倪澤華

（廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510110）

地下水在循環(huán)過(guò)程中不斷與周?chē)h(huán)境相互作用導(dǎo)致了地下水水化學(xué)特征差異的形成，影響其分布規(guī)律的因素主要有氣候條件、徑流條件、地形地貌等自然因素，人類(lèi)活動(dòng)的影響也不容忽視[1-2]。通過(guò)分析地下水的水化學(xué)特征及成因能夠揭示地下水的循環(huán)機(jī)理[3]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者常利用描述性統(tǒng)計(jì)法[4]、Piper三線圖法[5]、Gibbs圖法[6-7]、離子比例法和飽和指數(shù)法[8]等方法研究地下水化學(xué)特征，近年來(lái)，同位素分析方法[9-10]、水文地球化學(xué)模擬[11]、物探結(jié)合地下水TDS分析方法[12]等也逐漸應(yīng)用于地下水化學(xué)特征的研究中。

珠江三角洲自古農(nóng)業(yè)活動(dòng)繁盛，加之改革開(kāi)放之后經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，成為國(guó)內(nèi)綜合實(shí)力最強(qiáng)的城市群之一，但這也對(duì)區(qū)域內(nèi)水環(huán)境造成巨大的影響[13-14]。新會(huì)區(qū)作為珠江三角洲西岸的一部分，地下水研究工作較少，掌握區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)組分的空間分布、水化學(xué)特征及成因，能夠完善珠三角地區(qū)地下水水化學(xué)特征研究工作，也為區(qū)內(nèi)地下水資源合理利用與保護(hù)提供依據(jù)。本文利用《新會(huì)區(qū)城市地質(zhì)調(diào)查》項(xiàng)目調(diào)查數(shù)據(jù)，采用Gibbs圖法、Durov圖法、離子比例法、飽和指數(shù)法等方法對(duì)區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)類(lèi)型進(jìn)行分析，揭示區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)特征及其成因。

1 研究區(qū)概況

新會(huì)區(qū)在構(gòu)造單元上屬華南褶皺系之粵中坳陷區(qū)三級(jí)構(gòu)造單元。巖石類(lèi)型復(fù)雜，沉積巖、變質(zhì)巖和侵入巖均有發(fā)育。南部和北部廣泛分布有花崗巖，南部為為燕山期花崗巖；北部主要為早燕山期晚三疊世花崗巖，局部見(jiàn)加里東期晚奧陶世片麻狀花崗巖。中部的第四系松散沉積層大面積分布，包括晚更新世禮樂(lè)組，全新世桂洲組、山間河流沖積層和現(xiàn)代人工填土。前第四紀(jì)地層出露面積較小，包括寒武紀(jì)牛角河組、高灘組，晚泥盆世春灣組，早白堊世百足山組和古新世莘莊村組。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，以北東東、北北西、北東和北西向斷裂為主，部分?jǐn)嗔丫哂幸欢ǖ幕顒?dòng)性。根據(jù)含水層類(lèi)型，區(qū)內(nèi)地下水主要分為松散巖類(lèi)孔隙水、紅層碎屑巖裂隙孔隙水、一般碎屑巖裂隙水、巖漿巖裂隙水四類(lèi)。地下水總體流向?yàn)樽晕鞅毕驏|南，以蒸發(fā)和人工開(kāi)采為主要排泄方式，最終排泄匯入于潭江、西江中。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析

本次采集地下水樣品120組，采樣時(shí)間為2020 年，采樣點(diǎn)主要為區(qū)內(nèi)調(diào)查民井，泉水出露點(diǎn)以及水文地質(zhì)鉆孔水樣（圖1）。樣品采集、保存和送樣嚴(yán)格按《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 164-2004）執(zhí)行，地下水樣品測(cè)試委托廣東省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成，其中水溫、pH、TDS、DO均為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其余指標(biāo)為實(shí)驗(yàn)室所測(cè)。對(duì)水樣結(jié)果進(jìn)行碳酸平衡、電荷平衡等預(yù)篩選后剔除1 組異常數(shù)據(jù)，剩下119 組地下水?dāng)?shù)據(jù)用于本次研究其中松散巖類(lèi)孔隙水樣81 組，基巖裂隙水樣38 組。

