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WANG Ruofan, ZHAO Liangjie, LI Qiang, JI Qinkebuzi, JIAO Heng, JIANG Feng, CHEN Gang. Chemical characteristics of groundwater in the dispersed drainage system of Yangshui anticline in central Guizhou[J]. Carsologica Sinica, 2023, 42(4): 733-741. doi: 10.11932/karst20230409
Citation: WANG Ruofan, ZHAO Liangjie, LI Qiang, JI Qinkebuzi, JIAO Heng, JIANG Feng, CHEN Gang. Chemical characteristics of groundwater in the dispersed drainage system of Yangshui anticline in central Guizhou[J]. Carsologica Sinica, 2023, 42(4): 733-741. doi: 10.11932/karst20230409

Chemical characteristics of groundwater in the dispersed drainage system of Yangshui anticline in central Guizhou

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  • The dispersed drainage system of Yangshui anticline is located in Jinzhong town, Kaiyang county, Guizhou Province. As one of the main producing areas of phosphate deposits in Guizhou, this area is concentrated with phosphorus mines, phosphorus chemical industry and phosphogypsum storage sites. Therefore, the study on the chemical characteristics of groundwater in this area is of great significance for the rational development, utilization and protection of groundwater resources. This study takes the karst groundwater system, which has relatively independent conditions of groundwater recharge, runoff and discharge, as the research object. The main samples of karst springs, bedrock fissure springs, boreholes and mine drains are collected, and the hydrogeochemical research methods such as ion comparison method and main ion ratio method are used to analyze the chemical components and main ion sources of groundwater. The results show that contents of main cations of K+、Na+、Ca2+ and Mg2+ are listed as: mine drainage>carbonate karst water>bedrock fissure water; contents of HCO3 and SO24 in main anions, mine drainage>carbonate karst water>bedrock fissure water; Ion content of Cl, mine drainage>bedrock fissure water>carbonate karst water; TDS, mine drainage>carbonate karst water>bedrock fissure water. HCO3-Ca·Mg is the main chemical type of karst water in carbonate rocks; the hydrochemical type of bedrock fissure is HCO3-Ca; the chemical type of mine water is mainly SO4-Ca·Mg followed by SO4·HCO3-Ca·Mg. There are significant differences in hydrochemical composition among carbonate karst water, bedrock fissure water and mine water in the study area. The main chemical components of karst water in carbonate rocks come from the leaching of dolomite and dolomitic limestone. The content of the main chemical components of bedrock fissure water is the result of the joint action of calcareous mudstone leaching and atmospheric precipitation. The main chemical components of mine water come from the leaching of dolomite and dolomitic limestone and the foreign ions brought by intensive human engineering activities. This study not only provides a scientific basis for the rational development and utilization of groundwater resources in this area, but also helps to protect groundwater resources and maintain the regional ecological environment.

  • 贵州省是全国岩溶发育广泛、岩溶地下水资源丰富的地区[1-4]。黔中片区大面积出露下寒武统白云岩地层,岩溶地下水资源丰富且水质良好,成为当地居民生活饮用水的主要来源。然而,随着社会经济发展,自上世纪六十年代以来,研究区磷石膏、磷化工、磷矿山“三磷”集中分布,人类工程活动的影响使得研究区岩溶地下水环境发生了巨大的改变。导致内区内居民生活饮用水受到严重影响。

    近年来,许多学者针对贵州洋水河流域的地下水质量问题开展了广泛研究,例如,江峰等[5]采用单因子水质标识指数法评价了洋水河流域地下水水质;丁航航等[6]采用一维解析方法及统计方法求取水动力弥散参数预测了龙井湾磷石膏堆场渗漏;淘小郎等[7]结合地表水与地下水环境化学分析成果研究了开阳县明泥湾磷矿矿区水文地质特征及治理前景。此外,还有一些研究着眼于地下水系统的水化学成份、溶解度、迁移规律以及地下水污染风险评估等方面[8-10]。然而,尽管前人的研究取得了一定的成果,但遗憾的是这些研究在很大程度上相对独立,尚未从岩溶地下水系统的整体角度出发,深入研究黔中“三磷”集中分布区的地下水化学特征,为了更全面地了解该地区地下水质量的变化趋势,揭示地下水化学特征及其演变规律和成因显得尤为重要。因此,有必要进行一项综合性的研究,从多个角度、多个尺度探讨地下水系统的水化学特征,以期为地下水资源的保护、管理和合理开发利用提供更为有力的支撑。

