極端洪澇作用下江西樂安河沿岸地下水化學組分特征及來源分析

魏信祥, 楊周白露, 許乃政

(1.東華理工大學 水資源與環境工程學院, 江西 南昌 330013; 2.江西水利職業學院 水利工程系,江西 南昌 330013; 3.中國地質調查局南京地質調查中心, 江蘇 南京 210016)

1 研究背景

地下水約占地球上液態淡水資源總量的99%,全球50%的居民生活用水來源于地下水,同時地下水還是農業灌溉、工業生產用水的重要保障,對促進社會經濟發展和維護生態系統功能健康至關重要。近年來,不合理的人類生產活動對地下水資源構成了嚴重威脅,是造成地下水水質污染的主要因素[1-2]。開展地下水化學組分及其形成演化的研究對于查明地下水中污染成分的來源及污染程度具有重要意義。地下水化學組分的形成主要受控于溶濾作用、蒸發濃縮作用、陽離子交替吸附作用和混合作用等[3]。值得注意的是,全球最常見的自然災害洪澇也會對地下水化學組分產生顯著的影響。印度Adyar河地下水主要化學離子濃度在洪澇期間受到稀釋而降低,而有害微量金屬元素及微生物(細菌、病原體)濃度在攜帶大量污染物的城鎮地表徑流的影響下升高[4],類似的現象也出現在沙特阿拉伯Wadi Baysh流域洪澇災害后的地下水中[5]。內蒙古大同盆地的一次短期人工水淹實驗結果顯示,洪澇期間地表水和地下水發生混合,包氣帶蒸發礦物淋濾作用的增強促使地下水中主要離子濃度升高[6]。在農業活動密集的地區,尿素等氮肥被大量使用,發生洪澇災害后地下水中氮污染物濃度普遍升高[7]。

當前,地下水水化學組分形成演化的研究方法主要包括圖示法(如Gibbs圖、Piper三線圖)[8-10]、數理統計方法(例如Pearson相關性分析、Q型-R型聚類分析、主成分分析等)[5,11-12]、主要離子比法[13-14]等。考慮到單一方法的局限性,綜合多種方法對地下水水化學成分的形成進行研究能獲得更加可靠的結果。張濤等[14]綜合運用數理統計、Piper三線圖、Gibbs模型和離子比等方法分析了黑龍江蛤蟆通河流域地下水的水文地球化學特征,并探討了水化學演化規律及主要離子來源;魏善明等[15]綜合利用Piper三線圖、離子比及數理統計等方法,研究了山東省東汶河沂南地區地下水水化學特征及形成機理;馮海波等[16]運用流場對比、數理統計、Piper三線圖等方法,揭示了煤礦區地下水流場和水化學場的時空演化規律。

樂安河位于江西省東北部,是中國最大的淡水湖鄱陽湖的主要支流。樂安河上游賦存豐富的礦產資源,包括我國最大的露天銅礦-德興銅礦,幾十年的礦山開采不斷向樂安河輸入有害重金屬元素,使得樂安河成為鄱陽湖五大水系中重金屬污染最為嚴重的水域之一[17-20]。另外,受沿岸城鎮污水、畜牧養殖、農業施肥等影響,樂安河還存在COD、氨氮、硝酸鹽、氯化物超標等水質污染問題[21-22]。2022年6月18日至22日,樂安河流域樂平市境內普降大暴雨,全市平均降雨量達404.2 mm,樂安河虎山水文站出現超歷史最高水位,當地啟動防汛I級響應。樂安河沿岸名口鎮、鸕鶿鄉、眾埠鎮、接渡鎮、浯口鎮等鄉鎮的低洼地帶發生洪澇災害,受災面積達70 km2。洪澇期間,地表水與相鄰地下含水層之間的水力交換可能造成地下水水質的惡化[23],且地下水是當地農村居民重要的飲用水源。因此,本文選擇該地區為研究對象,綜合運用Piper三線圖、Gibbs圖、數理統計、主要離子比等方法,分析洪澇作用下地下水水化學特征及形成演化過程,評估地下水水質狀況及健康風險。研究結果將為極端洪澇災害影響下的地下飲用水安全和公共健康風險管控提供科學依據。研究區地理位置和地下水采樣點分布見圖1。

圖1 研究區地理位置和地下水采樣點分布

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

樂安河是鄱陽湖的主要支流,位于江西省東北部,發源于懷玉山西麓,自東向西流經婺源縣、德興市、樂平市、萬年縣、鄱陽縣,至鄱陽縣姚公渡與昌江匯合成饒河后最終匯入鄱陽湖,全長279 km,豐水期河寬100～200 m,枯水期河寬30～100 m,流域面積為8 989 km2[19]。本次洪澇災害研究區主要位于樂平市樂安河沿岸,坐標為東經117°5′～117°30′、北緯28°50′～29°0′。研究區屬于典型的亞熱帶季風氣候區,夏季高溫多雨、冬季溫和少雨,年平均氣溫為18.3 ℃,年平均降水量為1 672.3 mm,降水量年內分配極不均勻,暴雨多集中在5—7月份,且持續時間較長,極易導致洪澇災害發生。區內地勢大體呈現從東向西逐漸降低趨勢,地形大致呈3個梯級:北、東、南三方邊緣為低山丘陵(海拔200～500 m),中部是平原與丘陵交錯(海拔100～200 m),西部樂安河及沿岸為平原盆地(海拔20～60 m)。土壤主要有水稻土、潮土、紫色土、石灰土、紅壤等土類[24]。根據含水層的巖性組合特征及地下水的賦存條件,可將區內含水層分為第四系松散沉積物含水層、碎屑巖孔隙-裂隙含水層、碳酸鹽巖裂隙-溶隙含水層、基巖裂隙含水層[25]。研究區地下水主要以大氣降水和地表水入滲補給為主,地下水總體流向受地形影響,從丘陵流向樂安河河谷平原。