圖1 新會(huì)區(qū)地下水采樣位置圖

3 結(jié)果與分析

3.1 水化學(xué)特征

3.1.1 水化學(xué)成分特征

本次地下水樣分為松散巖類(lèi)孔隙水和基巖裂隙水。其中松散巖類(lèi)孔隙水pH變化區(qū)間4.25～8.47，其中60.49%的水點(diǎn)pH＜7，平均值6.62，總體呈弱酸性；溶解性總固體（TDS）變 化 區(qū) 間34 mg·L-1～15936 mg·L-1，其 中83.95%的 水 點(diǎn)＜1g·L-1，平均值1188.06 mg·L-1，總體為淡水；總硬度變化區(qū)間8.71 mg·L-1～2998 mg·L-1，平均值297.11 mg·L-1，總體硬度較低。基巖裂隙水pH變化區(qū)間4.77～8.62，其中71.05%的水點(diǎn)pH＜7，平均值6.60，總體呈弱酸性；溶解性總固體（TDS）變 化 區(qū) 間51 mg·L-1～15249 mg·L-1，其 中73.68%的 水 點(diǎn)＜1g·L-1，平均值2175.61 mg·L-1，總體為淡水；總硬度變化區(qū)間2.9 mg·L-1～4088 mg·L-1，平均值671.26 mg·L-1，總體硬度較低。

松散巖類(lèi)孔隙水中陽(yáng)離子以Ca2+為主，平均濃度為62.67 mg·L-1，其次為Na+，平均濃度為303.36 mg·L-1，K+、Mg2+濃度較低，平均濃度分別為24.13 mg·L-1、34.16 mg·L-1；陰離子以HCO3-為主，平均濃度為174.35 mg·L-1，其次為Cl-、SO42-、NO3-，其濃度平均值分別為547.47 mg·L-1、53.78 mg·L-1、23.11 mg·L-1（圖2）?；鶐r裂隙水中陽(yáng)離子以Na+為主，平均濃度為530.73 mg·L-1，其次為Ca2+，平均濃度為161.98 mg·L-1。陰離子以Cl-為主，平均濃度為1197.68 mg·L-1，其次為HCO3-，平均濃度分別為63.98 mg·L-1。SO42-、NO3-濃度較低，平均濃度分別為78.27 mg·L-1、5.12 mg·L-1（圖2）。

圖2 新會(huì)區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)箱圖

3.1.2 水化學(xué)類(lèi)型特征

Durov圖在繼承了Piper三線圖反映地下水的化學(xué)組分和水化學(xué)類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，又可以清楚展示pH和TDS的情況[15]。如圖3所示，松散巖類(lèi)孔隙水以HCO3-Ca型水為主，其次為Cl-Na型水，另外還包含少量的HCO3-Na、SO4-Na、SO4-Ca型水。基巖裂隙水以Cl-Na型水為主，其次為HCO3-Na型水，另外還包含少量的HCO3-Ca、SO4-Na型水?；鶐r裂隙水中Cl-Na型水多分布于區(qū)內(nèi)海灣平原區(qū)，沿江兩岸及填海區(qū)等咸水分布區(qū)，推測(cè)受咸潮上溯、海水入侵的影響，導(dǎo)致該地區(qū)地下水礦化度高。

圖3 新會(huì)區(qū)地下水Piper三線圖

3.2 水化學(xué)類(lèi)型成因分析

3.2.1 地下水化學(xué)控制作用

我回了一趟昌隆街看望父親，這是我離開(kāi)之后的第二次回家。頭一次是五年前，謝瑞天陪我回來(lái)的，他說(shuō)他的身份不便于見(jiàn)我父親，于是便在縣城的賓館里等我。

Gibbs圖能夠清晰的反映出地下水中主要離子受大氣降水、巖石風(fēng)化以及蒸發(fā)結(jié)晶三種作用影響[16]。

由圖4可知，區(qū)內(nèi)松散巖類(lèi)孔隙水和基巖裂隙水均主要受到巖石風(fēng)化作用控制，其次受到部分蒸發(fā)結(jié)晶作用（右上角）的影響，結(jié)合這些蒸發(fā)結(jié)晶取樣點(diǎn)位置可以發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)主要分布于微咸水-咸水區(qū)以及沿海的人工圍墾區(qū)，地下水受海水影響嚴(yán)重，但是也存在兩個(gè)明顯受到人類(lèi)活動(dòng)影響的水點(diǎn)（qJ06-q，qJ19-q）。各地層雖都接受大氣降水補(bǔ)給，但經(jīng)歷了下滲、徑流過(guò)程中的溶濾、混合等作用后，大氣降水對(duì)地下水化學(xué)成分已沒(méi)有明顯影響。

