苏南地区地下水化学特征及演化分析

龚亚兵 ，龚绪龙，许书刚，唐鑫，苏东，吴夏懿

1) 江苏省地质调查研究院,南京,210049；2) 自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室,南京,210049

内容提要: 苏南地区深层地下水禁采距今已20年，水动力场和地下水环境发生了较大变化，结合2009年和2019年两期地下水采样测试数据，综合统计分析、Piper图、Gibbs模型、氯碱指数和离子相关关系等方法分析了不同层位地下水水文地球化学及其演化特征，探讨了水化学组分的来源及形成演化。结果表明：潜水水化学类型以HC—Na+·Ca2+型为主，孔隙I承压水水化学类型以HC—Ca2+·Mg2+型为主，深层承压水以HC—Na+·Ca2+型为主，不同时期各层位优势阳离子和阴离子未发生变化，水化学类型向复杂趋势演变，地下水化学组分主要受岩石风化、阳离子交换吸附作用和人类活动的影响，其中潜水和I承压水—岩作用以硅酸盐岩和碳酸盐岩作用为主，深层承压水以硅酸盐岩和蒸发盐岩为主。研究结果可为苏南地区地下水资源开发和管理提供科学依据。

苏南地区是江苏经济最发达的区域，也是中国人口、经济和城镇密度最高区域之一，地下水在城市发展进程中发挥了重要作用，苏锡常地区自上世纪80年代以来，深层地下水超采严重，产生了大面积水位降落漏斗和严重的区域性地面沉降。2000年江苏省出台《关于在苏锡常地区限期禁止开采地下水的决定》并于2005年全面完成禁采，至今已20年，区域深层地下水位显著回升，2019年年底地下水50 m埋深漏斗已全部消失，水动力场和地下水环境产生了较大的变化。

地下水化学成分是地下水环境的重要组成部分，对地下水化学特征和形成演化机制的研究有助于了解地下水环境的演化过程(张春潮等，2021；郑涛等，2021)；识别地下水水化学成分的主控因素也是水文地质学的研究热点(张岩等，2017；张振国等，2018)。苏南地区尤其是苏锡常地区由于地理位置的特殊性以及地下水开采问题的严重性，朱锦旗等(2006)、施小清等(2015)、陶芸等(2011)等学者先后开展了研究，主要集中在地下水环境同位素、水位红线与地下水资源量、原生离子及水质评价等方面，缺乏区域大时间跨度上水化学特征及形成演化分析。

以此为背景，本文结合苏南地区2009年和2019年两期地下水采样测试数据，采用水化学统计分析、Piper图、Gibbs模型、离子相关关系等方法分析了地下水化学特征与演变规律、成因机理、控制因素等，为苏南地区地下水开发利用与管理保护提供科学依据。

1 研究区概况

苏南地区包括江苏南京、无锡、常州、苏州和镇江5市，地处中国东南沿海长江三角洲中心，东经118°20′～121°25′，北纬30°43～32°40′，面积约2.8万km2。整体地势西高东低，西部南京、镇江一带丘陵起伏，海拔30～611 m，东部和中部总体上极为低平，为坦荡的太湖平原，太湖周围偶尔分布一些孤丘，如无锡的惠山(328 m)等(图1)。

图1 苏南地区地形图及采样点分布图Fig. 1 Topographic map of southern Jiangsu area and location of the sampling points

根据地层沉积分布特征、含水层的空间分布规律，地下水系统以宜兴—溧阳—茅山山脉为界，东西两侧划分为西部低山丘陵地下水系统和东部平原地下水系统。西部低山丘陵地下水系统主要包括南京、镇江及宜兴溧阳一带，地下水以基岩裂隙水和岩溶水为主，山间沟谷内分布孔隙潜水，仅在长江沿岸、南京六合北部分布有松散岩类孔隙承压水，松散层厚度约40～80 m，单井涌水量一般在500～1000 m3/d，长江漫滩局部地段大于1000 m3/d。

