贵州草海地区岩溶地下水化学特征及其指示意义

摘要

贵州草海地区人口密集、农业活动频繁，岩溶地下水是当地居民生活和工农业用水的主要来源。随着当地社会经济的发展，人类活动等因素对地下水的影响越来越显著，原生的地下水环境在人类活动等因素的影响下改变，就容易出现的地下水污染等问题，使得区域水资源的开发利用受到一定制约，影响当地的社会经济发展。研究当地岩溶地下水水化学特征、地下水化学特征的影响因素、地下水化学成分的形成演化规律等方面的指示意义，一方面可以为区域的水-岩物质转化与迁移、水文循环、地下水污染与防治、地下水资源评价与保护以及生态修复与重建等研究积累基础资料，另一方面为当地岩溶地下水资源的合理开发与利用以及环境保护政策的制定等提供理论依据和指导，具有较高的科研价值和社会意义。
　　本文在系统的分析草海地区地质及水文地质背景基础上，基于水文地球化学基础理论，运用数理统计学、化学计量学、图解法、离子比例系数法与水文地球化学模拟等方法，研究了草海地区的岩溶地下水化学特征，并探讨了岩溶地下水化学特征的影响因素、地下水化学成分的形成演化规律等方面的指示意义。主要研究成果有:
　　(1)研究区地下水类型主要以碳酸盐岩岩溶-裂隙水为主。地下水化学类型分别为HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型，HCO3·SO4-Ca型，HCO3·SO4-Ca·Mg型，SO4-Ca·Mg型。绝大部分地下水样中碱土金属元素（Ca2+、Mg2+）浓度大于碱金属元素(K++Na+)，弱酸根离子(HCO3-)浓度大于强酸根离子(Cl-+SO42-)。
　　(2)岩溶地下水中Ca2+为优势阳离子，阳离子均值大小顺序为Ca2+＞Mg2+＞K++Na+。HCO3-为优势阴离子，均值由大到小的顺序为HCO3-＞SO42-＞Cl-。岩溶地下水样的TDS均值为496.4 mg·L-1，均属于淡水。pH均值6.90，总体上呈弱酸性，部分呈中性或弱碱性。总硬度均值为318.7 mg·L-1，大部分体属于硬水。TDS、pH、总硬度、Ca2+、Mg2+、HCO3-变异系数较小，在区域地下水中相对稳定。K++Na+、SO42-、Cl-变异系数较大，在地下水中含量变化较大。总体而言，主要阴阳离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-）空间分布大体变化规律为自孔家山和孟家山断裂带附近向南北两侧呈现由大变小趋势。
　　(3)运用Gibbs图解法和主成分分析法研究岩溶地下水化学组成的影响因素。Gibbs图解结果表明，研究区水化学离子受蒸发-浓缩作用和大气降水作用影响小，而水-岩作用是水化学离子的控制性因素。主成分分析结果表明，第一主成分PC1的特征值为5.579，贡献率为50.714％，与PC1密切相关的是TDS、总硬度、Ca2+、SO42-、HCO3-、Cl-、Mg2+、Na+、K+，这9种水化学指标与区域的岩性密切相关，PC1反映的是水-岩作用对水化学成分的影响。第二主成分PC2的特征值为2.032，贡献率18.474％，与PC2相关的是K+、Na+、NO3-，这3种水化学指标与人类活动密切相关，说明在水-岩作用影响水化学的同时，人类活动对水化学的影响显著。第三主成分PC3的特征值为1.039，贡献率为9.445％。由于PC3贡献率较PC1、PC2差，且这11种水化学指标的正负相关性和载荷差异明显，说明PC3的反映的是大气降水的影响。
　　(4)基于水文地球化学理论，运用数理统计法、离子比例系数分析法和化学计量学法等对水化学离子的来源和形成特征进行研究。结果表明，以方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)等为主的碳酸盐矿物，以石膏(CaSO4·2H2O)、硬石膏(CaSO4)等为主的硫酸盐矿物，岩盐，铝硅酸盐矿物（长石等）和粘土矿物等的溶滤是地下水离子的主要来源。形成区域水化学特征的作用主要包括:矿物溶滤作用、阳离子交替吸附作用、脱白云岩化作用、混合作用和同离子效应等。此外，人类活动对水体离子也有一定的影响，如工业和家庭生活使用的盐(NaCl)份残余入渗会引起Na+的升高，残余农用钾肥（草木灰等）的溶解也是K+的来源之一。农肥、大气、人畜代谢物和生物燃烧等可能是NO3-的主要来源。
　　(7)通过PHREEQC溶解-沉淀平衡模拟，确定了水-岩相互作用过程中各主要矿物的溶解沉淀平衡状态。结果表明，一部分的方解石处于溶解状态，一部分处于沉淀状态;大部分的白云石处于溶解状态，小部分的白云石处于沉淀状态;石膏均未达到饱和状态，处于溶解状态。总体而言，矿物饱和指数也是由补给区到排泄区逐渐增大，饱和指数随径流途径的增长而增大。其递增速度则随着径流途径的增长而降低。表明岩溶水溶蚀能力是随径流途径的增长而减弱，溶蚀能力的减弱速度是随途径的增长而降低。说明地下水矿物饱和指数与水的循环交替条件有关，地下水流动越畅通，循环交替条件越好，饱和指数就越低，反之则越高。
　　(6)通过PHREEQC反向模拟的结果表明，研究区补给径流区矿物的水-岩作用与排泄区存在一定的相似性和差异性。方解石呈现从补给区的欠饱和状态向饱和或者过饱和状态演化;白云石、石膏和岩盐大部分处于溶解欠饱和状态;阳离子交换作用主要为Ca-Na离子交换作用，沿地下水径流方向阳离子交换作用呈现逐渐减弱的趋势;CO2处于溶解状态并参与水-岩-气作用，反向模拟结果和饱与指数结果计算、地下水化学分析结果的实际情况基本相符。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水文地球化学特征