圖4 新會(huì)區(qū)地下水水化學(xué)Gibbs圖

水體和圍巖（碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖）之間的相互作用可以根據(jù)Mg2+/Na+、Ca2+/Na+和HCO3-/Na+的比值關(guān)系進(jìn)行研究[17、18]。如圖5所示，研究區(qū)地下水樣點(diǎn)主要位于蒸發(fā)巖和硅酸鹽巖風(fēng)化端元之間，只有少部分樣點(diǎn)位于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風(fēng)化端元之間，表明蒸發(fā)巖和硅酸鹽巖在巖石風(fēng)化過(guò)程中起主要影響作用，碳酸鹽巖對(duì)其影響較小。其中基巖裂隙水樣主要受蒸發(fā)巖風(fēng)化作用影響，松散巖類(lèi)孔隙水樣主要受硅酸鹽巖風(fēng)化作用影響。

圖5 新會(huì)區(qū)地下水Mg2+/Na+與 Ca2+/Na+、HCO3-/Na+與 Ca2+/Na+比值關(guān)系

3.2.2 礦物飽和指數(shù)

利用Phreeqc軟件可以計(jì)算出新會(huì)區(qū)地下水主要礦物（巖鹽、石膏、方解石、白云石）的飽和指數(shù)（SI），進(jìn)而判斷其溶解狀態(tài)[19]。

如圖6所示，新會(huì)區(qū)所有地下水點(diǎn)中的巖鹽和石膏均處于溶解狀態(tài)（SI＜0），說(shuō)明巖鹽（NaCl、KCl）和石膏（CaSO4）溶解是研究區(qū)內(nèi)地下水礦化過(guò)程中K+、Na+、Cl-、Ca2+、SO42-的重要物質(zhì)來(lái)源。

圖6 新會(huì)區(qū)地下水主要礦物的飽和指數(shù)圖

方解石礦物（CaCO3）飽和指數(shù)結(jié)果顯示81%的水點(diǎn)（81.6%的基巖裂隙水、80.2%的松散巖類(lèi)孔隙水）處于溶解狀態(tài)，白云石礦物（CaMg（CO3）2）飽和指數(shù)結(jié)果顯示87%的水點(diǎn)（84.2%的基巖裂隙水、88.9%的松散巖類(lèi)孔隙水）處于溶解狀態(tài)，其余大部分水點(diǎn)中白云石和方解石均處于飽和狀態(tài)，另外由于補(bǔ)給、徑流、排泄的差異，少部分水點(diǎn)白云石和方解石溶解狀態(tài)存在差異。

3.2.3 主要離子比例關(guān)系

不同巖石風(fēng)化對(duì)地下水主要化學(xué)組分來(lái)源的影響可以通過(guò)離子比值法進(jìn)行判別[20]。自然條件下，地下水中的Na+、K+和Cl-主要來(lái)源于巖鹽的溶解作用。根據(jù)圖7中（a）圖和（b）圖可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)地下水多數(shù)分布于γ（Na+）/γ（Cl-）＞1，γ（Na++K+）/γ（Cl-）＞1的區(qū)域。其中基巖裂隙水中有63.2%的水點(diǎn)γ（Na+）/γ（Cl-）＞1，65.8%的水點(diǎn)γ（Na++K+）/γ（Cl-）＞1，說(shuō)明區(qū)內(nèi)基巖裂隙水中除巖鹽的溶解作用外還存在硅酸鹽的溶解或陽(yáng)離子交換作用導(dǎo)致Na+、K+濃度的升高。松散巖類(lèi)孔隙水中54.3%的水點(diǎn)γ（Na+）/γ（Cl-）＞1，80.2%的水點(diǎn)γ（Na++K+）/γ（Cl-）＞1，也說(shuō)明松散巖類(lèi)孔隙水中除巖鹽的溶解作用外還存在硅酸鹽礦物的溶解作用、陽(yáng)離子交換作用以及人類(lèi)活動(dòng)的影響，松散巖類(lèi)孔隙水中K+濃度1.02 mg·L-1～125.4 mg·L-1，平均值為14.9 mg·L-1，變異系數(shù)為1.71，說(shuō)明存在人類(lèi)活動(dòng)影響導(dǎo)致松散巖類(lèi)孔隙水K+濃度明顯升高。對(duì)比區(qū)內(nèi)基巖裂隙水和松散巖類(lèi)孔隙水γ（Na++K+）/γCl-＞1的水點(diǎn)數(shù)量可知，松散巖類(lèi)孔隙水中的硅酸鹽的溶解作用明顯強(qiáng)于基巖裂隙水。

