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文檔簡介
1、珠江三角洲小流域地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律趙新鋒1,2,陳建耀1*,唐常源2,曾松青1,魯垠濤21. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣東 廣州 510275;2. 日本千葉大學(xué)園藝學(xué)部,松戶市 271-8510 千葉縣,日本摘要:珠江三角洲地下水環(huán)境日益惡化,已成為制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素。以珠海市具有典型特征的閉合小流域作為研究對象,分旱、雨兩季采集地下水分析主要離子及 D、18O 同位素,全面系統(tǒng)地研究了地下水水化學(xué)的時空變異特征與演變規(guī)律。結(jié)果表明:研究區(qū)內(nèi)地下水主要受大氣降水及附近地表水體滲透補(bǔ)給,以蒸發(fā)及地下水徑流排泄,季節(jié)變化對區(qū)域內(nèi)水化學(xué)空間變異性影響較小。沿地下水流方向(補(bǔ)給區(qū)-
2、徑流區(qū)-排泄區(qū)),地下水化學(xué)類型主要從 Ca-Na(Mg)-HCO3型向 Na-Cl和 Na-K-HCO3-CO3型演化,風(fēng)化-溶濾、離子交換、海陸交互作用是控制當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)演變的主要水文化學(xué)過程。關(guān)鍵詞:地下水;水化學(xué);時空變異;演化規(guī)律;珠海中圖分類號:X143文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672-2175(2007)06-1620-07水量短缺與水環(huán)境污染不僅是干旱與半干旱地區(qū)存在的問題,同時也是我國南方濕潤與半濕潤地區(qū)的問題。尤其在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的珠江三角洲地區(qū),季節(jié)性與水質(zhì)型缺水也日益明顯。長期以來該地區(qū)內(nèi)生產(chǎn)、生活用水水源主要為地表水,但近年來隨著人口不斷增加、城市化進(jìn)程加快和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的
3、高速發(fā)展,生產(chǎn)與生活用水急劇增加,水的供需矛盾日益突出1。合理解決珠江三角洲地區(qū)不斷出現(xiàn)的含水層及地表水土污染問題,有效地管理地下水資源,系統(tǒng)開展地下水循環(huán)機(jī)理研究勢在必行。已有的研究2,3,4,5表明, 交通、 污水灌溉、 工業(yè)污染、垃圾和城市污泥是造成珠江三角洲土壤重金屬污染的主要原因。而對珠三角內(nèi)淺層地下水的研究處于起步階段6,7。旨在查明珠江三角洲地區(qū)(4104km2)地下水污染狀況的調(diào)查項目主要針對地下水污染程度及時空變化趨勢,而珠三角地區(qū)地下水水化學(xué)演化機(jī)理的研究鮮有報道。本文選取珠海校區(qū)作為研究對象,從小尺度上研究地下水化學(xué)演化規(guī)律,揭示該區(qū)域地下水形成、遷移、運(yùn)動變化規(guī)律,從而
4、為珠三角地區(qū)地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。1研究區(qū)域水文地質(zhì)概況研究區(qū)位于廣東省珠海市唐家灣鎮(zhèn)中山大學(xué)珠海校區(qū)內(nèi)(圖 1)。該校區(qū)三面環(huán)山,一面環(huán)海,本身為一封閉的小流域,面積 3.4 km2。 珠海市位于北回歸線以南,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫為 22.4 。 49 月為雨季, 10 月至次年 3 月為旱季。水汽源地主要是東南方向的太平洋以及南部的南海。多年平均降雨量為 2011 mm,呈現(xiàn)由南向北遞減的地區(qū)分布特征。多年平均水面蒸發(fā)量 1469mm,地區(qū)變化趨勢為由北向南遞增,一般夏秋高溫期比冬春期蒸發(fā)強(qiáng)度大。珠海地處在珠江三角洲斷陷區(qū)南緣,屬平沙斷裂和橫琴-三灶斷裂向
