广汉市平原区浅层地下水化学演化及其控制因素hgycg.cdut.edu.cn/data/upload/1563420370038.pdfbasic...

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第 46 卷第 3 期2016 年 5 月

吉林大学学报( 地球科学版)Journal of Jilin University( Earth Science Edition)

Vol. 46 No. 3May 2016

陈盟，吴勇，高东东，等．广汉市平原区浅层地下水化学演化及其控制因素．吉林大学学报( 地球科学版) ，2016，46 ( 3) : 831-843． doi: 10． 13278 / j． cnki． jjuese． 201603205．Chen Meng，Wu Yong，Gao Dongdong，et al． Shallow Groundwater Hydrogeochemical Evolution Process and Controlling Factors inPlain Zone of Guanghan City． Journal of Jilin University ( Earth Science Edition) ，2016，46 ( 3 ) : 831-843． doi: 10． 13278 / j． cnki．jjuese． 201603205．

广汉市平原区浅层地下水化学演化及其控制因素

陈盟，吴勇，高东东，常鸣成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059

摘要: 为在广汉市城乡规划过程中提供地下水资源开发利用的基础信息，采用矿物风化系统分析、相关性分析、主成分分析和 PhreeQC 反向水文地球化学模拟等方法对广汉市平原区的浅层地下水的地下水

水化学组分进行分析，确定了浅层地下水的水化学演化及控制因素，完成了地下水资源的质量及时空分布

特征分析。分析表明: Gibbs 图显示岩石风化主导该区地下水水化学特征，风化过程产生离子和次生矿物

又经历水解作用，在矿物风化系统稳定场图中显示水样中铝硅酸盐矿物逐渐趋于溶解，碳酸盐矿物处于饱

和状态; PhreeQC 反向水文地球化学模拟结果显示在水流模拟路径上主要发生了钙蒙脱石、钾长石溶解和

高岭石、石英、钠长石的沉淀，以及 Ca-Na2 之间的阳离子交换吸附作用; 离子相关性和主成分分析进一步的

验证了溶滤作用、蒸发浓缩作用和阳离子交换吸附作用是引起浅层地下水水化学过程和矿物组成改变的

主要原因。研究区地下水水质总体不会对人体健康造成不良影响。关键词: 广汉市; 水化学演化; 水岩作用; 主成分分析; 反向水文地球化学模拟; 地下水水质

doi: 10． 13278 / j． cnki． jjuese． 201603205 中图分类号: P641． 3 文献标志码: A

收稿日期: 2015-10-03作者简介: 陈盟( 1986 ) ，男，博士研究生，主要从事地下水资源、环境水文地质和生态水文地质等方面的研究，E-

mail: cattlepen@ 163. com通信作者: 吴勇( 1966 ) ，男，教授，博士生导师，主要从事地下水资源、地下水的脆弱性与地下水有关的生态系统以

及放射性核素迁移地球化学等方面的研究，E-mail: ywu@ cdut. edu. cn基金项目: 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主研究课题( SKLGP2009Z006) ; 四川省科技厅科技支撑计

划项目( 2011SZ0172)

Supported by State Key Laboratory for Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection Project ( SKLGP2009Z006) andKey Technology Ｒ＆ D Program of Science and Technology Department of Sichuan Province( 2011SZ0172)

Shallow Groundwater Hydrogeochemical Evolution Process andControlling Factors in Plain Zone of Guanghan City

Chen Meng，Wu Yong，Gao Dongdong，Chang MingState Key Laboratory for Geo-Hazard Prevention and Geo-Environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China

Abstract: Four methods，including mineral weathering system analysis，correlation analysis，principalcomponent analysis and inverse hydrogeochemical simulation by PhreeQC are used to analyse the chemicalcomposition，identify hydrogeochemical evolution processes and controlling factors，then complete analyzingquality and spatial temporal distribution of shallow groundwater in the plain of Guanghan City，which provides

basic data for developing and utilizing groundwater resources exsisting in urban and rural planning process． Theanalysis showes that Gibbs plots indicate that the groundwater hydrochemical characteristics are dominated byrock weathering， the weathering processes produce ions and then secondary minerals undergo hydrolysis;aluminosilicate minerals of water samples tend to dissolve gradually in the mineral weathering system stabilitydiagram; carbonate minerals are saturated． PhreeQC inverse hydrogeochemical simulation results show whatmainly happen in the water flow path simulation are the dissolution of calcium montmorillonite and K-feldspar，theprecipitation of kaolinite，quartz and albite，and the cation exchange adsorption between Ca-Na2 ; The analysis ofion correlation and principal component analysis verifies that leaching，evaporation and concentrating，and cationexchange adsorption are the main cause of hydrochemical process and mineral composition in the shallowgroundwater． The groundwater quality in the study area generally will not cause adverse effects on human health．

Key words: Guanghan City; hydrogeochemical evolution; water-rock interaction; principal componentanalysis; inverse hydrogeochemical simulation; groundwater quality

