贵州岩溶地下水水文地球化学特征

穆照猛,李 强,方尚武,雷玉山,江 峰

(1.贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队,贵州 遵义 563000;2.贵州省地矿局第二工程勘察院有限公司,贵州 遵义 563000)

0 引言

岩溶地区蕴藏着丰富的地下水资源,全世界有20%～25%的人口把岩溶地下水作为饮用水源,未来还可能增加到50%[1-3]。贵州作为我国典型的岩溶石山区,岩溶地下水资源丰富,其是贵州最主要的地下水类型,也是开发利用价值最大、支撑国民经济发展的重要自然资源,更是本地区最主要的饮用水资源[4-5]。由于岩溶区特殊的地质背景和环境特征,地下水水化学性质容易受到外部活动的影响,在新时期经济社会高速发展背景下,人类工程活动明显加剧,导致一些岩溶区的地下水水质受到一定程度的影响[6]。

前人对贵州岩溶地下水水文地球化学特征有过较多研究,但更多是针对某个区域或者流域开展[6-9],因此,本文运用Gibbs模型、相关性分析及离子比例分析等理论和方法[10-18],研究整个贵州岩溶地下水的水岩相互作用,分析地下水化学组分的形成来源、元素迁移转化、水化学类型特征及成因机理等,对进一步深化对贵州水文地质条件的认识,科学地开展岩溶地下水环境保护、开发利用以及监测管理等具有重要意义。

1 研究区概况

贵州位于我国西南部,处于云贵高原东部,北接四川省和重庆市,东毗湖南省,南邻广西壮族自治区,西连云南省。境内地势西高东低,自中部向北、东、南三面倾斜,平均海拔1 100 m左右,最高点位于赫章县珠市乡韭菜坪,海拔为2 901 m,最低点位于黎平县地坪乡水口河出省境处,海拔为148 m。地貌主要为高原山地、丘陵和盆地三种基本类型,其中93%的面积为山地和丘陵。受新构造运动间歇抬升影响,河流的长期侵蚀、溶蚀,除西部局部保存较好的高原面以外,全省大部分地区被河谷切割,形成地形破碎的山地和丘陵,其间分布众多的盆地、谷地,素有“八山一水一分田”之说。

贵州地处亚热带湿润季风气候区,气候温和,雨量充沛,光照适中,雨热同季。省内各地年平均气温介于12℃～18℃之间,各地降水量充沛,80%以上地区年降水量在1 100～1 300 mm之间。贵州处于长江和珠江两大水系上游交错地带,苗岭是长江和珠江两流域的分水岭,大于10 km以上的地表河流980条,主要河流有乌江、赤水河、南盘江、北盘江、红水河、都柳江等,多年平均径流量1 035×108m3,水力资源丰富[19]。

贵州地层发育齐全,自新元古界至第四系均有出露,地层岩性以碳酸盐岩和硅酸盐岩两大岩类为主[20]。碳酸盐岩分布区约占全省国土面积的70%,岩性以石灰岩、白云岩为主,化学组分主要为CaO、MgO,其中:石灰岩中CaO含量占比达45%～55%,MgO含量多介于1%～3%之间;白云岩中CaO含量占27%～36%,MgO含量占11%～20%。硅酸盐岩主要为碎屑岩、变质岩、岩浆岩等,化学组分主要为SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、CaO、K2O、Na2O等。贵州地下水划分为碳酸盐岩岩溶水、基岩裂隙水和第四系松散岩类孔隙水等三大类型,其中又以碳酸盐岩岩溶水类型为主。

2 样品数据来源

本文样品数据来源于贵州省水文地质志修编项目(贵州省地质勘查基金项目DKJJ2021-01),从中选取2012-2021年期间水质检测指标较为齐全且具有代表性的2 170件天然岩溶水点样品作为研究基础,样品分布于贵州各市州(图1),其中:灰岩区水样1401件(丰水期272件、枯水期1 129件),白云岩区水样769件(丰水期113件、枯水期656件)。所有水样均由具有相应检测资质的实验室完成测试,分析参数包括溶解性总固体(TDS),主要阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+),主要阴离子(HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-)以及部分微量元素离子。

