龔亞兵 ，龔緒龍，許書剛，唐鑫，蘇東，吳夏懿

1) 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,南京,210049；2) 自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室,南京,210049

內(nèi)容提要: 蘇南地區(qū)深層地下水禁采距今已20年，水動力場和地下水環(huán)境發(fā)生了較大變化，結(jié)合2009年和2019年兩期地下水采樣測試數(shù)據(jù)，綜合統(tǒng)計分析、Piper圖、Gibbs模型、氯堿指數(shù)和離子相關(guān)關(guān)系等方法分析了不同層位地下水水文地球化學(xué)及其演化特征，探討了水化學(xué)組分的來源及形成演化。結(jié)果表明：潛水水化學(xué)類型以HC—Na+·Ca2+型為主，孔隙I承壓水水化學(xué)類型以HC—Ca2+·Mg2+型為主，深層承壓水以HC—Na+·Ca2+型為主，不同時期各層位優(yōu)勢陽離子和陰離子未發(fā)生變化，水化學(xué)類型向復(fù)雜趨勢演變，地下水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化、陽離子交換吸附作用和人類活動的影響，其中潛水和I承壓水—巖作用以硅酸鹽巖和碳酸鹽巖作用為主，深層承壓水以硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖為主。研究結(jié)果可為蘇南地區(qū)地下水資源開發(fā)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

蘇南地區(qū)是江蘇經(jīng)濟最發(fā)達的區(qū)域，也是中國人口、經(jīng)濟和城鎮(zhèn)密度最高區(qū)域之一，地下水在城市發(fā)展進程中發(fā)揮了重要作用，蘇錫常地區(qū)自上世紀80年代以來，深層地下水超采嚴重，產(chǎn)生了大面積水位降落漏斗和嚴重的區(qū)域性地面沉降。2000年江蘇省出臺《關(guān)于在蘇錫常地區(qū)限期禁止開采地下水的決定》并于2005年全面完成禁采，至今已20年，區(qū)域深層地下水位顯著回升，2019年年底地下水50 m埋深漏斗已全部消失，水動力場和地下水環(huán)境產(chǎn)生了較大的變化。

地下水化學(xué)成分是地下水環(huán)境的重要組成部分，對地下水化學(xué)特征和形成演化機制的研究有助于了解地下水環(huán)境的演化過程(張春潮等，2021；鄭濤等，2021)；識別地下水水化學(xué)成分的主控因素也是水文地質(zhì)學(xué)的研究熱點(張巖等，2017；張振國等，2018)。蘇南地區(qū)尤其是蘇錫常地區(qū)由于地理位置的特殊性以及地下水開采問題的嚴重性，朱錦旗等(2006)、施小清等(2015)、陶蕓等(2011)等學(xué)者先后開展了研究，主要集中在地下水環(huán)境同位素、水位紅線與地下水資源量、原生離子及水質(zhì)評價等方面，缺乏區(qū)域大時間跨度上水化學(xué)特征及形成演化分析。

以此為背景，本文結(jié)合蘇南地區(qū)2009年和2019年兩期地下水采樣測試數(shù)據(jù)，采用水化學(xué)統(tǒng)計分析、Piper圖、Gibbs模型、離子相關(guān)關(guān)系等方法分析了地下水化學(xué)特征與演變規(guī)律、成因機理、控制因素等，為蘇南地區(qū)地下水開發(fā)利用與管理保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

蘇南地區(qū)包括江蘇南京、無錫、常州、蘇州和鎮(zhèn)江5市，地處中國東南沿海長江三角洲中心，東經(jīng)118°20′～121°25′，北緯30°43～32°40′，面積約2.8萬km2。整體地勢西高東低，西部南京、鎮(zhèn)江一帶丘陵起伏，海拔30～611 m，東部和中部總體上極為低平，為坦蕩的太湖平原，太湖周圍偶爾分布一些孤丘，如無錫的惠山(328 m)等(圖1)。

圖1 蘇南地區(qū)地形圖及采樣點分布圖Fig. 1 Topographic map of southern Jiangsu area and location of the sampling points

根據(jù)地層沉積分布特征、含水層的空間分布規(guī)律，地下水系統(tǒng)以宜興—溧陽—茅山山脈為界，東西兩側(cè)劃分為西部低山丘陵地下水系統(tǒng)和東部平原地下水系統(tǒng)。西部低山丘陵地下水系統(tǒng)主要包括南京、鎮(zhèn)江及宜興溧陽一帶，地下水以基巖裂隙水和巖溶水為主，山間溝谷內(nèi)分布孔隙潛水，僅在長江沿岸、南京六合北部分布有松散巖類孔隙承壓水，松散層厚度約40～80 m，單井涌水量一般在500～1000 m3/d，長江漫灘局部地段大于1000 m3/d。