0 引言

地下水资源在工业、农业生产和人类生活等方

面占据重要的地位，全世界约有 10 亿人直接将地下

水作为饮用水，同时 40%的粮食生产也是依靠地下

水灌溉［1］。近 30 年来，城市化和工业化进程极大地

提高了地下水的需求，人类对地下水的利用以惊人

的速度增长，地下水的开采量急剧增加，人们也逐渐

认识到地下水开采对地下水质量和数量的影响。地

下水的水化学成分是地下水与所处围岩矿物长期相

互作用的产物，而地下水开采破坏了这种化学反应

和地下水循环的平衡状态，促进地下水与矿物的化

学反应持续进行，影响了地下水化学进程。地下水

中常见矿物有碳酸盐岩类、硫酸盐岩类及硅酸盐岩

类等。水化学过程是随地下水运动动态变化的，也

形成了地下水在径流途径上地下水化学成分的差

异［2］。近年来，广汉市工业区及乡镇企业快速发展，加

之城镇及居民生活用水需求增加，使得对地下水的

依赖程度进一步加强。研究广汉市平原区浅层地下

水水化学演化及控制因素、综合分析及判断地下水

资源质量及时空分布特征、提高地下水资源的合理

开发及有效利用水平，对促进广汉市社会经济发展、生态环境保护等都具有十分重要的现实意义。

1 研究区概况

广汉市隶属德阳市，地处成都平原东北部、龙泉

山脉西麓，北距德阳市区 17 km，南距成都市区 23km。地理坐标为 104. 11°E—104. 59°E，30. 89°N—31. 14°N，总面积为 548. 63 km2，其中平原区面积为

506. 38 km2，东部丘陵低山区面积为 42. 25 km2。广汉市地处中纬度，属亚热带湿润季风区。据

广汉气象局资料，多年平均气温为 16. 3 ℃，多年平

均降水量为 742. 3 mm。降雨时空分布不均，多集中

在 5—9 月，占全年降雨量的 80% 以上; 月降水最多

是 7 月，为 244. 5 mm，最少是 12 月，为 5. 5 mm。广汉市属都江堰下游尾水自流灌溉区，区内主

要水系有绵远河、石亭江、鸭子河、青白江，另有蒋家

河、蒙阳河、青石桥河、李家堰河、龙桥河、平桥河、白鱼河等区间泄洪河道，分别自北、北西、西侧流入区

内，于广汉市东南侧下游金堂县赵镇汇合注入沱江。本次研究针对的平原区为沱江冲积平原地带，

地势由北西向南东微倾斜，平均坡降 2. 19‰，海拔

一般为 450 ～ 590 m。在原有冰水扇状平原被破坏

的基础上，形成沿河流方向由北西向南东的近代河

流冲洪积扇、漫滩、一级阶地和冰水扇状残留平原相

间组成的复合冲、洪积平原。因近代河流的长期切

割，河间形成埂-槽-埂相间的地形，地下水位埋深一

般为 7 ～ 15 m。地层及含水层有: 1 ) 全新统冲积

( Qal4 ) 砂砾卵石层，局部表面有粉细砂及砂土，结构

疏松，入渗条件好，富水性强; 2 ) 全新统冲洪积

( Qal + pl4 ) 砂砾卵石层，表层为粉质黏土，其下为透镜

状中细砂层，再下为砂砾卵石层，结构疏松，入渗条

件好，富水性强; 3) 全新统坡洪积( Qdl + pl4 ) 砂砾卵石

层，黏质砂土、砂质黏土，扇顶夹碎石，结构紧密，富

水性弱; 4) 上更新统冰水-流水堆积泥质砂砾卵石层

( Qfgl + al3 ) ，砂质黏土，中细砂层，入渗条件较好，其间

含团块状和透镜状钙质富集层，砂层具交错层理，岩

性分布不均匀，该含水层组富水性亦因地而异; 5 )

上更新统冰水-流水堆积泥质砂砾卵石层( Q2fgl + al3 ) ，

238 吉林大学学报( 地球科学版) 第 46 卷

砂质黏土、黏土，其间偶夹小砾石，局部地段泥质含

量较高，富水性变化较大; 6 ) 中更新统泥砂质砾卵

石( Qfgl + al2 ) ，强风化黏土砾石，黏土结构紧密，富水

性较差。地层及含水层分布见图 1。

2 研究方法

2. 1 水样采集及分析

本次研究选取 2012 年 11—12 月采集的 25 个

水样进行分析研究，水样点分布见图 1。其中 S11为泉水，其余水样点为大口径民用井或机井; 所有水

样均按照饮用水标准进行采集，大口径民用井采用

人工取水，机井采用水泵抽水取水; 取样均经过沉淀

过程，水样用 500 mL 聚乙烯瓶采集。分析参数包括

pH 值、电导率 ( EC ) 、溶解性总固体 ( TDS ) 质量浓

度、主要阳离子( K +、Na +、Ca2 +、Mg2 + ) 质量浓度、主要阴离子 ( NO －

3 、Cl－、HCO －

3 、SO2 －4 ) 质量浓度及部

分金属离子( Mn2 +、总 Fe、Al3 + ) 质量浓度; 除 pH 和

EC 是现场测定外，其余参数均在成都理工大学地质

灾害防治与地质环境保护国家重点实验室按照《生

活饮用水卫生标准检验方法 ( GB /T5750-2006 ) 》［3］

进行分析，以确保数据的准确度和精密度。测定方

法如下: K + + Na + 质量浓度利用火焰光度法测定;