    本文基于贵州省划分的四级、五级流域,以更详细的岩溶地下水系统[11]——洋水背斜分散排泄系统为研究对象,通过对主要离子组成、水化学类型、水岩作用、TDS特征等方面的综合分析,结合水文地质条件探讨地下水化学特征,旨在揭示岩溶地下水系统水化学特征的形成机制,为岩溶地下水资源的保护及合理开发利用提供科学依据。

    黔中洋水背斜分散排泄系统位于贵州省开阳县金钟镇洋水河周边一带,总体地势南高北低、东西两侧高中间低,为一典型的背斜呈谷地貌,地貌组合类型为侵蚀低中山沟谷、峰丛沟谷,地形起伏大,相对高差200~500 m,沟谷多呈近南北向展布。系统东侧、南侧、北侧均以地表分水岭为界,西侧主要以地表分水岭为界、局部以寒武系第二统金顶山组(Є2j)顶部及南北向三潮水断层(F19)为界,构成了以洋水背斜核部为主的独立的分散排泄系统,系统面积83.08 km2。系统内地质构造十分复杂,多以NNE向、NE向构造为主,主要构造有:朝阳断层(F4)、岩脚断层(F6)、苦草坪断层(F17)、玄天洞断层(F18)、三潮水断层(F19)、古牛背断层(F20)、风岩断层(F21)、鬼门关断层(F22)以及NNE轴向洋水背斜[12]

    系统内出露的碳酸盐岩含水岩组包括:Pt33bЄ1dy、Є2q、Є3sh。其中:Pt33bЄ1dy、Є3sh地层岩性以白云岩为主,含水介质以溶孔、溶隙为主,含水较均匀,富水性中等; Є2q岩性以石灰岩为主,含水介质以裂隙、溶洞为主,含水极不均匀,富水性中等-强。主要接南、南西侧一带大气降水沿节理、裂隙入渗补给地下水,地下水多赋存于溶孔、溶隙中,受地形展布方向、近NS向、SW向、NE向断层、NE向洋水背斜及其横张、纵张节理控制,地下水总体由南向北、由背斜两翼向核部径流,受洋水沟及其支沟切割及泥岩阻隔,地下水以岩溶下降泉的形式分散排泄于洋水河两岸及斜坡一带(图1图2),泉流量0.01~20 L·s−1

    图 1.  洋水背斜分散排泄系统水文地质略图
    Figure 1.  Hydrogeological sketch of the dispersed drainage system of Yangshui anticline
    图 2.  研究区水文地质剖面图
    Figure 2.  Hydrogeological profile of the study area

    系统内各类调查水点共计43处,其中岩溶泉8处,地下水开采井3处,矿井排水口11处,基岩裂隙泉21处。在调查过程中采用手持便携式水质检测仪,现场对泉点的TDS、pH、电导率、溶解氧进行测定。为了全面分析系统内的水质特征,分别在2019年8月的丰水期、2020年1月的枯水期,对具有代表性的水点进行了采样,采集的样品包括12件碳酸盐岩含水岩组天然露头样品、6件基岩裂隙含水岩组样品,以及20件矿井排水样品,所有样品采集前采用纯净水清洗采样瓶2~3次,采用2.5 L聚乙烯采样瓶装满,随后送至实验室进行检测。在室内检测前,对检测阳离子的样品加入纯硝酸将样品酸化至pH<2,采用原子吸收分光光度计分析检测Ca2+、Mg2+、K+、Na+等浓度;HCO3CO23采用滴定法检测浓度;采用Dionex Aquion IC离子色谱系统检测ClSO24等浓度。在样品的保存、运输和检测过程中,我们严格遵循了现行的《地下水环境监测技术规范》(HJ164-2020)要求,以确保结果的准确性和可靠性。

