在松散岩类孔隙水中碳酸盐岩的溶解作用强于蒸发岩的溶解作用。

3）除了岩石风化作用外，松散岩类孔隙水和基岩裂隙水中发生了明显的Ca2+或Mg2+将含水层矿物中Na+、K+交换出来的正向阳离子交换作用，最终导致地下水中Na+、K+浓度升高，而且基岩裂隙水中的阳离子交换作用强于松散岩类孔隙水。

4）新会区地下水受到的人类活动影响主要为农业活动和生活污水排放，而且以生活污水排放污染影响为主，部分水点受到工矿活动的影响。