水文地質(zhì)單元交界區(qū)潛水水化學(xué)特征及演化分析:以泰州市區(qū)為例

李朗, 黃曉燕, 何偉, 秦甜甜

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院, 南京 210018)

江蘇長江三角洲城市群位于長江入海之前的沖積平原,在中國開放格局中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位,也是中國城鎮(zhèn)化基礎(chǔ)最好的地區(qū)之一。2019年出臺的《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》更是將建設(shè)以人為本、集約發(fā)展、環(huán)境友好的新型城鎮(zhèn)化作為國家戰(zhàn)略的重要組成部分。隨著區(qū)域供水的全面普及,地下水已不作為該區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活的主要水源,但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)村日常生活中仍扮演較為重要的作用。潛水作為離地表最近的地下水體,是區(qū)域地下水循環(huán)研究的重要載體,也是影響水生態(tài)平衡穩(wěn)定的關(guān)鍵帶。在日益頻繁的人類活動影響下,潛水水質(zhì)愈發(fā)脆弱,并可能對下覆其他含水層次水質(zhì)產(chǎn)生影響。因此,有效識別潛水水化學(xué)組分,分析其水環(huán)境現(xiàn)狀水平和成分來源特征[1],揭示潛水的形成背景及變化過程,對保護區(qū)域水環(huán)境水生態(tài)均具有十分重要的理論意義[2]。

泰州市區(qū)位于長江三角洲平原的北翼,是長江三角洲城市群的重要組成部分,區(qū)內(nèi)受江淮兩大水系沖積及多次海侵海退影響,地層發(fā)育較為復(fù)雜,相比長江三角洲城市群(北翼)其他城市均位于長江北部三角洲平原水文地質(zhì)亞區(qū)(以下簡稱長三角亞區(qū)),泰州市區(qū)具有縱跨長三角亞區(qū)與里下河低洼湖蕩平原水文地質(zhì)亞區(qū)(以下簡稱里下河亞區(qū))兩大水文地質(zhì)單元的獨特特征,是進行兩水文地質(zhì)單元地下水化學(xué)特征與成因?qū)Ρ妊芯康睦硐雲(yún)^(qū)域。

目前,對于泰州市的地下水質(zhì)已開展了一些區(qū)域尺度的評價工作,但研究程度相對較粗略。其中,趙繼昌等[3]對研究區(qū)在內(nèi)的蘇北平原地下水咸淡程度進行了分析,指出研究區(qū)深層及淺層地下水均以淡水為主;吳夏懿等[4]對江蘇長江三角洲地區(qū)的淺層地下水進行了質(zhì)量評價,其中泰州所在的里下河區(qū)和長三角區(qū)水質(zhì)以Ⅴ類為主;李云等[5]分析了揚-泰-靖沿江地區(qū)地下水的環(huán)境同位素進行了分析,結(jié)果表明泰州市承壓水的硫酸鹽主要來自硫化物氧化。由于數(shù)據(jù)的缺乏和研究目的不同,鮮有研究將潛水層作為主要研究層位來分析水化學(xué)分布特征及對比研究兩大水文地質(zhì)亞區(qū)的水化學(xué)差異成因。

為此,現(xiàn)依托2016—2017年潛水采樣數(shù)據(jù),通過電荷平衡、統(tǒng)計分析、Piper圖、Gibbs圖、離子比例、相關(guān)分析等方法[6-12],描述該地區(qū)孔隙潛水化學(xué)現(xiàn)狀特征,對比交界帶多水文地質(zhì)單元的水化學(xué)差異,探尋潛水水化學(xué)的主要成因,為實現(xiàn)地下水生態(tài)環(huán)境有效保護及合理利用提供科學(xué)依據(jù),并為沿江北部其他類似地區(qū)潛水化學(xué)分析與評價提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

