珠江三角洲地區(qū)酸性地下水分布特征及其影響因素研究

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(1.河北圣潔環(huán)境生物科技工程有限公司，河北 石家莊 050051；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

珠江三角洲地區(qū)酸性地下水分布特征及其影響因素研究

程新偉1，孫繼朝2

(1.河北圣潔環(huán)境生物科技工程有限公司，河北 石家莊 050051；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

珠江三角洲地區(qū)酸性地下水(pH<6.5)分布范圍占全區(qū)面積的3/4，區(qū)域地下水酸化較普遍，已成為最大的區(qū)域地下水環(huán)境和生態(tài)問題之一。本研究通過珠江三角洲地區(qū)地下水pH值及地下水常規(guī)無機(jī)成分，對(duì)地下水酸化的空間分布規(guī)律與影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：pH<6.5的偏酸性地下水主要分布于東、北、西的低山、丘陵地區(qū)，主要土地利用類型為果林用地及農(nóng)田用地，主要含水介質(zhì)類型為基巖裂隙水，同時(shí)分布有松散巖類孔隙水、還有碳酸鹽巖類裂隙溶洞水；pH≥6.5的地下水主要集中在三角洲中心平原區(qū)，主要土地利用類型為城市用地，地下水類型為松散巖孔隙水。

珠江三角洲；酸性地下水；影響因素；酸雨

地下水酸化是指在天然條件下經(jīng)過長(zhǎng)期的水環(huán)境演化形成的[1]，或者受外環(huán)境干擾影響，促使地下水pH值趨于降低，導(dǎo)致地下水偏酸性(pH<6.5[2])的過程。2002年，日本原野地球科學(xué)中心森弘和淺等[3]對(duì)第四紀(jì)火山區(qū)附近的酸性地下水分布范圍進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，pH<4.8的酸性地下水主要發(fā)生在當(dāng)前火山巖區(qū)以及分布從幾公里至20km的第四紀(jì)火山，而且地下水pH值隨著與火山距離的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。Lang等[4]研究發(fā)現(xiàn)，北歐一些國家地下水的pH值偏低是由于雨水呈偏酸性，雨水入滲補(bǔ)給地下水后導(dǎo)致pH的降低；Preda等[5-6]則發(fā)現(xiàn)沉積物中FeS2被氧化生成酸，使地下水的酸度增加、pH降低。沈照理等[7]，文冬光等[8]研究發(fā)現(xiàn)：地下水酸化是由于碳酸、硼酸、硅酸及其他弱酸引起的。硅酸及其他弱酸對(duì)地下水的pH值只起到次要作用，因?yàn)樗麄冊(cè)诘叵滤袧舛容^小。碳酸體系在地下水中含量高、分布廣，對(duì)地下水的酸堿性起到主要作用。CO2氣體溶解于地下水形成碳酸，碳酸的離解導(dǎo)致地下水中HCO3-、H+增加，pH值降低(曹玉清等[9]，閆志為等[10]，錢會(huì)[11])。錢會(huì)[12]認(rèn)為潛水的H+濃度與HCO3-含量正相關(guān)，與CO2呈負(fù)相關(guān)，H2CO3在地下水中的存在形式與地下水中H+濃度相關(guān)。