5、的梯形斷塊的一部分, 燕山運(yùn)動塑造了珠海市所轄區(qū)域的基本構(gòu)造格局??偟牡匦问俏鞅毕驏|南傾斜,主要山脈呈北東向展布。雨量充沛,給地下水補(bǔ)給創(chuàng)造了良好條件。山區(qū)地勢較陡,排泄條件好;河口平原區(qū),軟土厚度大,滲透條件差,地表水就近排入河涌或江河湖海中。該區(qū)域內(nèi)地殼經(jīng)歷了燕山期強(qiáng)烈的斷塊運(yùn)動和多期的巖漿活動,大小巖體眾多,接觸頻繁,斷裂發(fā)育,巖石破碎。加上長期的風(fēng)化作用,基巖及風(fēng)化殼中普遍賦存著裂隙水。基巖裂隙水包括塊狀巖類和層狀巖類裂隙水,出露面積 557.12 km2,巖層富水性較弱8。研究區(qū)域(珠海校區(qū))內(nèi)自上而下分布有第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml), 第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層(Q4mc)
6、、第四系全新統(tǒng)殘積層(Q4el)及燕山期花崗巖(52)。地下水類型主要有上層潛水、承壓水和基巖裂隙水(圖 2)。 上層潛水主要賦存于中粗砂和粘土質(zhì)粗砂礫中;承壓水主要賦存于粗礫砂層及細(xì)砂中;基巖裂隙水賦存于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖裂隙中,具有微承壓性。2采樣及測試方法在研究區(qū)(珠海校區(qū))內(nèi)沿地下水流方向建立水文化學(xué)剖面(R-D)。依據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件,在補(bǔ)給區(qū)(3口,編號:R-13)、中間區(qū)(5 口,編號:M-15)及排泄區(qū)(6 口,編號:D-16)共 14 口監(jiān)測井(表 1),同一組內(nèi)監(jiān)測井相距 1 m左右。 現(xiàn)場觀測項目包括地下水位、水溫、EC、pH 值,并長期監(jiān)測地下水位、水質(zhì)動態(tài)變化。2
7、005 年 9 月(雨季)和 2007 年 1 月(旱季)分別取樣做有關(guān)水化學(xué)測試。分析項目包括 Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、Cl-、SO42-NO3-等主要離子濃度。其中陽離子和陰離子分別通過 ICP 等離子光譜儀(IRISCHR)、IC 離子色譜儀(DX-600)進(jìn)行分析,重碳酸根用滴定法(0.01N H2SO4)來分析;穩(wěn)定同位素D 和18O 分別采用鋅還原法和 CO2-H2O 平衡法(Finnigan MAT Delta S)測定;總?cè)芙夤腆w物(TDS)為主要離子質(zhì)量濃度的總和。3結(jié)果與分析3.1地下水水化學(xué)參數(shù)對 2005 年雨季和 2007 年旱季地下水水樣有關(guān)水
8、化學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計特征值分析(表 2,3)。分析結(jié)果表明:不論是旱季還是雨季,上層潛水、承壓水和基巖裂隙水相應(yīng)的水化學(xué)參數(shù)變化趨勢基本相同,表明季節(jié)變化對水化學(xué)空間變異性影響較小,其中基巖裂隙水水化學(xué)參數(shù)在空間上最小,表明其受外界因素干擾最少,性質(zhì)相對穩(wěn)定,而上層潛水和承壓水受含水層介質(zhì)影響較大;上層潛水中 Ca2+、HCO3-的變異系數(shù)相對較小,反映它們在上層潛水中含量相對穩(wěn)定性,其中 HCO3-的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差都較大,變異系數(shù)較小,說明它在上層潛水中絕對含量較大,但相對含量差別不大,為潛水的主要陰離子。Na+、Mg2+、Cl-、SO42-的變異系數(shù)較大,反映它們在潛水中的含量變化較大,表明它
9、們是隨環(huán)境因素變化的敏感因子,決定潛水鹽化作用的主要變量; 以 Cl-為指標(biāo), 可以判斷水質(zhì)好壞。雨季大量物質(zhì)隨降雨入滲進(jìn)入上層潛水,旱季水質(zhì)表 1研究區(qū)(中山大學(xué)珠海校區(qū))內(nèi)觀測井井深、埋藏條件及巖性9Table 1Characteristics of monitoring piezometers of study area位置編號井深/m類型*埋藏條件巖土名稱補(bǔ)給區(qū)R-14.2A中粗砂:灰黃色、褐黃色,濕飽和,松散稍密,級配較好,砂成分石英、長石, 含 10%20%粘性土。粗礫砂:深灰色、灰白色,飽和,稍密,級配較好,含少量貝殼殘片和 10%30%的粘性土。粘土質(zhì)粗礫砂:褐黃色、灰白色,淺
