江漢平原漢江帶地下水水化學特征分析

藍 坤，梁 杏，李 靜

(中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

江漢平原位于我國長江中下游、湖北省中南部地區，區內河湖眾多，水資源豐富，是湖北省乃至我國重要的農業、畜牧、淡水養殖業等生產基地。近年來，隨著人口的增長，受工農業生產以及城鎮化發展等人類活動的影響，江漢平原內地下水污染及水質問題越來越突出，水體中某些指標均有不同程度的超標，形成了嚴重的水質型缺水問題[1-6]。地下水作為平原地區重要的水資源之一，無論是天然或是人為污染導致的水質問題都將會直接威脅人體健康。由于農業、畜牧業等人類活動已造成江漢平原內地下水硝酸鹽[2]、有機磷農藥[7-8]、抗生素[9]、氨氮[10-11]等污染問題突出，引起人們的廣泛關注并進行了大量的研究工作。除了人類活動引發的一系列地下水水質問題外，江漢平原內還存在不同地質成因的原生劣質水，如高鐵、高錳、高砷、高氟地下水，也是造成人體健康危害的重要原因。而針對江漢平原內的原生劣質水問題，也有學者對此進行了大量的研究工作[3,12-16]。

基于江漢平原地區一系列的地下水污染及水質問題，我國學者們對該地區地下水水化學特征等進行了大量的研究，但多集中在盆地中心、東部、東北部地區，或是集中在淺層地下水，系統地分析江漢平原漢江帶不同層位地下水水化學特征的研究相對較少。因此，對江漢平原開展不同層位地下水水化學特征的研究，對于揭示該地區地下水水化學特征的形成、分布以及天然劣質水的成因具有重要的理論與實際意義。

本文以江漢平原腹地至丘陵崗地漢江帶為研究區，運用數理統計、Piper三線圖、相關性分析等方法，重點分析了江漢平原漢江帶不同層位地下水水化學特征及其空間分布規律，特別是中層地下水，為當地地下水的開發與利用提供理論依據。

1 研究區概況

研究區為江漢平原漢江帶，位于江漢平原腹地至盆地北部邊緣丘陵山區(見圖1)，地理坐標為北緯 30°20′～31°00′、東經 112°30′～113°30′， 總面積約為2 700 km2。江漢平原三面環山，一面傍水，河湖眾多且規模不一、混雜，溝渠交錯縱橫，長江、漢江穿境而過且控制著江漢平原眾多水系的整體流向，其主要由長江和漢江及其支流沖積、沖湖積沉積物堆積而成；自燕山運動以后，受強烈的構造運動影響，江漢平原沉積了巨厚且巖相復雜多變的第四系地層，厚度由平原腹地300余米過渡到邊緣的100 m以內。江漢平原基底斷裂廣布，屬于強烈構造沉降的斷坳盆地，受眾多斷裂控制，形成了一個相對完整的盆地含水系統。

圖1 研究區調查范圍圖Fig.1 Map of the study area

該地區屬亞熱帶季風氣候區，全年氣候溫和，降水豐富；多年平均降水量為1 208 mm，但降雨時間分布不均，主要集中于5～8月份，約占全年總降水的50%；年平均蒸發量約為1 379 mm，主要集中于6～8月份。

研究區內地下水的補給、排泄與地表水系聯系緊密。區內地表水系眾多，漢江、通順河、天南長渠、西荊河、東荊河、興隆河、天門河、老河、忿河等是區內主要河流，大小不一的湖泊廣泛分布；漢江是區內最大的河流，貫穿了整個研究區并控制著整個研究區的水流系統；受區域地形的影響，區內地下水總體由北向東徑流，在地勢低洼的湖泊和河流處排泄，從而通過水系網絡最終匯入漢江。區內地下水資源豐富，平原過渡區地下水水位埋深淺，一般為1～2 m，局部地下水與地表水交替明顯。

江漢平原得天獨厚的地下水資源量主要得益于區內第四系地層厚度大、滲透性好且儲水能力強。研究區第四系地層從上至下為全新統郭河組(Qhg)—上更新統沙湖組(Qp3s)—中更新統江漢組(Qp2j)—下更新統東荊河組(Qp1d)，以沖積、湖積、沖洪積及沖湖積沉積物為主，其巖性主要為黏土、粉土、砂和砂礫石，構成了研究區第四系孔隙含水巖組，而下部新近系碎屑巖則是第四系孔隙含水巖組的隔水底板(見圖2)。根據地下水埋藏條件和水動力特征，研究區第四系孔隙水可劃分為淺層孔隙潛水、中層孔隙承壓水和深層孔隙承壓水。研究區第四系地層厚度變化較大，不同段位工作區內含水層厚度差異明顯，根據野外調查資料，將研究區分為三段：上段——沙洋縣以北地段(也稱漢江夾道沙洋段)、中段——沙洋縣—潛江、下段——潛江毛咀鎮—仙桃市，見圖1。