珠江三角洲地區(qū)地下水污染研究顯示酸性地下水(pH<6.5)分布范圍占全區(qū)面積的3/4，區(qū)域地下水酸化較普遍。地下水pH值對(duì)金屬元素的活動(dòng)性產(chǎn)生影響[13]，通過發(fā)生解吸或吸附作用，影響著地下水系統(tǒng)中金屬離子濃度。隨著pH的降低Cd的質(zhì)量濃度急劇增加，同時(shí)較低的pH值有利于As在地下水中的遷移轉(zhuǎn)化。針對(duì)地下水酸化問題，國外學(xué)者在研究中早有發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)行了相關(guān)研究。瑞典查爾姆斯理工大學(xué)LARS-OVELANG等，澳大利亞M.Preda等[14]及日本原野地球科學(xué)中心森弘和淺等[3]研究發(fā)現(xiàn)酸性地下水的地理分布情況；Pierce等[15]對(duì)酸性地下水中組分賦存情況的影響進(jìn)行了研究；Lang等[4]，Preda等[5-6]結(jié)合酸性地下水的分布，對(duì)造成地下水酸化的影響因素進(jìn)行了分析。針對(duì)珠江三角洲地區(qū)，由于缺乏珠江三角洲地區(qū)地下水酸化系統(tǒng)調(diào)查與剖析，對(duì)于區(qū)域地下水酸化的分布規(guī)律、酸化成因及地下水酸化可能導(dǎo)致的環(huán)境效應(yīng)缺乏深入認(rèn)識(shí)。為了解珠江三角洲地區(qū)地下水酸化分布特征及規(guī)律，研究該區(qū)域地下水酸化影響因素，研究珠江三角洲地區(qū)地下水酸化空間分布特征，分析地下水酸化的空間分布規(guī)律，結(jié)合該區(qū)地下水補(bǔ)給方式、巖性特征等條件分析珠江三角洲地區(qū)地下水酸化影響因素。為進(jìn)一步研究與控制珠江三角洲地區(qū)地下水污染，以及珠江三角洲地區(qū)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及降水pH特征

珠江三角洲地區(qū)轄屬廣東省，位于廣東省中南部。丘陵臺(tái)地主要分布于東、西、北三面，研究區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均氣溫21.9℃。受季風(fēng)影響，區(qū)域降水特征明顯：降水季節(jié)性強(qiáng)，每年4～9月為汛期，10～次年3月為枯水期；降雨雨量大，年均降雨量1 800～2 200 mm；降雨強(qiáng)度大，汛期6個(gè)月，占總降水量的80%以上。多年平均徑流深為800～1 200 mm。根據(jù)廣東省環(huán)境保護(hù)廳發(fā)布的《2012廣東省環(huán)境狀況公報(bào)》顯示：全省城市降水pH均值為5.10，酸雨頻率為37.4%。城市降水pH均值范圍在4.46～6.22之間，81.8%的城市出現(xiàn)酸雨，pH最小值<5 .6。佛山、韶關(guān)、清遠(yuǎn)、順德和深圳等5市(區(qū))屬重酸雨區(qū)(pH均值<4.5；4.5≤pH均值<5.0且酸雨頻率>50%)，占全省城市的22.7%[16]。

1.1 降水(酸雨)pH值與地下水pH值的關(guān)系

珠江三角洲地區(qū)降雨頻繁，大氣降水與地下水有著密切的聯(lián)系，是淺層地下水的主要補(bǔ)給來源。2012年，“珠三角”九市降水pH平均值為4.66～5.59，均為酸性降水。大氣降水(酸雨)形成地表漫流通過地表直接入滲補(bǔ)給，進(jìn)入淺層地下水。由于降水pH值較低，且是區(qū)域性降水pH值普遍較低，進(jìn)入淺層地下水后，直接導(dǎo)致地下水pH值降低，造成地下水酸化。因此，大氣降水(酸雨)是直接造成地下水酸化主要影響因素，而SO2排放量是造成珠三角地區(qū)酸雨分布廣泛、頻發(fā)的主要因素，故SO2排放量是影響地下水pH值分布的主要因素。同時(shí)，大量SO2的產(chǎn)生來源于人類活動(dòng)，主要為工業(yè)生產(chǎn)，因而，人類活動(dòng)(工業(yè)生產(chǎn))是造成珠江三角洲地區(qū)地下水酸化的主要影響因素。

根據(jù)廣東省降水pH值空間分布圖，結(jié)合“珠三角”地區(qū)九市降水pH值監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖1所示，珠江三角洲地區(qū) pH值最低(4.5～4.9)的降水主要集中在研究區(qū)的西北部區(qū)域，涉及的行政區(qū)域主要為佛山市、肇慶市及廣州市。已有調(diào)查結(jié)果表明，1995-2012年，廣東省城市降水pH值全省均值呈不顯著下降趨勢(shì)；酸雨頻率呈先上升后逐漸下降趨勢(shì)。廣東省城市降水pH均值和酸雨頻率變化見圖1。