圖7中（c）圖顯示多數(shù)水點(diǎn)分布于γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-）＞1區(qū)域，但是基巖裂隙水中只有47.4%的水點(diǎn)γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-）＞1，結(jié)合（d）圖36.8%的基巖裂隙水點(diǎn)γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-）+SO42-）＞1可知，說(shuō)明存在陽(yáng)離子交換作用導(dǎo)致Ca2+和Mg2+濃度降低。松散巖類(lèi)孔隙水中85.2%的水點(diǎn)γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3-＞1，說(shuō)明松散巖類(lèi)孔隙水中碳酸鹽巖（方解石、白云巖）和蒸發(fā)巖（石膏）均發(fā)生溶解，但蒸發(fā)巖的溶解作用更強(qiáng)，45.7%的水點(diǎn)γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-）＞1，說(shuō)明存在陽(yáng)離子交換作用導(dǎo)致Ca2+和Mg2+濃度降低。

圖7 新會(huì)區(qū)地下水離子比值關(guān)系圖

蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖礦物溶解作用的主導(dǎo)地位可以通過(guò)γ（Cl-+SO42-）/γ（HCO3-）關(guān)系判斷[21]。圖7（e）圖顯示多數(shù)水點(diǎn)γ（Cl-+SO42-）/γ（HCO3-）＞1，其中71.1%基巖裂隙水點(diǎn)，44.4%的松散巖類(lèi)孔隙水點(diǎn)γ（Cl-+SO42-）/γ（HCO3-）＞1，說(shuō)明基巖裂隙水中蒸發(fā)巖的溶解作用強(qiáng)于碳酸鹽巖的溶解作用，松散巖類(lèi)孔隙水中碳酸鹽巖的溶解作用強(qiáng)于蒸發(fā)巖的溶解作用。

地下水中陽(yáng)離子交換作用是否明顯可以根據(jù)γ（Na+-Cl-）與γ（Ca2++Mg2+）-γ（HCO3-+SO42-）的關(guān)系驗(yàn)證，當(dāng)γ（Na+-Cl-）與γ（Ca2++Mg2+）-γ（HCO3-+SO42-）比值接近-1時(shí)，表明地下水中陽(yáng)離子交換作用明顯[22]。區(qū)內(nèi)地下水點(diǎn)沿著斜率-1.0282的直線分布（R2=0.987），說(shuō)明區(qū)內(nèi)基巖裂隙水和松散巖類(lèi)孔隙水均存在明顯的陽(yáng)離子交換作用。但基巖裂隙水樣點(diǎn)沿著斜率-1.0004的直線分布（R2=0.9956），而松散巖類(lèi)孔隙水樣點(diǎn)沿著斜率-1.1361的直線分布（R2=0.9761），說(shuō)明地下水中基巖裂隙水的陽(yáng)離子交換作用強(qiáng)于松散巖類(lèi)孔隙水。

地下水化學(xué)演化過(guò)程中離子交換強(qiáng)度可以根據(jù)地下水氯堿指數(shù)（CAI）判別，若地下水中Ca2+或Mg2+與含水層中的Na+進(jìn)行交換，則CAI-I與CAI-II均為負(fù)值；若地下水中的Na+與含水層中的Ca2+或Mg2+發(fā)生離子交換，則CAI-I與CAI-II均正值[23]。

