遼陽縣不同深度地下水化學特征及其控制因素研究

王 爽

(遼寧省遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

地下水化學特征既可以反映地下水的歷史演變,也可以為生態環境系統提供非常珍貴的變化信息,研究地下水化學特征對生態環境保護和水資源管理規劃,全面掌握地下水環境變化過程等極具現實意義,如Carol等[1-2]。以濱海平原區為例,通過研究發現人類活動、蒸發作用以及溶濾作用會影響地下水的鹽化;張濤等對尼洋河沿岸地下水及河水化學特征利用離子比等、Gibbs模型、Piper三線圖和數理統計方法進行研究,并認為硅酸鹽巖的溶解和巖石風化決定著該流域水化學離子組成,這是影響離子組成的關鍵因素;周俊等以貢嘎山海螺溝流域為例,運用主成分分析、描述性統計等方法探究水化學主離子特征及控制因素,結果顯示主離子來源主要受巖石的化學風化控制,該流域巖石風化類型以碳酸鹽巖為主;劉久潭等以青島西海岸新區為例,應用因子分析和數理統計法研究地下水化學特征,結果表明水巖作用控制著該區域的水化學組成,生活污水排放、地質因素及工農業生產活動為主要污染源;韓峰等以新泰市為例,應用因子分析和相關性分析的方法探究區域地下水化學特征,結果發現該地區以HCO3-Ca型為主,人為活動、大氣降雨、蒸發濃度及巖石風化是水化學組成主要影響因素[3-6]。

地下水在遼陽縣居民生活及工農業發展和城市經濟建設中占據了重要的地位,截止目前研究遼陽縣地下水化學特征及其控制因素的較少。鑒于此,文章結合遼陽縣水文地質條件,運用主要離子關系圖、數理統計等方法分析不同深度地下水化學特征及其控制因素,以期為科學管理保護及合理開發利用地下水資源提供決策依據。

1 采樣與測試

1.1 研究區概況

遼陽縣地處遼東半島中部,山區位于南部,平原區位于西部。研究區屬于溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫為8.4℃,年降水量為735.3mm。境內河流較多,太子河貫穿全境,主要河流有太子河、渾沙河、渾河、湯河、蘭河、細河、湯河西支、柳壕河、王家堡子河、八盤嶺河、河欄溝河、判甲爐河、楊柳河、兵馬河、南沙河、運糧河、北地河等。境內地質構造極為復雜,其形跡以東西向構造和新華夏系構造為主體構成地質骨架,此外還有華夏系或華夏式系構造、北西向構造與旋卷構造等。

1.2 測試方法

本研究于2020年5月和2020年11～12月對研究區采集36組淺層地下水樣和8組中深層地下水樣,共采集水樣44組,其中淺層水樣采自遼陽縣機民井和專門監測站點,中深層水樣全部來源于遼陽縣專門監測站點。依據《地下水監測網運行維護規范》進行樣品的采集與保存,由遼陽縣礦產資源監測中心完成地下水樣品的測試分析,測試質量能夠達到現行規范要求,測試指標有NO3-、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+和溶解性固體總量TDS。結合測試數據,運用SPSS數理統計及離子比例系數法等分析地下水化學特征及類型。

2 結果與分析

2.1 地下水化學組分含量統計

研究地下水化學特征及其演變規律的關鍵是進行化學參數的描述性統計,特定時期內地下水組分的變化狀況可以利用數理統計分析結果來衡量,故有必要分析中深層和淺層地下水的常規離子和溶解性固體總量TDS等化學參數,如表1所示。

表1 遼陽縣地下水化學組分含量統計值

由表1可知,遼陽縣淺層和中深層地下水優勢陽、陰離子分別為Ca2+、Na+和HCO3-,中深層各組分質量濃度平均值均低于淺層地下水。從變異系數上,淺層地下水中除HCO3-外其它各離子變異系數較大(>50%),NO3-和Cl-變異系數極大(>100%);中深層地下水中只有1處檢出NO3-,除Cl-、SO42-變異系數極大外其它離子均相對較小。因此,人類活動可能已經影響到了中深層地下水Cl-、SO42-及淺層地下水多數組分。

另外,淺層、中深層地下水質量濃度ρ(TDS)為780.51mg/L和571.68mg/L,有3個淺層地下水樣為微咸水,所占比例3.33%,所有中深層水樣均為淡水。

2.2 地下水化學類型

研究選用三線圖示法揭示遼陽縣地下水化學特征及其演變規律,結果顯示中深層和淺層地下水優勢離子不明顯,陽離子呈分散分布特征;陰離子呈集中分布特征,分布接近HCO3-軸,說明陰離子濃度占比較高,淺層地下水個別陰離子與Cl-軸相近[7-8]。

根據舒卡芙分類標準確定淺層和中深層地下水化學類型分別為12種、5種,淺層主要為HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型和HCO3-—Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Na+·Mg2+型,中深層主要為HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Ca2+型和HCO3-—Na+·Ca2+型。

