胡健 范超 盧志剛

收稿日期：2023-11-27；接受日期：2024-01-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目（52364018）；江西省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊(duì)井開(kāi)區(qū)1∶10 000環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：

胡? 健，男，講師，碩士，主要從事工程地質(zhì)水文地質(zhì)方面的研究。E-mail：974244132@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號(hào)：1001-4179（2024） 06-0037-08

引用本文：胡健，范超，盧志剛.

贛江中游淺層地下水水化學(xué)特征演化及成因分析

［J］.人民長(zhǎng)江，2024，55（6）：37-44.

摘要：贛江是江西省主要水源，研究其地下水水化學(xué)特征及成因機(jī)理對(duì)流域水質(zhì)保護(hù)至關(guān)重要。選取贛江中游吉安市井開(kāi)區(qū)為研究區(qū)，于2019年豐-平-枯水期各采集研究區(qū)淺層地下水樣45組，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Durov圖、Gibbs圖、離子比例系數(shù)、PHREEQC反向模擬等方法，研究了吉安市井開(kāi)區(qū)淺層地下水的水化學(xué)分布特征和組成類(lèi)型，討論了其主控因素、主成分離子來(lái)源，并開(kāi)展了典型徑流路徑水文地球化學(xué)模擬。結(jié)果表明：研究區(qū)淺層地下水屬低礦化度淡水，主要陰陽(yáng)離子為HCO-3、Ca2+，個(gè)別樣本中NH+4、NO-3、SO2-4的異常值均與人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)，水化學(xué)類(lèi)型主要有HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型、HCO3·SO4-Ca型3種；研究區(qū)地下水化學(xué)形成的主控因素為巖石風(fēng)化作用；離子比值關(guān)系表明水中組分主要源于碳酸鹽巖礦物的溶解作用，其中Na+、K+主要源于鹽巖的溶解，SO2-4源于少量蒸發(fā)巖礦物（石膏）的溶解，Ca2+、Mg2+源于方解石、白云石和硅酸鹽礦物的溶解；水文地球化學(xué)反向模擬表明水流路徑均發(fā)生白云石、石膏、巖鹽的溶解作用，結(jié)合氯堿指數(shù)，地下水流存在一定的逆向陽(yáng)離子交換作用。研究成果可為贛江中游地區(qū)地下水開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)提供理論依據(jù)。

關(guān)? 鍵? 詞：淺層地下水； 水化學(xué)特征； 離子來(lái)源； PHREEQC； 贛江中游

中圖法分類(lèi)號(hào)： P641.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.006

0? 引 言

地下水資源是人類(lèi)生活和工業(yè)生產(chǎn)的重要資源，淺層地下水的利用最為廣泛，其有埋藏廣、易開(kāi)采、水質(zhì)較好等優(yōu)點(diǎn)。然而隨著社會(huì)發(fā)展，用水量增加，人類(lèi)活動(dòng)影響地下水水質(zhì)變化，進(jìn)一步威脅生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康［1-2］。贛江是長(zhǎng)江的支流，是江西省內(nèi)最大河流，流域面積大，水系分支多，上中下游地區(qū)地下水與河流互相補(bǔ)給關(guān)系密切，地下水動(dòng)態(tài)直接影響贛江流域水質(zhì)安全。吳通航等對(duì)鄱陽(yáng)湖流域贛江下游地區(qū)進(jìn)行了地下水化學(xué)特征分析，并開(kāi)展了水質(zhì)及人類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)地下水對(duì)嬰兒存在嚴(yán)重潛在非致癌風(fēng)險(xiǎn)［3］。劉小真等分析了贛江上、中、下游河段氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化和分布特征，發(fā)現(xiàn)沿岸城市如豐城、吉安市等氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度明顯高于其他點(diǎn)位，2011年中游的禾水、遂川江NH3-N和NO3-N濃度超標(biāo)［4］。因此，研究贛江中游地區(qū)地下水化學(xué)特征、成因規(guī)律及演化機(jī)理意義重大。

