貴州巖溶地下水水文地球化學(xué)特征

穆照猛,李 強(qiáng),方尚武,雷玉山,江 峰

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì),貴州 遵義 563000;2.貴州省地礦局第二工程勘察院有限公司,貴州 遵義 563000)

0 引言

巖溶地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的地下水資源,全世界有20%～25%的人口把巖溶地下水作為飲用水源,未來還可能增加到50%[1-3]。貴州作為我國典型的巖溶石山區(qū),巖溶地下水資源豐富,其是貴州最主要的地下水類型,也是開發(fā)利用價(jià)值最大、支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要自然資源,更是本地區(qū)最主要的飲用水資源[4-5]。由于巖溶區(qū)特殊的地質(zhì)背景和環(huán)境特征,地下水水化學(xué)性質(zhì)容易受到外部活動(dòng)的影響,在新時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展背景下,人類工程活動(dòng)明顯加劇,導(dǎo)致一些巖溶區(qū)的地下水水質(zhì)受到一定程度的影響[6]。

前人對(duì)貴州巖溶地下水水文地球化學(xué)特征有過較多研究,但更多是針對(duì)某個(gè)區(qū)域或者流域開展[6-9],因此,本文運(yùn)用Gibbs模型、相關(guān)性分析及離子比例分析等理論和方法[10-18],研究整個(gè)貴州巖溶地下水的水巖相互作用,分析地下水化學(xué)組分的形成來源、元素遷移轉(zhuǎn)化、水化學(xué)類型特征及成因機(jī)理等,對(duì)進(jìn)一步深化對(duì)貴州水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí),科學(xué)地開展巖溶地下水環(huán)境保護(hù)、開發(fā)利用以及監(jiān)測管理等具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

貴州位于我國西南部,處于云貴高原東部,北接四川省和重慶市,東毗湖南省,南鄰廣西壯族自治區(qū),西連云南省。境內(nèi)地勢(shì)西高東低,自中部向北、東、南三面傾斜,平均海拔1 100 m左右,最高點(diǎn)位于赫章縣珠市鄉(xiāng)韭菜坪,海拔為2 901 m,最低點(diǎn)位于黎平縣地坪鄉(xiāng)水口河出省境處,海拔為148 m。地貌主要為高原山地、丘陵和盆地三種基本類型,其中93%的面積為山地和丘陵。受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)間歇抬升影響,河流的長期侵蝕、溶蝕,除西部局部保存較好的高原面以外,全省大部分地區(qū)被河谷切割,形成地形破碎的山地和丘陵,其間分布眾多的盆地、谷地,素有“八山一水一分田”之說。

貴州地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,雨量充沛,光照適中,雨熱同季。省內(nèi)各地年平均氣溫介于12℃～18℃之間,各地降水量充沛,80%以上地區(qū)年降水量在1 100～1 300 mm之間。貴州處于長江和珠江兩大水系上游交錯(cuò)地帶,苗嶺是長江和珠江兩流域的分水嶺,大于10 km以上的地表河流980條,主要河流有烏江、赤水河、南盤江、北盤江、紅水河、都柳江等,多年平均徑流量1 035×108m3,水力資源豐富[19]。

貴州地層發(fā)育齊全,自新元古界至第四系均有出露,地層巖性以碳酸鹽巖和硅酸鹽巖兩大巖類為主[20]。碳酸鹽巖分布區(qū)約占全省國土面積的70%,巖性以石灰?guī)r、白云巖為主,化學(xué)組分主要為CaO、MgO,其中:石灰?guī)r中CaO含量占比達(dá)45%～55%,MgO含量多介于1%～3%之間;白云巖中CaO含量占27%～36%,MgO含量占11%～20%。硅酸鹽巖主要為碎屑巖、變質(zhì)巖、巖漿巖等,化學(xué)組分主要為SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、CaO、K2O、Na2O等。貴州地下水劃分為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散巖類孔隙水等三大類型,其中又以碳酸鹽巖巖溶水類型為主。