2（Na，K）++ （Ca，Mg）X2=（Ca，Mg）2++2（Na，K）X（逆向陽(yáng)離子交換作用）

圖8顯示66.4%的水點(diǎn)（63.2%的基巖裂隙水、67.9%的松散巖類(lèi)孔隙水）CAI-I和CAI-II值均為負(fù)值，說(shuō)明地下水中主要發(fā)生Ca2+或Mg2+將含水層礦物中Na+、K+交換出來(lái)的離子交換反應(yīng)，最終導(dǎo)致地下水中Na+、K+濃度升高的情況。然后將氯堿指數(shù)均為負(fù)值的水點(diǎn)與圖7的（c）、（d）圖中γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3-＜1和γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-）＜1的水點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)氯堿指數(shù)均為負(fù)值的水點(diǎn)同時(shí)滿足γ（Ca2++Mg2+）/γHCO3-＜1且γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-））＜1，這說(shuō)明這部分水點(diǎn)的Ca2+或Mg2+濃度降低是因?yàn)殛?yáng)離子交換作用導(dǎo)致的。

圖8 新會(huì)區(qū)地下水氯堿指數(shù)關(guān)系圖

3.2.4 人類(lèi)活動(dòng)影響

區(qū)內(nèi)影響地下水水化學(xué)成因的主要人類(lèi)活動(dòng)有工礦活動(dòng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)以及生活污水排放。通過(guò)將Cl-、SO42-、NO3-這三個(gè)有明顯人類(lèi)活動(dòng)特征的離子代入Gibbs模型的陰離子式[24]，進(jìn)一步解釋人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水的水化學(xué)特征的影響，結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)地下水受到水巖作用和人類(lèi)活動(dòng)共同影響。再根據(jù)SO42-/Ca2+與NO3-/Ca2+關(guān)系圖[25-28]發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)活動(dòng)和生活污水排放對(duì)地下水的影響更大，最后根據(jù)K+與NO3-比值關(guān)系圖（圖9（c））判斷農(nóng)業(yè)活動(dòng)和生活污水排放的主導(dǎo)作用，結(jié)果顯示62%的水點(diǎn)分布在1∶1等值線的上方，說(shuō)明區(qū)內(nèi)主要受到生活污水排放污染，這一結(jié)果與調(diào)查區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)普遍存在的生活污水未經(jīng)處理隨意排放以及化糞池泄露的情況相符。

圖9 比值關(guān)系圖

4 結(jié)論

1）新會(huì)區(qū)松散巖類(lèi)孔隙水和基巖裂隙水pH均呈弱酸性。松散巖類(lèi)孔隙水中陽(yáng)離子主要為Ca2+，陰離子主要為HCO3-；水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Ca型水為主，其次為Cl-Na型水?；鶐r裂隙水陽(yáng)離子主要為Na+，陰離子主要為Cl-；水化學(xué)類(lèi)型以Cl-Na型水為主，其次為HCO3-Na型水。

2）新會(huì)區(qū)地下水中Na+、K+、和Cl-主要來(lái)自巖鹽礦物的溶解，過(guò)量的Na+、K+來(lái)源于鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石等硅酸礦物的溶解、陽(yáng)離子交換作用以及人類(lèi)活動(dòng)的影響，并且松散巖類(lèi)孔隙水中的硅酸鹽的溶解作用明顯強(qiáng)于基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)地下水中Ca2+和Mg2+主要來(lái)源于蒸發(fā)巖（石膏）和碳酸鹽巖（方解石、白云巖）的風(fēng)化溶解作用，在基巖裂隙水中蒸發(fā)巖的溶解作用強(qiáng)于碳酸鹽巖的溶解作用，在松散巖類(lèi)孔隙水中碳酸鹽巖的溶解作用強(qiáng)于蒸發(fā)巖的溶解作用。

3）除了巖石風(fēng)化作用外，松散巖類(lèi)孔隙水和基巖裂隙水中發(fā)生了明顯的Ca2+或Mg2+將含水層礦物中Na+、K+交換出來(lái)的正向陽(yáng)離子交換作用，最終導(dǎo)致地下水中Na+、K+濃度升高，而且基巖裂隙水中的陽(yáng)離子交換作用強(qiáng)于松散巖類(lèi)孔隙水。

4）新會(huì)區(qū)地下水受到的人類(lèi)活動(dòng)影響主要為農(nóng)業(yè)活動(dòng)和生活污水排放，而且以生活污水排放污染影響為主，部分水點(diǎn)受到工礦活動(dòng)的影響。