2.3 地下水化學成因

1)離子相關性分析。研究采用SPSS20.0軟件分析遼陽縣中深層和淺層地下水常規化學指標相關性如表2所示。

表2 遼陽縣地下水化學離子相關性

由表2可知,在0.01水平(雙側)上淺層地下水中TDS質量濃度與SO42-、Cl-、Mg2+高度正相關(R>0.8),在0.01水平(雙側)上TDS質量濃度與Ca2+、Na+中度正相關(0.5

在0.01水平(雙側)上中深層地下水中TDS質量濃度與SO42-、Cl-、Mg2+高度正相關(R>0.8),表明這三種離子顯著影響著中深層地下水TDS,具有重要控制作用。在0.01水平(雙側)上ρ(SO42-)、ρ(Mg2+)與ρ(Cl--)高度正相關(R>0.9),表明三者來源可能相同。

2)溶濾作用。一般地,Gibbs半對數坐標圖可以直觀地反映蒸發-濃縮、大氣降水以及巖石風化作用等地下水化學形成機制[9]。由GIbbs曲線可知,在巖石風化作用控制區分布的樣點反映了地下水化學受巖石溶濾作用的影響,隨著陰離子比值的增高部分淺層地下水樣點向蒸發-濃縮控制區移動。通過對比中深層和淺層地下水發現,中深層明顯低于淺層地下水的陰離子比值和TDS質量濃度,這表明淺層地下水存在相對復雜的組分控制因素。因此,巖石風化溶濾作用是遼陽縣地下水化學形成的主要控制因素,蒸發-濃縮結晶作用對個別淺層地下水產生影響,地下水化學形成受大氣降水的影響較低[10]。

3)陽離子交替吸附作用。遼陽縣廣泛分布的黏性土為吸附作用提供了條件,可以利用離子濃度關系判定研究區地下水陽離子交換作用的發生程度。結果發現,遼陽縣地下水樣點大多分布于y=-x線周圍,通過擬合淺層和中深層地下水樣點數據生成相應的擬合曲線為y=-0.915x+0.7281、y=-1.087x+0.5285,相關系數R2為0.920和0.982,說明遼陽縣中深層和淺層地下水化學組分的形成機制與陽離子交替吸附作用存在密切聯系。

為了更加直觀地分析地下水陽離子交替吸附的正向和逆向反應過程引入氯堿指數CAI1、CAI2,其中,CAI1與CAI2均為負值或正值時,則代表地下水中的陽離子發生正向(含水介質中吸附態的K+、Na+被地下水中的Mg2+、Ca2+置換)和逆向(含水層中Mg2+、Ca2+被地下水中的K+、Na+置換)交換作用。研究區內有100%的中深層樣點和90%的淺層樣點CAI1、CAI2為負值,可見中深層和淺層陽離子發生正向反應,即圍巖中的Na+、K+離子被地下水中的Mg2+、Ca2+離子置換,地下水中的Na+、K+離子增多,Mg2+、Ca2+離子減少。

4)人為活動的影響。人為活動對自然界水體的影響主要體現在NO3-濃度上,對于NO3-質量濃度天然來源限制為10mg/L,超過該限制則表示人類氮源輸入對自然界水體產生影響。結合實測數據,研究區超過NO3-濃度天然限制的淺層地下水樣點有11個,所占比例為30.56%,超過20mg/L(Ⅲ類水質標準)的樣點有6個,所占比例16.67%,所有中深層地下水樣點均低于NO3-濃度天然限制。因此,人為因素已經影響到了遼陽縣淺層地下水化學組成,未對深層地下水產生明顯影響[10-11]。

淡水環境下,Cl-作為地下水中的保守離子一般不參與離子交換和化學反應,能夠發揮示蹤劑的作用。化肥、工業和生活污水等人類活動與地下水環境中的高濃度Cl-有關,可以利用Cl-來指示地下水受人類活動的影響,采用ρ(NO3-)與ρ(Cl-)關系圖反映硝酸鹽來源。結果表明,遼陽縣淺層地下水樣點的NO3-濃度>天然限制,其NO3-與Cl-之間的相關性較好,Cl-濃度隨著NO3-濃度的增加表現出顯著上升趨勢,這從側面反映了淺層地下水化學組成受人為因素的影響。同時,遼陽縣中深層和淺層地下水中的ρ(Cl-)與ρ(SO42-)之間的正相關性較好,表明化肥、工業和生活污水等人類活動也會影響到地下水硫酸鹽濃度。

3 結 論

1)遼陽縣淺層地下水優勢陰陽離子為HCO3-、Ca2+,除HCO3-外其它離子均具有較大的變異系數,說明外界影響對淺層地下水化學特征影響顯著;中深層地下水優勢陰陽離子為HCO3-、Na+,除Cl-、SO42-外其它變異系數較為穩定。

2)遼陽縣淺層和中深層化學類型分別為12種、5種,淺層主要為HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型和HCO3-—Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Na+·Mg2+型,中深層主要為HCO3-—Na+·Ca2+·Mg2+型,其次是HCO3-—Ca2+型和HCO3-—Na+·Ca2+型。

3)人類活動、陽離子交替吸附作用和巖石溶濾作用共同影響著地下水化學特征,并且淺層相較于中深層化學成分受人為因素的影響更顯著,人類活動與中深層及淺層地下水硝酸鹽、硫酸鹽變化有關。