泰州市城區(qū)包括海陵區(qū)、高港區(qū)、姜堰區(qū)、醫(yī)藥高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū),總面積為1 568 km2(圖1)。區(qū)內(nèi)地勢平坦,南高北低,河網(wǎng)密布,地面標(biāo)高多小于5 m。位于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),降水較為充沛,多年平均降水量為1 049 mm,一年中有三個多雨期,4月中旬至5月上旬為春雨期,6月中旬至7月上旬為梅雨期,8月中旬至9月中旬為臺風(fēng)季節(jié)。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點分布示意圖Fig.1 Geographical location of the study area and the distribution of sampling sites

孔隙水是當(dāng)?shù)刂饕牡叵滤愋?基巖以上的松散層由新近系以來的長江、淮河兩大水系合力沖積而成,同時區(qū)內(nèi)經(jīng)歷過數(shù)次不同程度的海侵[13-14],因此,在水動力作用下區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)環(huán)境南北差異較大。以新通揚運河為界,以北為淮河下游水文地質(zhì)區(qū)(Ⅱ)的里下河低洼湖蕩平原水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅱ2),以南為長江下游水文地質(zhì)區(qū)(Ⅰ)的長江北部三角洲平原水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅰ10)。地表以下自淺到深發(fā)育了潛水、第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ承壓等五個主要含水層,其中潛水層由全新世粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂組成,富水性一般小于100 m3/d,以居民分散開采為主,砂層厚度分布不穩(wěn)定,由北向南厚度逐漸變大(圖2),里下河亞區(qū)厚度一般小于10 m,長三角亞區(qū)厚度在5～50 m。

圖2 研究區(qū)南北向水文地質(zhì)剖面Fig.2 Geological profiles of SN direction

2 取樣點位置與樣品分析

基于均勻分布原則,于2016年12月至2017年1月采集37組潛水民井水樣(圖1)。采集樣品前,首先采訪記錄民井的井深、GPS坐標(biāo)及民井所在人家的門牌號,而后用蒸餾水清洗聚乙烯水樣瓶1次,在民井抽水充分后用取樣器取水樣清洗聚乙烯瓶2～3次,而后灌滿至瓶內(nèi)空氣排盡并封好瓶口。

水質(zhì)源數(shù)據(jù)進行可靠性檢驗。檢驗方法采用電荷平衡法[15],以水樣陰陽離子電荷平衡作為判別依據(jù),結(jié)果E絕對值大于5%時,其水質(zhì)分析測試結(jié)果判別為不可靠,計算公式為

(1)

檢驗計算結(jié)果表明,分析用水質(zhì)數(shù)據(jù)E在允許范圍內(nèi)絕對值均小于5%,水樣分析數(shù)據(jù)可靠,如圖3所示。

圖3 水樣點電荷平衡系數(shù)分布圖Fig.3 Distribution curve of the charge balancing factor

3 結(jié)果與分析

3.1 描述性統(tǒng)計分析

3.1.1 主要指標(biāo)統(tǒng)計

表1 潛水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計值Table 1 Statistics of hydro-chemical parameter of phreatic water

3.1.2 主要指標(biāo)空間分布

從空間分布看(圖4),全區(qū)潛水大多數(shù)為淡水,主要離子Na+、Cl-、TDS指標(biāo)均呈現(xiàn)由北到南逐漸減小的趨勢,其中TDS咸淡分界線在新通揚運河一線擺動。從各亞區(qū)看,里下河亞區(qū)鹽度大多為微咸水,Na+最大值位于北端興泰鎮(zhèn);Cl-、TDS最大值位于西北端華港鎮(zhèn);Na+、Cl-、TDS的最小值均位于新通揚運河附近。新通揚運河以南的長三角亞區(qū),除個別區(qū)域的透鏡體巖層可能包裹了微咸水外其余大部為淡水,且越往南越低;Na+、Cl-、TDS最大值分別位于北端的泰東鎮(zhèn)、中部的徐莊鎮(zhèn)、北端的姜堰鎮(zhèn),最小值均位于南端臨江的永安洲鎮(zhèn)。

