貴州草海地區(qū)巖溶地下水化學特征及其指示意義

發(fā)布時間：2019-08-16 10:10

【摘要】：貴州草海地區(qū)人口密集、農(nóng)業(yè)活動頻繁,巖溶地下水是當?shù)鼐用裆詈凸まr(nóng)業(yè)用水的主要來源。隨著當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展,人類活動等因素對地下水的影響越來越顯著,原生的地下水環(huán)境在人類活動等因素的影響下改變,就容易出現(xiàn)的地下水污染等問題,使得區(qū)域水資源的開發(fā)利用受到一定制約,影響當?shù)氐纳鐣?jīng)濟發(fā)展。研究當?shù)貛r溶地下水水化學特征、地下水化學特征的影響因素、地下水化學成分的形成演化規(guī)律等方面的指示意義,一方面可以為區(qū)域的水-巖物質(zhì)轉化與遷移、水文循環(huán)、地下水污染與防治、地下水資源評價與保護以及生態(tài)修復與重建等研究積累基礎資料,另一方面為當?shù)貛r溶地下水資源的合理開發(fā)與利用以及環(huán)境保護政策的制定等提供理論依據(jù)和指導,具有較高的科研價值和社會意義。本文在系統(tǒng)的分析草海地區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)背景基礎上,基于水文地球化學基礎理論,運用數(shù)理統(tǒng)計學、化學計量學、圖解法、離子比例系數(shù)法與水文地球化學模擬等方法,研究了草海地區(qū)的巖溶地下水化學特征,并探討了巖溶地下水化學特征的影響因素、地下水化學成分的形成演化規(guī)律等方面的指示意義。主要研究成果有:(1)研究區(qū)地下水類型主要以碳酸鹽巖巖溶-裂隙水為主。地下水化學類型分別為HCO_3-Ca型、HCO_3-Ca·Mg型,HCO_3·SO_4-Ca型,HCO_3·SO_4-Ca·Mg型,SO_4-Ca·Mg型。絕大部分地下水樣中堿土金屬元素(Ca~(2+)、Mg~(2+))濃度大于堿金屬元素(K~++Na~+),弱酸根離子(HCO_3-)濃度大于強酸根離子(Cl~-+SO_4~(2-))。(2)巖溶地下水中Ca~(2+)為優(yōu)勢陽離子,陽離子均值大小順序為Ca~(2+)Mg~(2+)K~++Na~+。HCO_3~-為優(yōu)勢陰離子,均值由大到小的順序為HCO_3-SO_4~(2-)Cl~-。巖溶地下水樣的TDS均值為496.4 mg·L-1,均屬于淡水。pH均值6.90,總體上呈弱酸性,部分呈中性或弱堿性。總硬度均值為318.7 mg·L-1,大部分體屬于硬水。TDS、pH、總硬度、Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-變異系數(shù)較小,在區(qū)域地下水中相對穩(wěn)定。K~++Na~+、SO_4~(2-)、Cl~-變異系數(shù)較大,在地下水中含量變化較大�？傮w而言,主要陰陽離子(Na~+、K~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-、SO_4~(2-)、Cl~-)空間分布大體變化規(guī)律為自孔家山和孟家山斷裂帶附近向南北兩側呈現(xiàn)由大變小趨勢。(3)運用Gibbs圖解法和主成分分析法研究巖溶地下水化學組成的影響因素。Gibbs圖解結果表明,研究區(qū)水化學離子受蒸發(fā)-濃縮作用和大氣降水作用影響小,而水-巖作用是水化學離子的控制性因素。主成分分析結果表明,第一主成分PC1的特征值為5.579,貢獻率為50.714%,與PC1密切相關的是TDS、總硬度、Ca~(2+)、SO_4~(2-)、HCO_3~-、Cl~-、Mg~(2+)、Na~+、K~+,這9種水化學指標與區(qū)域的巖性密切相關,PC1反映的是水-巖作用對水化學成分的影響。第二主成分PC2的特征值為2.032,貢獻率18.474%,與PC2相關的是K~+、Na~+、NO_3~-,這3種水化學指標與人類活動密切相關,說明在水-巖作用影響水化學的同時,人類活動對水化學的影響顯著。第三主成分PC3的特征值為1.039,貢獻率為9.445%。由于PC3貢獻率較PC1、PC2差,且這11種水化學指標的正負相關性和載荷差異明顯,說明PC3的反映的是大氣降水的影響。(4)基于水文地球化學理論,運用數(shù)理統(tǒng)計法、離子比例系數(shù)分析法和化學計量學法等對水化學離子的來源和形成特征進行研究。結果表明,以方解石(CaCO_3)、白云石(CaMg(CO_3)_2)等為主的碳酸鹽礦物,以石膏(CaSO_4·2H_2O)、硬石膏(CaSO_4)等為主的硫酸鹽礦物,巖鹽,鋁硅酸鹽礦物(長石等)和粘土礦物等的溶濾是地下水離子的主要來源。形成區(qū)域水化學特征的作用主要包括:礦物溶濾作用、陽離子交替吸附作用、脫白云巖化作用、混合作用和同離子效應等。此外,人類活動對水體離子也有一定的影響,如工業(yè)和家庭生活使用的鹽(NaCl)份殘余入滲會引起Na+的升高,殘余農(nóng)用鉀肥(草木灰等)的溶解也是K+的來源之一。農(nóng)肥、大氣、人畜代謝物和生物燃燒等可能是NO_3~-的主要來源。(7)通過PHREEQC溶解-沉淀平衡模擬,確定了水-巖相互作用過程中各主要礦物的溶解沉淀平衡狀態(tài)。結果表明,一部分的方解石處于溶解狀態(tài),一部分處于沉淀狀態(tài);大部分的白云石處于溶解狀態(tài),小部分的白云石處于沉淀狀態(tài);石膏均未達到飽和狀態(tài),處于溶解狀態(tài)�？傮w而言,礦物飽和指數(shù)也是由補給區(qū)到排泄區(qū)逐漸增大,飽和指數(shù)隨徑流途徑的增長而增大。其遞增速度則隨著徑流途徑的增長而降低。表明巖溶水溶蝕能力是隨徑流途徑的增長而減弱,溶蝕能力的減弱速度是隨途徑的增長而降低。說明地下水礦物飽和指數(shù)與水的循環(huán)交替條件有關,地下水流動越暢通,循環(huán)交替條件越好,飽和指數(shù)就越低,反之則越高。(6)通過PHREEQC反向模擬的結果表明,研究區(qū)補給徑流區(qū)礦物的水-巖作用與排泄區(qū)存在一定的相似性和差異性。方解石呈現(xiàn)從補給區(qū)的欠飽和狀態(tài)向飽和或者過飽和狀態(tài)演化;白云石、石膏和巖鹽大部分處于溶解欠飽和狀態(tài);陽離子交換作用主要為Ca-Na離子交換作用,沿地下水徑流方向陽離子交換作用呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢;CO_2處于溶解狀態(tài)并參與水-巖-氣作用,反向模擬結果和飽與指數(shù)結果計算、地下水化學分析結果的實際情況基本相符。
【圖文】：

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