近年來(lái)，關(guān)于水文地球化學(xué)特征的研究持續(xù)進(jìn)行，研究方法眾多，如：圖解法、離子比例系數(shù)法、空間分析、水文地球化學(xué)模擬等方法。王潤(rùn)濤等運(yùn)用Piper、Gibbs圖等多種方法對(duì)南淝河下游淺層地下水的水化學(xué)特征進(jìn)行了研究，揭示了巖石風(fēng)化溶解為水化學(xué)主控作用，碳酸鹽礦物溶解有較大影響［5］。鄒嘉文等運(yùn)用飽和指數(shù)、氯堿指數(shù)等方法研究了邯鄲市黑龍港平原潛水水化學(xué)特征及成因，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)水位變化與南水北調(diào)中線工程通水密切相關(guān)，蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖礦物的溶解/沉淀作用為離子濃度變化的主因［6］。李捷等分析了北京市涼水河流域地下水和河水的氘氧關(guān)系，結(jié)合水化學(xué)特征，表明山前沖洪積扇河水入滲為研究區(qū)地下水主要補(bǔ)給源［7］。唐春雷等運(yùn)用Durov圖、氫氧同位素、Sr同位素等方法分析了古堆泉域巖溶地下水化學(xué)特征和徑流特征，發(fā)現(xiàn)古堆泉口水樣變化原因是三泉水庫(kù)補(bǔ)給，而三泉水庫(kù)的變化是受引黃水的影響［8］。

吉安市井開(kāi)區(qū)位于贛江流域中游段，谷地平原地形，水資源豐富，城市化和工業(yè)加速發(fā)展，地下水資源不合理開(kāi)采導(dǎo)致水質(zhì)受到一定影響。贛江流域吉安水文站數(shù)據(jù)指出，2008～2018年該河段水質(zhì)污染指標(biāo)氨氮-總磷高度顯著上升，受人類(lèi)活動(dòng)的影響顯著［9］。而區(qū)域地下水水質(zhì)與地表水、大氣降水存在密切聯(lián)系，因此對(duì)其淺層地下水化學(xué)特征分析和成因展開(kāi)研究工作尤為重要。本文以贛江中游吉安市井開(kāi)區(qū)淺層地下水為研究對(duì)象，于2019年豐-平-枯水期各采集45組水樣品，查明研究區(qū)水文地質(zhì)條件，對(duì)水樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，基于Durov圖、Gibbs圖、離子比例系數(shù)、PHREEQC反向模擬法等方法，開(kāi)展了區(qū)域水化學(xué)特征、演化成因研究及其與環(huán)境相互作用機(jī)理分析討論工作，以期為今后贛江中游吉安市井開(kāi)區(qū)地下水資源開(kāi)發(fā)利用保護(hù)和水質(zhì)評(píng)價(jià)工作奠定理論基礎(chǔ)。

1? 研究區(qū)概況

研究區(qū)為贛江中游吉安市井開(kāi)區(qū)，位于吉安市東南部，面積為42.99 km2，規(guī)劃范圍西起105國(guó)道，東至繞城高速公路，北起廬陵大道以北200 m，吉州窯文化保護(hù)區(qū)南側(cè)，南至南環(huán)路。區(qū)內(nèi)屬平原-低丘陵地貌，海拔由南向北逐漸降低。區(qū)內(nèi)水系以贛江為主流，禾水為支流，亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季分明，年均氣溫為17.5～18.6 ℃，年降水量為1 566.9 mm。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育第四系地層，按其從老到新地層為石炭系梓山組下段灰、灰白色厚層狀含礫不等礫石石英砂巖、粗粒石英砂巖泥質(zhì)粉砂巖，二疊系茅口組硅質(zhì)巖、硅質(zhì)灰?guī)r，二疊系小江邊組鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖夾灰?guī)r透鏡體及薄層灰?guī)r，白堊系上統(tǒng)南雄組泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，第四系上部為粉質(zhì)黏土，下部為礫質(zhì)黏土，中下部細(xì)砂及礫砂。區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型主要有4種：第四系松散巖類(lèi)孔隙水，富水性中等（單井涌水量142.34～687.69 m3/d）、弱富水（小于100 m3/d）；紅層碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水，水量貧乏（小于100 m3/d）；碳酸巖類(lèi)裂隙溶洞水，泉流量小于1 L/s；基巖裂隙水，泉流量小于0.1 L/s。區(qū)域地下水水位埋藏較淺，埋深1.0～6.8 m，以大氣降水、地表水補(bǔ)給為主，由南往北徑流，以泉、人工開(kāi)采或向贛江、禾水河排泄。

