鄱陽湖環湖區淺層地下水化學特征及形成機制

趙 楠 芳，鄢 笑 宇，李 青，付 莎 莎，儲 小 東

(1.江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省鄱陽湖水資源與環境重點實驗室，江西 南昌 330029； 3.江西省地質環境監測總站，江西 南昌 330095)

地下水資源是水資源的重要組成，直接影響著居民日常生活和社會經濟發展[1]。根據歷年中國水資源公報統計，我國每年利用的水資源量約有17%來源于地下水。在漫長的地質演變過程中，地下水不斷地與周圍介質、環境相互作用，改變并影響著區域地下水水化學組分[2-4]。地下水的水化學組分不僅受到地質地貌條件、地表徑流條件等自然因素的影響[5-8]，同時還受到人為因素的影響，通過對地下水水化學特征及影響因素分析，可以更好地揭示水體與環境的交換機制，為地下水合理開發利用和污染防治提供重要的依據。

鄱陽湖地區是以保護生態、發展經濟為重要戰略構想的經濟特區，屬于平原河網區，水系發達、河網交錯。早在20世紀90年代，曾韶華等[9-10]對鄱陽湖地區地下水化學成分的形成以及控制因素進行研究，發現地下水化學成分主要受元素的物理化學性質和地質環境條件的綜合作用影響。但隨著區域內灌溉、航運、水系連通工程、城市化建設、水利工程等人類活動日益頻繁，改變了原有的地表-地下水循環體系，使得地表水與地下水之間的轉化關系趨于復雜化，對區域地下水水化學組分有較大影響。近幾年來，相關學者從不同角度對鄱陽湖地區的地下水特征進行了研究，胡春華等[11]對比分析了環鄱陽湖區豐水期、枯水期的地下水化學特征；張春艷等[12]對鄱陽湖區域的有機污染物特征、健康風險等進行了研究；饒志等[13]采用健康風險評價模型對鄱陽湖平原地下水重金屬進行健康風險評價。考慮到平原河網區地下水水化學組分的多樣性和影響因素的復雜性，本文利用Piper三線圖法、聚類分析法、離子比例系數法等對研究區內淺層地下水水化學類型進行分析，全面揭示地下水水化學組分的含量變化，探討地下水水化學特征形成的原因，為區域地下水資源的生態環境保護提供科學依據。

1 研究區域概況

鄱陽湖是我國五大淡水湖泊之首，坐落于江西省北部、長江中下游南岸，流域面積為162 225 km2，約占江西省全省面積的97%。根據全國水資源綜合規劃水資源分區劃分，將鄱陽湖及其周邊平原地區劃分為鄱陽湖環湖區，范圍包括贛江外洲水文站以下、撫河李家渡水文站以下、信江梅港水文站以下、樂安河石鎮街水文站以下、昌江古縣渡水位站以下、修水永修水位站以下至湖口縣的湖口水文站之間的區域，江西省境內面積為20 190 km2(本次研究范圍)。

該區域地層發育較全，除泥盆系下統、中侏羅系和上第三系缺失外，其余各系(統)地層均有出露。按沉積建造特征，區內分為北、中、南3個沉積區。北區(修水流域—都昌以北)以淺海相砂頁巖及碳酸鹽巖為主；中區(南北兩區之間)，以前震旦系復理石淺變質巖系、河湖相紅色磨拉石和第四系松散堆積為主；南區(西山、瑞洪—波陽以南)，以前震旦系淺變質巖系、晚古生代海陸交互相含煤砂頁巖、碳酸鹽巖、陸相碎屑巖為主。區內按巖石建造類型及其孔(裂)隙性、含水性、地下水動力條件的差異，含水巖組可分為松散巖孔隙含水巖類、碳酸鹽巖裂隙溶洞含水巖類、紅層裂隙孔隙含水巖類和基巖裂隙含水巖類[14]。

