汉江下游河流渗滤系统原生劣质地下水分布特征及影响因素研究

doi:10.13745/j.esf.sf.2021.2.12

摘要/Abstract

摘要：

江汉平原原生劣质地下水问题日趋严重,地下水中砷、亚铁、锰、铵态氮含量严重超标,对居民生产生活和饮用水安全造成了不利影响,但相关研究仍较为薄弱。以汉江下游典型河流渗滤系统为研究对象,对研究区内距离汉江5 km及主要支流2 km范围内的地下水样品的水化学成分及原生劣质组分进行测试分析,旨在查明江汉下游河流渗滤系统原生劣质地下水的分布特征,并探讨其主要影响因素。结果显示:平面上,地下水原生劣质组分呈高度空间异质性,相邻的采样点浓度可能相差很大,极大值点多出现在河流拐弯处;垂向上,地下水中As、Fe²⁺、Mn、NH₄-N高值多出现在20 m左右的深度;强烈的还原环境、中性pH值和富含有机质是该层地下水富集原生劣质组分的主要原因;河流渗滤通过改变地下水的氧化还原条件、酸碱条件和有机质含量影响河流渗滤系统原生劣质地下水的分布。

关键词: 汉江下游, 河流渗滤系统, 原生劣质地下水

Abstract:

The problem of inferior-quality groundwater in the Jianghan plain is becoming more and more serious. The contents of arsenic, ferrous iron, manganese and ammonium nitrogen (so-called “inferior components”) in the native groundwater are well above the safety standards for drinking water, which has an negative impact on the residents’ lives, yet the related research is still relatively weak. In this study, aiming to find out the distribution characteristics of poor-quality native groundwater in the Hanjiang river filtration system, we took a typical area in the downstream of the Hanjiang river filtration system as the research object. We analyzed the chemical composition and the “inferior components” in water samples collected 5 km from the Hanjiang River and 2 km within the range of the main river branch, and discussed the main factors influencing the quality of native groundwater. The results show that on the plane, the “inferior components” of native groundwater were highly heterogeneous spatially, with their concentration varied greatly in adjacent sampling points and the maximum value points mostly found at the river bends. In the vertical direction, the high As, Fe²⁺, Mn and NH₄-N values in groundwater occurred mostly at a depth of about 20 m. Strong reducing environment, neutral pH and rich organic matter are the main reasons that the “inferior components” are concentrated in groundwater. River leachate affect the distribution of inferior-quality native groundwater by changing the redox condition, environmental alkalinity and organic matter content in groundwater.

Key words: lower reaches of Hanjiang River, river percolation system, primary poor-quality groundwater

中图分类号:

X143

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图/表 14

图1 研究区位置及采样点分布

Fig.1 Location of the study area and distribution of sampling points

图2 研究区水文地质剖面图

Fig.2 Hydrogeological profile of the study area

表1 各种测试指标的样品测试方法、测试单位及最低检出量

Table 1 Summary of testing methods, agencies and minimum detection thresholds for various test indicators

测试指标	仪器或方法	测试单位	最低检出浓度
基本理化指标 pH值、DO、EC、Eh、T	双通道多参数水质分析仪 (HQ40D,HACH, 美国)	现场测试	0.01、0.01 mg/L、1 μS/cm、 0.1 mV、0.1 ℃
NH₄-N、Fe²⁺、 S^2-含量	便携式分光光度计(HACH2800,美国)		0.01 mg/L、0.01 mg/L、1 μg/L
碱度	滴定法		0.01 mg/L
常规阳离子	电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICAP 6300,美国)	中国地质大学(武汉) 地质调查研究院	0.000 1 mg/L
常规阴离子	离子色谱仪 (ICS-2100,赛默,美国)		0.001 mg/L
氢氧同位素 (δD和δ¹⁸O)	液态水同位素分析仪 (LGR,IWA-45EP,美国)		0.01‰
总砷	原子荧光光度计(AFS-9700,北京吉天)		0.01 mg/L

表2 研究区地下水化学特征统计表

Table 2 Statistical table for the groundwater chemical characteristics in the study area