1．2．2 水文地球化学模拟

1．2．3 研究区已有研究进展

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 研究区概况

2．1 自然地理概况

2．1．1 地理位置与交通

2．1．2 气象

2．1．3 河流水系

2．1．4 地形地貌

2．2 地质条件

2．2．1 地层岩性

2．2．2 地质构造

2．3 水文地质条件

2．3．1 地下水类型与含水岩组

2．3．2 地下水补径排特征

2．3．3 地下水动态特征

第3章 岩溶地下水化学特征研究

3．1 概述

3．2 研究方法与数据可靠性检验

3．2．1 研究指标与方法

3．2．2 数据可靠性检验

3．3 地下水化学组分及分布特征

3．3．1 TDS、酸碱度与总硬度特征

3．3．2 常量离子特征及其空间分布

3．4 地下水化学类型及分布特征

3．4．1 舒卡列夫分类

3．4．2 Piper三线图分类

3．4．3 Durov图分类

3．5 本章小结

4．1 概述

4．2 地下水化学特征的影响因素

4．2．1 基于Gibbs图的水化学控制因素研究

4．2．2 基于PCA的水化学影响因素分析

4．3 地下水化学成分之间的关系

4．3．1 水化学的相关性分析

4．3．2 水化学的聚类分析

4．4 地下水化学成分的形成与特征

4．4．1 γCa2+／γHCO3-、／γCa2++Mg2+／γHCO3-、γCa2+／γMg2+和γSO42+Cl-／γHCO3-

4．4．2 γCa2+／γSO42-、γMg2+／γSO42-、γCa2+-SO42-／γHCO3-和γCa2++Mg2+／γHCO3-+SO42-

4．4．3 γCa2+／γCl-和γNa+／γCl-

4．4．4 γ(Na+-Cl)／γ(HCO3-+SO42-)-(Ca2++Mg+)和γCa2+／γNa+

4．4．5 NO3-离子可能来源分析

4．5 水文地球化学模拟

4．5．1 水文地球化学模拟理论基础

4．5．2 溶解-沉淀平衡模拟

4．5．3 反向水文地球化学模拟

4．6 本章小结

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间所获成果