德江縣巖溶區生活飲用水的化學特征及控制因素研究

令軍帥+邱欽欽+洪慶仁+劉士偉

摘要：運用數理統計與分析、離子比例系數分析和Piper圖對德江縣巖溶區生活飲用水的化學特征進行了研究。結果表明：區內地下水整體上略顯堿性，Ca2+和Mg2+為研究區地下水中的主要陽離子，HCO-3和SO2-4為主要陰離子，總硬度和TDS的變化規律基本一致，地下水的水化學類型以HCO3·SO4-Ca、HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg和SO4-Ca型水為主。研究區水動力條件較好，且以碳酸鹽巖的溶濾作用為主，硫酸鹽礦物的溶濾作用次之，蒸發巖和硅酸鹽的溶濾作用較弱。

關鍵詞：德江縣；巖溶地下水；水化學特征；控制因素

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）6-0037-05

1 引言

隨著西南地區經濟社會的快速發展，生活飲用水安全問題也日益突出，飲用水質的好壞直接關系到人民群眾的健康及當地經濟社會的持續發展。因此，做好一個地區地下水的水化學特征及分布規律的研究，不僅能夠揭示當地地下水與環境的演化機制，反映當地地下水的質量狀況，而且能夠為當地地下水的保護及合理利用提供科學依據[1，2]。

德江縣居民生活飲用水主要來源于巖溶地下水和地表水，由于地處山區，交通極為不便，當地居民多以種植煙葉、水稻為主，地下水或多或少受到農藥污染的影響。本文綜合運用數理統計與分析、離子比例系數法、繪制TDS-總硬度分區圖等方法系統全面的對研究區水化學特征及離子變異特征進行了分析，以期為這一地區地下水的合理利用及水質現狀評價提供基礎信息。

2 研究區概況

研究區位于貴州省銅仁市德江縣南部，距離德江縣城16 km，多年平均氣溫15.1 ℃，多年平均降水量為1323.7 mm。研究區水系眾多，位于研究區東部邊界的烏江是該區的主要河流，大致呈南北走向，其余大小河流均屬于典型的山區雨源型河流，河流短小，河床比降大，地表分水嶺明顯。

研究區位于黔東北南北向構造體系中，屬新華夏系構造體系，受長溝斷層（F1）、英武溪背斜、沙溝向斜、紅坳向斜等構造形跡的控制，區內山巒起伏，溝谷縱橫交錯，形成了由西部向中部以及東北部高程減小并呈條帶狀分布的總體地勢，利于水體的匯集。

研究區地下水主要以巖溶水為主，此外還分布有基巖裂隙、溶隙水和松散層孔隙水。研究區可溶性巖石分布廣泛，溶隙、溶洞、地下巖溶含水層或管道系統發育，為巖溶水的形成提供了有利條件。大氣降水、地表水通過巖溶洼地、落水洞、漏斗等補給巖溶地下水，并以泉或暗河的形式排泄。基巖裂隙、溶隙水主要分布在研究區山體的基巖裂隙或巖溶發育較弱的溶隙中，并在有利部位或不同巖性的接觸界面以裂隙下降泉的形式出露；松散層孔隙水主要分布在研究區各山坡坡麓、緩坡等地帶的殘積層、坡洪積層和沖積層等覆蓋層較厚地帶。研究區地下水主要接受大氣降水、地表水補給，地下水水量呈現出季節性特點。

3 樣品采集與研究方法

3.1 數據來源

2015年9月，在德江縣進行地下水水樣采集，共采樣38組，水樣主要取自研究區巖溶水出露部位。采樣點及編號見圖1所示。水質指標除pH值現場測定外，其余指標的測定由四川省鑫川建筑工程檢測有限公司實驗室完成，化驗項目主要包括總硬度、溶解性總固體（TDS）、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO-3、CO-3、SO2-4、游離CO2、NH+4、NO-3等。其中Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法測定；K+、Na+采用原子吸收分光光度法測定；Cl-采用硝酸鹽滴定法；SO2-4采用EDTA-Ba滴定法；HCO-3采用鹽酸滴定法。樣品的處理及分析均嚴格按照《生活飲用水標準檢驗方法》[3]的規定操作。