2 樣品采集和測試

地下水采樣點分布于鄱陽湖環湖區，采樣時間為2015年，共采集地下水水樣242組，地下水水樣均來自民井或常規監測井，采樣點分布圖見圖1。水樣的采集、保存和送樣嚴格按HJ/T164-2004《地下水環境監測技術規范》執行。地下水樣品測試由江西省地礦測試中心完成，檢測項目包括pH、總硬度、礦化度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、NH4+、NO3-、NO2-、F-等，K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子采用原子吸收分光光度計進行測定，Cl-、SO42-等陰離子采用離子色譜儀測定，HCO3-采用滴定法測定。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites

3 結果與討論

3.1 描述性統計分析

由表1可見，地下水水樣中pH值變化范圍為3.91～12.25，平均值為6.45，整體呈弱酸性；總硬度變化范圍為7～745 mg/L，平均值為135 mg/L，其中極軟水、軟水、微硬水、硬水和極硬水的占比分別為37.2%、27.7%、28.1%、4.5%和2.5%；礦化度變化范圍為30～1 346 mg/L，平均值為223 mg/L，除個別采樣點外，均小于1g/L，屬淡水。從各離子的均值濃度來看，最主要的陽離子是Ca2+，由大到小為Ca2+>Na+>Mg2+>K+；陰離子以HCO3-為主，從大到小為HCO3->Cl->SO42-> CO32-。pH、總硬度、礦化度和八大陰陽離子的含量變化范圍較大，且標準差相對較高，表明這些指標在空間上有較大的分散性，局部地區富集程度較高。

3.2 水化學類型

根據研究區淺層地下水中各離子數據，利用AqQA水化學軟件制作出Piper三線圖，系統地分析研究區淺層地下水水化學類型，如圖2所示。依據舒卡列夫地下水化學分類方法，鄱陽湖環湖區內淺層地下水化學類型分為28種，以HCO3-Ca型(1-A型)、HCO3-Ca·Mg型(2-A型)、HCO3-Na·Ca型(4-A型)、HCO3·Cl-Na·Ca型(25-A型)為主，占比達到52.1%；區內沒有以Mg2+(SO42-)為主要陽離子(陰離子)的地下水化學類型。

表1 鄱陽湖環湖區淺層地下水水化學特征統計

圖2 鄱陽湖環湖區地下水水化學成分Piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater chemical compositions

3.3 地下水化學形成機制

3.3.1相關性特征分析

從表2中可以看出，研究區淺層地下水中Ca2+與總硬度之間相關系數達0.966，顯著相關，說明Ca2+濃度大小和空間分布對總硬度有著較重要的作用；總硬度與Ca2+、Mg2+和HCO3-之間相關系數均在0.7以上，存在極好的正相關性，說明監測數據可靠、可信；礦化度與Mg2+、Ca2+和Cl-之間，顯著相關系數均在0.69以上，存在較高的正相關性，說明這幾種離子對礦化度貢獻較大；另外，Mg2+和Ca2+也存在極好的正相關性，說明Mg2+和Ca2+伴生。

表2 鄱陽湖環湖區淺層地下水水化學參數相關性矩陣

3.3.2聚類分析

采用R型聚類分析法對研究區內242個地下水采樣點的14項水質化驗指標(pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、總硬度、礦化度、NH4+、NO3-、NO2-、F-)進行歸類。通過圖3可以看出，242個采樣點的14項水化學指標分類效果較好，在類間距取6.25時可劃分為A、B、C和D四大類。A類包含總硬度、礦化度、Ca2+、Mg2+、SO42-、F-和pH七項水化學指標，可以細分為A1和A2兩個子類，其中A1子類由總硬度、礦化度、Ca2+、Mg2+、SO42-和F-六項指標構成，可概括為蒸發巖(如石膏)和含氟礦物的溶解過程；A2子類包括pH，這與鄱陽湖環湖區紅壤分布極廣及人類活動有關。B類包括HCO3-和NH4+兩項指標，研究區地下水中HCO3-主要與自然演化有關，如碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物的風化溶解；NH4+主要受到人類活動的影響，如煤化工企業排放的廢氣、廢水中往往含有高濃度的氮，因此B類可以表示為自然因素和人類活動的共同影響。C類由K+和NO3-兩項水化學指標組成，通常情況下，地下水中K+的除來源于含鉀礦物的風化溶解之外，還可能來自農業活動過程中有機肥和鉀肥的使用，而NO3-往往與農業活動中氮肥的使用密切相關。D類由Na+、Cl-和NO2-三項指標構成，可概括為鹽巖的溶解過程，由此可見，D類可以看作蒸發巖礦物的溶解過程。