研究區淺層孔隙含水巖組主要由全新統郭河組(Qhg)和上更新統沙湖組(Qp3s)上部組成，含水巖組巖性主要為黏土、粉質黏土及粉砂，厚度由上段地帶的10 m過渡到下段地區的20 m左右，粉砂及粉質黏土是該含水巖組中主要的含水介質；中層孔隙承壓含水巖組主要由上更新統沙湖組(Qp3s)、中更新統江漢組(Qp2j)組成，厚度變化范圍為50～60 m，研究區丘陵地帶相比平原地區較小，該含水巖組中含水介質主要為厚層砂、砂礫石、礫石層，含水介質厚度大，釋水、儲水能力強，是研究區主要的地下水開采層位，也是本文研究的重點；深層孔隙承壓含水巖組主要由下更新統東荊河組(Qp1d)、新近系上新統廣華寺組(Ng)組成，含水巖組埋藏深度在60 m以上。由此可見，研究區不同層位含水層總體厚度變化表現為：上段<中段<下段。

2 樣品采集與測試

2. 1 樣品采集

地下水樣品均為研究區野外環境地質調查時(2016—2018年7、8月份)統一采集。地下水水樣采集之前先抽取一定的水量，排除已經受外界或人為干擾的地下水后采集500 mL未過濾水樣；然后經0.45 μm微孔濾膜過濾后使用4個50 mL聚氯乙烯瓶收集，測試水樣中常規陰、陽離子和氫氧同位素含量，其中用于測試陽離子含量的水樣中加入純硝酸使水樣pH<2，并將所有采集的水樣蓋緊、密封，置于4℃以下環境中保存。

本次基于標準圖幅1∶5萬環境地質調查工作區，采集了調查區內不同深度地下水井點樣品共552個，其中淺層(深度0～20 m)孔隙潛水點樣品109個，中層(深度20～80 m)孔隙承壓水點樣品430個，深層(深度>80 m)孔隙承壓水點樣品13個；61個地表水點樣品，其中漢江水樣21個。

2. 2 樣品測試

采用HACH雙通道多參數水質分析儀(HQ40D，美國)現場測試水樣的pH值、電導率(Ec)、氧化還原電位(Eh)、溶解氧(DO)、總溶解性固體(TDS)和水溫。

測試單位為中國地質大學(武漢)地質調查研究院。測試結果經過離子平衡檢驗，剔除不符合條件的數據，所有水樣的陰、陽離子電荷平衡誤差保持在10%以內。

3 結果與分析

3. 1 研究區不同層位地下水水化學特征分析

3.1.1 地下水水化學類型分析

地下水Piper三線圖可以揭示地下水水化學類型，分析地下水水化學特征[17]。將研究區3段不同水體主要離子組分分別繪制Piper三線圖，見圖3。

圖3 研究區地表水與地下水Piper三線圖Fig.3 Piper diagrams of surface and groundwater in the study area

由圖3可以看出：

3.1.2 地下水水化學特征分析

根據測試結果將地下水中水化學指標進行數理統計分析，可以大致了解地下水中水化學成分的富集及變化規律[19]。研究區不同層位地下水和地表水水化學指標統計結果，見表1。

表1 研究區不同層位地下水和地表水水化學指標統計結果

由表1可以看出：

(1) 研究區內漢江水的pH值范圍為6.95～8.18，平均值為7.85，其中pH值為6.95是調查點中唯一一個pH值小于7的地表水點，該點位于仙桃市黃家場渡口附近；區內其他地表水的pH值范圍為6.80～9.76，平均值為7.88，與漢江水相近。江漢平原大氣降水的pH值平均值為6.36[5]，可見區內地表水pH值的平均值要比大氣降水高得多，兩者酸堿度相差較大。研究區淺-中層地下水的pH值范圍為6.17～7.94，平均值6.94，以弱酸-弱堿性為主，個別井點pH值低于飲用水水質標準值6.5，這些pH值低于6.5的地下水點大部分分布在潛江毛咀鎮-仙桃市地段，可能受到人為有機物的污染[20]；深層地下水則以弱堿性為主(pH值為7.61～6.96)。淺層地下水的Ec值(240.00～2 171.00 μs/cm)明顯大于地表水的Ec值(260.00～618.00 μs/cm)，可指示研究區夏季河流補給地下水較弱[5]。

(2) 現場測定的研究區地下水的Eh值范圍為-187.50～+921.00 mV，沙洋縣以北地段淺層地下水Eh值均為正值，屬于氧化環境；平原地區中層地下水Eh值以負值為主，Eh值范圍為-187.50～-1.40 mV，平均值為-102.63 mV，表現為典型的強還原環境；研究區丘陵地帶中層地下水Eh值均為正值，Eh值范圍為31.10～298.30 mV，屬于強氧化環境，地下水賦存的氧化還原環境分區見圖4。由圖4可見，研究區不同地段地下水的Eh值存在差異，淺層地下水氧化環境強弱依次為上段地區>中段、下段地區；上段平原區中層地下水還原環境稍微弱于其他地區。

