何軍， 肖攀， 彭軻， 許珂

(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205)

0 引言

江漢平原儲存了大量的地下水資源，地下水可為該地區(qū)工農(nóng)業(yè)和居民生活提供重要的水源，因而該區(qū)能成為我國重要的商品糧基地和人口聚集地。第四系淺層孔隙水是江漢平原的主要地下水開采層[1]，也是最易開采的層位。隨著長江經(jīng)濟(jì)帶的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化建設(shè)的加劇，以及沿江化工廠、工業(yè)園、新城等重大工程的建設(shè)，地下水資源開發(fā)利用規(guī)模越來越大，生活垃圾、工業(yè)三廢、農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥等造成的地下水污染也日趨嚴(yán)重。眾多學(xué)者從江漢平原的水文地質(zhì)條件出發(fā)，對含水層特征、地下水功能區(qū)劃、含水系統(tǒng)及污染脆弱性等原生地質(zhì)環(huán)境條件和地下水開發(fā)利用的關(guān)系進(jìn)行了研究[1-3]，水化學(xué)和水文地球化學(xué)方面研究僅僅是圍繞江漢平原腹地的高砷地下水開展[4-6]，而對于江漢平原西部邊界地區(qū)地下水化學(xué)特征和地下水徑流過程中的復(fù)雜的水文地球化學(xué)過程研究還較為缺乏。地下水的化學(xué)成分可以指示地下水循環(huán)途徑，闡明地下水的起源與形成，記錄地下水的水文地球化學(xué)過程[7-8]。本文以江漢平原西部的枝江地區(qū)為例，在分析區(qū)域淺層孔隙水水化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，利用氫氧同位素、離子比值關(guān)系等手段，對江漢平原西部地區(qū)孔隙水由丘陵向平原徑流過程中的水文地球化學(xué)特征進(jìn)行探討，為平原區(qū)西部地下水開發(fā)利用與水資源管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江漢平原的西部，行政區(qū)屬湖北省枝江市，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量豐富，年均降水量1 041.8 mm，雨季主要集中在6—8月，年際變化較大。河網(wǎng)密布，縱橫交錯(cuò)，長江橫穿而過，在松滋河口分流。地貌主要有平原、崗地和低丘3種基本地貌形態(tài)(圖1)，西北部以丘陵和崗地為主，東南部為平原區(qū)，西南部局部為丘陵和崗地，地勢上總體是西北高，東南低，由西北丘陵高崗逐漸傾斜至東南部平原。

研究區(qū)地下水以松散巖類孔隙水為主，碎屑巖類裂隙孔隙水僅在南部少量分布。全新統(tǒng)砂、砂卵石孔隙水含水巖組多呈窄條狀或月牙狀，沿長江兩岸沖積平原及瑪瑙河、鴨子溪河谷等平原地區(qū)分布。

1.基巖區(qū)； 2.丘崗區(qū)； 3.平原區(qū)； 4.全分析和同位素采樣點(diǎn)； 5.全分析采樣點(diǎn)； 6.同位素采樣點(diǎn)

圖1 研究區(qū)地貌和采樣點(diǎn)分布

Fig.1Topographyandlocationofthesamplesinthestudyarea

其中，長江沖積平原地區(qū)含水層巖性為砂卵石，含水層厚度為17.6～40 m，地下水為孔隙潛水； 瑪瑙河、鴨子溪河谷地區(qū)含水層巖性為粉細(xì)砂、細(xì)砂，地下水以潛水為主，含水層厚度一般小于8 m，富水性貧乏。上、中更新統(tǒng)砂卵石孔隙水含水巖組廣泛分布于研究區(qū)北部的丘陵崗地和董市鎮(zhèn)以東的長江河谷和低平原區(qū)。董市鎮(zhèn)以西地下水以孔隙潛水為主，其中研究區(qū)西南部宜都市太寶湖村一帶長江二級階地富存上更新統(tǒng)砂卵石孔隙潛水，含水層巖性為砂礫石，含水層頂板平均高程為37.5 m，含水層平均厚度為11 m； 研究區(qū)西部的小沖、雅畈、向家祠堂一線分布有中更新世晚期古河道，含水層巖性主要為卵石層，泥砂質(zhì)填充，厚15.78～84.00 m，富水性較貧乏。董市鎮(zhèn)以東的波狀平原和低平原廣大地區(qū)，地下水以孔隙承壓水為主，局部夾弱含水的粉細(xì)砂薄層或透鏡體，含水層巖性為砂礫石，含水層厚度比較穩(wěn)定，為30～40 m，含水層上覆有較厚而穩(wěn)定的黏土隔水層，厚度為10～15 m，含水層上部普遍分布有全新統(tǒng)孔隙潛水。

2 實(shí)驗(yàn)方法

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水化學(xué)特征

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，孔隙水主要是由西部和北部的丘崗區(qū)向平原區(qū)排泄。不同的地貌單元地下水的水文地球化學(xué)特征存在較為細(xì)微的差異，丘崗區(qū)和平原區(qū)的對比分析見表1。

