旌陽區平原區淺層地下水水化學演化及影響因素分析

陳 盟， 吳 勇， 高東東， 呂 利

(1.桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，桂林 541004； 2.成都理工大學環境與土木工程學院，成都 610059；3、四川省環境科學研究院，成都 610064； 4.四川省地質工程勘察院集團有限公司，成都 610072)

地下水資源在工業、農業、城市發展和居民生活方面發揮著最大的作用。近年來，關于德陽市地區地下水水化學及水資源方面的研究較多。王亮等[1]采用主成分分析得出有機物污染是影響對德陽市地下水水質的主要因素。張敏等[2]利用模糊數學方法對德陽市平原區的地下水環境質量進行了評價及分區。陳盟等[3]對德陽市廣漢市平原區的水化學演化及其控制因素進行分析，指出天然水-巖作用是控制水化學演化的主要因素。Zhang等[4]根據旌陽區的土地利用和農業氮肥施用估算了第四系含水層的氮負荷并預測了地下水中硝酸鹽濃度。高東東等[5-6]相繼對德陽市平原區地下水資源的富集特征及可持續開發利用進行了分析研究。這些研究成果為德陽地區地下水環境及地下水資源的后續研究提供了良好的基礎，但缺乏對地下水水化學演化規律及形成機制的系統研究，針對德陽市旌陽區地下水水化學演化的研究更為少見，對該區的地下水開發利用及地下水生態保護有一定的限制作用。

隨著城區規劃與發展建設，旌陽區城鎮居民生活用水等對水資源需求量加大，特別是地下水資源的需求使得區內供水壓力劇增，且區內大面積分布的紅層地區多不具備供水意義。因此，采用水化學分析、礦物風化系統、相關性及因子分析等方法闡述旌陽區平原區淺層地下水化學演化進程及其影響因素，以便對該地區的地下水資源的開發利用和地下水環境保護工作提供指導。

1 研究區概況

德陽市旌陽區地處成都平原東北部，南距成都市區40 km。地理坐標為31°05′N～31°20′N，104°15′E～104°33′E，總面積648 km2，西部平原區面積為384.6 km2，東部為丘陵低山區，面積為263.4 km2。

旌陽區四季分明，氣候溫和，屬亞熱帶濕潤和半濕潤氣候區，平均氣溫為16.1 ℃，平均降水量為893.4 mm，降雨時空分布不均，全年降雨量的80%以上多集中在5—9月，7月降水量最多(224.5 mm)，12月降雨量最少(4.5 mm)。

2 實驗方法與數據分析

2.1 水樣采集及分析

2.2 因子分析

因子分析(factor analysis，FA)作為多元統計方法的一種，通過濃縮原始數據，將彼此可能存在錯綜復雜關系的變量轉換成幾個不相關的綜合因子[8]，根據不同研究對象的要求，可分為分析樣品間相互關系的Q型和分析變量間相互關系的R型。其中R型因子分析常用于識別控制地下水化學特征的影響因素，能夠剔除水化學組分中獨立和重復的成分[9]，并反映出受人類活動控制或天然因素控制等的數據組，將水化學組分的內在聯系歸納為少數幾個公共因子[10-11]，能夠適用于地下水水化學演化及影響因素分析方面的研究[12-13]。數據分析采用R型因子分析，特征值提取選用主成分法，分析和計算過程基于SPSS19.0平臺。

表1 區內含水層分布及特征Table 1 Characteristics and distribution of aquifer in study area

圖1 研究區水文地質簡圖Fig.1 Hydrogeological map of the study area

圖2 研究區水文地質剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile of the study area

3 結果與分析

3.1 研究區水化學特征

3.2 水化學演化進程

蒸發濃縮作用對區內水化學組分及TDS濃度的影響顯著，沿著地下水徑流方向攜帶化學組分，以物理運輸的形式富集，下游水樣點的水化學組分、TDS和TH等均有一定的增加。陽離子吸附交換作用是另外一種分布較為普遍的水文地球化學作用，各水樣間Ca2+、Mg2+、Na+和K+等陽離子含量差異明顯。

研究區位于成都平原東北部，研究表明成都平原黏土砂粒組與粉粒組含有大量的石英、云母和長石等礦物成分[15]，部分地區則含有一定量的綠泥石、白云母、透閃石和鐵質鮞粒以及少量角閃石、黑云母等[16]；黏土礦物以伊利石和蒙脫石組為主[15，17]。這些礦物具有不穩定的熱力學特性，與水接觸時常產生非全等溶解，影響了地下水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+的含量，對區內的水化學演化影響較大[7]，且區內水樣點測得H2SiO3平均濃度為16.36 mg/L，因此繪制標準狀態(25 ℃，1.013 25×105Pa)下的硅酸鹽體系穩定場圖[18](圖5)，圖中水樣點位置相當于長石的溶解態，借此分析長石風化階段及產生的相應次生礦物。計算過程和硅酸鹽體系穩定場圖繪制利用Microsoft Office 2016中Excel軟件完成。

從圖5中可以看出，長石多未達到飽和而處于溶解態，大多數處于高嶺石[Al2Si2O5(OH)4]階段，水樣點位于市區東部的SY16水樣點處于三鋁水石[Al(OH)3]階段，長石風化溶解過程如下：

表2 研究區水樣物理化學指標Table 2 Physicochemical parameters of water sample in study area

注：誤差率最大值、最小值、平均值按照誤差率公式計算值的絕對值進行統計。

圖3 研究區水樣Piper圖Fig.3 Piper diagrams of water sample in the study area

圖4 不同水樣點的離子關系圖Fig.4 Scatter plots showing the interrelationship between the major ions

圖5 25 ℃時礦物風化系統穩定場圖Fig.5 Stability diagrams for some minerals systems at 25 ℃

Ca2++2H4SiO4

(1)

(2)

(3)

在合適條件下，高嶺石與Mg2+發生反應轉變為Mg-綠泥石，反應過程如下：

(4)

隨著H4SiO4濃度的增加，高嶺石和三鋁水石趨于平衡，將發生以下反應：

(5)

圖5(a)和圖5(c)中，部分水樣點位于高嶺石和蒙脫石界限，將從高嶺石轉變為蒙脫石，反應過程為

3Ca033Al4.67Si7.33O20(OH)4+2H++23H2O

(6)

6Na0.33Al2.33Si3.67O10(OH)2+2H++23H2O

(7)

3.3 因子分析

4 結論

利用礦物風化系統分析、相關性分析和因子分析等方法分析了旌陽區平原區水化學數據，研究了淺層地下水水化學演化及影響因素，結論如下。

(2)黏土礦物的風化溶解同樣對區內水化學演化進程具有一定的作用，其溶解過程得到不同的金屬離子和次生礦物，影響pH及水化學類型，硅酸鹽礦物風化系統穩定場圖顯示區內黏土礦物逐漸趨于溶解，多穩定于高嶺石[Al2Si2O5(OH)4]階段，Y16水樣點處于三鋁水石[Al(OH)3]階段。

表3 旋轉成分矩陣Table 3 Matrix of rotated factors loading

表4 區內水樣點化學成分相關系數Table 4 Correlation coefficient of hydrochemical components in study area

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