10、黃色,濕飽和,稍密可塑,粘性較好,土質(zhì)軟硬不均,局部含5%20%的中粗砂。粗礫砂:灰色、灰白色,飽和,稍密,級配一般,砂成份石英及長石,含少量25 cm 石英碎石塊和 10%30%的粘性土。細(xì)砂:褐紅、淺黃色,濕飽和,松散,級配較好,砂成份石英及長石,土質(zhì)不均。全風(fēng)化花崗巖:褐紅、灰白、灰褐及其班雜色,濕,硬塑狀,原巖殘余結(jié)構(gòu)尚存,礦物除石英外基本風(fēng)化成砂土狀,巖芯呈短柱狀,手捏即散。微風(fēng)化花崗巖:灰色、灰白、肉紅,灰褐斑雜色,粗粒結(jié)構(gòu)。塊狀構(gòu)造,礦物成分石英、長石,黑云母為主。巖芯完整,呈長柱狀。巖石致密,堅硬,錘擊聲脆。中風(fēng)化花崗巖:灰白、肉紅,灰褐色斑雜色。飽和,粗粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖芯
11、呈碎塊,短柱狀,錘擊聲脆。不易碎,裂隙發(fā)育,裂面有褐色鐵染現(xiàn)象。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:肉紅、灰褐、灰褐班雜色,濕,密實,原巖結(jié)構(gòu)可辨,礦物風(fēng)化強(qiáng)烈,巖芯呈短柱狀,手捏呈砂礫狀,干鉆困難。淤泥:深灰色,黑灰色等,飽和,軟塑,手捻光滑,具腥臭味,不均勻,厚度變化大,局部含少量腐殖質(zhì)和貝殼殘片。R-210.0CR-313.2C中間區(qū)M-15.0AM-28.5BM-310.0BM-411.3BM-517.8C排泄區(qū)D-15.0AD-28.0AD-310.0AD-415.0BD-520.0BD-634.0C*類型 A:上層潛水;B:承壓水;C:基巖裂隙水。表 2監(jiān)測井 2005 年 9 月(雨季)地下水水化學(xué)參
12、數(shù)的統(tǒng)計特征值Table 2Statistics value of hydrochemical parameters of groundwater in wet seasonmgL-1類型項目Na+K+Ca2+Mg2+HCO3-Cl-SO42-TDS上層潛水n=5最小值5.536.819.310.8442.704.254.5779.05最大值112.1615.8945.0636.82280.60397.05139.531027.12平均值41.5810.3324.2710.20120.17106.2142.40355.16標(biāo)準(zhǔn)差45.383.5713.8415.0294.27165.3357.
13、26385.90變異系數(shù)/%109.1534.5057.01147.2278.45155.67135.05108.65承壓水n=5最小值11.564.528.961.8133.5511.965.85127.15最大值86.0045.9622.8013.06111.63345.5886.28599.69平均值28.4017.1915.455.9879.6783.7025.30255.69標(biāo)準(zhǔn)差32.2816.664.974.4836.99146.5734.25194.71變異系數(shù)/%113.6596.8832.1574.8446.43175.11135.3576.15基巖裂隙水n=4最小值5.1
14、11.448.950.9036.603.023.4167.87最大值12.214.7416.662.6957.9524.749.4899.96平均值8.552.7011.971.5446.469.566.4987.47標(biāo)準(zhǔn)差3.541.433.330.859.1610.242.4813.82變異系數(shù)/%41.4652.7627.8554.9319.64107.1438.2915.80表 3監(jiān)測井 2007 年 1 月(旱季)地下水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計特征值Table 3Statistics value of hydrochemical parameters of groundwater in dr