東部平原地下水系統(tǒng)主要分布于蘇州、無錫和常州地區(qū)，地下水以松散巖類孔隙水為主，在古長江沉積和海侵共同作用下，形成100～500 m厚的松散層?？v向由上到下依次劃分為潛水(微承壓)、I承壓、II承壓、III承壓4個含水層(組)(圖2)，分別對應(yīng)全新統(tǒng)(Qh)湖積、沖湖積相如東組地層(潛水—微承壓)，上更新統(tǒng)(Qp3)濱海相、河口相滆湖組和昆山組地層(I承壓)，中更新統(tǒng)(Qp2)古河道相啟東組沉積地層(II承壓)、下更新統(tǒng)(Qp1)海門組地層(III承壓)，含水層僅在太湖東部沿岸和江陰南部孤山、殘丘基巖裸露區(qū)缺失，該區(qū)裂隙水和隱伏巖溶水發(fā)育富水性及分布范圍相對較小。

其中，第II承壓含水層為蘇錫常平原區(qū)的歷史主采層，是孔隙承壓水的主要監(jiān)測層位，也是本次孔隙承壓地下水樣品的主采層位，除上述部分基巖裸露區(qū)缺失外在廣闊平原地區(qū)廣泛分布，含水層組由1～3層中細砂、中粗砂及含礫中粗砂構(gòu)成，含水層頂板埋深由常州地區(qū)的60～70 m向東增大至130 m，含水層厚度30～50 m，單井涌水量一般1000～2000 m3/d，在常州與常熟北部江邊含水層貫通區(qū)，涌水量可大于3000 m3/d。

2 樣品測試與研究方法

為查明研究區(qū)地下水化學(xué)特征空間分布規(guī)律和隨時間的演化特征，依托于2016～2021年實施的《蘇南現(xiàn)代化建設(shè)示范區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查》項目，開展了不同層位的地下水樣品采集與測試工作，采樣點位包括鄉(xiāng)鎮(zhèn)分散式小型供水井、民井、農(nóng)田灌溉機井和地下水監(jiān)測井，孔隙承壓水采樣點主要集中在蘇錫常地區(qū)水文地質(zhì)鉆孔及地下水監(jiān)測井。樣品采集同時采用美國Sonist便攜式水質(zhì)多參數(shù)分析儀完成水溫、氣溫、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、氧化還原電位、濁度7項現(xiàn)場指標(biāo)測試。本文采用水質(zhì)樣品數(shù)據(jù)合計672組(圖1)，其中潛水采樣點553組，承壓水采樣點103組，基巖裂隙水和巖溶水采樣點16組。

野外樣品采集采用聚乙烯瓶采集原水1瓶500 mL，添加HNO3和NaOH保護劑水樣2瓶各100 mL，測試指標(biāo)包含全分析和無機毒理學(xué)指標(biāo)45項，送樣測試單位為國土資源部南京礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，測試方法參照《DZ/T 0064-2021地下水質(zhì)分析方法》。

圖2 無錫—張家港水文地質(zhì)剖面(A—A′)Fig. 2 Wuxi—Zhangjiagang hydrogeological profile (along line A—A′ in Fig. 1)

通過SPSS軟件對地下水各離子含量測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，圖件繪制及數(shù)據(jù)處理采用Origin2019、AquaChem等軟件，開展水化學(xué)特征研究，分析不同區(qū)域和地下水類型的水化學(xué)特征及形成機理與主控因素。

3 結(jié)果分析

3.1 主要離子組分特征

研究區(qū)西部低山丘陵地下水系統(tǒng)(1區(qū))和東部平原地下水系統(tǒng)(2區(qū))地形地貌、水文地質(zhì)條件有較大的差異，因此對1區(qū)和2區(qū)潛水測試結(jié)果分區(qū)整理統(tǒng)計，水化學(xué)參數(shù)和主要離子含量統(tǒng)計見表1。

表1 蘇南地區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistical parameters of the dissolved chemical compoments of groundwater in southern Jiangsu area

工作區(qū)基巖裂隙水及巖溶水TDS均值為326.4 mg/L，主要為淡水，硬度均值為163.3 mg/L，軟水(<150 mg/L)占43.8%。TDS、總硬度較孔隙水偏低。

3.2 水化學(xué)類型

圖3 蘇南地區(qū)地下水Piper三線圖(2009a，2019b)(圖中各離子的單位是毫克當(dāng)量百分比)Fig. 3 Piper diagram of groundwater in southern Jiangsu (2009a, 2019b) (the unit of the ions in figures is milligram equivalent percent)

表2 蘇南地區(qū)不同時期地下水水化學(xué)類型統(tǒng)計Table 2 Statistical of groundwater hydrochemical types in different periods in southern Jiangsu

4 討論

4.1 水化學(xué)演化特征

圖4 蘇南地區(qū)潛水(a)和深層承壓水(b)主要指標(biāo)箱型圖Fig. 4 Box plot of the major indicative contents of shallow groundwater (a) and deep water (b) in southern Jiangsu