东部平原地下水系统主要分布于苏州、无锡和常州地区，地下水以松散岩类孔隙水为主，在古长江沉积和海侵共同作用下，形成100～500 m厚的松散层。纵向由上到下依次划分为潜水(微承压)、I承压、II承压、III承压4个含水层(组)(图2)，分别对应全新统(Qh)湖积、冲湖积相如东组地层(潜水—微承压)，上更新统(Qp3)滨海相、河口相滆湖组和昆山组地层(I承压)，中更新统(Qp2)古河道相启东组沉积地层(II承压)、下更新统(Qp1)海门组地层(III承压)，含水层仅在太湖东部沿岸和江阴南部孤山、残丘基岩裸露区缺失，该区裂隙水和隐伏岩溶水发育富水性及分布范围相对较小。

其中，第II承压含水层为苏锡常平原区的历史主采层，是孔隙承压水的主要监测层位，也是本次孔隙承压地下水样品的主采层位，除上述部分基岩裸露区缺失外在广阔平原地区广泛分布，含水层组由1～3层中细砂、中粗砂及含砾中粗砂构成，含水层顶板埋深由常州地区的60～70 m向东增大至130 m，含水层厚度30～50 m，单井涌水量一般1000～2000 m3/d，在常州与常熟北部江边含水层贯通区，涌水量可大于3000 m3/d。

2 样品测试与研究方法

为查明研究区地下水化学特征空间分布规律和随时间的演化特征，依托于2016～2021年实施的《苏南现代化建设示范区综合地质调查》项目，开展了不同层位的地下水样品采集与测试工作，采样点位包括乡镇分散式小型供水井、民井、农田灌溉机井和地下水监测井，孔隙承压水采样点主要集中在苏锡常地区水文地质钻孔及地下水监测井。样品采集同时采用美国Sonist便携式水质多参数分析仪完成水温、气温、pH值、电导率、溶解氧、氧化还原电位、浊度7项现场指标测试。本文采用水质样品数据合计672组(图1)，其中潜水采样点553组，承压水采样点103组，基岩裂隙水和岩溶水采样点16组。

野外样品采集采用聚乙烯瓶采集原水1瓶500 mL，添加HNO3和NaOH保护剂水样2瓶各100 mL，测试指标包含全分析和无机毒理学指标45项，送样测试单位为国土资源部南京矿产资源监督检测中心，测试方法参照《DZ/T 0064-2021地下水质分析方法》。

图2 无锡—张家港水文地质剖面(A—A′)Fig. 2 Wuxi—Zhangjiagang hydrogeological profile (along line A—A′ in Fig. 1)

通过SPSS软件对地下水各离子含量测试结果进行数据统计分析，图件绘制及数据处理采用Origin2019、AquaChem等软件，开展水化学特征研究，分析不同区域和地下水类型的水化学特征及形成机理与主控因素。

3 结果分析

3.1 主要离子组分特征

研究区西部低山丘陵地下水系统(1区)和东部平原地下水系统(2区)地形地貌、水文地质条件有较大的差异，因此对1区和2区潜水测试结果分区整理统计，水化学参数和主要离子含量统计见表1。

表1 苏南地区地下水水化学参数统计Table 1 Statistical parameters of the dissolved chemical compoments of groundwater in southern Jiangsu area

工作区基岩裂隙水及岩溶水TDS均值为326.4 mg/L，主要为淡水，硬度均值为163.3 mg/L，软水(<150 mg/L)占43.8%。TDS、总硬度较孔隙水偏低。

3.2 水化学类型

图3 苏南地区地下水Piper三线图(2009a，2019b)(图中各离子的单位是毫克当量百分比)Fig. 3 Piper diagram of groundwater in southern Jiangsu (2009a, 2019b) (the unit of the ions in figures is milligram equivalent percent)

表2 苏南地区不同时期地下水水化学类型统计Table 2 Statistical of groundwater hydrochemical types in different periods in southern Jiangsu

4 讨论

4.1 水化学演化特征

图4 苏南地区潜水(a)和深层承压水(b)主要指标箱型图Fig. 4 Box plot of the major indicative contents of shallow groundwater (a) and deep water (b) in southern Jiangsu