Ca2 +、Mg2 +、CO2 －3 、HCO

－3 质量浓度采用极谱滴定法

测定，Cl －、SO2 －4 质量浓度采用离子色谱仪测定;

TDS 抽量浓度采用烘干称重法进行测定; 游离 CO2

采用滴定法测定; 总硬度( TH) 根据 Ca2 + 和 Mg2 + 质

量浓度采用下式［4］计算:

图 1 研究区水文地质简图

Fig. 1 Sample location of the study area

338第 3 期陈盟，等．广汉市平原区浅层地下水化学演化及其控制因素

TH = 2. 497ρ( Ca2 + ) + 4. 115ρ( Mg2 + ) 。

参数分析误差采用阳离子-阴离子浓度平衡法

进行检测，测定误差＜ 5%，采用公式为

误差= 阳离子质量浓度－阴离子质量浓度阳离子质量浓度 +阴离子质量浓度

×100%。

2. 2 主成分分析

主成分分析( PCA) 是多元统计分析中的重要统

计方法，是多个变量通过线性变换选出较少个数重

要变量的简单底层结构的数据转换技术［5-7］，信息量

的大小通常用离差平方和或方差来衡量，其方差越

大，表示包含的信息量越多。PCA 被广泛用于地下

水及地表水水质、污染质来源、地下水的径流、气象

及农业等领域［6，8-13］。本文利用主成分分析( PCA)

分析水文地球化学数据，方法原理及具体步骤参见

文献［14］和［15］。

3 研究成果及讨论

3. 1 研究区水化学特征

本次研究对研究区内 25 组水样进行了分析，水

化学离子分析数据和离子概要统计见表 1。从表 1可知，pH 值区间为 6. 6 ～ 7. 6，平均值 7. 0，总体呈中

性—弱酸性。所有水样的 ρ( TDS) 和 TH 值分别为

275. 1 ～ 841. 0 mg /L 和 214. 9 ～ 717. 8 mg /L，属于淡

水和硬水范畴，沿着地下水径流方向，存在一定的分

带现象，ρ( TDS) 和 TH 值也均有一定的增加。由表

1 可知: ρ( Na + ) 为 0. 7 ～ 50. 5 mg /L，均值 18. 0 mg /L; ρ ( K + ) 为 0. 3 ～ 26. 3 mg /L，均值 3. 8 mg /L;

ρ( Ca2 + ) 为 63. 2 ～ 196. 4 mg /L，均值为 113. 9 mg /L;

ρ( Mg2 + ) 为 13. 4 ～ 55. 2 mg /L，均值为 25. 9 mg /L;

ρ( Cl － ) 为 11. 7 ～ 257. 9 mg /L，均值为 43. 1 mg /L;