1.2 不同含水介質(zhì)類型地下水補(bǔ)給方式

丘陵臺(tái)地區(qū)淺層地下水補(bǔ)給以大氣降水為主，降水形成地表漫流直接入滲補(bǔ)給，區(qū)域內(nèi)由塊狀基巖組成的中低山，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，植被繁茂，具有較好的滲入補(bǔ)給條件。在平原及山間谷地地表由粘性土覆蓋，不利于降水的入滲。研究區(qū)內(nèi)內(nèi)陸平原地下水的主要補(bǔ)給形式包括：降水直接入滲補(bǔ)給、河流的入滲補(bǔ)給(西江及北江兩大水系沿岸)、丘陵區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給、灌溉回歸水的入滲補(bǔ)給，沿海平原還包括砂堤及砂地的凝結(jié)水補(bǔ)給等。地下水、地表水之間水力關(guān)系復(fù)雜，豐、枯期多呈互補(bǔ)排特征。研究區(qū)地下水補(bǔ)給模型示意圖見圖2。

圖1 廣東省城市降水pH均值和酸雨頻率變化

圖2 研究區(qū)地下水補(bǔ)給模型示意圖

根據(jù)含水介質(zhì)類型，研究區(qū)地下水包括三大類，分別為基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水(以下簡(jiǎn)稱巖溶水)及松散巖類孔隙水。其地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件，區(qū)域內(nèi)巖性特征、裂隙發(fā)育水平及地表植被覆蓋度同樣影響著地下補(bǔ)給程度。地下水補(bǔ)給主要以降水直接入滲補(bǔ)給、河流的入滲補(bǔ)給、基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給等形式完成的。

降水形成地表漫流并通過表層土壤直接入滲補(bǔ)給。西江、北江及其流域內(nèi)的河網(wǎng)，通過河道的滲漏、農(nóng)業(yè)灌溉后下滲等對(duì)區(qū)域地下水進(jìn)行補(bǔ)給。由于西江、北江江水pH值中性或弱堿性，入滲補(bǔ)給地下水后，稀釋地下水中H+，導(dǎo)致地下水pH值升高。同時(shí)，平原地區(qū)還接受丘陵地區(qū)的地下水側(cè)向補(bǔ)給。丘陵地區(qū)地下水H+在地下徑流過程中不斷得到稀釋及緩沖作用，導(dǎo)致補(bǔ)給水的pH升高，側(cè)向補(bǔ)給地下水后，導(dǎo)致地下水pH升高。丘陵區(qū)除了降水補(bǔ)給，無其它補(bǔ)給途徑，酸性降水直接導(dǎo)致地下水酸化；平原地區(qū)地下水由于接受河網(wǎng)補(bǔ)給(包括直接補(bǔ)給與間接補(bǔ)給)及丘陵地區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，導(dǎo)致地下水pH值升高。因此，地下水的補(bǔ)給條件也是影響地下水酸化的一個(gè)影響因素。

降雨形成地表漫流直接入滲補(bǔ)給丘陵臺(tái)地區(qū)地下水。丘陵臺(tái)地區(qū)中的巖石裂隙不甚發(fā)育、植被稀少的地區(qū)，大氣降水很快流失，不利于降水入滲補(bǔ)給；丘陵臺(tái)地區(qū)中的巖石節(jié)理裂隙發(fā)育、植被茂盛的地區(qū)，有利于降水入滲補(bǔ)給地下水。

1.3 不同地形地貌地區(qū)酸性地下水的分布特征

研究區(qū)的主要地形地貌為丘陵臺(tái)地和平原，丘陵臺(tái)地主要分布于東、西、北三側(cè)，平原主要分布于中部區(qū)域。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)409個(gè)地下水采樣點(diǎn)分析結(jié)果可見，“珠三角”地區(qū)酸性地下水空間分布具有區(qū)域性分布特點(diǎn)，與區(qū)域的地形地貌特征相關(guān)。東、北、西的低山、丘陵地區(qū)主要分布pH<6.5的偏酸性地下水，而pH≥6.5的地下水主要集中在三角洲中心平原區(qū)。丘陵地區(qū)中零散分布的平原、盆等地勢(shì)低平區(qū)域，地下水pH值相對(duì)略高；而平原地區(qū)的零散分布的殘丘、臺(tái)地，地下水pH值普遍較低，地下水偏酸性。綜上，從丘陵臺(tái)地區(qū)過渡到平原地區(qū)，地下水pH值隨地形降低而逐漸升高。地勢(shì)相對(duì)較高的丘陵臺(tái)地區(qū)，地下水一般偏酸性，而地勢(shì)低緩的平原地區(qū)的地下水pH值相對(duì)略高。