4.2 水化學(xué)特征成因分析

4.2.1 水化學(xué)組份來源

Gibbs模型可用于反映地下水各離子的起源主控因素(孫平安等，2016)，將天然水化學(xué)組分的控制因素分為降雨控制型、巖石風(fēng)化型和蒸發(fā)濃縮作用型三類(李會亞等，2017)。該模型橫坐標(biāo)為ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)]和ρ(Cl-)/[ρ(Cl-)+ρ(HCO3-)]質(zhì)量濃度比值，縱坐標(biāo)為TDS質(zhì)量濃度，以對數(shù)坐標(biāo)顯示。

圖5 蘇南地區(qū)地下水Gibbs圖Fig. 5 Gibbs diagram of groundwater in southern Jiangsu

4.2.2溶濾作用

工作區(qū)不同層位地下水樣點分布具有較大差異(圖6a和圖6b)，潛水和I承壓樣點主要分布在硅酸鹽巖和碳酸鹽巖區(qū)域，表明該層位地下水主要受硅酸鹽巖礦物和碳酸鹽巖礦物風(fēng)化溶解的共同作用；II和III承壓樣點主要分布在硅酸鹽巖端元附近，同時部分點向蒸發(fā)鹽巖端聚集，表明深層承壓水硅酸鹽巖溶解占主導(dǎo)作用，同時也受到了蒸發(fā)鹽巖的影響，由于遠離碳酸鹽巖端，深層承壓水基本不受碳酸鹽巖礦物溶解作用的影響；裂隙和巖溶水樣點種類較復(fù)雜，包含火成巖裂隙水、沉積巖裂隙水或巖溶地下水，圖上分布相對雜亂，蒸發(fā)鹽巖、硅酸鹽巖和碳酸鹽巖端元均有分布，分析結(jié)果與采樣孔基巖地層巖性表現(xiàn)出一致性。

圖6 蘇南地區(qū)地下水主要離子含量關(guān)系圖Fig. 6 Relationships between the rate of the seclectd ions in groundwater in southern Jiangsu

γ(Na+)/γ(Cl-)系數(shù)可表征地下水中Na+富集程度(李巧等，2015)，標(biāo)準(zhǔn)海水γ(Na+)/γ(Cl-)系數(shù)平均值一般為0.85，天然條件下地下水中Na+的主要來源為大氣降水、蒸發(fā)鹽巖溶解和硅酸鹽礦物溶解，考慮人為活動因素，工業(yè)、生活污水水源滲入也會影響其含量(劉江濤等，2018)。圖6c所示，工作區(qū)樣點在γ(Na+)/γ(Cl-)比值1∶1線上下均有分布，表明地下水受到了礦物溶解、大氣降水、人類活動等多種因素的影響，其中潛水、I承壓孔隙水、深層承壓水和裂隙巖溶水大部分樣點主要分布在1∶1線以上，地下水γ(Na+)明顯大于γ(Cl-)，表明Na+除來源于鹽巖礦物外，受硅酸鹽巖礦物溶解、陽離子交換吸附(張濤等，2017)等作用的影響；潛水部分采樣點和少量深層承壓水分布在1∶1線以下，可能是工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染排放導(dǎo)致的γ(Cl-)/γ(Na+)>1。

4.2.3陽離子交換吸附作用

(1)

(2)

根據(jù)地下水氯堿指數(shù)與TDS關(guān)系圖所示(圖7a和圖7b)，大部分水樣點的CAI1和CAI2小于0，表明發(fā)生了陽離子交換作用，地下水流動過程中介質(zhì)表面的Na+、K+置換了水中的Ca2+、Mg2+，導(dǎo)致Na+和K+增多；II和III深層孔隙承壓水小于潛水和I承壓水，指示深層承壓水陽離子交換相較其他含水層強度更大，部分潛水點集中在CAI=0附近，亦表明這部分樣點陽離子交換吸附作用較小。深層水相較于其他含水層Na+物質(zhì)的量濃度遠大于Cl-，說明Na+來源除鹽巖溶解、含鈉硅酸鹽溶解外，陽離子交換也是重要來源。同時部分樣點CAI值大于0，表明部分樣品處發(fā)生了反向陽離子交換作用。

圖7 蘇南地區(qū)地下水氯堿指數(shù)和離子關(guān)系圖Fig. 7 Chlor-alkali index and hydrochemical relationship of groundwater in southern Jiangsu

4.2.4人類活動影響

5 結(jié)論

(2)不同時期水化學(xué)特征發(fā)生改變，各層位優(yōu)勢陽離子和陰離子保持不變，水化學(xué)類型朝更復(fù)雜的方向演化。

(3)地下水水化學(xué)組分的形成受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮作用、陽離子交換吸附和人類活動的影響，潛水以巖石風(fēng)化為主，深層承壓水同時受蒸發(fā)濃縮影響，潛水和I承壓水—巖作用以硅酸鹽巖和碳酸鹽巖作用為主，深層承壓水以硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖為主。