3.2 離子比例系數

在地下水的化學組分中，各種組分之間的含量比例系數在研究某些水文地球化學問題時常常被作為一項重要的評價指標[4]。如Na+和K+主要來源于硅酸鹽或蒸發巖的風化產物，Ca2+和Mg2+可能來源于碳酸鹽、硅酸鹽或蒸發巖，HCO-3主要來源于碳酸鹽巖，SO2-4和Cl-主要來源于蒸發巖的溶解，所以γNa++K+/γCl-系數可以用來確定研究區除巖鹽的溶解外是否有硅酸鹽的溶解，γCl-/γCa2+系數可以用來描述水動力特征，γCl-/γCa2+值越小則說明該區域水動力條件越好，γCa2+/ γMg2+系數可用來表征地下水礦化度的參數，由于Ca2+是低礦化度水中的主要離子，所以礦化度升高，Mg2+含量升高，Ca2+開始沉淀，此外，γCa2+/ γMg2+系數也可以判斷巖溶區地下水的來源，如來自灰巖含水層，γMg2+ /γCa2+應<1，如果來自白云巖含水層，γMg2+ /γCa2+系數可能接近于1，Ca2++Mg2+/HCO-3系數和Ca2++Mg2+/HCO-3+ SO2-4系數可以用來確定研究區除碳酸巖鹽的溶解外是否還有蒸發巖的溶解[5～9]。

4 結果與分析

4.1 地下水統計特征

對研究區巖溶泉水水樣及河水水樣數據的各個指標運用Excel進行數理統計分析，并將各個水樣的陰陽離子平衡誤差E<±5%的水樣監測數據視為可靠數據[10]，分析結果見表1。

通過表1并結合水質檢測結果可知，研究區所有水樣的pH值在6.00～7.70之間，均值為7.09，整體上略顯堿性。河水、巖溶水的總硬度在69.70～375.50 mg/L之間，均值為207.68 mg/L，TDS在84.50～417.90 mg/L之間，均值為248.09 mg/L，所有水樣的總硬度、TDS均符合生活飲用水衛生標準的要求。

河水、巖溶水水體中陰離子各組分含量整體上表現為：HCO-3>SO2-4>Cl-，陽離子各組分含量表現為Ca2+>Mg2+>Na++K+，且HCO-3、SO2-4、Ca2+和Mg2+含量的平均值相對較大，表明這四種離子是研究區地下水中的主要離子組分。此外，研究區水樣除pH的變異系數較小外，總硬度、Ca2+、HCO-3、SO2-4、Cl-、Mg2+和TDS七項指標的變異系數介于30%～100%之間，顯示出中等變異性，而Na++K+的變異系數大于100%，顯示出其含量有較強的空間變異性[11]。

4.2 地下水總硬度、TDS的空間分布及水化學類型

根據研究區38個水樣的總硬度值和TDS值將所有水樣按硬度分類，硬度在75～150 mg/L（軟水）之間的水樣占23.7%，硬度在150～300 mg/L（微硬水）之間的水樣占65.8%，硬度在300～450 mg/L（硬水）之間的水樣占10.5%，所以研究區生活飲用水的硬度類型基本為微硬水。按礦化度分類，所有水樣的TDS<1 g/L，屬于淡水，適宜人蓄飲用。此外，根據研究區38個水樣的總硬度值和TDS值繪制了研究區總硬度分區圖和TDS等值線圖，見圖2、圖3。

對于研究區水質總硬度的變化，由圖2分析可知，研究區大部分地區為微硬水，軟水主要在鹽井溝、皂師洞、大屋基等地區小范圍分布，硬水分布范圍有限，僅在露青壩和上塔坪等地局部出現。

對于研究區地下水TDS的變化，由圖3可知，研究區TDS大體由研究區中部向北部、西北部、西南部呈逐漸增大的趨勢，由中部向西部呈現出先增后減的趨勢，同時沿東部烏江一帶區域TDS較小。這主要和研究區的地質環境、地形等因素有關，研究區中部及東部沿烏江一帶巖溶洼地、漏斗、落水洞發育，為巖溶發育中等～強發育區，地下水徑流路徑短，水巖作用時間較短，TDS較低，西北部、北部、西南部一帶為巖溶發育弱～中等發育區，這里巖溶水接受大氣降水入滲補給，水巖作用時間較長，因此，TDS含量較高。同時與主要離子濃度在研究區范圍內的變化規律相比較，Ca2+、Mg2+和HCO-3離子的變化呈現出與TDS基本相似的特點，說明Ca2+、Mg2+和HCO-3離子濃度是影響TDS變化的主要原因。由圖還可以看出，研究區總硬度和TDS的變化規律也基本相似，又因為天然水的硬度主要由Ca2+和Mg2+引起，說明Ca2+和Mg2+離子濃度是影響TDS變化的主要原因。