2? 樣品采集與分析方法

2.1? 樣品采集與測(cè)定

于2019年4月（豐水期）、9月（平水期）、11月（枯水期）開(kāi)展本次研究的樣品采集工作，各取45組淺層地下水樣（民井和鉆井），井深8～25 m，采樣點(diǎn)位分布見(jiàn)圖1。取樣時(shí)，按規(guī)范操作需待取水樣潤(rùn)洗3次，完成后，將容器瓶密封并貼好標(biāo)簽。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水位和溫度，其余指標(biāo)K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3、NO-3、TDS、pH等由江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局九一二實(shí)驗(yàn)室完成。

2.2? 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 22.0軟件對(duì)研究區(qū)地下水檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Origin 12b繪制Durov圖、Gibbs圖、離子比例系數(shù)圖?；贓XCEL實(shí)現(xiàn)舒卡列夫分類(lèi)，分析研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)類(lèi)型和離子含量特征，進(jìn)一步討論其水化學(xué)組分形成的主要水文地球化學(xué)作用及離子來(lái)源。運(yùn)用PHREEQC軟件對(duì)選取的典型水流路徑進(jìn)行反向水文地球化學(xué)模擬，分析水化學(xué)組分形成的演化過(guò)程。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征

3.1.1? 水化學(xué)組成特征

對(duì)所采集的水樣檢測(cè)數(shù)據(jù)整理并統(tǒng)計(jì)結(jié)果，主要離子相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

（1） 由表1可知，研究區(qū)淺層地下水pH范圍為5.33～8.21，平均值為7.15，總體呈中性—弱堿性，豐-平-枯水期數(shù)值略有變化。TDS值范圍為3～566 mg/L，平均值為203.17 mg/L，屬低礦化度水，豐平水期略高于枯水期。研究區(qū)主要陰陽(yáng)離子濃度在豐-平-枯水期呈現(xiàn)差異，陽(yáng)離子含量總體為Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+，其中Ca2+范圍值為4.18～113.90 mg/L，豐-平-枯均值分別為20.30，27.83，49.04 mg/L；Mg2+豐-平-枯均值分別為5.00，7.36，6.68 mg/L；HCO-3為優(yōu)勢(shì)陰離子，范圍值為3.13～358.25 mg/L，

豐-平-枯均值分別為151.75，159.07，133.22 mg/L；

其次為SO2-4，范圍值為0～431.09 mg/L，豐-平-枯均值分別為23.51，14.26，26.81 mg/L。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是研究區(qū)下伏二疊系碳酸鹽類(lèi)巖層的溶解使得Ca2+、Mg2+、HCO-3含量較高。

（2） 研究區(qū)地下水水位埋深較淺，水化學(xué)組分必定受人為活動(dòng)的干擾，少數(shù)水樣品檢測(cè)出較高數(shù)值的NH+4、NO-3、SO2-4。如，豐水期NO-3濃度范圍值為0～69.65 mg/L，均值達(dá)7.96 mg/L，主要有4處異常點(diǎn)位，推測(cè)與人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)、生活垃圾不合理堆放有關(guān)。硫酸鹽礦物的溶解或硫化物的氧化是SO2-4的重要來(lái)源，點(diǎn)號(hào)DXS30枯水期SO2-4出現(xiàn)最高值431.09 mg/L，可能與周邊工廠廢棄物堆放存在較大影響，但豐水期、平水期值分別為98.92 mg/L和2.11 mg/L，這表明該區(qū)域地下水系統(tǒng)循環(huán)快、水質(zhì)不斷更新，變化幅度大。點(diǎn)號(hào)DXS32平水期NH+4出現(xiàn)最高值24.51 mg/L，但豐-枯水期均未檢出，說(shuō)明豐水期受到一定的人為污染，而之后水質(zhì)得到更新恢復(fù)。

3.1.2? 水化學(xué)類(lèi)型特征

如圖2所示，地下水樣集中分布在某一區(qū)域，陽(yáng)離子主要靠近Ca軸，表明研究區(qū)淺層地下水陽(yáng)離子以Ca2+、Mg2+為主，其毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)平均值為74.07%和21.44%。陰離子數(shù)值點(diǎn)主要靠近三角形的HCO3端，說(shuō)明陰離子主要為HCO-3，其毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)平均值達(dá)78.08%。豐-平水期水樣分布特征較為相似，主要分布在Ca軸、三角形的HCO3端，反映出可能為碳酸鹽巖礦物的風(fēng)化溶解形成主要離子?？菟谒畼臃植驾^豐平水期分散，主要分布在三角形的Ca端、HCO3端和陰離子中間過(guò)渡區(qū)域，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)使部分水化學(xué)類(lèi)型由HCO3-Ca型轉(zhuǎn)為HCO3·Cl-Ca型、HCO3·SO4-Ca型。