圖4 主要指標(biāo)含量等值線分布圖Fig.4 Contour distribution map of main indicator content

3.1.3 水化學(xué)類型

圖5為根據(jù)工作區(qū)潛水水化學(xué)指標(biāo)繪制的水化學(xué)類型Piper圖。

圖5 水化學(xué)類型Piper圖Fig.5 Piper diagram showing water chemistry

(1)陽離子分布。絕大多數(shù)(占比83.8%)分布于三線圖中1區(qū)[17],即堿土金屬Ca2+、Mg2+濃度超過堿金屬Na+、K+;從各亞區(qū)來看,長三角亞區(qū)的陽離子均位于1區(qū),說明本區(qū)Ca2+濃度遠(yuǎn)超過Na+,陽離子來源較一致;里下河分區(qū)陽離子分布較分散,50%的點落入1區(qū),剩余點落入2區(qū),說明本區(qū)Ca2+與Na+濃度較為接近,陽離子來源較為多樣。

(3)水化學(xué)性質(zhì)。大多數(shù)(占比70.3%)分布于三線圖中5區(qū),即水化學(xué)性質(zhì)以堿土金屬+弱酸為主,其中又以長三角區(qū)更為明顯。里下河區(qū)水化學(xué)性質(zhì)跨越5區(qū)、6區(qū)、8區(qū)和9區(qū),以9區(qū)居多,說明該區(qū)水化學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜,堿土金屬+弱酸、堿金屬+弱酸、各種離子組合型這三種類型均出現(xiàn)。

3.1.4 指標(biāo)相關(guān)性

表2 主要指標(biāo)相關(guān)性系數(shù)矩陣Table 2 Correlation matrices of hydro-chemical parameter

3.2 水化學(xué)成分來源

3.2.1 水化學(xué)Gibbs圖

Gibbs圖是一種半對數(shù)坐標(biāo)圖,用于定性分析地下水組分來源的主要影響因素[20]。研究區(qū)Gibbs圖(圖6)結(jié)果顯示,陰離子化學(xué)組成均主要受巖石風(fēng)化作用影響,而大氣降水和蒸發(fā)-結(jié)晶作用較小;陽離子分布的分區(qū)特征較明顯,長三角亞區(qū)陽離子主要受巖石風(fēng)化作用,里下河亞區(qū)落于巖性控制區(qū)域的點多分布于兩亞區(qū)交界的通揚運河附近。說明研究區(qū)潛水化學(xué)形成的控制因素可能以巖石風(fēng)化為主,即地下水中的主要離子成分來源于水-巖相互作用,同時里下河亞區(qū)部分不在三角區(qū)的點可能受其他作用影響。因地下水的來源較為復(fù)雜,Gibbs圖無法完全解釋水化學(xué)來源,還需要進一步分析。

圖6 潛水水化學(xué)Gibbs圖Fig.6 Gibbs diagram showing water chemistry of phreatic water

3.2.2 水化學(xué)成分形成作用

研究區(qū)潛水現(xiàn)狀主要接受大氣降水補給,蒸散發(fā)為主要的排泄方式,水文地質(zhì)條件分析表明區(qū)內(nèi)潛水可能受到現(xiàn)代海水殘留成分、水-巖交換作用及人類活動等多重外界影響,同時現(xiàn)狀區(qū)內(nèi)部分潛水礦化度較高,而Gibbs圖顯示其組分可能由水-巖交換作用為主。為分析水化學(xué)作用來源,將地下水組分中存在的某些穩(wěn)定元素和特征元素作為標(biāo)志元素[21],通過繪制其與其他離子的比例系數(shù)圖,以進一步判斷如混合及水巖作用等演化特征。

1)海水影響分析

(γNa/γCl)/ρCl-是表征地下水中Na離子多寡的水化學(xué)系數(shù),該比值趨近0.85時鹽分受海水影響大,趨近于1時主要受巖鹽溶解影響,遠(yuǎn)大于1時受鋁硅酸鹽礦物溶解影響[22-23]。統(tǒng)計(表3)表明全區(qū)γNa/γCl均值為1.85,離子比例圖[圖7(a)]反映出絕大多數(shù)點位(占比89%)的比例系數(shù)大于1,結(jié)合前述Gibbs圖分析可知,表明區(qū)內(nèi)總體潛水化學(xué)組分大部分受鋁硅酸鹽礦物溶解影響,部分受水-巖溶濾作用,少量受海水影響。同時,表2顯示里下河亞區(qū)和長三角亞區(qū)的比例系數(shù)均值為2.90、1.47,里下河亞區(qū)點位分布比長三角亞區(qū)明顯靠近l,里下河亞區(qū)的微咸水點比例系數(shù)大于淡水點,長三角亞區(qū)則相反,表明兩區(qū)的水巖作用可能存在一定區(qū)別,長三角亞區(qū)前期的水巖作用,可能被后期與現(xiàn)代地表水的水力循環(huán)所沖淡。

