极端洪涝作用下江西乐安河沿岸地下水化学组分特征及来源分析

魏信祥, 杨周白露, 许乃政

(1.东华理工大学 水资源与环境工程学院, 江西 南昌 330013; 2.江西水利职业学院 水利工程系,江西 南昌 330013; 3.中国地质调查局南京地质调查中心, 江苏 南京 210016)

1 研究背景

地下水约占地球上液态淡水资源总量的99%,全球50%的居民生活用水来源于地下水,同时地下水还是农业灌溉、工业生产用水的重要保障,对促进社会经济发展和维护生态系统功能健康至关重要。近年来,不合理的人类生产活动对地下水资源构成了严重威胁,是造成地下水水质污染的主要因素[1-2]。开展地下水化学组分及其形成演化的研究对于查明地下水中污染成分的来源及污染程度具有重要意义。地下水化学组分的形成主要受控于溶滤作用、蒸发浓缩作用、阳离子交替吸附作用和混合作用等[3]。值得注意的是,全球最常见的自然灾害洪涝也会对地下水化学组分产生显著的影响。印度Adyar河地下水主要化学离子浓度在洪涝期间受到稀释而降低,而有害微量金属元素及微生物(细菌、病原体)浓度在携带大量污染物的城镇地表径流的影响下升高[4],类似的现象也出现在沙特阿拉伯Wadi Baysh流域洪涝灾害后的地下水中[5]。内蒙古大同盆地的一次短期人工水淹实验结果显示,洪涝期间地表水和地下水发生混合,包气带蒸发矿物淋滤作用的增强促使地下水中主要离子浓度升高[6]。在农业活动密集的地区,尿素等氮肥被大量使用,发生洪涝灾害后地下水中氮污染物浓度普遍升高[7]。

当前,地下水水化学组分形成演化的研究方法主要包括图示法(如Gibbs图、Piper三线图)[8-10]、数理统计方法(例如Pearson相关性分析、Q型-R型聚类分析、主成分分析等)[5,11-12]、主要离子比法[13-14]等。考虑到单一方法的局限性,综合多种方法对地下水水化学成分的形成进行研究能获得更加可靠的结果。张涛等[14]综合运用数理统计、Piper三线图、Gibbs模型和离子比等方法分析了黑龙江蛤蟆通河流域地下水的水文地球化学特征,并探讨了水化学演化规律及主要离子来源;魏善明等[15]综合利用Piper三线图、离子比及数理统计等方法,研究了山东省东汶河沂南地区地下水水化学特征及形成机理;冯海波等[16]运用流场对比、数理统计、Piper三线图等方法,揭示了煤矿区地下水流场和水化学场的时空演化规律。

乐安河位于江西省东北部,是中国最大的淡水湖鄱阳湖的主要支流。乐安河上游赋存丰富的矿产资源,包括我国最大的露天铜矿-德兴铜矿,几十年的矿山开采不断向乐安河输入有害重金属元素,使得乐安河成为鄱阳湖五大水系中重金属污染最为严重的水域之一[17-20]。另外,受沿岸城镇污水、畜牧养殖、农业施肥等影响,乐安河还存在COD、氨氮、硝酸盐、氯化物超标等水质污染问题[21-22]。2022年6月18日至22日,乐安河流域乐平市境内普降大暴雨,全市平均降雨量达404.2 mm,乐安河虎山水文站出现超历史最高水位,当地启动防汛I级响应。乐安河沿岸名口镇、鸬鹚乡、众埠镇、接渡镇、浯口镇等乡镇的低洼地带发生洪涝灾害,受灾面积达70 km2。洪涝期间,地表水与相邻地下含水层之间的水力交换可能造成地下水水质的恶化[23],且地下水是当地农村居民重要的饮用水源。因此,本文选择该地区为研究对象,综合运用Piper三线图、Gibbs图、数理统计、主要离子比等方法,分析洪涝作用下地下水水化学特征及形成演化过程,评估地下水水质状况及健康风险。研究结果将为极端洪涝灾害影响下的地下饮用水安全和公共健康风险管控提供科学依据。研究区地理位置和地下水采样点分布见图1。

图1 研究区地理位置和地下水采样点分布

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

乐安河是鄱阳湖的主要支流,位于江西省东北部,发源于怀玉山西麓,自东向西流经婺源县、德兴市、乐平市、万年县、鄱阳县,至鄱阳县姚公渡与昌江汇合成饶河后最终汇入鄱阳湖,全长279 km,丰水期河宽100～200 m,枯水期河宽30～100 m,流域面积为8 989 km2[19]。本次洪涝灾害研究区主要位于乐平市乐安河沿岸,坐标为东经117°5′～117°30′、北纬28°50′～29°0′。研究区属于典型的亚热带季风气候区,夏季高温多雨、冬季温和少雨,年平均气温为18.3 ℃,年平均降水量为1 672.3 mm,降水量年内分配极不均匀,暴雨多集中在5—7月份,且持续时间较长,极易导致洪涝灾害发生。区内地势大体呈现从东向西逐渐降低趋势,地形大致呈3个梯级:北、东、南三方边缘为低山丘陵(海拔200～500 m),中部是平原与丘陵交错(海拔100～200 m),西部乐安河及沿岸为平原盆地(海拔20～60 m)。土壤主要有水稻土、潮土、紫色土、石灰土、红壤等土类[24]。根据含水层的岩性组合特征及地下水的赋存条件,可将区内含水层分为第四系松散沉积物含水层、碎屑岩孔隙-裂隙含水层、碳酸盐岩裂隙-溶隙含水层、基岩裂隙含水层[25]。研究区地下水主要以大气降水和地表水入渗补给为主,地下水总体流向受地形影响,从丘陵流向乐安河河谷平原。