参数	单位	孔隙潜水					中层孔隙承压水
参数	单位	极大值	极小值	均值	变异系数		极大值	极小值	均值		变异系数
pH值		7.70	6.27	6.90	0.03	7.86		6.29		6.92		0.04
Eh	mV	222.50	-185.30	-24.49	-4.33	212.00		-170.20		-89.77		-0.69
EC	μS/cm	2 240.00	240.00	937.47	0.38	1 432.00		212.00		743.87		0.27
DO	mg/L	7.55	0.76	2.22	0.55	266.00		0.87		4.14		5.10
K⁺	mg/L	156.50	0.18	9.61	2.74	22.18		0.39		1.42		1.46
Na⁺	mg/L	102.78	3.78	25.60	0.76	145.00		7.50		22.55		0.59
Mg²⁺	mg/L	80.40	7.77	36.07	0.36	68.77		13.46		31.03		0.32
Ca²⁺	mg/L	283.00	35.30	139.30	0.35	230.00		45.00		110.03		0.25
Cl^-	mg/L	206.00	0.40	39.20	1.20	110.53		0.00		6.67		2.43
$NO 3 -$	mg/L	374.21	0.00	39.63	2.01	215.84		0.00		2.44		7.30
$SO 4 2 -$	mg/L	245.57	0.00	37.94	1.49	159.42		0.00		3.90		4.82
TDS	mg/L	1 405.10	157.81	598.51	0.44	1 004.05		227.64		445.27		0.25

表2 研究区地下水化学特征统计表

Table 2 Statistical table for the groundwater chemical characteristics in the study area

参数	单位	孔隙潜水					中层孔隙承压水
参数	单位	极大值	极小值	均值	变异系数		极大值	极小值	均值		变异系数
pH值		7.70	6.27	6.90	0.03	7.86		6.29		6.92		0.04
Eh	mV	222.50	-185.30	-24.49	-4.33	212.00		-170.20		-89.77		-0.69
EC	μS/cm	2 240.00	240.00	937.47	0.38	1 432.00		212.00		743.87		0.27
DO	mg/L	7.55	0.76	2.22	0.55	266.00		0.87		4.14		5.10
K⁺	mg/L	156.50	0.18	9.61	2.74	22.18		0.39		1.42		1.46
Na⁺	mg/L	102.78	3.78	25.60	0.76	145.00		7.50		22.55		0.59
Mg²⁺	mg/L	80.40	7.77	36.07	0.36	68.77		13.46		31.03		0.32
Ca²⁺	mg/L	283.00	35.30	139.30	0.35	230.00		45.00		110.03		0.25
Cl^-	mg/L	206.00	0.40	39.20	1.20	110.53		0.00		6.67		2.43
$NO 3 -$	mg/L	374.21	0.00	39.63	2.01	215.84		0.00		2.44		7.30
$SO 4 2 -$	mg/L	245.57	0.00	37.94	1.49	159.42		0.00		3.90		4.82
TDS	mg/L	1 405.10	157.81	598.51	0.44	1 004.05		227.64		445.27		0.25

图3 研究区地下水Piper三线图

Fig.3 Piper triliner diagram of groundwater in the study area

图4 研究区地表水和地下水氢氧同位素组成特征

Fig.4 Characteristics of hydrogen and oxygen isotopic compositions of surface water and groundwater in the study area

图5 河流与不同含水层水位动态关系

Fig.5 Dynamic relationships between river and different aquifer levels

图6 研究区As浓度分布

Fig.6 Distribution of As concentrations in the study area

图7 研究区Fe2+浓度分布

Fig.7 Distribution of Fe2+ concentrations in the study area

图8 研究区Mn浓度分布

Fig.8 Distribution of Mn concentrations in the study area

图9 研究区NH4-N浓度分布

Fig.9 Distribution of NH4-N concentrations in the study area

图10 研究区地下水中As、Fe2+、Mn、NH4-N浓度随深度的分布

Fig.10 Vertical distribution of As, Fe2+, Mn and NH4-N concentrations in groundwater in the study area

图11 地下水中NH4-N、Fe2+、Mn浓度等主要影响因素

Fig.11 Main influencing factors of NH4-N, Fe2+ and Mn concentrations in groundwater

图12 河流渗滤系统原生劣质地下水成因概念模式图

Fig.12 A conceptual genetic model for inferior-quality native groundwater in the river infiltration system

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