ρ( SO2 －4 ) 为 46. 4 ～ 216. 8 mg /L，均值为 110. 9 mg /

L; ρ( HCO －3 ) 为 151. 7 ～ 442. 5 mg /L，均值为 306. 6

mg /L。研究区内地下水水样的主要阳离子相对丰

度为 Ca2 + ＞ Mg2 + ＞ Na + ＞ K + ，地下水水样中主要

阴离子的相对丰度为 HCO －3 ＞ SO2 －

4 ＞ Cl －。绘制 Piper 图［16］可客观反映研究区的地下水化

学特征。根据 Piper 图解 ( 图 2 ) 分析，对于阳离子

( 图 2 左侧三角形 ) 来说: 样品中碱土金属元素

( Ca2 + + Mg2 + ) 质量浓度均超过碱元素 ( Na + +K + ) ，Ca2 + 是研究区的主导阳离子，质量浓度所占比

例为 70. 5% ; 其次为 Mg2 + ，质量浓度所占比例为

16. 0%。对于阴离子( 图 2 右侧三角形) 来说: 弱酸

图 2 研究区水样 Piper 图

Fig. 2 Piper diagrams of water sample in the study area


离子( HCO －3 + CO2 －

3 ) 质量浓度超过强酸离子( SO2 －4

+ Cl － ) ; HCO －3 + CO2 －

3 为研究区的主导阴离子，质量

浓度所占比例为 66. 6% ; 其次为 SO2 －4 离子，质量浓

度所占比例为 24. 1%。研究区水化学类型有 HCO3

－ Ca 型、HCO3·SO4 － Ca·Mg 型、SO4·HCO3 － Ca型、HCO3·SO4 － Ca型、HCO3 － Ca·Mg型、Cl·HCO3

－ Ca·Mg 型和 HCO3·SO4 － Ca·Na 型，其中 HCO3

－ Ca 型和 HCO3 · SO4 － Ca 型比例最高，均占

28. 0%。通过计算，研究区内 pCO2 值区间为 10 －1. 798 ～

10 －0. 568 atm，均值为 10 －1. 011 atm，高于大气 pCO2 的

10 －3. 5 atm; 说明研究区内地下水系统属于开放系统，

其水中有机质的分解和植物呼吸使 CO2 能得到源

源不断的补充。3. 2 水化学进程

地下水中高质量浓度 HCO －3 的存在说明在含

水层内有强烈的化学风化过程发生，使化学成分的

含量处于不断变化的过程中; 地下水携带化学组分

向下游运动，使化学组分以物理运输的形式富集。蒸发是研究区内浅层地下水的主要排泄方式之一，

蒸发浓缩作用在改变化学组分含量及矿化度上发挥

着重要作用。各水样间主要阳离子含量存在明显差

异( Ca2 +、Mg2 +、Na + 和 K + ) ，说明阳离子交换吸附

作用也是研究区普遍存在的水文地球化学作用; 地

下水对研究区松散地层中矿物、气体的溶滤作用，是

改变水中化学成分极其重要的影响因素，可以体现

出水-岩-气中化学成分循环的一系列的物理化学反

应。Gibbs［17］研究表明水化学主要受大气降雨、水-岩作用和蒸腾作用影响。为了分析和验证研究区内

水化学进程的影响因素，绘制 Gibbs 图( 图 3) ，所有

水样均指向水-岩作用区域; 表明岩石矿物的风化主

导该区地下水水化学特征。

图 3 地下水化学水-岩作用 Gibbs 图

Fig. 3 Gibbs plots indicating water-rock interaction as main process governing groundwater chemistry

岩石矿物的风化产生离子及次生矿物，并最终

达到一种稳定状态。研究表明，广汉市平原区黏土

砂粒组与粉粒组的主要矿物成分为石英，次为云母

和长石［18］，一般含有较多绿泥石、白云母、透闪石和

铁质鲕粒以及少量角闪石、黑云母等［19］; 黏土矿物

以伊利石为主，蒙脱石组次之［18，20］。这些矿物在热

力学方面具有不稳定性，与水接触时产生水解作用，

且是非全等溶解; 因此，在标准状态 ( 25 ℃，

1. 013 25 × 105 Pa) 下，对区内水样有关组分溶解反

应的离子关系进行计算，绘制硅酸盐体系稳定场

图［7，21-23］，确定出研究区内长石风化阶段与相应的

次生矿物( 图 4 ) ，以及水样点所处位置相对于长石

在各点所处的溶解态。硅酸盐体系稳定场图利用

Microsoft Office 2010 中的 Excel 软件完成。由图 4 结合图 1 中的取样点位置可知: 钙长石

( CaAl2Si2O8 ) 风化处于高岭石 ( Al2Si2O5 ( OH) 4 ) 阶

段，S1( 三星水厂) 、S16( 新丰镇) 和 S24 ( 三水镇) 水

样达到钙蒙脱石( 3Ca0. 33 Al4. 67 Si7. 33 O20 ( OH) 4 ) 阶段


( 图 4a) ; 水样中钾长石( KAlSi3O8 ) 场区也未达到饱

和而处于溶解态，风化主要进入高岭石阶段

( Al2Si2O5 ( OH ) 4 ) ( 图 4b ) ; 水样中钠长石

( NaAlSi3O8 ) 的风化历程已经过三水铝石 ( Al( OH) 3 ) 阶段而到高岭石阶段，与钙长石相比，同样

是 S1( 三星水厂) 、S16 ( 新丰镇) 和 S24 ( 三水镇) 水

样达到钠蒙脱石阶段( 6Na0. 33 Al2. 33 Si3. 67 O10 ( OH) 2 )