    根据检测结果(表1),研究区pH、主要阳离子、主要阴离子、TDS按样品类型存在一定的规律性,同时也存在一定的差异,主要表现为pH:碳酸盐岩岩溶水>矿井水>基岩裂隙水;K+、Na+、Ca2+、Mg2+主要阳离子:矿井水>碳酸盐岩岩溶水>基岩裂隙水;主要阴离子中HCO3SO24为:矿井水>碳酸盐岩岩溶水>基岩裂隙水;Cl离子为:矿井水>基岩裂隙水>碳酸盐岩岩溶水;TDS:矿井水>碳酸盐岩岩溶水>基岩裂隙水。矿井水中主要阴阳离子含量高,可能与磷矿萃取工艺及磷石膏堆场渗漏有关。

    表 1.  研究区地下水主要离子统计表
    Table 1.  Statistics of main ions in groundwater of the study area
    样品
    类型
    统计组数主要阳离子/mg·L−1主要阴离子/mg·L−1pH/
    无量纲
    TDS/
    mg·L−1
    K+Na+Ca2+Mg2+HCO3CO23SO24Cl
    碳酸盐岩岩溶水 12 最大 4.00 35.5 43.71 27.52 174.1 9.34 200 5.39 8.37 515.5
    最小 0.3 0.5 20.17 10.70 98.15 0.00 8 0.55 7.23 121.5
    平均 1.52 7.69 33.02 16.86 131.77 1.53 54.18 2.35 7.94 238.3
    基岩裂隙水 6 最大 6.98 11 42.33 2.36 69.16 0.00 28 8.11 7.28 79.3
    最小 4.66 8.12 35.62 1.52 35.92 0.00 12 5.78 6.95 56.4
    平均 5.80 9.52 39.35 1.83 53.87 0.00 17.5 6.88 7.10 72.5
    矿井水 20 最大 35.8 115 239.5 326.19 1 294.9 12.61 883 26.48 8.52 2287.5
    最小 1.00 5.6 42.86 16.31 60.90 0.00 100 3.43 6.63 317.0
    平均 11.0 34.26 128.9 73.84 252.99 1.10 416.3 13.79 7.85 827.3
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    不同含水岩组中地下水主要阴阳离子含量均不同,但同一个水文地质单元中不同含水岩组中的阴阳离子含量又是密切相关的[11, 13]

    图3A可知,洋水背斜分散排泄系统Ca2++Mg2+HCO3+SO24毫克当量比值基本收敛于y=x理论趋势线两侧,但仍有异常点,JC03监测井Ca2++Mg2+HCO3+SO24毫克当量枯季比值0.564、丰季比值0.616,较远离1∶1理论趋势线,结合研究区环境水文地质条件和水质结果分析,是受南侧补给区H79龙井湾磷石膏堆场渗漏造成的;矿井水中Ca2++Mg2+HCO3+SO24毫克当量比值偏离理论趋势线,且斜率小于理论趋势线,其线性拟合曲线服从公式y=0.8003x+2.8088,相关系数R值=0.8006,该趋势线与理论趋势线斜交。从图3A结合分析结果来看,是由于H74枯丰季Ca2++Mg2+HCO3+SO24毫克当量比值异常造成了矿井水趋势线异常,通过对水质和环境点分布分析认为,H74号采样点毫克当量比值异常,是因为受H79龙井湾磷石膏渗漏,使其他包括Ca2+、Mg2+主要阳离子,HCO3SO24主要阴离子检测值异常造成的(表2)。当剔除异常值后,矿井水的趋势线基本与理论趋势线平行(图3B),线性拟合曲线服从公式y=1.0102x+0.7915,相关系数R值=0.9548。表明强烈的人为工程活动对地下水化学中的宏量组分组成影响较大。