從中間的正方形比較Ca2+、Na++K+和HCO-3、Cl-的百分?jǐn)?shù)含量，絕大多數(shù)水樣均落在右上部區(qū)域（HCO-3＞Cl-，Ca2+＞Na++K+），包括豐-平水期所有水樣，枯水期3/4的水樣，說(shuō)明了研究區(qū)淺層地下水主導(dǎo)離子為HCO-3和Ca2+?？菟趨^(qū)域外水樣均位于左上部區(qū)域（Cl-＞HCO-3，Ca2+＞Na++K+），說(shuō)明存在一定程度人為污染導(dǎo)致Cl-含量增加。

從Cl-、HCO-3的相對(duì)含量與pH關(guān)系分析，Cl-相對(duì)含量增加，pH明顯有降低趨勢(shì)，HCO-3含量增大，則pH增大，枯水期水樣具有最小的pH。從Ca2+、Na++K+與TDS的關(guān)系分析，Ca2+相對(duì)含量增大，TDS呈下降趨勢(shì)，表明影響研究區(qū)地下水TDS變化的主要離子為陰離子。

對(duì)水中離子進(jìn)行舒卡列夫分類(lèi)，結(jié)果見(jiàn)表2，研究區(qū)淺層地下水一共有10種水化學(xué)類(lèi)型，主要有HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型、HCO3·SO4-Ca型3類(lèi)，其占比分別為55.56%，23.70%，8.15%，其余水化學(xué)類(lèi)型均低于5%。

3.2? 研究區(qū)淺層地下水化學(xué)成因分析

3.2.1? 水化學(xué)組分主要控制因素

地下水水化學(xué)組分隨時(shí)間和空間的改變而動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致水化學(xué)特征各異和成因復(fù)雜。Gibbs圖是根據(jù)c（Na+）/c（Na++Ca2+）和c（Cl-）/c（Cl-+HCO-3）的離子濃度比與TDS之間的比值關(guān)系繪制散點(diǎn)圖，同時(shí)劃分了蒸發(fā)濃縮、巖石風(fēng)化和降雨控制3個(gè)區(qū)域，從點(diǎn)位的分布位置判斷樣本點(diǎn)水化學(xué)特征形成的主要機(jī)制［10-12］。研究區(qū)豐-平-枯水期地下水中c（Na+）/c（Na++Ca2+）和c（Cl-）/c（Cl-+HCO-3）與TDS之間的比值關(guān)系Gibbs圖見(jiàn)圖3。由圖3可知：研究區(qū)豐-平-枯水期淺層地下水中離子含量c（Na+）/c（Na++Ca2+）比值均小于0.5，所有水樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)集中分布在圖的中部左側(cè)，表明地下水離子主要受到巖石風(fēng)化作用的控制，而蒸發(fā)濃縮和降雨作用微弱。然而c（Cl-）/c（Cl-+HCO-3）比值大部分小于0.5，分布集中，僅枯水期少部分水樣比值大于0.5，TDS中等偏低，位于圖右下方，表明局部區(qū)域地下水中離子受到降水作用的影響，也可能是該時(shí)段人類(lèi)活動(dòng)造成Cl-離子的輸入。

通常運(yùn)用M（Mg2+）/M（Na+）、M（HCO-3）/M（Na+）和M（Ca2+）/M（Na+）的摩爾濃度比值來(lái)分析離子來(lái)源于碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖的風(fēng)化溶解［13］。研究區(qū)豐-平-枯水期地下水中M（Mg2+）/M（Na+） 、M（HCO-3）/M（Na+） 和M（Ca2+）/M（Na+）關(guān)系（不包括Na+未檢出的樣品數(shù)據(jù)）比值圖見(jiàn)圖4。據(jù)圖4所示，研究區(qū)水樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分靠近在碳酸鹽礦物的端元，說(shuō)明該區(qū)域地下水離子組分主要由碳酸鹽巖礦物風(fēng)化溶解作用控制，與下伏含水層巖性為二疊系硅質(zhì)巖、硅質(zhì)灰?guī)r相對(duì)應(yīng)?？菟诓糠炙畼悠窋?shù)據(jù)投影點(diǎn)靠近硅酸鹽巖礦物端元，也說(shuō)明研究區(qū)地下水離子也受到硅酸鹽礦物風(fēng)化作用的影響。

