环境科学  2021, Vol. 42 Issue (11): 5375-5383   PDF    
雷州半岛地下水化学特征及控制因素分析
彭红霞1, 侯清芹1, 曾敏2, 黄长生2, 师环环1, 皮鹏程1, 潘羽杰1     
1. 中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院, 武汉 430074;
2. 中国地质调查局武汉地质调查中心, 武汉 430205
摘要: 雷州半岛地下水资源为雷州半岛经济社会发展提供有力的资源支撑,厘清该区地下水化学特征及形成机制对水资源的合理开采及可持续利用具有重要意义.本研究采集43组雷州半岛地下水样品,运用描述性统计分析、Piper三线图、ArcGIS空间插值、Gibbs图以及离子比值等方法分析地下水水化学特征及其控制因素.结果表明:①研究区地下水阴阳离子以HCO3-、Ca2+和Na+为主,水化学类型以HCO3-Cl-Na-Ca、HCO3-Cl-Na-Ca-Mg、HCO3-Cl-Na-Mg和HCO3-Na型为主.研究区地下水中的Cl-、SO42-和Na+在雷州市西部含量较高,在其他区域均较低,HCO3-、NO3-、Ca2+、Mg2+和K+这5种离子含量较高的区域主要集中在西南和东部沿海.②地下水化学演化过程主要受水岩作用、阳离子交替吸附和人类活动的影响.Na+和K+来源主要是蒸发盐岩和硅酸盐岩,Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐岩溶解,NO3-主要来源于人类活动.
关键词: 地下水      水化学特征      控制因素      形成机制      雷州半岛     
Hydrochemical Characteristics and Controlling Factors of Groundwater in the Leizhou Peninsula
PENG Hong-xia1 , HOU Qing-qin1 , ZENG Min2 , HUANG Chang-sheng2 , SHI Huan-huan1 , PI Peng-cheng1 , PAN Yu-jie1     
1. School of Geography and Information Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. Wuhan Center of China Geological Survey, Wuhan 430205, China
Abstract: Groundwater resources in the Leizhou Peninsula provide a strong support for the economic and social development. Therefore, understanding the chemical characteristics and formation mechanism of groundwater in this area is necessary for the rational exploitation and sustainable utilization of water resources. In this study, 43 groundwater samples were collected, and the hydrochemical characteristics and controlling factors were analyzed by descriptive statistical analysis, Piper triangular diagrams, ArcGIS spatial interpolation, Gibbs diagram, and ion ratios. The results showed that: ① The anions and cations of the groundwater in the study area were mainly HCO3-, Ca2+, and Na+, and the hydrochemical types were mainly HCO3-Cl-Na-Ca, HCO3-Cl-Na-Ca-Mg, HCO3-Cl-Na-Mg, and HCO3-Na. The contents of Cl-, SO42-, and Na+were higher in the west of Leizhou City compared to other areas. The sites with higher contents of HCO3-, NO3-, Ca2+, Mg2+, and K+ were mainly concentrated in the southwest and eastern coastal areas. ② The chemical evolution of groundwater was mainly affected by water-rock interaction, cation alternating adsorption, and anthropogenic activities. The sources of Na+ and K+ were mainly from evaporative and silicate rocks, Ca2+ and Mg2+ were mainly from carbonate karstification, while NO3- originated from anthropogenic activities.
Key words: groundwater      hydrochemical characteristics      controlling factors      formation mechanism      Leizhou Peninsula     

地下水不仅是饮用水、农业灌溉和工业用水的重要来源[1], 同时也是社会经济可持续发展的重要保障.但受到气候变化[2]、海水混合[3]以及人类活动[4]等一系列自然及人为因素的影响, 地下水环境正遭受严峻挑战[5~7].地下水通过与岩石发生地球化学作用, 进而导致水化学成分发生巨大变化, 表现出不同特征[8].对地下水水化学特征及其控制因素进行研究, 不仅能反映各种因素对地下水的影响, 而且对水资源开发和利用、生态环境保护和人与自然和谐共处具有重要意义[9].