圖3可以看出，pH<6.5的偏酸性地下水主要分布于在東、北、西區(qū)域，而pH≥6.5的地下水主要集中在三角洲中心區(qū)域；結(jié)合地形考慮，pH<6.5的偏酸性地下水，集中在低山、丘陵地區(qū)，pH≥6.5的地下水集中在平原區(qū)。

圖3 珠江三角洲地區(qū)地下水pH值等值線圖

結(jié)合圖1可知，珠江三角洲地區(qū)降水pH值范圍4.66～5.59，區(qū)域內(nèi)均為酸性降水，酸性降水最強(qiáng)的區(qū)域，地下水pH為中性或弱堿性，沒有同時(shí)出現(xiàn)酸性最強(qiáng)的地下水，說明地下水pH除了受酸性降水影響，還有其它影響因素。pH<6.5的偏酸性地下水主要分布于東、北、西的低山、丘陵地區(qū)，主要土地利用類型為果林用地及農(nóng)田用地上，主要含水介質(zhì)類型為基巖裂隙水，同時(shí)分布有松散巖類孔隙水、還有碳酸鹽巖類裂隙溶洞水；pH≥6.5的地下水主要集中在三角洲中心平原區(qū)，主要土地利用類型為城市用地，為松散巖孔隙水。

1.4 水化學(xué)組分的影響因素分析

珠江三角洲地區(qū)丘陵區(qū)取樣主要分布在三角洲的外圍，淺層地下水pH值偏低。陽離子是以Na+、Ca2+為主，陰離子主要是HCO3-、Cl-為主。丘陵地區(qū)地下水主要是重碳酸鹽型地下水。丘陵區(qū)地下化學(xué)三線圖見圖4。

從圖4可看出，陽離子是以Na+、Ca2+為主，陰離子主要是HCO3-、Cl-為主。大多堿土金屬離子超過堿金屬離子，碳酸鹽硬度超過50%，水中化學(xué)組分復(fù)雜。三角洲平原區(qū)取樣，總體來說地下水pH值略高。淺層地下陽離子是以Na+、Ca2+為主，陰離子主要是HCO3-、Cl-為主。陽離子是以Na+、Ca2+為主，陰離子主要是HCO3-、Cl-為主。重碳酸鹽型和氯化型為主的地下水是平原區(qū)主要地下水類型。平原區(qū)地下水大多水樣堿土金屬離子超過堿金屬離子，碳酸鹽硬度超過50%，水中化學(xué)組分復(fù)雜。

李銳等[17]研究表明，廣西濱海平原天然狀態(tài)下地下水pH值為3.33～7.0均值為5.12，說明濱海地區(qū)地下水酸化分布顯著。至于天然狀態(tài)下地下水中的H+從何而來，周訓(xùn)等[18]認(rèn)為來源于粘土層中的H2O+、H2CO3的離解以及雨水中的酸度，而H2CO3則是由CO2溶解于水而形成的，CO2則主要來源于生物成因。同時(shí)，地下水pH值偏低與含水系統(tǒng)中堿性物質(zhì)的缺少有關(guān)，有利于H+集聚。張華等[19]還發(fā)現(xiàn)雨水礦化度低、含水介質(zhì)可溶性巖含量極低、迅速的水循環(huán)及長(zhǎng)期的淋濾作用是導(dǎo)致其地下水礦化度低的原因。李學(xué)禮[20]則認(rèn)為硅酸鹽在富含碳酸和生物質(zhì)的環(huán)境中進(jìn)行的的分解作用，導(dǎo)致形成微礦化硅酸、硅酸-重碳酸型酸性潛水。其他體系也可能對(duì)地下水酸化起主要作用，如NH4+-NH3、H2S-HS-等體系；硫酸、鹽酸直接進(jìn)入地下水導(dǎo)致地下水pH值迅速降低；此外，在酸性硫酸鹽土壤區(qū)也分布有酸性地下水。結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，從地下水酸化特征、酸化影響因素、酸化的危害三個(gè)方面進(jìn)行國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的闡述與分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水的酸化特征、酸化成因均有研究，但是研究比較單一，系統(tǒng)的研究較少，對(duì)區(qū)域性對(duì)地下水酸化成因的系統(tǒng)研究目前國內(nèi)研究較少，弄清了地下水化學(xué)特征、pH的特點(diǎn)以及酸性地下水的影響因素。針對(duì)珠江三角洲地區(qū)，研究酸性地下水的空間分布規(guī)律及地下水pH值與化學(xué)組分特征，結(jié)合pH的分布規(guī)律，研究該地區(qū)地下水酸化影響因素，確保水源地水質(zhì)安全，顯得尤為重要。