(3) 研究區地下水中TDS含量范圍為117.50～1 644.03 mg/L，淺層地下水中TDS含量平均值為662.35，明顯大于中層地下水的437.45 mg/L和深層地下水的365.14 mg/L，說明淺層地下水中整體TDS含量要大于中-深層地下水；同時，沿漢江水流向(上段→中段→下段)，淺層地下水中TDS含量逐漸變小，但中層、深層地下水中TDS含量則變化穩定。

圖4 研究區地下水賦存的氧化還原環境分區圖Fig.4 Partition map of redox storage environment of groundwater in the study area

圖5為研究區地下水水化學組分質量濃度的累計頻率分布曲線，它是根據對應指標的質量濃度累計小于某一濃度值出現的頻率所繪制的關系曲線圖。

圖5 研究區地下水水化學組分質量濃度的累計頻率分布曲線Fig.5 Comulative frequency distribution diagram of mass concentration of groundwater geochemical components in the study area

由圖5可以看出：

(1) 區內地下水中陽離子Na+、Ca2+、Mg2+質量濃度累計頻率分布曲線變化窄而陡，其中Na+和Mg2+濃度都很低，Ca2+濃度高，Ca2+是區內地下水中的優勢陽離子；而地下水中K+質量濃度累計頻率分布曲線變化可分為兩段，其中前段(質量濃度范圍為0.08～2.50 mg/L)曲線變化窄而陡，后段曲線變化則是較平緩。根據表1的統計結果，地下水中K+質量濃度累計頻率分布曲線后段的平緩趨勢主要受淺層地下水的影響，尤其是較沙洋縣以北地段淺層地下水中K+含量的干擾，地下水點井深越小，水體中K+含量越高，這部分區域地下水可能受到農業施肥等人類活動的影響。

(3) 研究區地下水中Fe、Mn質量濃度累計頻率分布曲線也呈現緩變的“S”型，說明采集的水樣中有近半數屬于富含“鐵、錳”的地下水。

(4) 研究區地下水中F-質量濃度累計頻率分布曲線呈現較陡的“階地式”變化，F-質量濃度大于10 mg/L的地下水點數占比為15%，這15%的地下水點分布集中，主要集中在沙洋縣以北地段山前平原區中層(深度12～60 m)地下水中，F-質量濃度在7.50～20.50 mg/L之間，而在沙洋縣以北地段丘陵地帶中層地下水中F-質量濃度基本低于1 mg/L；另外，研究區地下水中F-質量濃度累計頻率分布曲線水平變化部分也表明其質量濃度介于1～10 mg/L時，百分比沒有發生明顯變化，分布在該濃度范圍的地下水點少，F-超標濃度大部分大于10 mg/L。

3.1.3 地下水中離子組分相關性分析

根據樣品測試結果，本文運用SPSS22.0軟件對研究區地下水中主要離子成分進行了相關性分析，其分析結果見表2。

表2 研究區地下水中主要離子組分的相關性分析

3. 2 劣質水組分統計與分布

由表3和圖6可以看出：

表3 研究區不同層位地下水水化學組分超標率統計結果

圖6 劣質水水化學指標垂向分布圖Fig.6 Vertical change chart of hydrochemical indicators of poor-quality water

(2) 研究區地下水中F-質量濃度變化范圍為0～20.52 mg/L，中層地下水中F-質量濃度平均值為1.99 mg/L。根據統計與分析，沙洋縣以北地段山前平原區(山前地下水排泄區)中層地下水質量點共57個，只有2個地下水點未超標，其中1個未超標的點非常靠近丘陵山區，經統計該區域中層地下水中F-含量超標率高達96.5%；同時，該區域內51個淺層地下水調查點中只存在個別地下水點中F-含量超標，超標率不足6%，深層地下水無超標地下水點。研究區中層地下水pH值對F-質量濃度可能具有一定的控制作用，該區域中層地下水中F-質量濃度的pH值變化區間為6.68～7.20，pH值大于7.20時中層地下水中F-質量濃度穩定在10 mg/L，見圖7。

圖7 研究區中層地下水中F-質量濃度與pH值的 關系圖Fig.7 Relationship between F- mass concentration and pH value in the middle layer groundwater ofthe study area

4 結 論

(2) 在潛江毛咀鎮—仙桃市一帶受工農業活動的影響，淺-中層地下水水質存在較為嚴重的人為有機污染，例如有機氯農藥、化肥、工農業廢水等污染，深層地下水水質未明顯受到人為活動的影響；研究區丘陵崗地與平原區地下水賦存環境不同，中層地下水賦存環境顯示丘陵地區基本屬于氧化環境，而平原區為還原環境。沿地下水徑流方向，地下水水質逐漸變好。

(3) 江漢平原內不僅廣泛分布原生高鐵高錳高砷地下水，同時還存在高氟地下水。研究區高氟地下水分布于上段——沙洋縣以北地段除丘陵以外的平原區中層含水層(深度10～60 m)中，為原生劣質水，自然地質條件(包括地形地貌、水文地質條件等)是其形成的控制因素，且與其他劣質組分物質來源不同；中層地下水是研究區較為理想的供水水源，若作為飲用水源，仍需要對地下水中鐵、錳進行處理，沙洋縣以北平原區則還需要對地下水中氟進行處理。