15、y seasonmgL-1類型項目Na+K+Ca2+Mg2+HCO3-Cl-SO42-TDS上層潛水n=5最小值5.371.559.360.0529.364.350.2455.72最大值144.0043.3834.6325.64222.34184.0047.80659.31平均值52.7417.5622.625.93124.8668.6916.91309.31標(biāo)準(zhǔn)差62.1015.9811.4911.0776.0485.1118.50251.48變異系數(shù)/%117.7691.0050.80186.5960.90123.91109.3981.30承壓水n=5最小值14.109.702.00.03
16、111.636.692.29172.99最大值647.0088.2039.6027.36298.67847.00211.002100.93平均值166.0835.3716.597.08178.18189.7361.13654.16標(biāo)準(zhǔn)差272.3230.5015.0711.5676.26368.5090.07815.71變異系數(shù)/%163.9786.2290.86163.2742.80194.22147.34124.69基巖裂隙水n=4最小值5.911.057.490.3032.514.074.7458.40最大值36.4713.1118.964.0563.6853.5020.30201.11
17、平均值15.544.9311.981.3550.3816.6110.30111.07標(biāo)準(zhǔn)差14.415.635.121.8114.7724.607.2564.11變異系數(shù)/%92.74114.2242.77134.5329.33148.1070.4257.72一般好于雨季,承壓層的水質(zhì)/基巖由于滯后問題,旱季變差。從 Na+與 TDS 的變化規(guī)律來看,規(guī)律相當(dāng);另一方面,研究區(qū)水循環(huán)較快,時間滯后不長。3.2氘、18O 分析利用 H.Craigh 全球大氣降水線可判斷地下水的現(xiàn)代補(bǔ)給源、確定不同含水層間的水力聯(lián)系等10。同位素分析結(jié)果表明,研究區(qū)域內(nèi)地下水D 的變化范圍為-49.5-35.4,
18、 18O 的變化范圍為-6.78-5.61(圖 3a)。盡管研究尺度很小,但沿著地下水流方向,三個區(qū)域(補(bǔ)給、中間、排泄)內(nèi) D 與18O組分仍能明顯區(qū)分。 補(bǔ)給區(qū)D 分布在-47.7-49之間,18O 分布在-6.09-6.78 之間;中間區(qū)D 分布在-43.2-46.2之間,18O 分布在-5.98-6.53 之間;而排泄區(qū)D 分布在-35.47-46.5之間,18O分布在-5.16-6.74 之間。從圖 3 可以看出,不論是上層潛水,承壓水還是基巖裂隙水, 其值都處于廣州雨水線11(y=8.23x +7.81)附近(圖 3b)。即被測定的地下水最初主要是來源于本地大氣降水。依據(jù)地下水分類
19、,上層潛水D與18O 之間 Pearson 相關(guān)系數(shù) r上= 0.8036; 承壓水D 與18O 之間 Pearson 相關(guān)系數(shù) r承= 0.5705;基巖裂隙水D 與18O 之間 Pearson 相關(guān)系數(shù) r基=0.0262。由此可以看出:上層潛水D 與18O 的相關(guān)系數(shù)較大,即滿足較好的線性關(guān)系,水循環(huán)以垂向循環(huán)為主。而對于承壓水與基巖裂隙水而言,其相關(guān)性系數(shù)較小,說明其D 與18O 并不滿足很好的線性關(guān)系,即其中直接來源于大氣降水的水不占很大比例,水循環(huán)以側(cè)向補(bǔ)給為主。排泄區(qū)的 D、18O 數(shù)值明顯大于補(bǔ)給區(qū)與中間區(qū)。盡管地下水主要受當(dāng)?shù)赜晁a(bǔ)給,海水(同位素大致為 0)對排泄區(qū)的作用也
20、較為顯著;其次,圖 3中 R-2, R-3 以及 D-2 偏離降水線,表明在地下水循環(huán)與補(bǔ)給過程中,有蒸發(fā)作用的影響。研究區(qū)域內(nèi)地下水主要受大氣降水及地下徑流補(bǔ)給和附近地表水體滲透補(bǔ)給,以蒸發(fā)及地下水徑流排泄。3.3離子比例系數(shù)控制地下水演化的水文地球化學(xué)因素是多方面的,應(yīng)用水中各離子含量的比值特征分析地下水演化的物質(zhì)來源是有效的手段之一12,各種組分之間的含量比例系數(shù)常常被用來研究某些水文地球化學(xué)問題。 由Ca2+ Mg2+與HCO3-+ SO42-的關(guān)系(圖4a),可以看出所有的 Ca2+ Mg2+值落在 11 平衡線的下方,說明需要從硅酸鹽分解的離子來保持平衡。Ca2+ Mg2+與 HC