2 樣品數(shù)據(jù)來源

本文樣品數(shù)據(jù)來源于貴州省水文地質(zhì)志修編項(xiàng)目(貴州省地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目DKJJ2021-01),從中選取2012-2021年期間水質(zhì)檢測指標(biāo)較為齊全且具有代表性的2 170件天然巖溶水點(diǎn)樣品作為研究基礎(chǔ),樣品分布于貴州各市州(圖1),其中:灰?guī)r區(qū)水樣1401件(豐水期272件、枯水期1 129件),白云巖區(qū)水樣769件(豐水期113件、枯水期656件)。所有水樣均由具有相應(yīng)檢測資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室完成測試,分析參數(shù)包括溶解性總固體(TDS),主要陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+),主要陰離子(HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-)以及部分微量元素離子。

1-灰?guī)r分布區(qū);2-白云巖分布區(qū);3-非碳酸鹽巖分布區(qū);4-灰?guī)r區(qū)豐季取樣點(diǎn);5-灰?guī)r區(qū)枯季取樣點(diǎn);6-白云巖區(qū)豐季取樣點(diǎn);7-白云巖區(qū)枯季取樣點(diǎn)

本文主要針對(duì)碳酸鹽巖巖溶水進(jìn)行研究,圖件制作基于Mapgis6.7版、Origin2022版等繪制成圖,水化學(xué)圖解制作及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理均是基于Microsoft office excel 2010 和word 2010版完成。

3 水質(zhì)結(jié)果

對(duì)研究區(qū)巖溶地下水的化學(xué)主要參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表1所示。灰?guī)r區(qū)地下水豐枯季pH平均值分別為7.52、7.67,白云巖區(qū)豐枯季平均值分別為7.53、7.62,總體上灰?guī)r區(qū)與白云巖區(qū)地下水pH值較為接近,反映出區(qū)內(nèi)巖溶地下水呈中性;灰?guī)r區(qū)豐枯季總硬度(CaCO3)平均值分別為222.82 mg/L、207.06 mg/L,白云巖區(qū)平均值分別為251.76 mg/L、271.18 mg/L,白云巖區(qū)地下水總硬度較灰?guī)r區(qū)大,區(qū)內(nèi)巖溶地下水屬微硬水;灰?guī)r區(qū)豐枯季TDS平均值分別為288.69 mg/L、272.62 mg/L,白云巖區(qū)豐枯季平均值分別為317.89 mg/L、328.82 mg/L,白云巖區(qū)地下水TDS較灰?guī)r區(qū)高,區(qū)內(nèi)巖溶地下水為低礦化度水。

表1 研究區(qū)巖溶地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

水化學(xué)主要成分中,灰?guī)r區(qū)和白云巖區(qū)陽離子均以Ca2+、Mg2+為主,其中灰?guī)r區(qū)地下水Ca2+含量豐枯季平均值分別為70.99 mg/L、69.11 mg/L,Mg2+含量豐枯季平均值分別為11.14 mg/L、11.21 mg/L,白云巖區(qū)地下水Ca2+含量豐枯季平均值分別為65.45 mg/L、64.68 mg/L,Mg2+含量豐枯季平均值分別為21.44 mg/L、26.41 mg/L,表現(xiàn)出灰?guī)r區(qū)地下水中Ca2+平均含量高于白云巖區(qū),而白云巖區(qū)地下水中Mg2+平均含量高于灰?guī)r區(qū)。陰離子均以HCO3-、SO42-為主,其中灰?guī)r區(qū)地下水HCO3-含量豐枯季平均值分別為208.96 mg/L、187.51 mg/L,SO42-含量豐枯季平均值分別為43.02 mg/L、49.99 mg/L,白云巖區(qū)地下水HCO3-含量豐枯季平均值分別為232.43 mg/L、265.69 mg/L,SO42-含量豐枯季平均值分別為50.15 mg/L、53.78 mg/L,表現(xiàn)出灰?guī)r區(qū)地下水中HCO3-、SO42-平均含量均小于白云巖區(qū)。