3.2.2? 水化學(xué)組分主要離子來(lái)源

為進(jìn)一步分析研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)成因及變化規(guī)律，運(yùn)用離子比例系數(shù)法分析地下水的演化規(guī)律、識(shí)別水化學(xué)組分來(lái)源，即通過(guò)比較不同離子毫克當(dāng)量濃度（單位為mEq，用符號(hào)γ表示）間的關(guān)系，判斷離子主要來(lái)源。

（1） 利用γ（Na++K+）/γ（Cl-）比值來(lái)判定地下水中Na+、K+的來(lái)源。若γ（Na++K+）/γ（Cl-）接近于1，說(shuō)明主要來(lái)自于鹽巖溶解；若大于1，則說(shuō)明Na+、K+除鹽巖外還來(lái)自于硅酸鹽巖溶解，或者存在陽(yáng)離子交換作用［14-16］。如圖5（a）所示，樣品點(diǎn)集中于左下角，濃度較低，部分樣品點(diǎn)位于1∶1線附近，表明地下水中Na+、K+主要來(lái)源于鹽巖溶解，部分?jǐn)?shù)據(jù)投影點(diǎn)偏離1∶1線并處于線下方，表明人為污染改變了Cl-離子含量。

（2） 利用γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO-3）和γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO-3+SO2-4）比值來(lái)判定地下水中Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4的來(lái)源。若γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO-3+SO2-4）比值大于1，表明存在硅酸鹽巖的溶解；而小于1，反映出水化學(xué)過(guò)程伴隨了離子交換吸附作用［17］。研究區(qū)水樣點(diǎn)總體分布在1∶1線附近，說(shuō)明既有碳酸鹽礦物的溶解也有硫酸鹽礦物（石膏）的溶解，尤其是枯水期水樣點(diǎn)最靠近1∶1；而豐-平水期水樣點(diǎn)大部分位于1∶1線下方，則表明此時(shí)段研究區(qū)淺層地下水中的Ca2+、Mg2+離子來(lái)自碳酸鹽巖、硫酸鹽巖礦物的溶解，且同時(shí)陽(yáng)離子交替吸附作用不可忽略，或者存在其他陽(yáng)離子與HCO-3、SO2-4相平衡。γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO-3）比值圖與其圖5（c）相似，而隨HCO-3含量的增加，水樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)分布整體輕微向上移動(dòng)，表明石膏的溶解產(chǎn)生的SO2-4、Ca2+較少。

（3） 利用γ（Ca2+）/γ（Mg2+）來(lái)判定主要溶解的碳酸鹽礦物是白云石或方解石。若比值為1，表明為白云石的溶解，隨著數(shù)值的增大，方解石的溶解增加；而比值大于2，表明硅酸鹽礦物的溶解對(duì)地下水中Ca2+、Mg2+ 來(lái)源有顯著貢獻(xiàn)［18］。如圖5（d）所示，研究區(qū)水樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)多數(shù)分布于2：1線外，尤其枯水期，表明水化學(xué)離子組分Ca2+、Mg2+不僅源于白云石、方解石的溶解，硅酸鹽巖礦物的溶解也有較大貢獻(xiàn)。

（4） 利用γ（Cl-+SO2-4）/γ（HCO-3）比值來(lái)判定水化學(xué)組分主要蒸發(fā)巖或碳酸鹽巖礦物的溶解。若比值大于1，表明蒸發(fā)巖的溶解作用大；若小于1，則表明碳酸鹽巖的溶解作用大［19-20］。如圖5（e）所示，研究區(qū)豐-平-枯水期水樣點(diǎn)絕大多數(shù)位于1∶1線的下方，意味著碳酸鹽巖礦物的溶解作用對(duì)水中各離子的形成有較大影響。

（5） 利用γ（Ca2++Mg2+-HCO-3-SO2-4）/γ（Na++K+-Cl-）比值來(lái)判定水化學(xué)組分受到陽(yáng)離子交替吸附作用的影響大?。?1-22］。如圖5（f）所示，研究區(qū)枯-平水期部分水樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)分布于-1∶1線上，表明該時(shí)期地下水中存在陽(yáng)離子交換作用，而豐水期水樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布偏離-1∶1線，表明該時(shí)期陽(yáng)離子交換作用不明顯。