21、O3-關(guān)系曲線反映 Ca2+、Mg2+離子的來源(圖 4b)絕大部分點落于 1 1 平衡線的下方,說明需要 Na+、K+堿性離子來維持平衡,僅有雨季少數(shù)點位于 1 1 平衡線上方, 說明 Ca2+、 Mg2+離子過剩,需要 SO42-、Cl-離子和硅酸鹽分解離子來平衡。Na+離子是礦物分解的指示因子,可以反映出離子來自硅酸鹽礦物的分解或土壤鹽分的溶解13。由(Na+ K+) 與 Cl-離子的關(guān)系曲線可以看出(Na+K+)大于 Cl-(圖 4c),說明堿性離子主要來源于硅酸鹽礦物的分解14。 另外, (Na+ K+)與陽離子的比值的平均值(0.65)較高(圖 4d), 反映了研究區(qū)地下水主要陽離
22、子來源于硅酸鹽的分解。3.4沿地下水流方向水文化學(xué)演變特征地下水水文地球化學(xué)特征由地下水徑流經(jīng)歷的巖性、徑流速度、補(bǔ)給、排泄條件、地球化學(xué)反應(yīng)特征、人類活動等因素所決定。通常,地下水離子類型從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)有如下變化規(guī)律: HCO3-、SO42-、Cl-, TDS 也隨之增加21。依據(jù)旱季、雨季分別繪出沿地下水流方向 Piper 圖(圖 5 a,b)。從圖中可以看出:沿地下水流方向(補(bǔ)給區(qū)-徑流區(qū)-排泄區(qū)),研究區(qū)域內(nèi)地下水水化學(xué)類型變化較為復(fù)雜,主要從 Ca-Na-HCO3、Ca-Mg-HCO3型向 Na-Cl 和Na-K-HCO3-CO3型演化。在補(bǔ)給區(qū),地下水徑流條件較好,地下水在含水層
23、中停留時間短,水交替迅速,含水層中易溶組分如 Cl-、SO42-、Na+、K+等不斷被淋濾并由地下徑流帶走,離子以 Ca2+、HCO3-占絕對優(yōu)勢,形成低礦化度的 Ca-Na-HCO3、Ca-Mg-HCO3型地下水。中間區(qū)-排泄區(qū)過程中地下水不斷與外界環(huán)境進(jìn)行各種物理化學(xué)作用,離子交換及蒸發(fā)濃縮作用起主要作用。地下水化學(xué)類型季節(jié)變化不明顯,地下水水化學(xué)成分的形成和演變主要受流經(jīng)巖(土)的種類和性質(zhì)以及各種物理化學(xué)作用所控制;基巖裂隙水水化學(xué)類型較為單一,主要為低礦化度的 Ca-HCO3型為主。4結(jié)論季節(jié)變化對區(qū)域內(nèi)水化學(xué)空間變異性影響較小,地下水化學(xué)類型季節(jié)變化不明顯,地下水水化學(xué)成分的形成和
24、演變主要受流經(jīng)巖(土)的種類和性質(zhì)以及各種物理化學(xué)作用所控制;研究區(qū)域內(nèi)地下水最初來源主要是本地大氣降水。上層潛水水循環(huán)以垂向循環(huán)為主;而對于承壓水與基巖裂隙水直接來源于大氣降水的水不占很大比例,水循環(huán)以側(cè)向補(bǔ)給為主,同時蒸發(fā)作用以及海水/地下水相互作用對地下水有影響。在地下水補(bǔ)給區(qū),水化學(xué)過程主要以風(fēng)化-溶濾作用為主;而在中間區(qū)與排泄區(qū),蒸發(fā)濃縮起主導(dǎo)作用。沿地下水流方向(補(bǔ)給區(qū)-徑流區(qū)-排泄區(qū)),研究區(qū)域內(nèi)地下水水化學(xué)類型變化較為復(fù)雜, 主要從 Ca-Na-HCO3、 Ca-Mg-HCO3型向 Na-Cl和 Na-K-HCO3-CO3型演化。地下水化學(xué)類型季節(jié)變化不明顯,地下水水化學(xué)成分的
25、形成和演變主要受流經(jīng)巖(土)的種類和性質(zhì)以及各種物理化學(xué)作用所控制。參考文獻(xiàn):1葉林宜. 珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)城市供水水源規(guī)劃需水量預(yù)測J. 水利規(guī)劃, 1997(20): 36-38.YE Linyi, Forecast of urban water supply in Pearl River DeltaJ.Hydrological Planning, 1997(20):36-38.2陳玉娟,溫琰茂,柴世偉. 珠江三角洲農(nóng)業(yè)土壤重金屬含量特征研究J. 環(huán)境科學(xué)研究. 2005, 18(3): 75-87.CHEN Yujuan, WEN Yanmao, CHAI Shi-wei. The hea
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