1-灰岩分布区;2-白云岩分布区;3-非碳酸盐岩分布区;4-灰岩区丰季取样点;5-灰岩区枯季取样点;6-白云岩区丰季取样点;7-白云岩区枯季取样点

本文主要针对碳酸盐岩岩溶水进行研究,图件制作基于Mapgis6.7版、Origin2022版等绘制成图,水化学图解制作及数据的统计处理均是基于Microsoft office excel 2010 和word 2010版完成。

3 水质结果

对研究区岩溶地下水的化学主要参数进行统计,结果如表1所示。灰岩区地下水丰枯季pH平均值分别为7.52、7.67,白云岩区丰枯季平均值分别为7.53、7.62,总体上灰岩区与白云岩区地下水pH值较为接近,反映出区内岩溶地下水呈中性;灰岩区丰枯季总硬度(CaCO3)平均值分别为222.82 mg/L、207.06 mg/L,白云岩区平均值分别为251.76 mg/L、271.18 mg/L,白云岩区地下水总硬度较灰岩区大,区内岩溶地下水属微硬水;灰岩区丰枯季TDS平均值分别为288.69 mg/L、272.62 mg/L,白云岩区丰枯季平均值分别为317.89 mg/L、328.82 mg/L,白云岩区地下水TDS较灰岩区高,区内岩溶地下水为低矿化度水。

表1 研究区岩溶地下水化学参数统计表

水化学主要成分中,灰岩区和白云岩区阳离子均以Ca2+、Mg2+为主,其中灰岩区地下水Ca2+含量丰枯季平均值分别为70.99 mg/L、69.11 mg/L,Mg2+含量丰枯季平均值分别为11.14 mg/L、11.21 mg/L,白云岩区地下水Ca2+含量丰枯季平均值分别为65.45 mg/L、64.68 mg/L,Mg2+含量丰枯季平均值分别为21.44 mg/L、26.41 mg/L,表现出灰岩区地下水中Ca2+平均含量高于白云岩区,而白云岩区地下水中Mg2+平均含量高于灰岩区。阴离子均以HCO3-、SO42-为主,其中灰岩区地下水HCO3-含量丰枯季平均值分别为208.96 mg/L、187.51 mg/L,SO42-含量丰枯季平均值分别为43.02 mg/L、49.99 mg/L,白云岩区地下水HCO3-含量丰枯季平均值分别为232.43 mg/L、265.69 mg/L,SO42-含量丰枯季平均值分别为50.15 mg/L、53.78 mg/L,表现出灰岩区地下水中HCO3-、SO42-平均含量均小于白云岩区。

4 分析与讨论

4.1 岩溶地下水化学特征

根据样品水质资料,将测试结果投影到Piper三线图中(图2),结果表明,区内岩溶地下水化学类型以HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca及HCO3·SO4-Ca型水为主,总体表现为主体的、占主导的水化学类型与含水岩石类型具有高度一致性的特征。其中,灰岩区地下水中HCO3-Ca型水占主导地位,其占样品1 401件的44.97%,HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca型水占样品1 401件的比例分别为21.13%、22.06%;而白云岩区地下水中HCO3-Ca·Mg型水占绝对地位,其占样品769件的比例高达72.95%,HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca型水仅占样品769件的14.17%。

图2 研究区岩溶地下水Piper三线图

4.2 地下水化学组分影响因素Gibbs分析

水化学Gibbs图包含岩石风化、蒸发浓缩及大气沉降3个端元,可用于识别地下水化学组分的自然来源及主要形成机制[21]。将区内岩溶地下水水质相关离子含量分别绘制于Gibbs图中(图3),可以看出,区内岩溶地下水离子含量投点绝大部分分布于图左侧边缘岩石风化型区域,表明区内岩溶地下水化学组分主要受岩石风化作用控制。在Cl-/(Cl-+HCO3-)-TDS图中均落于比值小于0.5范围内(图3右),而在Na+/(Na++Ca2+)-TDS图中(图3左),投点大部份落于比值小于0.5的范围内,仅有少数水样点偏离岩石风化型区域,并且表现出在丰水期向大气沉降型区域靠近、枯水期向蒸发浓缩型区域集中的特点,说明丰水期区内岩溶地下水化学组分受降雨溶滤作用影响较大,枯水期地下水蒸发作用强烈。