（6） 利用氯-堿指數(shù)CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ判定陽(yáng)離子交換作用的程度和方向。若CAI-Ⅰ、CAI-Ⅱ均為負(fù)值，表示巖土表面的Na+、K+代換了地下水中的Ca2+、Mg2+；若均為正值，則表示Ca2+、Mg2+交換了

Na+、K+［23-24］。如圖6所示，研究區(qū)枯-平水期大部

水樣點(diǎn)CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ?yàn)檎担紭悠房倲?shù)的75%，說(shuō)明含水層礦物表面的Ca2+、Mg2+取代了地下

水中Na+、K+，即存在逆向陽(yáng)離子交換作用。研究區(qū)

淺層地下水水流交替迅速，含有豐富的二氧化碳，加速了

溶濾作用，Ca2+、Mg2+逐漸變成主要的陽(yáng)離子。

3.3? 反向水文地球化學(xué)模擬

PHREEQC是用于模擬水文地球化學(xué)反應(yīng)的軟件，計(jì)算礦物飽和指數(shù)（SI）和電荷平衡系數(shù)為前置工

作［25］。若礦物飽和指數(shù)SI＞0，則表明該礦物在水中

達(dá)到飽和；若SI＜0，則表明該礦物在水中不飽和［26］。結(jié)合水文地質(zhì)條件、水文地質(zhì)調(diào)查，選取兩個(gè)剖面的兩條水流路徑進(jìn)行模擬，分別為路徑1（DXS14→DXS06）、路徑2（DXS39→DXS35），根據(jù)路徑水樣點(diǎn)化學(xué)組分（表3），從上游到下游地下水各化學(xué)組分隨水流含量升高，路徑2總體略高于路徑1。計(jì)算各模擬路徑起始點(diǎn)電荷平衡系數(shù)和礦物飽和指數(shù)如表4所示，各模擬點(diǎn)電荷平衡系數(shù)幾乎為0，表明溶液基本處于電荷平衡狀態(tài)；路徑1中硬石膏、文石、方解石、白云石、石膏、巖鹽、鉀鹽處于不飽和狀態(tài)；而路徑2中文石、方解石、白云石處于飽和及平衡狀態(tài)，表明地下水在流動(dòng)過(guò)程中存在礦物的溶解或沉淀。

根據(jù)模擬路徑點(diǎn)的礦物飽和指數(shù)，結(jié)合淺層地下水的賦存條件，第四紀(jì)地層、紅層碎屑巖及碳酸鹽地層中的常見(jiàn)礦物，結(jié)合前人研究成果［27-28］，選取白云石、方解石、石膏、巖鹽、鉀鹽、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石、CO2（g）以及Na+、Mg2+、Ca2+作為可能礦物相。運(yùn)用

PHREEQC建立反向水文地球化學(xué)模型，調(diào)試不確定系數(shù)為0.05，運(yùn)行模擬出路徑1、2發(fā)生水巖相互作用

的礦物轉(zhuǎn)移質(zhì)量（表5）。結(jié)果表明：路徑1中白云石、石膏、巖鹽、鉀長(zhǎng)石、CO2（g）的溶解，溶解量最大為巖鹽的1.02 mmol/L，方解石發(fā)生沉淀，遷出量為0.611 mmol/L，水巖相互作用較弱;路徑2中存在白云石、方

解石、石膏、巖鹽、CO2（g）的溶解，少量鉀長(zhǎng)石遷出，摩

爾轉(zhuǎn)移量為0.027 mmol/L，鈉長(zhǎng)石的溶解、沉淀與鉀

長(zhǎng)石的狀態(tài)高度相關(guān)。兩條路徑均發(fā)生巖石中的

Ca2+置換地下水中的Na+的逆向陽(yáng)離子交換作用，與前文氯堿指數(shù)分析得出結(jié)論相同，物質(zhì)轉(zhuǎn)移量與溶解沉淀量相當(dāng)，表明陽(yáng)離子交換作用為重要的水文地球化學(xué)作用過(guò)程。

4? 結(jié) 論

（1） 研究區(qū)淺層地下水pH均值為7.15，總體呈中性—弱堿性，TDS均值為203.17 mg/L，屬低礦化度水，HCO-3、Ca2+為優(yōu)勢(shì)陰陽(yáng)離子，少數(shù)水樣品檢測(cè)出較高數(shù)值的NH+4、SO2-4，豐-平-枯水期差異較大，表明區(qū)域地下水循環(huán)更新較快，恢復(fù)較快。