( 图 4c ) ; 图 4d 中，风化同样进入高岭石阶段

( Al2Si2O5 ( OH) 4 ) 。综合图 4，研究区水样中相关离子成分主要来

自高岭石( Al2Si2O5 ( OH) 4 ) ，S1( 三星水厂) 、S16( 新

丰镇) 和 S24( 三水镇) 这 3 个水样相关离子成分则

是来自钠蒙脱石( 6Na0. 33 Al2. 33 Si3. 67 O10 ( OH) 2 ) 和钙

蒙脱石( 3Ca0. 33Al4. 67Si7. 33O20 ( OH) 4 ) 。利用反向水文地球化学模拟的方法进一步研究

研究区内浅层地下水中主要化学成分的演化规律。研究区地下水总体流向是北西—南东，鸭子河横穿

研究区，因此在鸭子河两岸布置模拟路径 A ( S2—S9) 、B( S5—S9) 和 C( S23—S24) ，进行反向水文地

球化学模拟。通过饱和指数计算与质量平衡模拟，

a. 三铝水石、高岭石、钙蒙脱石和钙长石; b. 三铝水石、高岭石、白云母和微斜长石; c. 三铝水石、高岭石、钠蒙脱石和钠长石; d. 三

铝水石、高岭石、菱镁矿、叶蜡石和 Mg －绿泥石。

图 4 25 ℃时矿物风化系统稳定场图

Fig. 4 Stability diagrams for some minerals systems at 25 ℃


分析研究区浅层地下水流动过程中水化学成分的演

化规律。利用 PhreeQC 软件完成饱和指数计算和水

文地球化学反向模拟。饱和指数 SI( saturation index) 是地下水水化学

研究中应用最多的一个指标，是表征矿物相对地下

水饱和状态的参数，能够解释水化学成分变化过程，

其计算结果见表 2。从表 2 可知，矿物在各条模拟

路径上具有相同的溶解沉淀趋势: 处于未饱和状态

的矿物有钠长石、钙长石、绿泥石、石膏、岩盐和钾长

石; 处于饱和状态的有钙蒙脱石、方解石、白云石、伊利石、高岭石和石英; 绿泥石沉淀性差异较大，但总

体处于沉淀状态。

表 2 研究区各模拟剖面矿物相饱和指数

Table 2 Saturation indices of various simulation path in the study area

剖面钠长石钙长石钙蒙脱石方解石绿泥石白云石石膏岩盐伊利石钾长石高岭石石英

S2 － 3. 34 － 3. 43 2. 31 － 0. 54 － 10. 34 － 1. 38 － 1. 59 － 8. 25 0. 63 － 2. 04 4. 26 0. 05

S5 － 2. 95 － 2. 91 1. 88 0. 31 － 5. 71 0. 25 － 1. 52 － 8. 13 0. 48 － 1. 89 3. 67 0. 11

S9 － 2. 90 － 2. 62 2. 43 0. 21 － 6. 72 0. 08 － 1. 43 － 7. 88 1. 42 － 1. 11 4. 32 － 0. 00

S23 － 2. 78 － 3. 08 2. 25 0. 20 － 7. 53 0. 06 － 1. 19 － 7. 63 0. 81 － 1. 59 3. 99 0. 16

S24 － 1. 55 － 1. 86 2. 77 0. 38 － 1. 32 0. 61 － 1. 37 － 7. 02 2. 26 0. 00 4. 22 0. 23

根据模拟要求，确定“可能矿物相”包括: 钙蒙

脱石、绿泥石、钾长石、石英、高岭石、钠长石以及

Na +、Ca2 + 阳离子交换。综合前文所述，研究区岩土

矿物的溶解、沉淀决定了地下水中化学成分的变化，

石英及铝硅酸盐矿物的溶解，增加了地下水中主要

成分 Na +、K +、Ca2 +、Mg2 +、HCO －3 及次要成分

Al3 +、溶解 SiO2 的含量; 而上述组分含量的增加，又

影响着矿物的溶解沉淀性质。通过模拟路径终点

( 下游) 和起点( 上游) 某一组分溶解于地下水中的

浓度变化，得出该组分在模拟路径上的迁移浓度，计

算结果见表 3。从表 3 可知: 在 A 模拟路径中，钙蒙

脱石和 NaX 的溶解量分别达到 30. 40 mmol /L 和

10. 03 mmol /L，Na + 与 Ca2 + 的阳离子交换吸附作用

较强，主要表现为 Na + 的解吸进入水中和 Ca2 + 交换

吸附在矿物表面，但该路径未模拟出绿泥石的溶解

量; B 模拟路径，钙蒙脱石的溶解量为 11. 59 mmol /L，绿泥石和钾长石表现出微量溶解，同时表现出

Na + 的解吸进入水中和 Ca2 + 交换吸附在矿物表面的

阳离子交换吸附作用; C 模拟路径中，钾长石和石英

处于溶解状态，溶解量分别达到 1. 701 × 10 －4 mmol /L 和 3. 388 × 10 －5 mmol /L，Na + 与 Ca2 + 的阳离子交

换吸附作用相对较弱。

表 3 反向模拟结果表

Table 3 Ｒesults of inverse modeling under various simulation path

模拟路径迁移浓度 / ( mmol /L)

钙蒙脱石绿泥石钾长石 NaX 高岭石 CaX2 石英钠长石

S2—S9( A) 30. 40 — 3. 091 × 10 －4 10. 03 － 30. 40 － 5. 016 － 20. 68 － 10. 03

S5—S9( B) 11. 59 1. 54 × 10 －5 1. 159 × 10 －4 1. 212 × 10 －4 － 11. 59 － 6. 058 × 10 －5 － 15. 53 － 3. 823

S23—S24( C) — － 8. 377 × 10 －6 1. 701 × 10 －4 5. 436 × 10 －4 — － 2. 718 × 10 －4 3. 388 × 10 －5 － 1. 534 × 10 －4

注: 1. 正值表示该矿物相发生溶解作用，进入地下水; 2. 负值表示可能矿物相在地下水中沉淀，离开地下水; 3. “—”表示该矿

物相未参加反应或未模拟出。

3. 3 离子相关性

Pearson 相关系数表示两个或多个变量之间的

线性相关，其值介于－ 1 和 1 之间，以度量不同变量

的相关程度。Pearson 相关系数采用 SPSS13. 0 forwindows 系统视窗计算，计算结果见表 4。由表 4 可

见，ρ ( TDS ) 与 ρ ( Ca2 + ) 、ρ ( Mg2 + ) 、ρ ( Cl － ) 、ρ( SO2 －

4 ) 和 ρ ( HCO －3 ) 相关，相关系数分别达到

0. 922、0. 909、0. 712、0. 788 和 0. 573，表明由于矿物

质的溶解，ρ( TDS) 会从上游开始沿着地下水的流动

途径持续增加; TH与ρ( Ca2 + ) 、ρ( Mg2 + ) 、ρ( Cl － ) 、


表 4 研究区化学离子 Pearson 相关系数

Table 4 Pearson correlation of physiochemical parameters in the study area

EC ρ( TDS) TH pH ρ( Ca2 + ) ρ( Mg2 + ) ρ( K + ) ρ( Na + ) ρ( Cl － ) ρ( SO2 －4 ) ρ( HCO －