4 分析與討論

4.1 巖溶地下水化學(xué)特征

根據(jù)樣品水質(zhì)資料,將測試結(jié)果投影到Piper三線圖中(圖2),結(jié)果表明,區(qū)內(nèi)巖溶地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca及HCO3·SO4-Ca型水為主,總體表現(xiàn)為主體的、占主導(dǎo)的水化學(xué)類型與含水巖石類型具有高度一致性的特征。其中,灰?guī)r區(qū)地下水中HCO3-Ca型水占主導(dǎo)地位,其占樣品1 401件的44.97%,HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca型水占樣品1 401件的比例分別為21.13%、22.06%;而白云巖區(qū)地下水中HCO3-Ca·Mg型水占絕對(duì)地位,其占樣品769件的比例高達(dá)72.95%,HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca型水僅占樣品769件的14.17%。

圖2 研究區(qū)巖溶地下水Piper三線圖

4.2 地下水化學(xué)組分影響因素Gibbs分析

水化學(xué)Gibbs圖包含巖石風(fēng)化、蒸發(fā)濃縮及大氣沉降3個(gè)端元,可用于識(shí)別地下水化學(xué)組分的自然來源及主要形成機(jī)制[21]。將區(qū)內(nèi)巖溶地下水水質(zhì)相關(guān)離子含量分別繪制于Gibbs圖中(圖3),可以看出,區(qū)內(nèi)巖溶地下水離子含量投點(diǎn)絕大部分分布于圖左側(cè)邊緣巖石風(fēng)化型區(qū)域,表明區(qū)內(nèi)巖溶地下水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化作用控制。在Cl-/(Cl-+HCO3-)-TDS圖中均落于比值小于0.5范圍內(nèi)(圖3右),而在Na+/(Na++Ca2+)-TDS圖中(圖3左),投點(diǎn)大部份落于比值小于0.5的范圍內(nèi),僅有少數(shù)水樣點(diǎn)偏離巖石風(fēng)化型區(qū)域,并且表現(xiàn)出在豐水期向大氣沉降型區(qū)域靠近、枯水期向蒸發(fā)濃縮型區(qū)域集中的特點(diǎn),說明豐水期區(qū)內(nèi)巖溶地下水化學(xué)組分受降雨溶濾作用影響較大,枯水期地下水蒸發(fā)作用強(qiáng)烈。

圖3 研究區(qū)巖溶地下水Gibbs投影圖

4.3 地下水化學(xué)組分相關(guān)性分析

相關(guān)分析是研究不同變量相關(guān)性的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,將相關(guān)性可視化可清楚地看出變量之間的相關(guān)性強(qiáng)弱,從而有效的揭示地下水主要組分來源的一致性和差異性[22]。相關(guān)性分析可視化結(jié)果如圖4所示,圖中對(duì)角線是變量自身的分布;對(duì)角線右上方表示兩個(gè)屬性的相關(guān)性值,數(shù)值越大相關(guān)性越顯著;對(duì)角線的左下方是兩個(gè)屬性的關(guān)系影響圖,圓圈越大、顏色越深表示相關(guān)性越顯著。

圖4 相關(guān)性分析可視化(a灰?guī)r區(qū)/b白云巖區(qū))