2.2 數據來源

為研究樂平市樂安河沿岸洪澇災害影響區地下水水化學特征及形成演化規律,在洪澇災害較嚴重的名口鎮、鸕鶿鄉、眾埠鎮、接渡鎮等鄉鎮約70 km2區域采集地下水水樣。共布設采樣點位12個,采集地下水樣品24組。其中2022年7月3日—5日采集了12組樣品(洪澇期間),洪水退去2個月后在相同的點位再次采集了12組樣品(洪澇后期,在此期間研究區持續干旱,基本無降雨)。采集的地下水樣品取自當地農村生活飲用民井,井深約8～15 m,含水層為第四系砂礫石層,具體采樣位置見圖1。

2.3 研究方法

3 結果與分析

3.1 地下水水化學特征及飲用適宜性評價

表1 研究區洪澇期間和洪澇后期地下水水化學組分濃度測試結果統計

3.2 地下水水化學類型

圖3 研究區洪澇期間和洪澇后期地下水Piper三線圖

圖4 研究區洪澇期間和洪澇后期各采樣點地下水中主要組分當量濃度百分比

4 討 論

4.1 極端洪澇背景下的地下水水化學演化

圖5 樂平市樂安河沿岸洪澇期間和洪澇后期地下水Gibbs圖

圖6 樂平市樂安河沿岸洪澇期間及洪澇后期地下水主要離子比值

如圖6(a)所示,本研究中(Na++K+)/Cl-當量濃度比范圍為0.37～5.50,大部分樣品點落于1∶1分布線以下,表明過量的Na+、K+可能來源于硅酸鹽礦物的溶濾;其他5個樣品位于分布線之上,表明Cl-具有其他來源,高含量的氯是地下水污染的示蹤劑,因而可能受到人為活動的影響[15]。相比于洪澇后期,洪澇期間地下水中過量的Na+、K+可能主要與連續暴雨對農田中鉀肥的強淋濾有關,表1也顯示出洪澇期間地下水中K+濃度高于洪澇后期,且顯著高于鄱陽湖環湖區[13]。

綜上所述,極端洪澇背景下樂安河河岸地下水水化學組分演化異常復雜,經歷了水-巖相互作用、硅酸鹽礦物溶解、離子交換等過程的水文地球化學過程,同時還受到農業生產和人為活動的強烈影響。

4.2 地下水污染組分來源分析

地下水污染組分的化學分析不能提供污染因子之間關系的信息,也無法識別其來源,因此多元統計方法被廣泛用于識別地下水污染因子的來源[4-5,15, 31]。洪澇期間樂安河沿岸地下水中Mn濃度為0.001～1.866 mg/L,均值為0.273 mg/L;洪澇后期Mn濃度為bdl ～0.436 mg/L,均值為0.090 mg/L(表1),洪澇期間地下水中Mn濃度明顯更高(圖2)。圖7為洪澇期間地下水微量金屬、pH、TDS的Pearson相關性分析結果。由圖7可以看出,Mn與TDS相關性很強,相關系數達到0.79。洪澇期間的持續降雨加強了對包氣帶土壤的侵蝕和溶濾作用,雨水攜帶大量懸浮顆粒進入地下水,地表土壤堆積物中的錳通過氧化包氣帶進入還原的地下含水層[38],高價的錳氧化物被還原為Mn2+可溶鹽,從而增加了地下水中Mn的濃度。與環鄱陽湖區類似,包氣帶土壤中的含錳礦物是區內地下水中Mn的主要來源[33]。洪澇后期洪水退去,研究區域內大部分地下水埋藏較淺,氧化還原電位升高,導致可溶Mn含量降低,因為Mn在還原環境下更容易富集[13]。洪澇期間重金屬Cd在所有采樣點均低于檢出限,但是洪澇后期(洪澇發生后2個月)地下水中Cd濃度普遍超標(表1),可能是受地表水補給地下水滯后性的影響。何柱錕等[24]利用正定矩陣因子分解法對樂安河沉積物的重金屬來源解析結果表明,樂安河重金屬污染主要來源于上游采礦活動(貢獻率達67%)。因此受高強度降雨的影響,樂安河上游的重金屬Cd被洪水攜帶遷移至下游的樂平市,這可能是導致區域內地下水Cd污染的重要原因。

圖7 洪澇期間研究區地下水微量金屬、pH、TDS的Pearson相關性分析

5 結 論

(2)受區域地質背景的影響,地下水水化學類型顯示出較大的空間差異。洪澇期間,地下水水化學類型以HCO3-Ca·Na、HCO3·SO4-Ca·Na及HCO3·SO4-Ca為主;洪澇后期出現了更多陰離子包含Cl型及NO3型的地下水(分別占比25%和8.3%),反映出地下水水化學類型受到了人為活動的影響。

(3)總體來說,區內地下水主要組分的形成受水-巖相互作用、硅酸鹽礦物溶解、陽離子交替吸附作用的控制,局部地區受農業施肥、污水排放等人為活動的干擾。地下水中大部分微量金屬元素濃度很低,部分樣品的Mn、Cd濃度超標主要是由于受到強降雨對土壤的侵蝕和溶濾以及樂安河上游采礦活動的影響。