2.2 数据来源

为研究乐平市乐安河沿岸洪涝灾害影响区地下水水化学特征及形成演化规律,在洪涝灾害较严重的名口镇、鸬鹚乡、众埠镇、接渡镇等乡镇约70 km2区域采集地下水水样。共布设采样点位12个,采集地下水样品24组。其中2022年7月3日—5日采集了12组样品(洪涝期间),洪水退去2个月后在相同的点位再次采集了12组样品(洪涝后期,在此期间研究区持续干旱,基本无降雨)。采集的地下水样品取自当地农村生活饮用民井,井深约8～15 m,含水层为第四系砂砾石层,具体采样位置见图1。

2.3 研究方法

3 结果与分析

3.1 地下水水化学特征及饮用适宜性评价

表1 研究区洪涝期间和洪涝后期地下水水化学组分浓度测试结果统计

3.2 地下水水化学类型

图3 研究区洪涝期间和洪涝后期地下水Piper三线图

图4 研究区洪涝期间和洪涝后期各采样点地下水中主要组分当量浓度百分比

4 讨 论

4.1 极端洪涝背景下的地下水水化学演化

图5 乐平市乐安河沿岸洪涝期间和洪涝后期地下水Gibbs图

图6 乐平市乐安河沿岸洪涝期间及洪涝后期地下水主要离子比值

如图6(a)所示,本研究中(Na++K+)/Cl-当量浓度比范围为0.37～5.50,大部分样品点落于1∶1分布线以下,表明过量的Na+、K+可能来源于硅酸盐矿物的溶滤;其他5个样品位于分布线之上,表明Cl-具有其他来源,高含量的氯是地下水污染的示踪剂,因而可能受到人为活动的影响[15]。相比于洪涝后期,洪涝期间地下水中过量的Na+、K+可能主要与连续暴雨对农田中钾肥的强淋滤有关,表1也显示出洪涝期间地下水中K+浓度高于洪涝后期,且显著高于鄱阳湖环湖区[13]。

综上所述,极端洪涝背景下乐安河河岸地下水水化学组分演化异常复杂,经历了水-岩相互作用、硅酸盐矿物溶解、离子交换等过程的水文地球化学过程,同时还受到农业生产和人为活动的强烈影响。

4.2 地下水污染组分来源分析

地下水污染组分的化学分析不能提供污染因子之间关系的信息,也无法识别其来源,因此多元统计方法被广泛用于识别地下水污染因子的来源[4-5,15, 31]。洪涝期间乐安河沿岸地下水中Mn浓度为0.001～1.866 mg/L,均值为0.273 mg/L;洪涝后期Mn浓度为bdl ～0.436 mg/L,均值为0.090 mg/L(表1),洪涝期间地下水中Mn浓度明显更高(图2)。图7为洪涝期间地下水微量金属、pH、TDS的Pearson相关性分析结果。由图7可以看出,Mn与TDS相关性很强,相关系数达到0.79。洪涝期间的持续降雨加强了对包气带土壤的侵蚀和溶滤作用,雨水携带大量悬浮颗粒进入地下水,地表土壤堆积物中的锰通过氧化包气带进入还原的地下含水层[38],高价的锰氧化物被还原为Mn2+可溶盐,从而增加了地下水中Mn的浓度。与环鄱阳湖区类似,包气带土壤中的含锰矿物是区内地下水中Mn的主要来源[33]。洪涝后期洪水退去,研究区域内大部分地下水埋藏较浅,氧化还原电位升高,导致可溶Mn含量降低,因为Mn在还原环境下更容易富集[13]。洪涝期间重金属Cd在所有采样点均低于检出限,但是洪涝后期(洪涝发生后2个月)地下水中Cd浓度普遍超标(表1),可能是受地表水补给地下水滞后性的影响。何柱锟等[24]利用正定矩阵因子分解法对乐安河沉积物的重金属来源解析结果表明,乐安河重金属污染主要来源于上游采矿活动(贡献率达67%)。因此受高强度降雨的影响,乐安河上游的重金属Cd被洪水携带迁移至下游的乐平市,这可能是导致区域内地下水Cd污染的重要原因。

图7 洪涝期间研究区地下水微量金属、pH、TDS的Pearson相关性分析

5 结 论

(2)受区域地质背景的影响,地下水水化学类型显示出较大的空间差异。洪涝期间,地下水水化学类型以HCO3-Ca·Na、HCO3·SO4-Ca·Na及HCO3·SO4-Ca为主;洪涝后期出现了更多阴离子包含Cl型及NO3型的地下水(分别占比25%和8.3%),反映出地下水水化学类型受到了人为活动的影响。

(3)总体来说,区内地下水主要组分的形成受水-岩相互作用、硅酸盐矿物溶解、阳离子交替吸附作用的控制,局部地区受农业施肥、污水排放等人为活动的干扰。地下水中大部分微量金属元素浓度很低,部分样品的Mn、Cd浓度超标主要是由于受到强降雨对土壤的侵蚀和溶滤以及乐安河上游采矿活动的影响。