    图 3.  地下水Ca2++Mg2+HCO3+SO24关系图(图A 全样品、图 B 为剔除异常点 H74)
    Figure 3.  Relationship between Ca2++Mg2+ and HCO3+SO24 in groundwater
    表 2.  地下水异常点主要离子统计表
    Table 2.  Statistics of main ions in abnormal points of groundwater
    编号类型采样期K+Na+Ca2+Mg2+HCO3CO23SO24Cl
    H74矿井水丰水期12.790239.54287.971137.750.00100.0012.13
    枯水期20.6115155.49326.191294.960.00883.0016.18
    JC03岩溶水丰水期3.855.528.5827.52110.700.00200.004.41
    枯水期451.120.1720.3998.150.00151.005.39
    注:阴阳离子单位mg·L−1
    Note: cation and anion unit mg·L−1.
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    地下水化学类型与地下水中主要阴阳离子含量的毫克当量百分数有关[11],piper三线图可以直观地反映地下水主要离子组成特征[14] ,根据所采样品检测结果,利用Origin软件绘制系统内地下水采样点枯、丰季piper三线图(图4)可知,碳酸盐岩岩溶水毫克当量百分数中HCO3>60%,Cl<10%,SO24<40%,Ca2+>90%,Mg2+介于30%~50%之间,K+、Na+<10%,表现为白云岩含水层的特征,且枯丰季各离子含量差别极小;基岩裂隙水毫克当量百分数中HCO3>60%,Cl介于10%~20%之间,SO24介于10%~40%,Ca2+介于70%~90%之间,Mg2+<10%,K+、Na+在20%左右,表现为钙质黏土岩中地下水特征;矿井水毫克当量百分数中SO24介于40%~90%之间,HCO3介于20%~60%之间,Cl<10%,Ca2+>60%且集中分布在80%~90%区间,Mg2+介于20%~70%之间,且集中分布在40%~50%之间,虽然总体上具有一定的规律性,但与区内含水岩组存在着较大差异,分析认为与系统内强烈且集中人为工程活动影响有关。系统内地下水化学类型较为单一,据舒卡列夫分类法,碳酸盐岩岩溶水化学类型以HCO3-Ca·Mg为主、其次为HCO3·SO4-Ca·Mg、仅CJ3监测井水化学类型SO4·HCO3-Na·Mg,分析认为为H79龙井湾磷石膏堆场渗漏所致;基岩裂隙水化学类型为HCO3-Ca;矿井水化学类型以SO4-Ca·Mg为主、SO4·HCO3-Ca·Mg次之、再次为SO4-Ca型,分析认为矿井水化学类型受“三磷”强烈人为工程活动影响有关。

    图 4.  地下水 piper 三线图
    Figure 4.  Piper trigram of groundwater

    离子组合比例系数分析方法是一种常用的可以用来研究岩溶地下水的组分成因和水化学成分的来源的方法,另外Gibbs图也可宏观地反映地下水化学组分的主要控制因素[8, 15]

    从Gibbs图分析可得(图5),研究区基岩裂隙水TDS普遍低于100 mg·L−1,Na+/(Na++Ca2+)、Cl/(Cl+HCO3)值多处于0.1~0.3之间,由此认为研究区基岩裂隙水水化学组分主要为水岩作用,同时兼具一部分大气降水作用,从水文地质条件分析基岩裂隙水受风化裂隙、构造裂隙发育深度控制,多近源排泄于斜坡一带,也佐证了该论点;碳酸盐岩岩溶水TDS多介于100~500 mg·L−1,采样点多收敛于水岩作用区间,表明碳酸盐岩溶水水化学组分来源于水岩作用,多为碳酸盐岩溶滤作用形成;矿井水TDS多大于500 mg·L−1,采样点Na+/(Na++Ca2+)、Cl/(Cl+HCO3)值多分布于0~0.4之间,矿井水采样点分布于水岩作用向蒸发浓缩区间,据相关资料[12],天然状态下洋水背斜分散排泄系统中碳酸盐岩含水岩组600 m以浅的地下水TDS含量介于121.46~378.58 mg·L−1,分析认为介于水岩作用与蒸发浓缩间的矿井水采样点TDS普遍高于500 mg·L−1,应有大量外来离子进入矿井片区地下水中造成的,与系统内磷化工企业、磷石膏堆场、磷矿山开采密切相关。