雷州半岛地处粤港澳大湾区、海南自贸区以及北部湾城市群的交汇处, 具有优越的地理位置, 并对接“一带一路”和“两圈一廊”国家重要战略.随着工业化和城市化进程迅速发展, 水资源的需求量日益增加, 致使居民对地下水开采不断加快, 同时带来了一系列生态环境问题, 如局部地下水开采过量[10], 地面沉降[11]和海水入侵[12]等.目前关于雷州半岛的研究主要集中在局部区域的水化学特征[13]、水资源承载力[14]、水位变化和地下水补给[15]等方面, 张宏鑫等[16]在雷州半岛岭北地区通过水化学和氢氧稳定同位素等方法, 揭示了区域地下水水化学特征主要受大气降水补给等自然作用和人类活动的双重影响.罗炜宇[17]对雷州半岛东北部铁质地下水的危害、成因和分布特征进行研究, 并对该区域地下水中铁含量较高的地区提出适宜的除铁措施和动态监测手段.前人研究为雷州半岛地区地下水进一步地研究提供了借鉴, 但缺乏关于雷州半岛地下水水化学特征及控制因素的系统研究.

基于此, 本文运用数理统计、空间插值、图解法和离子比值等方法, 结合水文地球化学理论对雷州半岛地下水进行系统分析, 探究其地下水水化学特征和形成机制, 以期为雷州半岛地下水资源合理开发利用及改善水生态环境提供借鉴.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

雷州半岛是我国三大半岛之一, 位于109°55′E~110°44′E、20°14′N~21°44′N之间, 地处中国大陆最南端, 广东省西南部, 三面环海, 东濒南海, 西临北部湾, 南隔琼州海峡与海南岛相望, 地势缓和平坦, 海拔多在1 000 m以下.现雷州半岛所辖区域主要包括三市(雷州市、廉江市和吴川市), 两县(遂溪县和徐闻县), 五区(赤坎区、霞山区、开发区、麻章区和坡头区), 如图 1所示.半岛属于热带气候, 年平均气温23.5℃, 年平均降水量1 417~1 804 mm, 但降雨时空分布不均, 季节间降雨量差异大, 同时受副热带高压影响, 日照强、气温高和蒸发量大, 使该岛成为旱害严重地区.雷州半岛在大地构造上属华南褶皱系, 涉及范围横跨云开大山隆起及粤中凹陷两个构造单元; 地层发育较齐全, 由老至新有元古界、志留系、泥盆系、石炭系、侏罗系和第四系, 其中以第四系分布最广; 岩性由北向南变细, 厚度变薄, 富水性变弱, 且由于地壳的不均匀运动, 北部地面沉降幅度比南方大, 沉积了较厚的粗碎屑, 而南方沉积以黏土为主.中、晚更新世, 研究区多次间歇性火山喷发, 地表覆盖的火山岩使该地区形成了中南部以火山岩孔洞裂隙水和松散岩类孔隙水为主, 北部以条状或零星状分布着基岩裂隙水和碳酸盐岩类裂隙溶洞水的地下水类型.根据含水层埋藏深度、水力特征及开采条件, 主要分为浅层水-微承压水(埋深小于30 m)、中层承压水(埋深30~200 m)和深层承压水(埋深200~500 m).

图 1 雷州半岛地下水采样点示意 Fig. 1 Groundwater sampling sites in the Leizhou Peninsula

1.2 样品采集和测试

2014年12月在雷州半岛对地下水进行采集, 共计43个水样点, 其中泉水2组, 民井14组, 井深范围为7~30 m, 机井27组, 井深范围为7~380 m.水体温度、pH、电导率、溶解氧、溶解性固体总量和氧化还原电位等参数现场使用HACH-40d便携式水质分析仪进行测定.将聚乙烯塑料样瓶用去离子水冲洗至少3遍, 然后将采集的水样使用0.45 μm的微孔过滤膜过滤后装于500 mL聚乙烯塑料样瓶中.将需要测定的阳离子水样加入约3 mL的65%的HNO3进行酸化, 使其pH<2, 然后放置于4℃冰箱中密封保存, 阴离子的水样直接放于4℃冰箱中密封保存.将所处理的样品送往国土资源部长沙矿产资源监督检测中心进行测试, 运用等离子体发射光谱仪(ICAP-6300)测定阳离子, 采用离子色谱仪(ICS-1100)测定阴离子, 各离子的检测限均为0.01mg·L-1, 阴阳离子的测定误差一般低于0.1%.