從圖4中可知,TDS與主要陰陽離子均有一定的相關(guān)性,表明巖溶地下水中主要陰陽離子對(duì)TDS均具有一定的貢獻(xiàn)程度。其中:灰?guī)r區(qū)地下水中Ca2+、HCO3-、SO42-與TDS的相關(guān)性較好,相關(guān)性值(r)分別為0.74、0.65、0.64,說明灰?guī)r區(qū)地下水TDS受Ca2+、HCO3-、SO42-的影響較大;Ca2+、Mg2+與HCO3-的相關(guān)性較好,相關(guān)性值(r)分別為0.67、0.61,說明地下水在徑流過程中主要溶解了碳酸鹽巖類礦物方解石(CaCO3)及部分白云石(CaMg(CO3)2);K+與Cl-的相關(guān)性較好,相關(guān)性值(r)達(dá)0.65,說明K+與Cl-具有相同的來源,主要來源于鉀鹽的溶解;Na+與SO42-的相關(guān)性較好,相關(guān)性值(r)達(dá)0.63,主要原因是灰?guī)r區(qū)巖溶發(fā)育,地下水在流經(jīng)地下溶洞管道過程中溶解硫酸鹽類礦物芒硝(Na2SO4·10H2O);NO3-與Cl-相關(guān)性較好,相關(guān)性值(r)為0.55,主要是受生活廢水、農(nóng)業(yè)施肥等人為活動(dòng)影響。白云巖區(qū)地下水中Ca2+、SO42-、HCO3-、Mg2+與TDS的相關(guān)性較好,相關(guān)性值(r)分別為0.70、0.61、0.57、0.53,說明白云巖區(qū)地下水TDS受Ca2+、SO42-、HCO3-、Mg2+的影響較大;Ca2+與SO42-的相關(guān)性較好(r=0.63),而Mg2+與HCO3-的相關(guān)性較好(r=0.79),說明地下水在徑流過程中主要溶解了碳酸鹽類礦物白云石及硫酸鹽類礦物石膏或硬石膏(CaSO4·2H2O);K+與Cl-的相關(guān)性較好,相關(guān)性值(r=0.46)較灰?guī)r區(qū)低,說明K+與Cl-也具有相同的來源,主要來源于鉀鹽溶解;Na+與SO42-相關(guān)性較好(r=0.55),但相對(duì)于灰?guī)r區(qū)相關(guān)性較差,說明在白云巖區(qū)地下水流經(jīng)過程中也溶解了少部分硫酸鹽類礦物芒硝;NO3-與Cl-相關(guān)性也較好(r=0.52),與灰?guī)r區(qū)表現(xiàn)基本相同,說明也是受生活廢水、農(nóng)業(yè)施肥等影響。

4.4 地下水離子比例分析

相比于傳統(tǒng)的水化學(xué)類型分析方法,分析水化學(xué)組分的比例關(guān)系特征更能有效的判斷地下水的成因、水化學(xué)成分的來源及演化過程[22]。研究區(qū)巖溶地下水在接受大氣降水補(bǔ)給后,主要沿節(jié)理裂隙和巖溶管道徑流,在徑流過程中與含水層巖石中的主要礦物發(fā)生反應(yīng),溶解或沉淀部分水化學(xué)組分[23-24]。根據(jù)水質(zhì)檢測結(jié)果,區(qū)內(nèi)巖溶地下水主要化學(xué)組分為Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-,分析其來源主要是地下水流經(jīng)了碳酸鹽巖和硫酸鹽巖類含水巖組,并溶解了含水層中的方解石、白云石及石膏或硬石膏等主要礦物,從而形成以Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-為主要成分的巖溶地下水。

根據(jù)地下水中Mg2+/Ca2+摩爾濃度比值,也能夠反映地下水所流經(jīng)含水層的巖性。當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)灰?guī)r含水層時(shí),地下水中Mg2+/Ca2+摩爾濃度比值介于0.01～0.26之間,而流經(jīng)白云巖含水層時(shí),地下水中Mg2+/Ca2+摩爾濃度比值大于0.85[25]。通過計(jì)算區(qū)內(nèi)巖溶地下水水樣的Mg2+/Ca2+摩爾濃度比值,分別繪制出HCO3-和SO42-與Mg2+/Ca2+的相關(guān)關(guān)系圖(圖5),結(jié)果表明,區(qū)內(nèi)巖溶地下水中Mg2+/Ca2+摩爾濃度比值介于三個(gè)區(qū)(圖5a)。其中,灰?guī)r區(qū)地下水集中分布在0.01～0.26區(qū)域,白云區(qū)地下水則主要分布在0.85線周圍及大于0.85區(qū)域,反映出區(qū)內(nèi)巖溶地下水流經(jīng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖含水層。另外,Mg2+/Ca2+摩爾濃度比值與SO42-質(zhì)量濃度表現(xiàn)出一定程度的負(fù)相關(guān)性(圖5b),隨著SO42-質(zhì)量濃度增加,Mg2+/Ca2+摩爾濃度比值相應(yīng)地減小,說明在徑流過程中存在與石膏等硫酸鹽礦物的溶解。具體分析就是隨著石膏類礦物的溶解,地下水中Ca2+濃度不斷增加,而Ca2+濃度的增加會(huì)因同離子效應(yīng)導(dǎo)致碳酸鈣礦物的沉淀,且引起白云石處于不飽和或進(jìn)一步溶解的階段,進(jìn)而增加地下水中Mg2+的含量,導(dǎo)致Mg2+/Ca2+摩爾濃度比值增加時(shí),SO42-質(zhì)量濃度值變化不大[26]。