表1 不同地貌類型地下水的水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical characteristics of groundwater hydrochemical parameters

注： 括號內(nèi)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)差值。

圖2 TDS與主要陰陽離子的關(guān)系Fig.2 Relationships between TDS and the major positive and negative ions

3.2 地下水化學(xué)類型

圖3 地下水Piper三線圖Fig.3 Piper diagram of groundwater

3.3 氫氧同位素

研究區(qū)δ18O和δD范圍分別為-8.79‰～-4.52‰和-61.0‰～-36.5‰，平均值分別為-6.38‰和-43.7‰。為了研究地下水與大氣降水的關(guān)系，將地下水中的δ18O和δD關(guān)系繪制成圖4，并與全球大氣降雨線(GMWL)[11]和武漢市大氣降雨線(LMWL)[12]進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示，所有水樣投點(diǎn)均分布于武漢市大氣降雨線附近，本次采集的淺層孔隙水均來源于大氣降水且經(jīng)歷的蒸發(fā)作用較小[13]。氘盈余(d值)可以指示不同地區(qū)大氣降水蒸發(fā)、凝結(jié)過程的不平衡程度。如果蒸發(fā)速率大，風(fēng)速大，氣候干旱，則d值就較大[14]。通過計(jì)算，丘崗區(qū)和平原區(qū)孔隙水氘盈余平均值分別為7.25‰和7.45‰，表明兩者蒸發(fā)速率相近，平原區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)度稍大，蒸發(fā)作用對該地區(qū)孔隙水的影響較小。

圖4 地下水氫氧同位素關(guān)系Fig.4 Relationship between δD and δ18O of groundwater

3.4 水文地球化學(xué)特征

3.4.1 Gibbs圖解

圖5 地下水水化學(xué)Gibbs分布模式Fig.5 Gibbs distribution mode of groundwater hydrochemistry

3.4.2 系統(tǒng)礦物平衡體系

為了研究含水層中硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物的溶解-沉淀平衡，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(25 ℃，1.013 25×105Pa)下，利用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的Phreeqc Interactive 3.3.12軟件對區(qū)內(nèi)水樣有關(guān)組分的離子活度進(jìn)行計(jì)算，繪制了Na+-H+-SiO2和Ca2+-H+-SiO2系統(tǒng)礦物平衡體系圖(圖6)[17]，用來分析研究區(qū)內(nèi)孔隙水所處位置相對于長石所處的溶解態(tài)。

圖6 系統(tǒng)礦物平衡體系

Fig.6Stabilitydiagramsformineralssystems

結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)丘崗區(qū)和平原區(qū)水樣均位于高嶺土穩(wěn)定區(qū)，這意味著鈉長石、鈣長石等礦物可發(fā)生非全等溶解，水解為高嶺土，這些原生造鹽礦物在地下水中均未達(dá)到飽和，仍具有一定的溶解能力。

飽和系數(shù)(SI)是判斷地下水對某種礦物溶解能力的重要依據(jù)，用來計(jì)算研究區(qū)地下水對方解石、白云石、石膏和巖鹽等主要礦物的飽和系數(shù)。結(jié)果表明，大部分孔隙水對方解石和白云石的飽和系數(shù)大于0(圖7)，處于飽和狀態(tài)，丘崗區(qū)有少量水樣為非飽和，平原區(qū)絕大部分為飽和，且平原區(qū)的飽和系數(shù)高于丘崗區(qū)飽和系數(shù)，這主要是由于發(fā)生了石膏的溶解。圖7中顯示孔隙水相對石膏均為非飽和，尚具有一定的溶解能力，在徑流過程中石膏溶解后釋放出Ca2+至地下水中，Ca2+濃度的升高導(dǎo)致方解石和白云石的飽和系數(shù)增加。巖鹽的飽和系數(shù)平均值為-10.09，表明孔隙水相對于巖鹽極不飽和，這可能是研究區(qū)孔隙水中Cl-含量較低的主要原因。

實(shí)心點(diǎn)為丘崗區(qū)，空心點(diǎn)為平原區(qū)

圖7 礦物飽和指數(shù)

Fig.7Saturationindicesofminerals

3.4.3 離子比例系數(shù)

圖8 地下水離子比值關(guān)系Fig.8 Relationships between the ion rates of groundwater

3.4.4 陽離子交換吸附

4 結(jié)論

(2)所有水樣投點(diǎn)均分布于武漢市大氣降雨線附近，表明淺層孔隙水來源于大氣降水補(bǔ)給。丘崗區(qū)和平原區(qū)孔隙水氘盈余相近，蒸發(fā)作用對該地區(qū)孔隙水的影響較小。

(3)碳酸鹽礦物(方解石、白云石)以及硫酸鹽礦物(石膏)的溶解主導(dǎo)研究區(qū)的水文地球化學(xué)過程，是孔隙水中Ca2+、Mg2+的主要來源，大部分孔隙水相對方解石和白云石處于飽和狀態(tài)，Na+和K+的主要來源不是巖鹽的溶解而是陽離子交換吸附。