3 ) ρ( NO －3 )ρ( Mn2 + ) ρ( 总 Fe) ρ( Al3 + )

EC 1 0. 992＊＊0. 949＊＊－0. 008 0. 923＊＊0. 936＊＊ 0. 285 0. 186 0. 749＊＊ 0. 741＊＊ 0. 578＊＊－0. 133 0. 325 0. 075 0. 443*

ρ( TDS) 1 0. 939＊＊－0. 034 0. 922＊＊0. 909＊＊ 0. 237 0. 243 0. 712＊＊ 0. 788＊＊ 0. 573＊＊－0. 092 0. 316 0. 060 0. 466*

ρ( TH) 1 －0. 019 0. 990＊＊0. 952＊＊ 0. 253 0. 003 0. 697＊＊ 0. 688＊＊ 0. 677＊＊－0. 151 0. 234 0. 124 0. 447*

pH 1 －0. 036 0. 018 －0. 293 －0. 009 －0. 218 －0. 052 0. 226 －0. 065 －0. 039 0. 077 0. 153

ρ( Ca2 + ) 1 0. 898＊＊ 0. 198 －0. 009 0. 649＊＊ 0. 709＊＊ 0. 672＊＊－0. 138 0. 227 0. 114 0. 417*

ρ( Mg2 + ) 1 0. 355 0. 026 0. 751＊＊ 0. 594＊＊ 0. 640＊＊－0. 168 0. 232 0. 137 0. 483*

ρ( K + ) 1 －0. 331 0. 739＊＊－0. 037 －0. 241 0. 038 0. 045 －0. 205－0. 043

ρ( Na + ) 1 －0. 049 0. 499* 0. 081 －0. 083 0. 393 0. 038 0. 343

ρ( Cl － ) 1 0. 417* 0. 058 －0. 096 0. 212 －0. 123 0. 232

ρ( SO2 －4 ) 1 0. 323 －0. 004 0. 395 0. 089 0. 494*

ρ( HCO －3 ) 1 －0. 346 0. 204 0. 358 0. 349

ρ( NO －3 ) 1 －0. 360 －0. 439* 0. 157

ρ( Mn2 + ) 1 0. 367 0. 148

ρ( 总 Fe) 1 0. 238

ρ( Al3 + ) 1

＊＊在 0． 01 水平上显著相关( 两侧) ; * 在 0． 05 水平上显著相关( 两侧) 。

ρ( SO2 －4 ) 和 ρ ( HCO －

3 ) 相关，相关系数分别达到

0. 990、0. 952、0. 697、0. 688 和 0. 677，表明方解石、白云石和岩盐的溶解提供了 Ca2 +、SO2 －

4 、HCO－3 和

Cl －，最终增加 ρ( TDS) 和 TH。采用离子浓度比例系数可进一步判断地下水化

学成分的来源和形成过程，离子浓度通过质量浓度

与摩尔质量之间的比值获得。c ( Na + + K + ) 与

c( Cl － ) 比例接近 1∶ 1( 图 5a) ; 各离子质量浓度也较

大，ρ( K + ) 与 ρ ( Cl － ) 相关系数亦达到 0. 739，表明

岩盐参加主反应。c( Ca2 + ) 和 c ( HCO －3 ) 相关比例

约 1∶ 2 ( 图 5b ) ，c( Mg2 + ) 和 c ( SO2 －4 ) 相关比例为

1∶ 2 ～ 2∶ 1 ( 图 5c) ，c( Ca2 + ) 和 c( HCO － + SO2 －4 ) 相

关比例略低于 1∶ 2( 图 5d) ; 且 ρ( HCO －3 ) 与ρ( Ca2 + )

和 ρ( Mg2 + ) 的相关系数分别达到 0. 672 和 0. 640，

ρ( SO2 －4 ) 与ρ( Ca2 + ) 和 ρ( Mg2 + ) 相关系数也分别达

到 0. 709 和 0. 594。可见，SO2 －4 在水化学中同样发

挥着重要的作用，表明方解石( CaCO3 ) 的溶解和沉

淀是第一可能性; 白云石 ( CaMg ( CO3 ) 2 ) 和石膏

( CaSO4·2H2O) 的溶解也是重要的来源，影响着水

化学的进程。其主要反应方程式［24］为:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca2 + + 2HCO －3 ; ( 1)

