烏蒙山云貴交界處地下水水化學特征及成因分析

蒲文斌 陳 鵬 張 繼 魏良帥 韓小剛 錢 康

(1.四川省地質工程勘察院集團有限公司，成都 610072;2.中國地質科學院探礦工藝研究所，成都 611734)

地下水在循環過程中與周圍環境進行著復雜的物質和能量交換，其水化學組分主要受控于地層巖性、地形地貌、人類活動等，反映了地下水的歷史演變過程[1-2]。

烏蒙山區是我國西部連片貧困分布區，主要位于貴州省、云南省和四川省部分地區，區內以農業活動為主，貧困人口多，是全國扶貧攻堅的六大片區之一。區內缺水嚴重，嚴重影響村民的生產、生活，也是制約當地經濟發展的主要因素之一，地下水為當地生產、生活重要水源，對緩解缺水起到了十分重要的作用，本文以烏蒙山云貴交界處彝良縣、鎮雄縣和赫章縣部分鄉鎮為例，采集103組水樣，通過Piper三線圖、相關性分析等方法來研究該地區地下水水化學特征，探討其形成的水文地球化學過程，可為當地地下水開發、利用、保護和評價提供科學依據。

1 研究區概況

研究區地處云貴高原北部，云南省昭通市彝良縣、鎮雄縣及貴州省畢節市赫章縣轄區。地勢由北而南、由西而東緩緩降低，以巖溶地貌及中山溝谷地貌為主，高程1 700～2 500 m，相對高差100～500 m。屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫13.4℃，降雨主要集中在5— 9月，年降水量614.8～1114.4 mm，年平均降水量892.4 mm，屬金沙江水系。該區有古生界志留系、泥盆系、二疊系、中生界三疊系、新生界第四系地層分布。其中二疊系、三疊系地層在測區分布最廣，占測區面積80%以上。構造線方向主要為北東向(北東東或北北東)，褶皺、斷裂較發育。

地下水類型劃分為碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖類孔隙裂隙水和巖漿巖類裂隙水。按補徑排特征分為西北部和東南部兩區，西北部地下水主要接受大氣降雨的補給，沿溶隙、落水洞及漏斗等呈垂向-水平向入滲補給含水層，在山前溝谷、坡腳、河谷底以暗河、大泉的形式集中排泄，深部地下河總體自南西向北東徑流，在牛場河排泄；東南部地下水主要接受大氣降雨補給，沿裂隙下滲，地下水運動較慢，多以小型下降泉形式，在溝內地形切割處排泄，形成溪溝，長年不斷，匯集于以則河、安樂溪。

研究區經濟以農業為主，礦產資源主要為煤礦，主要煤礦有大銀煤礦、星云煤礦等，主要分布于研究區東北部的花山鄉一帶，已廢棄的煤礦廢井附近地表溪溝水呈褐黃色、乳白色。

2 樣品采集與試驗方法

在兼顧研究區各個地層及不同巖性條件下，選取流量大于0.1 L/s的泉點、暗河開展采樣工作，于2017年10月22日-27日在研究區內采集了103組常規地下水化學組分分析樣品，其中，碳酸鹽巖裂隙巖溶水42組，碎屑巖孔隙裂隙水49組，玄武巖裂隙孔洞水12組。采樣點分布位置見圖1。

圖1 采樣點分布圖

水溫、pH值、總溶解性固體(TDS)等指標采用便攜式多參數水質分析儀測定，其精度分別為0.1℃、0.01、0.01 mg /L；常規組分測試在四川省地質礦產勘查開發局成都綜合巖礦測試中心進行，所有測試水樣陰陽離子電荷平衡誤差小于5%。數據處理及分析使用Aquachem、SPSS等軟件。

3 地下水水化學特征

所采集水樣的測試結果見表1。將地下水中常規組分投影到piper三線圖中(圖2)，其特征如下。

圖2 研究區地下水piper三線圖

表1 地下水水化學參數統計表(n=103) 單位：mg/L

根據《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)[3]，研究區地下水質量Ⅰ類到Ⅴ類皆有，其中Ⅳ類和Ⅴ類水樣達26組，這些水樣中Al、Fe、Mn和Co含量最高達15.712 mg/L、63.396 mg/L、15.519 mg/L和0.474 mg/L，分別超出Ⅴ類地下水質量標準值31.42倍、31.70倍、10.35倍、4.74倍[4]。根據現場調查，研究區煤礦、硫鐵礦分布較多，現場取樣時這些水樣明顯呈褐黃色、乳白色，受采礦活動影響明顯，與測試結果一致。

4 地下水水化學成因分析

在采集的103組水樣中，剔除受采煤及其他人類活動影響的26組，以77組水樣為研究對象，進行地下水水化學分析。地下水水化學過程一般有礦物巖石的溶解作用、氧化還原作用、陽離子交換、蒸發濃縮、氣體溶解作用、吸附作用、氧化作用等[5]，受取樣樣本值及試驗指標的限制，本文僅對溶濾作用、離子交換作用、蒸發濃縮進行簡要的探討。

4.1 溶濾作用

Gibbs研究表明水化學主要受大氣降雨、水巖作用和蒸騰作用的影響，可將地下水水化學組分的成因類型劃分為三類，巖石風化型、降水控制型和蒸發濃縮型[6]。研究區Gibbs圖見圖3，絕大部分地下水為巖石風化型，表明巖石礦物的水巖作用主導該區地下水水化學特征。

a.TDS與關系圖 b.TDS與(K++Na+)/(K++Na++Ca2+)關系圖圖3 Gibbs關系圖

a.(Ca2++Mg2+)與關系圖 b.(Ca2++Mg2+)與關系圖圖和分別與(Ca2++Mg2+)關系圖

圖和關系 圖和(Ca2++Mg2+)-(Na++K+)關系圖

與Mg/Ca關系圖與Mg/Ca關系圖圖和與Mg/Ca關系圖

圖8 研究區地下水中與關系圖

Na++K+和Cl-毫克當量濃度曲線見圖10，其大部分水點位于1:1直線上側，也可說明有巖鹽的溶解作用。

a.方解石飽和指數與關系圖 b.石膏飽和指數與關系圖

c.白云石飽和指數與關系圖 d.硬石膏飽和指數與關系圖圖9 方解石、石膏、白云石、硬石膏飽和指數與關系圖

4.2 離子交換作用

Cl-/(mcq·L-1)圖10 研究區地下水中Cl-與Na++K+關系圖

Na+-Cl-/(meq·L-1)圖11 研究區地下水中(Na+-Cl- )與關系圖

從圖11可以看出，研究區地下水僅玄武巖裂隙孔洞水水樣分布在斜率為-2.7946的直線上，R2為0.8884，而碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖孔隙裂隙水相關性不是很明顯，說明還有其他水化學作用。

4.3 蒸發濃縮

研究區地下水礦化度較低，TDS含量一般小于300 mg/L，TDS與Cl-的相關關系見圖12，兩者的相關性不顯著，大部分點都集中在低值區，形成的地下水類型以低礦化度的HCO3型為主；以及分析前述地下水水化學Gibbs圖可以看出，研究區蒸發濃縮作用較弱，主要原因是研究區含水介質以管道和裂隙為主，地下水埋藏較深，水循環速度較快，加之研究區年均氣溫較低，年均降雨量較少。

Cl-/(mg·L-1)圖12 研究區地下水中Cl-與TDS關系圖

5 結論

通過對烏蒙山云貴交界處地下水水化學特征、水化學過程分析研究，得出以下結論：