图3 研究区岩溶地下水Gibbs投影图

4.3 地下水化学组分相关性分析

相关分析是研究不同变量相关性的数理统计方法,将相关性可视化可清楚地看出变量之间的相关性强弱,从而有效的揭示地下水主要组分来源的一致性和差异性[22]。相关性分析可视化结果如图4所示,图中对角线是变量自身的分布;对角线右上方表示两个属性的相关性值,数值越大相关性越显著;对角线的左下方是两个属性的关系影响图,圆圈越大、颜色越深表示相关性越显著。

图4 相关性分析可视化(a灰岩区/b白云岩区)

从图4中可知,TDS与主要阴阳离子均有一定的相关性,表明岩溶地下水中主要阴阳离子对TDS均具有一定的贡献程度。其中:灰岩区地下水中Ca2+、HCO3-、SO42-与TDS的相关性较好,相关性值(r)分别为0.74、0.65、0.64,说明灰岩区地下水TDS受Ca2+、HCO3-、SO42-的影响较大;Ca2+、Mg2+与HCO3-的相关性较好,相关性值(r)分别为0.67、0.61,说明地下水在径流过程中主要溶解了碳酸盐岩类矿物方解石(CaCO3)及部分白云石(CaMg(CO3)2);K+与Cl-的相关性较好,相关性值(r)达0.65,说明K+与Cl-具有相同的来源,主要来源于钾盐的溶解;Na+与SO42-的相关性较好,相关性值(r)达0.63,主要原因是灰岩区岩溶发育,地下水在流经地下溶洞管道过程中溶解硫酸盐类矿物芒硝(Na2SO4·10H2O);NO3-与Cl-相关性较好,相关性值(r)为0.55,主要是受生活废水、农业施肥等人为活动影响。白云岩区地下水中Ca2+、SO42-、HCO3-、Mg2+与TDS的相关性较好,相关性值(r)分别为0.70、0.61、0.57、0.53,说明白云岩区地下水TDS受Ca2+、SO42-、HCO3-、Mg2+的影响较大;Ca2+与SO42-的相关性较好(r=0.63),而Mg2+与HCO3-的相关性较好(r=0.79),说明地下水在径流过程中主要溶解了碳酸盐类矿物白云石及硫酸盐类矿物石膏或硬石膏(CaSO4·2H2O);K+与Cl-的相关性较好,相关性值(r=0.46)较灰岩区低,说明K+与Cl-也具有相同的来源,主要来源于钾盐溶解;Na+与SO42-相关性较好(r=0.55),但相对于灰岩区相关性较差,说明在白云岩区地下水流经过程中也溶解了少部分硫酸盐类矿物芒硝;NO3-与Cl-相关性也较好(r=0.52),与灰岩区表现基本相同,说明也是受生活废水、农业施肥等影响。

4.4 地下水离子比例分析

相比于传统的水化学类型分析方法,分析水化学组分的比例关系特征更能有效的判断地下水的成因、水化学成分的来源及演化过程[22]。研究区岩溶地下水在接受大气降水补给后,主要沿节理裂隙和岩溶管道径流,在径流过程中与含水层岩石中的主要矿物发生反应,溶解或沉淀部分水化学组分[23-24]。根据水质检测结果,区内岩溶地下水主要化学组分为Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-,分析其来源主要是地下水流经了碳酸盐岩和硫酸盐岩类含水岩组,并溶解了含水层中的方解石、白云石及石膏或硬石膏等主要矿物,从而形成以Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-为主要成分的岩溶地下水。