CaMg( CO3) 2 +2CO2 +2H2O =Ca2+ +Mg2+ +4HCO－3 ; ( 2)

CaSO4·2H2O = Ca2 + + SO2 －4 + 2H2O 。 ( 3)

3. 4 主成分分析

从表 4 的 Pearson 相关系数可以看出不同水文

地球化学指标之间存在直接的相关性，信息之间存

在大量的重叠; 因此进行了主成分分析( PCA) ，采用

SPSS13. 0 for Windows 系统视窗计算。选取 4 个特

征根＞ 1 的主成分( PC1、PC2、PC3 和 PC4 ) ，将其载

荷、方差贡献率、累积方差贡献率及其分析结果列于

表 5( 值大于 0. 600 的用下划线标识) 。由表 5 可以

看出: 4 个主成分的方差贡献率分别为 45. 075%、15. 599%、10. 354% 和 9. 562% ; 累积方差贡献率为

80. 589%。与 PC1 密切正相关的是 EC、ρ ( TDS ) 、TH、ρ ( Ca2 + ) 、ρ ( Mg2 + ) 、ρ ( Cl － ) 、ρ ( SO2 －

4 ) 和

ρ( HCO －3 ) ，其载荷分别为 0. 978、0. 973、0. 970、

0. 948、0. 951、0. 725、0. 767 和 0. 634; 另有 ρ( Al3 + )

的载荷为 0. 532，Ca2 + 和 HCO －3 是碳酸盐类溶解的

产物，EC 是其表现［25］，Mg2 + 是白云岩、白云质灰岩

溶解的产物，Cl －是岩盐溶解的产物，与前文相关性

分析一致，是影响水化学的重要因素。铝硅酸盐类

在不全等溶解的情况下的主要产物是高岭石

( Al2Si2O5 ( OH ) 4 ) ，高岭石在酸性条件下可溶出

Al3 + ，这点在研究区内 pH 值( 表 1) 及前文的铝硅酸


a. c( Na + + K + ) － c( Cl － ) ; b. c( Ca2 + ) － c( HCO －3 ) ; c. c( Mg2 + ) － c( SO2 －

4 ) ; d. c( Ca2 + ) － c( HCO －3 + SO2 －

4 ) 。

图 5 不同水样点的离子关系图

Fig. 5 Scatter plots showing the interrelationship between the major ions

盐稳定场图( 图 4) 上显示一致。PC2、PC3 和 PC4 的方差贡献率明显低于 PC1

的方差贡献率，与 PC1 相比它们是次要因素; 表明

PC2、PC3 和 PC4 可能受更多近缘因素的影响，如蒸

发和农业活动等对地下水的影响。有研究表明，农

业活动已经成为世界范围内地下水资源污染的主要

威胁因素［26］。与 PC2 负相关的是 ρ ( K + ) ，载荷为

－ 0. 790。与 PC3 正相关的是 ρ( Na + ) 和 ρ( NO －3 ) ，

载荷分别为 0. 576 和 0. 691，也表明了农作物施肥

地下水的影响。与 PC4 正相关的是 ρ( Mn2 + ) ，载荷

为 0. 657; Mn2 + 是研究区成土物质副成分———含锰

黏土矿物，如锰橄榄石( Mn2SiO4 ) 、菱锰矿( MnCO3 )