4.2 水化学特征成因分析

4.2.1 水化学组份来源

Gibbs模型可用于反映地下水各离子的起源主控因素(孙平安等，2016)，将天然水化学组分的控制因素分为降雨控制型、岩石风化型和蒸发浓缩作用型三类(李会亚等，2017)。该模型横坐标为ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)]和ρ(Cl-)/[ρ(Cl-)+ρ(HCO3-)]质量浓度比值，纵坐标为TDS质量浓度，以对数坐标显示。

图5 苏南地区地下水Gibbs图Fig. 5 Gibbs diagram of groundwater in southern Jiangsu

4.2.2溶滤作用

工作区不同层位地下水样点分布具有较大差异(图6a和图6b)，潜水和I承压样点主要分布在硅酸盐岩和碳酸盐岩区域，表明该层位地下水主要受硅酸盐岩矿物和碳酸盐岩矿物风化溶解的共同作用；II和III承压样点主要分布在硅酸盐岩端元附近，同时部分点向蒸发盐岩端聚集，表明深层承压水硅酸盐岩溶解占主导作用，同时也受到了蒸发盐岩的影响，由于远离碳酸盐岩端，深层承压水基本不受碳酸盐岩矿物溶解作用的影响；裂隙和岩溶水样点种类较复杂，包含火成岩裂隙水、沉积岩裂隙水或岩溶地下水，图上分布相对杂乱，蒸发盐岩、硅酸盐岩和碳酸盐岩端元均有分布，分析结果与采样孔基岩地层岩性表现出一致性。

图6 苏南地区地下水主要离子含量关系图Fig. 6 Relationships between the rate of the seclectd ions in groundwater in southern Jiangsu

γ(Na+)/γ(Cl-)系数可表征地下水中Na+富集程度(李巧等，2015)，标准海水γ(Na+)/γ(Cl-)系数平均值一般为0.85，天然条件下地下水中Na+的主要来源为大气降水、蒸发盐岩溶解和硅酸盐矿物溶解，考虑人为活动因素，工业、生活污水水源渗入也会影响其含量(刘江涛等，2018)。图6c所示，工作区样点在γ(Na+)/γ(Cl-)比值1∶1线上下均有分布，表明地下水受到了矿物溶解、大气降水、人类活动等多种因素的影响，其中潜水、I承压孔隙水、深层承压水和裂隙岩溶水大部分样点主要分布在1∶1线以上，地下水γ(Na+)明显大于γ(Cl-)，表明Na+除来源于盐岩矿物外，受硅酸盐岩矿物溶解、阳离子交换吸附(张涛等，2017)等作用的影响；潜水部分采样点和少量深层承压水分布在1∶1线以下，可能是工业、农业污染排放导致的γ(Cl-)/γ(Na+)>1。

4.2.3阳离子交换吸附作用

(1)

(2)

根据地下水氯碱指数与TDS关系图所示(图7a和图7b)，大部分水样点的CAI1和CAI2小于0，表明发生了阳离子交换作用，地下水流动过程中介质表面的Na+、K+置换了水中的Ca2+、Mg2+，导致Na+和K+增多；II和III深层孔隙承压水小于潜水和I承压水，指示深层承压水阳离子交换相较其他含水层强度更大，部分潜水点集中在CAI=0附近，亦表明这部分样点阳离子交换吸附作用较小。深层水相较于其他含水层Na+物质的量浓度远大于Cl-，说明Na+来源除盐岩溶解、含钠硅酸盐溶解外，阳离子交换也是重要来源。同时部分样点CAI值大于0，表明部分样品处发生了反向阳离子交换作用。

图7 苏南地区地下水氯碱指数和离子关系图Fig. 7 Chlor-alkali index and hydrochemical relationship of groundwater in southern Jiangsu

4.2.4人类活动影响

5 结论

(2)不同时期水化学特征发生改变，各层位优势阳离子和阴离子保持不变，水化学类型朝更复杂的方向演化。

(3)地下水水化学组分的形成受岩石风化和蒸发浓缩作用、阳离子交换吸附和人类活动的影响，潜水以岩石风化为主，深层承压水同时受蒸发浓缩影响，潜水和I承压水—岩作用以硅酸盐岩和碳酸盐岩作用为主，深层承压水以硅酸盐岩和蒸发盐岩为主。