圖3 采樣點聚類分析Fig.3 Dendrogram showing clustering of sampling

3.3.3離子比例系數分析

由圖4(a)可以看出，區域內γNa+/γCl-系數為0.155～52.397，平均值為2.635，標準差為5.085。78.9%的采樣點中γNa+/γCl->0.85，說明地下水在徑流過程中不斷通過水巖相互作用令巖石礦物溶解，使Na+從沉積鹽巖中釋放出來。部分采樣點的γNa+/γCl-<0.85，說明地下水中Na+與礦物中的Ca2+發生了陽離子交換作用[15]。

圖4 鄱陽湖環湖區地下水中離子比值關系Fig.4 Corralation diagram of ion ratio in groundwater

γ(Ca2++Mg2+)/γ( SO42-+HCO3-)的比值常被用來區分水化學組分形成過程中碳酸鹽和硅酸鹽的主導地位[16]。由圖4(b)中可以看出，研究區大部分采樣點分布在1∶1線附近，表明硅酸鹽與碳酸鹽的風化溶解在水化學組分的形成過程中占主導地位。圖中有超過54.1%的水樣點γ(Ca2++Mg2+)/γ( SO42-+HCO3-)比值小于1，表明水樣中Ca2+、Mg2+主要來源于鈣鎂硅酸鹽或蒸發巖的風化溶解；少部分水樣點位于線1∶1上方，說明這部分水樣中Ca2+、Mg2+來源于碳酸鹽的風化溶解。

γMg2+/γCa2+與γMg2+/γNa+之間的散點圖經常被用來確定地下水是發生了礦物溶解作用還是蒸發濃縮作用[17]。由圖4(c)可以看出，研究區地下水的γMg2+/γCa2+系數小于2.787，平均值為0.608；γMg2+/γNa+系數小于6.958，平均值為1.063。兩種系數均比較小，表明研究區淺層地下水主要受礦物風化溶解的影響，而蒸發濃縮作用相對較弱。

地下水中γ(Ca2++Mg2+)-γ( HCO3-+SO42-)與γ(Na+-Cl-)之間的關系常用來判斷Ca2+、Mg2+與Na+之間是否發生了陽離子交換作用[17]。由圖4(d)可以看出，這兩個參數之間的回歸方程為：y=-0.183 5x+0.238 9(R2=0.082)，這表明了陽離子交換作用并不是主要影響地下水中Ca2+、Mg2+和Na+含量的唯一作用。

4 結 論

(1) 研究區淺層地下水屬于弱酸性淡水，總硬度偏低，主要為極軟水、軟水和微硬水；陽離子各組分相對豐度為Ca2+>Na+>Mg2+>K+，陰離子各組分相對豐度為HCO3->Cl->SO42-> CO32-。

(2) 研究區淺層地下水化學類型分為28種，主要為HCO3-Ca型(1-A型)、HCO3-Ca·Mg型(2-A型)、HCO3-Na·Ca型(4-A型)、HCO3·Cl-Na·Ca型(25-A型)，說明了碳酸鹽巖溶解對地下水化學類型的控制。

(3) 通過R型聚類分析和離子比例系數表明，研究區淺層地下水水化學組分主要受到礦物風化溶解作用的影響，蒸發濃縮作用和陽離子交換作用相對較弱。地下水中的Ca2+、Mg2+和HCO3-主要為蒸發巖(石膏)、碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物的風化溶解，K+主要與農業活動中氮肥的使用密切相關，Na+、Cl-和SO42-主要為巖鹽的溶解作用。