圖5 研究區(qū)地下水Mg2+/Ca2+與HCO3-、SO42-關(guān)系圖

地下水中Na+主要來源于鈉巖、硫酸鹽巖、硅酸鹽巖等礦物的溶解,區(qū)內(nèi)灰?guī)r區(qū)和白云區(qū)地下水中Na+平均含量相差不大,平均值均小于10 mg/L。但是,有少部分地下水樣中Na+濃度高于50 mg/L,分析原因是該部分水樣主要分布于貴州西部威寧-赫章一帶,而該地區(qū)地勢(shì)較高、地形起伏大、降雨相對(duì)較少、蒸發(fā)強(qiáng)烈,導(dǎo)致該區(qū)巖溶地下水中Na+相對(duì)較高,甚至在地下水水樣中檢測值達(dá)到140.85 mg/L。

K+主要來源于鉀巖、長石和云母等礦物的溶解,有部分來自于農(nóng)業(yè)施肥,其與Cl-、NO3-具有相同來源,在相關(guān)性分析可視化圖中也得到證實(shí),從關(guān)系圖中可以看出灰?guī)r區(qū)、白云巖區(qū)K+與Cl-相關(guān)性值(r)分別為0.65、0.46,與NO3-的相關(guān)性值(r)分別為0.53、0.42,相關(guān)性較好。

從Cl-與Na+、K+毫克當(dāng)量關(guān)系圖(圖6a)中發(fā)現(xiàn),區(qū)內(nèi)巖溶地下水水樣大部分分布在(Na++K+)/Cl-=1的直線附近,說明區(qū)內(nèi)巖溶地下水中Cl-與Na+、K+有相似的來源,主要來源于鈉鹽、鉀鹽等的溶解。另外,在灰?guī)r區(qū)地下水有部分Na++K+毫克當(dāng)量明顯高于Cl-,表明其地下水中Na+、K+除鈉鹽、鉀鹽的溶解來源外,還有其他來源,如與含水層中的Ca2+發(fā)生陽離子交換等,通過[(Ca2++Mg2+)·(HCO3-+SO42-)〗與[(Na++K+)·Cl-]關(guān)系圖(圖6b)可以反映出來,大部分水樣點(diǎn)落在斜線-1的直線附近及上方,證實(shí)區(qū)內(nèi)巖溶地下水存在陽離子交換作用,水中Ca2+和Mg2+會(huì)把巖土中吸附的Na+和K+置換出來,。

圖6 研究區(qū)地下水離子比例關(guān)系圖

區(qū)內(nèi)巖溶地下水中NO3-平均含量僅次于Ca2+、HCO3-和SO42-,分析原因是區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖分布廣泛,巖溶裂隙、管道發(fā)育,容易受到農(nóng)業(yè)活動(dòng)、生活污水等的影響,在離子相關(guān)性關(guān)系圖中也反應(yīng)出NO3-與Cl-的相關(guān)性較好,說明受生活污水及農(nóng)業(yè)施肥等影響較大。

5 結(jié)語

(1)貴州巖溶地下水化學(xué)組分以Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-為主,水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca及HCO3·SO4-Ca型水,總體表現(xiàn)出主體的、占主導(dǎo)水化學(xué)類型與對(duì)應(yīng)的含水巖石類型具有高度一致性。其中:灰?guī)r區(qū)地下水以HCO3-Ca型水為主,白云巖區(qū)地下水則以HCO3-Ca·Mg型水為主。

(2)貴州巖溶地下水主要受巖石風(fēng)化作用控制,豐水期地下水化學(xué)組分受降雨溶濾作用影響較大,枯水期地下水蒸發(fā)作用強(qiáng)烈。

(3)貴州巖溶地下水中主要陰HCO3-、SO42-和陽離子Ca2+、Mg2+均表現(xiàn)出與含水巖組相對(duì)應(yīng)的關(guān)系,水化學(xué)組分來源主要受控于水巖相互作用過程,地下水徑流過程中以方解石和白云石的共同溶解為主,同時(shí)部分地下水化學(xué)性質(zhì)受自然地理及人為因素影響較大。