表3 γNa/γCl值統(tǒng)計表Table 3 Statistics of γNa/γCl

圖7 離子比例系數(shù)圖Fig.7 Plot of the ions ratio coefficients

2)水巖作用特征

γ(Mg2+/Na+)/γ(Ca2+/Na+)根據(jù)點位落位區(qū)間來判斷水巖風(fēng)化作用的物源[24]。由圖7(b)可知,研究區(qū)潛水主要陽離子濃度比值分布較分散,在蒸發(fā)鹽溶解和碳酸鹽溶解之間均有分布,表明硅酸鹽風(fēng)化、蒸發(fā)鹽溶解和碳酸鹽溶解這三種作用對該區(qū)潛水常規(guī)元素特征均有影響,但硅酸鹽風(fēng)化是主要作用。其中,里下河亞區(qū)水巖作用以硅酸鹽風(fēng)化為主,碳酸鹽溶解次之,少部分為蒸發(fā)鹽溶解;長三角亞區(qū)則為硅酸鹽風(fēng)化、碳酸鹽溶解作用兼有。說明里下河亞區(qū)水巖作用較長三角亞區(qū)更復(fù)雜,且硅酸鹽的風(fēng)化相對于長三角區(qū)更為強烈。

3)人類活動影響

4)陽離子交換

氯堿指數(shù)(CAI-1和CAI-2)可進一步判斷陽離子交換作用進行的方向[28-29]。若CAI-1和CAI-2為負(fù)值時,發(fā)生正向陽離子交換作用,即水中Ca2+和Mg2+與含水層顆粒表面吸附的Na+和K+進行陽離子交換作用;若CAI-1和CAI-2為正值時,則發(fā)生逆向陽離子交換作用。由圖8(f)可知,全區(qū)氯堿指數(shù)大部分為負(fù)值,說明潛水以正向陽離子交換作用為主,即水中Ca2+和Mg2+因與含水層吸附的Na+和K+發(fā)生交換而使?jié)舛葴p少。

(2)

(3)

4 討論

4.1 區(qū)域水化學(xué)特征簡析

研究區(qū)潛水化學(xué)特征受到自然因素及人為因素共同作用。泰州市區(qū)地勢平坦,河網(wǎng)密布,北部受湖相沉積影響,南部受河口沖積相影響。潛水的補給主要受大氣降水和地表徑流影響,徑流較為緩慢,排泄以人工開采(民井)及天然蒸發(fā)為主。受人類活動影響,農(nóng)化用品及生活糞便通過地表入滲的方式對潛水水質(zhì)產(chǎn)業(yè)影響。

4.2 交界帶水化學(xué)差異分析

長三角亞區(qū)與里下河亞區(qū)兩水文地質(zhì)單元的潛水水化學(xué)特征差異較大,這種差異可能受多方面因素影響。

4.2.1 沉積環(huán)境影響

主要離子含量均呈現(xiàn)里下河亞區(qū)大于長三角亞區(qū)的特征,這與全新世初期海退后各亞區(qū)不同的沉積環(huán)境十分相關(guān)。

里下河亞區(qū)在海退后,相繼經(jīng)歷了湖相、濱海沼澤、海灣、瀉湖、湖相等沉積演變,多為低洼淤積作用[30],地層封閉性增強,另原有海侵留在洼地里的Na+、Cl-等優(yōu)勢離子被封閉在黏性地層中可能有微量殘留。因此,水質(zhì)鹽度普遍較高,水化學(xué)類型較復(fù)雜,且亞區(qū)潛水鹽度呈現(xiàn)中心(研究區(qū)以北興化一帶潛水TDS可達(dá)3 g/L)向四周逐漸降低的特征。而長三角亞區(qū)全新世海侵時為古長江河口地帶,海退之后多經(jīng)歷河口相沖積作用,長江主河道略微南移。在長期沖積沖刷作用下,原有水質(zhì)中的大量離子被大氣降水及江水帶走,因此潛水水質(zhì)鹽度得到有效降低,至南端長江TDS已小于0.4 g/L。

