長春市典型流域地下水離子分布特征及來源

＊王翰琦 劉曦遙 馬力 馮波*

（1.吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室 吉林 130021 2.中國地質調查局牡丹江自然資源綜合調查中心 黑龍江 157423 3.吉林大學地熱資源開發技術與裝備教育部工程研究中心 吉林 130026）

地下水是水資源的重要組成部分，在為中國城鄉居民提供用水、支持社會和經濟發展以及維持生態平衡方面發揮著重要作用[1]。特別是在地表水資源相對匱乏的中國北方干旱和半干旱地區，地下水發揮著不可或缺的作用[2-3]。近年來,關于長春市水環境的研究取得了大量的成果,對河流水系的生態、水量及地表水水質特征進行了系統全面的研究與分析。楊靖民[4]對伊通河流域地下水和地表水中“三氮”的含量水平及污染進行了研究，發現地下水中氮污染呈現由上游到下游逐漸增加的趨勢；姜時欣等[5]分析了長春市伊通河中重金屬污染特征含量與潛在生態風險，研究得出重金屬元素含量總體沿河流流向呈階梯式增加,鉻元素存在較高生態風險。上述成果都為長春地區地下水化學研究提供了支撐，但仍缺乏對地下水中水文地球化學過程和各元素遷移轉化規律的研究，因此以長春市典型流域作為研究區域，分別對2014 年和2022 年潛水采樣點進行水化學分布規律、離子來源分析探究及模擬工作，可為長春市地下水污染的防治提供科學依據，并對我國其他水系的流域治理也有一定的參考價值。

1.研究區概況

長春市位于北半球中緯地帶，研究區地處松遼平原東側，主要分布有黃土波狀臺地和河谷漫灘階地。研究區大部分是階梯狀臺地，呈波狀或丘陵狀起伏；河谷平原主要由河流沖積平原和一級階地組成。河流呈帶狀沿著長春市周邊兩岸分布，包括伊通河、干霧開河、新開河與飲馬河，地形較為平坦。研究區主要接受大氣降水補給，流經黃土臺地區補給地表河流水系及湖泊水庫，地下水位埋深較淺。

2.取樣測試與研究方法

(1)樣品采集

依托中國地質調查局牡丹江自然資源調查中心，在長春典型流域分別獲得2014 年潛水樣品36 組和2022 年潛水樣品23 組。主要陰陽離子委托中國地質調查局牡丹江自然資源調查中心進行測試分析，所測的樣品陰陽離子平衡差均小于5%。

(2)研究方法

通過水化學類型法、離子比例分析方法研究長春典型流域地下水化學特征及演變規律，并采用地下水化學反向模擬、結合模擬結果定量解釋控制地下水演化的水文地球化學過程。

3.結果與分析

(1)水化學特征

2014 年和2022 年漫灘及一級階地采樣點pH 范圍分別為6.55～7.8 和6.33～8.41；黃土波狀臺地采樣點pH 范圍分別為6.23～7.78 和6.89～8.49，總體都呈弱堿性。2014 年TDS 值的分布范圍為23～1357 mg/L，黃土波狀臺地區域的TDS 值為23～1133 mg/L，漫灘及一級階地的TDS 值為376～1357 mg/L，平均值分別為734.36 mg/L 和695.27 mg/L。2022 年TDS 的分布范圍為95～1222 mg/L, 黃土波狀臺地區域TDS 值為195～1222 mg/L，漫灘及一級階地區域TDS 值為95～527 mg/L，平均值分別為466.7 mg/L 和284.42 mg/L。從時間變化來看，2022 年研究區及各個地貌TDS 值較2014 年降低，可見近些年長春市區域大力支持伊通河污染治理工作頗有成果。

地下水陽離子主要為Ca2+和Na+；2014 年陰離子表現出重碳酸根＞氯離子＞硝酸根＞硫酸根；2022 年陰離子以重碳酸根和硝酸根為主。K+和NO3-變異系數均較大，體現了極強的空間變異性；TDS 變異系數遠大于pH，體現出TDS 空間分布不均勻。

通過繪制伊通河流域Piper 三線圖（圖1）可知，2014 年和2022 年研究區地下水中陰離子以重碳酸型、重碳酸硫化物型、重碳酸氯化物硫化物型為主，地下水陽離子類型以鈣、鈣鈉、鈣鎂型為主。2014 年，主要體現為SO4·HCO3-Ca·Mg 型水和HCO3·Cl-Ca·Mg 型水。2022 年，長春主城區出現了較多重碳酸氯化物硫化物型水、重碳酸硫化物型水；全區地下水類型為低礦化度的HCO3·SO4-Ca·Mg 型水。

圖1 2014 年Piper 三線圖和2022 年Piper 三線圖

(2)水化學主要離子來源分析

①Gibbs 圖分析

Gibbs 圖將影響天然水化學成分的因素分為巖石風化控制型、大氣降水控制型、蒸發結晶控制型。研究區水樣點大部分落在巖石風化控制區域，部分處于蒸發濃縮控制區，幾乎不存在落在大氣降水作用區的點位，說明區內水化學組成主要受巖石風化作用與蒸發結晶作用控制[6]，且巖石風化作用對水化學離子組成起主導作用，受大氣降水作用影響較小。其中TDS與Na+/（Na++Ca2+）和具有較好的集群性，而與Cl-/（Cl-+HCO3-）不存在規律性，推測可能與陽離子交替吸附作用和人為活動有關。