1.3 数据处理

本文运用Origin 2019软件[18]对研究区地下水主要离子进行描述性统计分析, 主要包括均值、中值、标准差、最小值、最大值、变异系数, 运用ArcGIS 10.2软件(http://www.esri.com/software/arcgis, ESRI, Redlands, California, CA, USA)进行反距离空间插值探究雷州半岛地下水主要离子含量的空间特征, 并绘制Piper三线图、Gibbs图、端元图和离子比值图分析研究区地下水水化学特征和控制因素.

2 结果与讨论 2.1 地下水化学特征

地下水化学分析结果见表 1, 并绘制地下水化学参数的箱线图(图 2).研究区地下水pH值介于5.69~9.15之间, 均值为7.18, TDS介于30.18~680.35mg·L-1, 属于淡水范畴.阴离子质量浓度关系为: HCO3->NO3->Cl->SO42-, 以HCO3-为主, 占阴离子总浓度的48.54%; 阳离子质量浓度关系为: Ca2+>Na+>Mg2+>K+, 以Ca2+和Na+为主, 分别占阳离子总浓度的38.17%和34.85%.地下水主要离子的变异系数介于0.89~1.52之间, 空间变异特性较大. Cl-、SO42-、NO3-和K+这4种离子变异系数均超过1, 表明其空间分布差异性明显, 局部离子富集程度高, 可能受人类活动的影响.

表 1 主要水化学指标质量浓度统计1)/mg·L-1 Table 1 Mass concentration statistics of the main hydrochemical indexes/mg·L-1

图 2 地下水化学参数箱线图 Fig. 2 Box-plot of groundwater chemical parameters

通过Piper三线图可以了解地下水化学成分的含量和演化特征, 该方法的优点是不受人为因素的影响[19].由图 3可知研究区地下水水化学类型较为多样, 阳离子主要分布在Ca2+和Na++K+端元, 阴离子主要以HCO3-为主, 表明碳酸盐岩的溶解对地下水水化学特征起主要控制作用.结合苏卡列夫地下水化学类型分类, 水化学类型以HCO3-Cl-Na-Ca、HCO3-Cl-Na-Ca-Mg、HCO3-Cl-Na-Mg和HCO3-Na型为主.

图 3 地下水化学Piper三线图 Fig. 3 Piper diagram of groundwater chemistry

2.2 主要离子空间分布特征

基于地统计法分析研究区地下水主要离子的空间分布特征, 本文采用Arcgis 10.2制图软件中的反距离权重法绘制空间分布特征(图 4).总体来看, 雷州半岛地下水主要离子空间分布呈现比较明显的差异.所有离子含量在雷州市西部均比较高, 表明雷州市的人类活动对地下水的影响程度明显. Cl-和Na+具有相似的空间分布格局, 在地下水中含量高值区集中在雷州市西部, Mg2+主要分布在遂溪县的东部以及徐闻县的西南和东北部, 三者在海陆接触区域含量也略高, 表明海水对地下水有一定程度的入侵, 对离子含量产生了影响. NO3-在地下水中含量高值区主要分布遂溪县和西南沿海地区, K+在地下水中含量高值区主要分布在雷州市的西部、徐闻县南部以及东部沿海地区, 这两种离子的分布可能和种植农作物施用钾肥和氮肥有关.雷州半岛火山岩分布广泛, 火山岩孔洞裂隙水是其主要地下水类型之一, 此水文地质是造成Ca2+和HCO3-在研究区含量较高的原因之一. SO42-高值主要分布区集中在雷州半岛东北地区和雷州市西部, 可能和近些年发展工业有关.

图 4 地下水主要离子空间分布特征 Fig. 4 Characteristics of the spatial distributions of main ions in the groundwater

2.3 控制因素分析

Gibbs图以TDS浓度值为对数纵坐标, 阳离子质量浓度的比值Na+/(Na++Ca2+)和阴离子质量浓度的比值Cl-/(Cl-+HCO3-)为横坐标, 根据它们之间的关系可以判断地下水主要离子的控制影响因素, 分析地下水化学类型的形成作用[20].根据地下水化学成因, 将控制因素划分为3类: 蒸发结晶、岩石风化和大气降水[21].