同時,全新世以來,在北部地勢低洼的里下河湖相沉積平原與高聳的南部長三角沖積平原間在新通揚運河一帶逐漸形成近東西向的古沙堤。在全新世海退后,由于古沙堤的阻擋,南北亞區(qū)間的水力交換受到明顯的阻隔影響,也進一步加劇兩亞區(qū)的水化學(xué)差異。

4.2.2 含水介質(zhì)的影響

含水介質(zhì)差異對水化學(xué)成分影響也較明顯。北部的里下河亞區(qū),潛水含水層巖性以粉土粉質(zhì)黏土為主,埋深淺,黏度高、顆粒細(xì)、孔隙小,導(dǎo)水性和透水性較差,水平徑流不暢、水循環(huán)滯緩,因此,較慢的徑流速度使?jié)撍瘜W(xué)成分增加了與地層的物質(zhì)交換,水中Ca2+、Mg2+與含水層介質(zhì)的Na+發(fā)生的陽離子交替吸附反應(yīng)充分,使里下河亞區(qū)水中的Ca2+、Mg2+含量降低。同時,里下河亞區(qū)水網(wǎng)淤積程度存在東西部差異,東部沼澤黏土厚度更大,與外界水力交換能力更弱。

南部長三角亞區(qū)多為古河道及漫灘兩岸,含水層巖性以粉細(xì)砂為主,層厚大、顆粒粗,水平徑流相對流暢,易于化學(xué)成分的遷移,較快的徑流速度在一定程度上減慢了潛水化學(xué)成分與地層的物質(zhì)交換,因此,其TDS、總硬度都小于里下河亞區(qū)。

5 結(jié)論

對研究區(qū)潛水的主要離子進行了分析,識別了離子分布的空間變化特征,劃分了地下水類型,研究了水化學(xué)組成的形成機制,探討了水文地質(zhì)亞區(qū)間水化學(xué)差異的來源,得到如下結(jié)論。

(2)從成因來看,全區(qū)潛水水化學(xué)特征以硅酸鹽風(fēng)化類水巖作用為主,碳酸鹽溶解作用次之;全新世中早期的海侵成分對里下河的潛水有少量影響,對長三角亞區(qū)影響微弱,可能是海侵遺留鹽分被黏性土透鏡體裹覆,與外界交換較慢所致;人類活動均以農(nóng)業(yè)灌溉為主和生活污水為輔的形式對潛水水化學(xué)產(chǎn)生一定的影響;潛水以正向陽離子交換作用的方式發(fā)生陽離子交換作用,其中以里下河亞區(qū)更明顯。

(3)各水文地質(zhì)亞區(qū)水化學(xué)特征迥異,沉積環(huán)境是主要原因。全新世海退以來,北部的里下河亞區(qū)地勢低洼、環(huán)境封閉,沉積物顆粒細(xì)黏度高,減小了地下水的滲透循環(huán)速率,水化學(xué)成分與外界交換減慢,而與含水介質(zhì)的離子交換作用加強。南部的長三角亞區(qū)飽受長江沖刷,沉積物顆粒粗砂質(zhì)含量高、滲透快,水力循環(huán)降低了水化學(xué)含量。同時,兩亞區(qū)交界帶形成了高聳的近東西向古沙堤,進一步隔絕了兩亞區(qū)的水化學(xué)交換。

(4)研究區(qū)需加強對農(nóng)肥用量及人類生活廢物的管理,科學(xué)控制農(nóng)肥的用量,加強對人類生活廢物的無害化處理,以免污染成分因入滲補給而代入潛水含水層進而影響地下水環(huán)境。