    图 5.  研究区地下水Gibbs图
    Figure 5.  Gibbs map of groundwater in the study area

    地下水中 Mg2+/Ca2+的量比可以用来判别地下水流经地层的岩性[16],流经钙质泥岩地层的地下水,其 Mg2+/Ca2+量比在 0.01~0.26 之间,而流经白云岩含水层的地下水,Mg2+/Ca2+量比则大于 0.85[17]

    图6可得,研究区基岩裂隙水Mg/Ca值均小于0.26,Mg2+离子含量极低,Ca2+离子主要来源于钙质泥岩溶解;部分碳酸盐岩溶水和少量矿井水Mg/Ca值大于0.85,主要为白云岩溶滤作用形成;部分碳酸盐岩溶水及绝大部分矿井水Mg/Ca值介于0.26~0.85之间,碳酸盐岩溶水中Ca2+、Mg2+离子主要来源于白云岩和白云质灰岩溶解。据相关资料,研究区震旦系下统洋水组是磷矿主要产出层位,矿石以磷块岩为主,矿石矿物成分单一,主要矿石矿物为胶磷矿(碳氟磷灰石)[13]。矿层位于震旦系上统灯影组含水层之下,矿井水中的Ca2+、Mg2+一方面来源于白云岩溶滤作用,另一方面还与强烈的人为工程活动影响有关。

    图 6.  Mg/Ca与HCO3关系图
    Figure 6.  Relationship between Mg/Ca and HCO3

    TDS是地下水各组分浓度的总指标,是地下水水化学长期演变的最终结果,也是表征水文地球化学作用过程的重要参数,可以集中反映区域水文地球化学特征[18-20] ,也反映出地下水流动的特征[11]

    表3可得,研究区地下水TDS含量特征:①总体上研究区TDS含量,矿井水>碳酸盐岩溶水>基岩裂隙水;②从平均值来看,研究区地下水TDS含量枯季>丰季;③从变异系数来看,矿井水>碳酸盐岩溶水>基岩裂隙水。基岩裂隙水丰枯季变异系数基本不变,表明基岩裂隙水中各化学组分来源水岩作用,且丰枯季地下水流速变化较小;碳酸盐岩溶水丰枯季变异系数呈减小趋势,表明枯季较丰季地下水中各化学组分含量较高,地下水流速缓慢,水岩作用时间较长;矿井水变异系数枯季>丰季,表明枯季TDS离散程度大,分析认为与系统内降雨量有关。

    表 3.  地下水TDS含量统计表
    Table 3.  Statistics of TDS content in groundwater
    样品类型TDS/mg·L−1
    丰季枯季
    碳酸盐岩溶水10最大值378.5810最大值322.55
    最小值121.46最小值136.99
    平均227.32平均232.43
    标准差72.67标准差60.53
    变异系数0.32变异系数0.26
    矿井水13最大值1352.7213最大值2287.48
    最小值316.99最小值379.80
    平均760.45平均892.71
    标准差303.51标准差475.98
    变异系数0.40变异系数0.53
    基岩裂隙水最大值112.6最大值121.30
    最小值58.3最小值65.80
    平均76.88平均82.00
    标准差14.31标准差15.33
    变异系数0.19变异系数0.19
    注:变异系数为无量纲。
    Note: variation coefficient is dimensionless.
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    (1) 研究区碳酸盐岩岩溶水、基岩裂隙水、矿井水三者的水化学组分存在显著差异,表明不同类型地下水受到不同岩石类型和环境因素的影响;

    (2) 碳酸盐岩岩溶水的主要化学组分来源于白云岩、白云质灰岩的溶滤作用,该类地下水与碳酸盐岩地层有密切的水岩相互作用;

    (3) 基岩裂隙水的主要化学组分含量是钙质泥岩溶滤与大气降水共同作用的结果,基岩裂隙水受到地表径流和大气降水的影响,反映了地表与地下水的相互关联;