②巖石風化過程

不同巖石風化過程會使不同的離子溶于水中，鈣鎂和鈣鈉的比例關系可以揭示水中離子源自何種礦物的溶解[7]，研究區以碳酸鹽巖風化為主要作用，蒸發鹽巖次之。2014 年水樣點較2022 年更分散，沒有呈現明顯的集群性。為進一步分析研究區地下水中主要離子來源，運用離子比值具體分析其水文地球化學過程[8]。

（Na++K+）與Cl-的比值關系可指示水中鈉離子和鉀離子的來源[9]。研究區Na+、K+主要來源為蒸發鹽巖溶解及少部分硅酸鹽巖風化作用。研究區采樣點鈉鉀離子與氯離子的比值整體呈增大趨勢，同時離子比值隨年限增加逐步收攏于值為1 的比值線，表明研究區地下水中Na+、K+和Cl-主要受巖鹽溶解的影響，間接表明硅酸鹽巖風化作用和陽離子交替作用減弱[10]。

（SO42-+Cl-）與HCO3-的關系可以判別碳酸鹽巖和蒸發鹽巖風化溶解對水中離子的貢獻程度，當比值小于1 時，水體主要受碳酸鹽巖溶解影響，反之則蒸發鹽巖溶解更為重要[11]，該地區受蒸發鹽巖溶解影響較大；2014 年漫灘及一級階地區域碳酸鹽巖的貢獻強于蒸發鹽巖。

不同種類的碳酸鹽巖溶解會使Ca2+與HCO3-的當量濃度比呈現不同特征[12]。當二者的濃度比為1:2時，水中鈣與重碳酸根源自方解石溶解；比值為1:3時，則鈣及重碳酸根來源于白云石溶解。研究區大部分樣點落在比值線右側，說明地下水中Ca2+主要源自方解石溶解，與白云石等其他鈣巖礦物無相關性。自然條件下，SO42-與Ca2+、Mg2+之和為同源，但其比值結果表明區內存在Ca2+、Mg2+過剩情況，可能有其他來源的鈣鎂離子存在，Mg2+主要來源于綠泥石及云母類礦物的溶解，說明方解石、綠泥石、云母以及其他鈣鎂鹽巖的溶解參與了水中Ca2+與Mg2+的形成。但除了鈣鎂鹽巖溶解，還存在其他作用會對水體離子成分產生影響，需要重點考慮人為因素對研究區地下水化學影響程度。

③人為輸入

由研究區多年水化學數據分析，NO3-污染程度逐年增加，硝酸根變異系數較大，體現極強空間變異性，漫灘附近均超過100%。通過對研究區周邊工農業污染源的調查，發現黃土波狀臺地區域存在大面積的農業區與牲畜養殖基地，化肥及牲畜排泄物質加重了水體污染。2014 年至2022 年地下水受工業污染程度呈降低趨勢，其中漫灘及一級階地處尤為明顯，可見與近幾年伊通河流域的水污染治理工程有關。根據實地情況可知，研究區周圍存在大量的工業區，其中工業廢水包括排放的含油污水會加劇伊通河流域的水質污染。除此之外，農業區作業過程中化肥和農藥的使用也會對水體造成污染。

表1 2014 年和2022 年不同地貌類型硝酸鹽氮離子濃度

(3)水文地球化學反向模擬

為進一步研究長春區域地下水化學遷移轉換過程，選取PHREEQC 水文地球化學模擬軟件對該地區幾條地下水流動路徑進行水文地球化學反向模擬工作。

根據研究區水質和水化學分析結果，以及潛水類型和地巖性層，選取伊通河流域和干霧開河流域兩條模擬路徑。由模擬結果可知，研究區內鈉、鈣鹽呈溶解趨勢；黃鐵礦呈持續溶解趨勢，赤鐵礦、針鐵礦等含鐵礦物呈沉淀趨勢；白云石、方解石呈溶解趨勢；同時可見有部分黏土礦物生成。

伊通河流域的總礦物轉移量為-3.09 mg/L。伊通河上游地下水礦化度較低，水巖反應整體呈沉淀趨勢，伊通河流域地下水的pH 呈降低趨勢，故研究區長石溶解程度逐漸增大，與模擬結果相符。干霧開河流域的總礦物轉移量為-5.56 mg/L，干霧開河上的基巖礦物主要受水體的pH 因素控制，其反應速率與pH 值呈正相關。

4.結論

（1）2014 年研究區主要體現為SO4·HCO3-Ca·Mg 型水和HCO3·Cl-Ca·Mg 型水；2022 年，地下水類型為低礦化度的HCO3·SO4-Ca·Mg 型水。

（2）區內水化學組成主要受巖石風化作用與蒸發結晶作用控制，且巖石風化作用對水化學離子組成起主導作用，受大氣降水作用影響較小。

（3）伊通河流域中基巖的溶解趨勢明顯，與人為活動有關。

（4）應該通過減少城市污水直接排放、減少化肥農藥使用、加大對伊通河流域的監管治理等措施，改善河流的水質狀況。