圖4 丘陵區(qū)和平原區(qū)地下水化學(xué)三線圖

2 結(jié)語

(1)SO2排放量最大的區(qū)域與降水pH最強(qiáng)的區(qū)域分布具有高度一致性，SO2排放量是造成珠江三角洲地區(qū)酸雨分布廣泛、頻發(fā)的主要因素。降水(酸雨)補(bǔ)給地下水，導(dǎo)致地下水酸化。大量SO2的產(chǎn)生來源于人類活動(dòng)(工業(yè)生產(chǎn))，人類活動(dòng)是造成珠三角地區(qū)地下水酸化的主要影響因素。

(2)pH<6.5的偏酸性地下水主要分布于東、北、西的低山、丘陵地區(qū)，主要土地利用類型為果林用地及農(nóng)田用地上，主要含水介質(zhì)類型為基巖裂隙水，同時(shí)分布有松散巖類孔隙水、還有碳酸鹽巖類裂隙溶洞水；pH≥6.5的地下水主要集中在三角洲中心平原區(qū)，主要土地利用類型為城市用地，地下水類型為松散巖孔隙水。

(3)丘陵區(qū)除了大氣降水補(bǔ)給，無其它補(bǔ)給途徑，酸性降水直接導(dǎo)致地下水酸化；平原地區(qū)地下水由于接受河網(wǎng)補(bǔ)給(包括直接補(bǔ)給與間接補(bǔ)給)及丘陵地區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，導(dǎo)致地下水pH升高，補(bǔ)給條件是影響地下水酸化的一個(gè)影響因素。

(4)丘陵臺(tái)地區(qū)由于土壤粘結(jié)性差，呈塊狀結(jié)構(gòu)，通透性好，對(duì)酸的緩沖能力甚低；平原區(qū)表層分布較厚的粘土層，透水性差，降雨的入滲系數(shù)較小，且平原區(qū)地下水組分中Ca2+、HCO3-高于丘陵地區(qū)，說明降水入滲過程中發(fā)生了水—巖作用，水—巖作用對(duì)降水起到緩沖作用。巖性特征是影響地下水酸化一個(gè)影響因素。

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StudyondistributioncharacteristicsofacidgroundwateranditsinfluencingfactorsinthePearlRiverDelta

CHENGXin-wei1，SUNJi-chao2

(1.Hebei holy environment biological science and Technology Engineering Co Ltd., Shijiazhuang,Hebei,050051, China;2.Institute of hydrogeology and environmental geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang,Hebei, 050061, China)

The distribution of acid groundwater (pH < 6.5) in the Pearl River Delta area is 3/4 of the whole area, and regional groundwater acidification is more common. It has become one of the largest regional groundwater environmental and ecological problems. In this study, the spatial distribution of groundwater acidification and its influencing factors were analyzed by the groundwater pH values and conventional inorganic constituents in the Pearl River Delta region, the results showed that acidic groundwater pH < 6.5 mainly distributed in the East, North and west low mountain and hilly areas, the main land use types of land for forest land and farmland, the main aquifer type is bedrock fissure water, and the distribution of pore water in loose rock and karst fracture water; The groundwater of pH≥ 6.5 is mainly concentrated in the plain area of delta center. The main land use type is urban land, and groundwater type is loose rock pore water.

Pearl River Delta；acid groundwater；influencing factors；acid rain

P641.135

A

1004-1184(2017)05-0025-03

2017-05-11

程新偉(1981-)，男，安徽黃山人，工程師，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面工作。