    (4) 矿井水的主要化学组分来源于白云岩、白云质灰岩的溶滤作用和人为工程活动的影响,矿山开采和磷化工等工程活动对地下水质的影响不容忽视,需要加强监测和管理;

    (5) 为保护地下水资源及其生态环境,合理开发利用地下水资源,建议在研究区加强地下水监测,严格执行矿山环境保护法规,限制磷化工污染物的排放,实施地下水资源的可持续管理策略。

    综上所述,本研究通过对黔中洋水背斜分散排泄系统地下水化学特征的深入分析,揭示了不同类型地下水的成因及其与岩石和环境因素的关系,为地下水资源保护、管理和合理开发利用提供有益参考。本研究仅从地下水化学特征的角度探讨了研究区域的地下水质量问题,未涉及地下水水位、水文地质条件等多个方面的综合分析,在成因解释上可能还存在不足,对对策制定应斟酌。未来研究应在现有工作基础上,结合地下水水位、水文地质条件等多个方面的数据,进行更为全面的分析,以揭示区域地下水质量变化的更多影响因素。

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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    • 表 1.  研究区地下水主要离子统计表
      Table 1.  Statistics of main ions in groundwater of the study area
      样品
      类型
      统计组数主要阳离子/mg·L−1主要阴离子/mg·L−1pH/
      无量纲
      TDS/
      mg·L−1
      K+Na+Ca2+Mg2+HCO3CO23SO24Cl
      碳酸盐岩岩溶水 12 最大 4.00 35.5 43.71 27.52 174.1 9.34 200 5.39 8.37 515.5
      最小 0.3 0.5 20.17 10.70 98.15 0.00 8 0.55 7.23 121.5
      平均 1.52 7.69 33.02 16.86 131.77 1.53 54.18 2.35 7.94 238.3
      基岩裂隙水 6 最大 6.98 11 42.33 2.36 69.16 0.00 28 8.11 7.28 79.3
      最小 4.66 8.12 35.62 1.52 35.92 0.00 12 5.78 6.95 56.4
      平均 5.80 9.52 39.35 1.83 53.87 0.00 17.5 6.88 7.10 72.5
      矿井水 20 最大 35.8 115 239.5 326.19 1 294.9 12.61 883 26.48 8.52 2287.5
      最小 1.00 5.6 42.86 16.31 60.90 0.00 100 3.43 6.63 317.0
      平均 11.0 34.26 128.9 73.84 252.99 1.10 416.3 13.79 7.85 827.3
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    • 表 2.  地下水异常点主要离子统计表
      Table 2.  Statistics of main ions in abnormal points of groundwater
      编号类型采样期K+Na+Ca2+Mg2+HCO3CO23SO24Cl
      H74矿井水丰水期12.790239.54287.971137.750.00100.0012.13
      枯水期20.6115155.49326.191294.960.00883.0016.18
      JC03岩溶水丰水期3.855.528.5827.52110.700.00200.004.41
      枯水期451.120.1720.3998.150.00151.005.39
      注:阴阳离子单位mg·L−1
      Note: cation and anion unit mg·L−1.
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    • 表 3.  地下水TDS含量统计表
      Table 3.  Statistics of TDS content in groundwater
      样品类型TDS/mg·L−1
      丰季枯季
      碳酸盐岩溶水10最大值378.5810最大值322.55
      最小值121.46最小值136.99
      平均227.32平均232.43
      标准差72.67标准差60.53
      变异系数0.32变异系数0.26
      矿井水13最大值1352.7213最大值2287.48
      最小值316.99最小值379.80
      平均760.45平均892.71
      标准差303.51标准差475.98
      变异系数0.40变异系数0.53
      基岩裂隙水最大值112.6最大值121.30
      最小值58.3最小值65.80
      平均76.88平均82.00
      标准差14.31标准差15.33
      变异系数0.19变异系数0.19
      注:变异系数为无量纲。
      Note: variation coefficient is dimensionless.
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