（2） 根據(jù)Durov圖分析，地下水陰陽(yáng)離子以HCO-3、Ca2+、Mg2+為主，可能為碳酸鹽巖礦物的風(fēng)化溶解作用形成；從Ca2+、Na++K+與TDS關(guān)系分析，影響研究區(qū)地下水TDS變化的主要離子為陰離子；研究區(qū)淺層水化學(xué)類(lèi)型有10種，主要為HCO3-Ca型，HCO3-Ca·Mg型，HCO3·SO4-Ca型3種。

（3） 根據(jù)Gibbs圖、主要離子濃度比值，表明研究區(qū)淺層地下水水文地球化學(xué)作用為巖石風(fēng)化作用。碳酸鹽巖礦物的溶解對(duì)研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)組分的形成起決定作用，同時(shí)硅酸鹽礦物也存在一定影響。其中Na+、K+主要來(lái)自鹽巖的溶解，SO2-4源于少量蒸發(fā)巖礦物的溶解，據(jù)75%水樣品氯堿指數(shù)均為正值，表明發(fā)生了逆向陽(yáng)離子交換作用。

（4） 根據(jù)兩條水流路徑的反向水文地球化學(xué)模擬結(jié)果，表明白云石、石膏、巖鹽發(fā)生溶解作用，方解石狀態(tài)存在差異，存在一定的逆向陽(yáng)離子交換作用影響Ca2+、Na+的濃度。

綜上所述，研究區(qū)淺層地下水總體水質(zhì)較好，水化學(xué)特征受氣候、巖性、人類(lèi)活動(dòng)等影響，不同時(shí)期略有差異。地下水補(bǔ)徑排條件好，水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化溶解作用控制，各離子來(lái)源不一，水巖作用中各礦物溶解沉淀交互，陽(yáng)離子交換作用不可忽視。

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（編輯：劉 媛）

Evolution of groundwater hydrochemical characteristics and origin analysis in middle reaches of Ganjiang River

HU Jian1，2，F(xiàn)AN Chao3，LU Zhigang1，2

（1.School of Resources and Civil Engineering，Gannan University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；

2.Ganzhou Key Laboratory of Mine Geological Disaster Prevention and Control and Ecological Restoration，Gannan University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；

3.The Seventh Geological Brigade of Jiangxi Bureau of Geology，Ganzhou 341000，China）

Abstract：

Ganjiang River is the main water source of Jiangxi Province，studying its groundwater hydrochemical characteristics and genesis mechanism is crucial for the protection of the water quality in the basin.This study selected the Jingkai area of Ji′an City in the middle reaches of the Ganjiang River as the research area and collected 45 sets of shallow groundwater samples during the flood season，normal season，and dry season in 2019.Then，methods such as mathematical statistics，Durov diagrams，Gibbs diagrams，ion ratio coefficients，and PHREEQC reverse simulation were used to study the hydrochemical distribution characteristics and composition types of shallow groundwater in the region.The main controlling factors and ion sources of the main components were discussed，and hydrogeochemical simulations of typical runoff paths were carried out.The results showed that：the shallow groundwater in the study area belongs to low salinity freshwater，with the main anions and cations being HCO-3 and Ca2+.The abnormal values of NH+4，NO-3，and SO2-4 in some samples are related to human activities.The main chemical types of groundwater in the study area are HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg，and HCO3·SO4-Ca.The main controlling factor of the formation of groundwater chemistry in the study area is rock weathering.From the ion ratio relationship，it can be concluded that the main source of water components is the dissolution of carbonate minerals，among them，Na+ and K+ mainly come from the dissolution of salt rocks，SO2-4 comes from the dissolution of a small amount of evaporite minerals （gypsum），Ca2+ and Mg2+ come from the dissolution of calcite，dolomite，and silicate minerals.The reverse simulation results of hydrogeochemistry indicated that the dissolution of dolomite，gypsum，and rock salt occurs along the water flow path.Combined with the chlor alkali index，there is a certain degree of reverse cation exchange in groundwater flow.The results can provide some theoretical basis for the development，utilization，and protection of groundwater in the middle reaches of the Ganjiang River.

Key words：

shallow groundwater; hydrochemical characteristics; ion source; PHREEQC; middle reaches of Ganjiang River