将雷州半岛地下水化学数据绘制于Gibbs图中(图 5), 水样点主要落在岩石风化区域内, 部分有向大气降雨偏移的趋势, 表明研究区地下水水化学成因主要受岩石风化作用的影响, 大气降雨有一定程度的影响, 蒸发结晶的影响不明显.部分水样点落于模型框图之外, 可能是受人类活动影响. Wei等[22]对德惠地区和Mu等[23]对洪建淖湖盆地通过Gibbs对研究区进行分析, 结果表明水样主要受岩石风化作用影响.

图 5 研究区地下水Gibbs图 Fig. 5 Gibbs plots for groundwater in the study area

利用端元法可以进一步探究地下水水化学演化过程受岩石风化的影响, 根据Mg2+/Na+、Ca2+/Na+和HCO3-/Na+浓度比值将地下水离子主要风化物来源分为碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发盐岩这3种[24].如图 6所示, 研究区地下水样点主要位于硅酸盐岩和碳酸盐岩风化端元之间, 只有少部分样点位于硅酸盐岩和蒸发岩之间, 表明硅酸盐和碳酸盐矿物在岩石风化过程中起主要影响作用, 蒸发岩对其贡献不明显.Wu等[25]在贵州省安顺地区、Li等[26]在渭河径流区域和Qian等[27]在鄂尔多斯盆地农牧区的研究发现, 地下水样品主要受硅酸盐和碳酸盐的共同作用.

图 6 研究区岩石风化溶解相对贡献 Fig. 6 Relative contribution of weathering and dissolution of rocks

在岩石和地下水长期相互作用的过程中, 岩石表面所携带的负电荷可以吸附地下水中的阳离子, 从而将原先所携带的阳离子释放到地下水中, 即发生阳离子交替吸附作用.阳离子交替吸附作用通常是用(Mg2++Ca2+-SO42--HCO3-)/(Na++K+-Cl-)浓度比值关系来反映, 若发生阳离子交换作用, 则两者的比值应在-1左右[28].图 7中大部分水样位于-1比值线周围, 表明研究区地下水中存在阳离子交替吸附作用.

图 7 研究区地下水阳离子交替吸附作用 Fig. 7 Cation exchange and adsorption of groundwater

阳离子交替吸附的方向和强度可以进一步用氯碱指数来表示, 通常情况下, 当地下水中Ca2+和Mg2+与含水层颗粒表面吸附的Na+和K+进行阳离子交换作用时, CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ均为负值, 相应地, 如果存在反离子交换作用, 其CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ值将会为正值.在图 8中, 79%样点的地下水氯碱指数为负值, 21%样点的地下水氯碱指数为正值, 说明研究区地下水中主要发生正向交换作用, 使地下水中Na+和K+浓度升高, Ca2+和Mg2+浓度降低. Li等[30]在青藏高原北麓河盆地, Ren等[31]在酒泉东盆地发现研究区水体中也发生了阳离子交换作用.

(1)
(2)
图 8 研究区地下水氯碱指数 Fig. 8 Chlor-alkali index of groundwater

2.4 主要离子来源

相关性分析所揭示的相互关系可推测地下水主要离子间的来源关系[32], 表 2为雷州半岛地下水离子间的相关关系矩阵.从中可看出, TDS与所有离子均呈显著相关关系, 其中与Ca2+、Na+和Cl-相关系数达到0.8及以上, 表明这3种离子是TDS的主要来源.Ca2+与HCO3-和SO42-相关性最高, 反映这3种离子可能是来源于盐岩溶解.Na+和Cl-之间相关系数为0.86, 说明两者有共同的来源, 一般可能是来源于蒸发岩的风化溶解.