根据地下水中Mg2+/Ca2+摩尔浓度比值,也能够反映地下水所流经含水层的岩性。当地下水流经灰岩含水层时,地下水中Mg2+/Ca2+摩尔浓度比值介于0.01～0.26之间,而流经白云岩含水层时,地下水中Mg2+/Ca2+摩尔浓度比值大于0.85[25]。通过计算区内岩溶地下水水样的Mg2+/Ca2+摩尔浓度比值,分别绘制出HCO3-和SO42-与Mg2+/Ca2+的相关关系图(图5),结果表明,区内岩溶地下水中Mg2+/Ca2+摩尔浓度比值介于三个区(图5a)。其中,灰岩区地下水集中分布在0.01～0.26区域,白云区地下水则主要分布在0.85线周围及大于0.85区域,反映出区内岩溶地下水流经灰岩、白云质灰岩和白云岩含水层。另外,Mg2+/Ca2+摩尔浓度比值与SO42-质量浓度表现出一定程度的负相关性(图5b),随着SO42-质量浓度增加,Mg2+/Ca2+摩尔浓度比值相应地减小,说明在径流过程中存在与石膏等硫酸盐矿物的溶解。具体分析就是随着石膏类矿物的溶解,地下水中Ca2+浓度不断增加,而Ca2+浓度的增加会因同离子效应导致碳酸钙矿物的沉淀,且引起白云石处于不饱和或进一步溶解的阶段,进而增加地下水中Mg2+的含量,导致Mg2+/Ca2+摩尔浓度比值增加时,SO42-质量浓度值变化不大[26]。

图5 研究区地下水Mg2+/Ca2+与HCO3-、SO42-关系图

地下水中Na+主要来源于钠岩、硫酸盐岩、硅酸盐岩等矿物的溶解,区内灰岩区和白云区地下水中Na+平均含量相差不大,平均值均小于10 mg/L。但是,有少部分地下水样中Na+浓度高于50 mg/L,分析原因是该部分水样主要分布于贵州西部威宁-赫章一带,而该地区地势较高、地形起伏大、降雨相对较少、蒸发强烈,导致该区岩溶地下水中Na+相对较高,甚至在地下水水样中检测值达到140.85 mg/L。

K+主要来源于钾岩、长石和云母等矿物的溶解,有部分来自于农业施肥,其与Cl-、NO3-具有相同来源,在相关性分析可视化图中也得到证实,从关系图中可以看出灰岩区、白云岩区K+与Cl-相关性值(r)分别为0.65、0.46,与NO3-的相关性值(r)分别为0.53、0.42,相关性较好。

从Cl-与Na+、K+毫克当量关系图(图6a)中发现,区内岩溶地下水水样大部分分布在(Na++K+)/Cl-=1的直线附近,说明区内岩溶地下水中Cl-与Na+、K+有相似的来源,主要来源于钠盐、钾盐等的溶解。另外,在灰岩区地下水有部分Na++K+毫克当量明显高于Cl-,表明其地下水中Na+、K+除钠盐、钾盐的溶解来源外,还有其他来源,如与含水层中的Ca2+发生阳离子交换等,通过[(Ca2++Mg2+)·(HCO3-+SO42-)〗与[(Na++K+)·Cl-]关系图(图6b)可以反映出来,大部分水样点落在斜线-1的直线附近及上方,证实区内岩溶地下水存在阳离子交换作用,水中Ca2+和Mg2+会把岩土中吸附的Na+和K+置换出来,。

图6 研究区地下水离子比例关系图

区内岩溶地下水中NO3-平均含量仅次于Ca2+、HCO3-和SO42-,分析原因是区内碳酸盐岩分布广泛,岩溶裂隙、管道发育,容易受到农业活动、生活污水等的影响,在离子相关性关系图中也反应出NO3-与Cl-的相关性较好,说明受生活污水及农业施肥等影响较大。

5 结语

(1)贵州岩溶地下水化学组分以Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-为主,水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca及HCO3·SO4-Ca型水,总体表现出主体的、占主导水化学类型与对应的含水岩石类型具有高度一致性。其中:灰岩区地下水以HCO3-Ca型水为主,白云岩区地下水则以HCO3-Ca·Mg型水为主。

(2)贵州岩溶地下水主要受岩石风化作用控制,丰水期地下水化学组分受降雨溶滤作用影响较大,枯水期地下水蒸发作用强烈。

(3)贵州岩溶地下水中主要阴HCO3-、SO42-和阳离子Ca2+、Mg2+均表现出与含水岩组相对应的关系,水化学组分来源主要受控于水岩相互作用过程,地下水径流过程中以方解石和白云石的共同溶解为主,同时部分地下水化学性质受自然地理及人为因素影响较大。