利用研究區所有水樣中主要陽離子和陰離子的毫克當量百分數繪出了水樣的Piper三線圖，如圖4。由圖4可知，研究區巖溶泉水和河水中的主要陽離子較為集中的分布在Ca2+一端，部分分布在Mg2+一端，陰離子集中分布在HCO-3一端。因此，研究區水化學類型主要為HCO3-Ca型、HCO3·SO4-Ca型、HCO3·SO4-Ca·Mg型和SO4-Ca型。HCO3-Ca型水主要分布在研究區中南部斷層帶附近及中北部響水洞斷層附近，HCO3·SO4-Ca型水主要分布在研究區東北部及研究區中部露青壩一帶，HCO3·SO4-Ca·Mg型水主要分布在研究區西部、西北部及烏江中上游，SO4-Ca型水僅在清水塘西北側地層韓家店群（S2-3hn）與棲霞組（P1q-m）的接觸帶附近出露。

研究區巖溶發育，灰巖分布廣泛，常見礦物為方解石和白云石，且泉水與河水中也主要富集的是Ca2+、和HCO-3，由此可以判斷研究區地下水水化學組分主要受碳酸鹽巖的溶濾作用控制。

4.3 離子比例系數分析水化學形成機制

研究區地下水的γCl-/γCa2+系數均值為0.03，比較小，說明研究區整體上水動力條件較好。通過Cl-—Na++K+的關系圖5（a）可以發現，研究區所有水樣點除部分位于Cl-=Na++K+線附近外，大部分點位于此線上方，說明研究區除巖鹽的溶解外還發生了硅酸鹽礦物的溶解。由圖5（b）可以看出，幾乎所有的水樣點均位于Ca2+=Mg2+線的上方，不僅說明研究區TDS總體上較小，而且說明研究區地下水主要為灰巖的溶解作用。

在天然的巖溶地下水系統中，基本的水文地球化學特征由巖溶動力系統的碳、水和鈣（鎂）等循環決定，這些也決定了碳酸鹽巖溶解沉淀過程中鈣鎂等離子的釋放[12]。根據這一理論，碳酸鹽巖的溶解產物應該滿足Ca2++Mg2+=HCO-3，而由圖5（c）可以看出，所有水樣點都落在Ca2++Mg2+=HCO-3線的上方，顯然表明研究區不僅僅只存在碳酸巖鹽的溶解。根據圖5（d）看出所有水樣點基本在Ca2++Mg2+=HCO-3+ SO2-4線附近，說明研究區除碳酸巖鹽的溶解外還存在硫酸鹽礦物的溶解。

此外，由表1可知，研究區Na++K+與Cl-濃度較小，說明該區主要以碳酸鹽巖的溶濾作用為主，硫酸鹽礦物的溶濾作用次之，而硅酸鹽礦物和蒸發鹽巖的溶濾作用較弱[13]。

5 結論

本文通過利用德江縣巖溶區地下水水質檢測數據，運用數理統計分析、離子比例系數等方法研究了該地區的水化學特征，得到以下結論。

（1）研究區地下水整體上略顯堿性，所有水樣的總硬度、TDS都符合生活飲用水衛生標準的要求。除pH的變異系數較小外，總硬度、Ca2+、HCO-3、SO2-4、Cl-、Mg2+和TDS七項指標的變異系數介于30%～100%之間，顯示出中等變異性，Na++K+的變異系數大于100%，顯示出其含量有較強的空間變異性。

（2）研究區地下水的總硬度和TDS呈現出基本相似的變化規律，水化學類型主要為：HCO3·SO4-Ca型、HCO-3Ca型、HCO3·SO4-Ca·Mg型和SO4-Ca型。

（3）研究區地下水動力條件較好，以碳酸鹽巖的溶濾作用為主，硫酸鹽礦物的溶濾作用次之，硅酸鹽礦物和蒸發鹽巖的溶濾作用較弱。

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