表 2 地下水各水化学参数间的相关系数1) Table 2 Correlation coefficient matrix of the groundwater chemical parameters

大气降雨、硅酸盐矿物和蒸发盐矿物溶解是地下水中Na+和K+的主要来源, Na+和Cl-毫克当量浓度比值可反映水中Na+和K+的来源.海水和大气降水的Na+和Cl-毫克当量浓度比值为0.86.在未受人类活动影响时, 岩盐溶解是地下水中Na+和Cl-的主要来源, 毫克当量浓度比值关系一般在1左右[33].由图 9(a)可知, 雷州半岛地下水样点基本都位于1∶1当量线附近, 表明蒸发盐岩和硅酸盐岩对研究区地下水中Na+和K+的来源有主要贡献.还有少量样点偏离1∶1当量线, 可能是由于阳离子交替吸附作用导致Na+和K+含量高于Cl-的含量.Chitsazan等[34]对伊朗乌尔米亚市城市地下水中Na+和Cl-的比值进行分析, 研究表明该地区Na+来源于盐岩且普遍存在离子交换过程.

图 9 主要离子比例关系 Fig. 9 Series plots of the proportion of key ions

Ca2+和Mg2+来源可通过(Ca2++Mg2+)/HCO3-的毫克当量浓度比值来确定, 当其比值大于1时, 主要来源于碳酸盐岩溶解, 当其比值小于1时, 主要来源于硅酸盐和蒸发岩的溶解[35].图 9(b)显示雷州半岛地下水水样大部分位于比值线1的左上方, 只有少部分位于右下方, 表明地下水中的Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐岩的溶解.(Ca2++Mg2+)/(HCO3-)与(SO42-/HCO3-)的毫克当量浓度比值可进一步分析碳酸、硫酸参与地下水碳酸盐岩溶解情况, 当比值为2时, 硫酸参与碳酸盐矿物溶解过程, 当比值为1时, 碳酸参与碳酸盐矿物溶解过程[36].从图 9(c)中可以看出水样点主要位于比值线2的附近以及左上方, 说明地下水中硫酸和碳酸均参与了碳酸盐矿物的溶解, 但碳酸的贡献要明显多于硫酸.文泽伟等[37]对龙江-柳江-西江流域和郑涛等[38]对涡河流域中部地区的研究均采用(Ca2++Mg2+)/HCO3-和(Ca2++Mg2+)/(HCO3-)与(SO42-/HCO3-)的比值关系, 发现Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸多于硫酸的碳酸盐岩溶解.

人类活动产生的废水、废气、废物以及农业化肥等, 会随雨水或地表水进入浅层地下水甚至深层地下水, 进而影响地下水中水化学过程演化.硝酸盐一定程度上可以反映地下水受人类活动的影响, Cl-/Na+和NO3-/Na+的比值越高, 地下水受人类活动影响越明显[39].通过Cl-/Na+和NO3-/Na+的比值[图 9(d)], 可以看出两者比值均比较高, 大部分水样点偏向农业活动, 只有少部分分布在碳酸盐岩和盐岩之间, 说明雷州半岛地下水已遭受一定程度农业污染.

3 结论

(1) 雷州半岛地下水主要为弱碱性淡水, 阴离子浓度顺序为: HCO3->NO3->Cl->SO42-, 阳离子浓度顺序为: Ca2+>Na+>Mg2+>K+, 阴阳优势离子分别为HCO3-和Ca2+, 水化学类型以HCO3-Cl-Ca-Na、HCO3-Cl-Ca-Mg-Na、HCO3-Cl-Mg-Na和HCO3-Na型为主.研究区地下水中的主要离子呈现出不同的空间差异特征, Cl-、SO42-和Na+在雷州市西部含量较高, 在其他区域均较低, HCO3-、NO3-、Ca2+、Mg2+和K+这5种离子含量较高的区域主要集中在西南和东部沿海.

(2) 地下水化学特征主要受水岩作用的影响, 水岩作用中以硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解为主, 其次是阳离子交替吸附和人类活动的影响, 大气降雨和蒸发浓缩的影响不显著.离子比值法的结果表明雷州半岛地下水中Na+和K+的来源主要是蒸发盐岩和硅酸盐岩, Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸多于硫酸参与的碳酸盐岩溶解, NO3-主要与人类生活污水排放和农业活动有关.

致谢: 感谢彭轲教授级高级工程师和赵信文高级工程师对本研究的指导和帮助!

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