等溶解的产物，其致使地下水中含量升高，也是影响

水化学的因素之一。3. 5 地下水水质

研究区饮用和生活用水多采用地下水集中供

水，农业灌溉及生产多采用地表水，结合研究区内地

下水的主要用途，本次研究只对研究区地下水进行

饮用水和生活用水评价。利用《饮用水水质准则

( WHO) 》［27］和《生活饮用水卫生标准 ( GB 5749-2006) 》［28］对研究区的地下水质量进行评价，并对水

样的离子参数最大限值进行比较，结果见表 6。根

据世界卫生组织的《饮用水水质准则》［27］，当饮用水

中ρ( TDS) 和 EC 分别超过 500 mg /L 和 500 μS /cm时，会刺激肠胃; 而研究区内超过此限值水样据点比

例分别达到 48. 0% 和 92. 0%。研究区水样的总硬

度 ( TH ) 最大值达到 717. 8 mg /L，超标率达到

28. 0%。研究表明，水的总硬度过高时，将会消耗过

量的皂石，生成不溶性残余物，这些残余物会对热水

器、锅炉和输水管道造成一定程度上的危害［29］。Cl －仅有一处( S19) 超标，其浓度过高将会加速氧化

过程，腐蚀锅炉等［30］，但无基于人体健康的基准值。ρ( 总 Fe) 和 ρ ( Mn2 + ) 超标率均达到 52. 0%，其中

ρ( Mn2 + ) 超过世界卫生组织饮用水水质标准( ＜ 0. 4


表 5 主成分的载荷矩阵和总方差

Table 5 Loading matrix and total variance of PC

离子参数主成分

PC1 PC2 PC3 PC4

EC 0． 978 － 0． 075 0． 036 － 0． 018

ρ( TDS) 0． 973 － 0． 047 0． 113 － 0． 011

TH 0． 970 － 0． 078 － 0． 083 － 0． 166

pH － 0． 021 0． 408 － 0． 041 － 0． 529

ρ( Ca2 + ) 0． 948 － 0． 057 － 0． 066 － 0． 176

ρ( Mg2 + ) 0． 951 － 0． 116 － 0． 113 － 0． 135

ρ( K + ) 0． 265 － 0． 790 － 0． 225 0． 254

ρ( Na + ) 0． 191 0． 506 0． 576 0． 460

ρ( Cl － ) 0． 725 － 0． 566 － 0． 079 0． 224

ρ( SO2 －4 ) 0． 767 0． 187 0． 421 0． 180

ρ( HCO －3 ) 0． 634 0． 466 － 0． 275 － 0． 370

ρ( NO －3 ) － 0． 187 － 0． 373 0． 691 － 0． 322

ρ( Mn2 + ) 0． 377 0． 365 － 0． 112 0． 657

ρ( 总 Fe) 0． 173 0． 588 － 0． 467 0． 151

ρ( Al3 + ) 0． 532 0． 268 0． 406 － 0． 152

特征值 6． 761 2． 340 1． 553 1． 434

方差贡献率 /% 45． 075 15． 599 10． 354 9． 562

累积方差贡献率 /% 45． 075 60． 674 71． 028 80． 589

表 6 研究区地下水的饮用水准则比较

Table 6 Comparison of groundwater in the study area todrin-king water guidelines

参数单位标准

限值

准则

限值阀值高值

超标 /

%

EC μS /cm － 500 1400 1450． 0 －

ρ( TDS) mg /L 1 000 500 1 000 841． 0 0

TH mg /L 450 100 500 717． 8 28． 0

pH － 6． 5 ～ 8． 5 6． 5 ～ 8． 5 9． 2 7． 6 0

ρ( Ca2 + ) mg /L － 75 200 196． 4 －

ρ( Mg2 + ) mg /L － 50 150 55． 2 －

ρ( K + ) mg /L － 12 100 26． 3 －

ρ( Na + ) mg /L 200 － 200 50． 5 0

ρ( Cl － ) mg /L 250 200 600 257． 9 4． 0

ρ( SO2 －4 ) mg /L 250 200 400 216． 8 0

ρ( HCO －3 ) mg /L － 200 300 442． 5

ρ( NO －3 ) mg /L 10 10 50 11． 7 8． 0

ρ( Mn2 + ) mg /L 0． 1 0． 1 0． 4 1． 662 52． 0

ρ( 总 Fe) mg /L 0． 3 0． 3 － 9． 111 52． 0

ρ( Al3 + ) mg /L 0． 2 0． 2 － 0． 088 0

注: 1．标准:《生活饮用水卫生标准》［28］; 准则: 《饮用水水质准

则》［27］; 2. 超标率采用文献［28］计算。样品数 n = 25。

mg /L) 所占比例达 28. 0%，更新统地层( Q2 －3 ) 中离

子浓度高于全新统地层( Q4 ) ，两者的分布特征与土

壤母质、土壤类型和人为活动等因素有关［31］，水中

离子浓度过高将会造成饮用水的不良口感。对于其

他化学离子，所有水样均能满足世界卫生组织的

《饮用水水质准则》［27］和《生活饮用水卫生标

准》［28］的限制值，即不会对人体健康造成不良影响，

但需对微量金属和细菌含量等进行评价的基础上加

以验证。

4 结论

本文利用矿物风化系统分析、相关性分析、主成

分分析和 PhreeQC 反向水文地球化学模拟等方法对

广汉市平原区浅层地下水的主要离子水化学演化及

控制因素进行了分析，并对区内生活饮用水质量进

行了简单评价，通过研究得出的主要结论为:

1) 研究区浅层地下水属于开放性地下水系统，

有机质的分解和植物呼吸补充 CO2 使水化学进程

得以持续进行; 岩石矿物的自然风化、溶解，尤其是

碳酸盐岩和岩盐矿物的溶解影响水化学进程; 矿物

的溶解得到不同的金属离子和次生矿物，并经历以

非全等溶解为主的水解作用; 矿物风化系统稳定场

图显示铝硅酸盐矿物逐渐趋于溶解，碳酸盐矿物处

于饱和状态，主要稳定于高岭石状态。2) 在水流模拟路径上主要发生了钙蒙脱石、钾

长石溶解和高岭石、石英、钠长石的沉淀，以及 Ca －Na2 之间的阳离子交换吸附作用，导致地下水中的

ρ( TDS) 和 TH 值不断增大; 通过反向水文地球化学

模拟可以对地下水的水化学演化规律进行定量化分

析，进一步深入认识了地下水与地质环境之间的相

互作用关系。3) 离子相关性和主成分分析进一步验证了溶

滤作用、蒸发浓缩作用和阳离子交换吸附作用是引

起浅层地下水水化学过程和矿物组成改变的主要原

因，农业活动和蒸发作用同样具备一定的影响。4) 离子浓度的变化对水质的影响明显，研究区

内浅层地下水存在大范围的铁、锰超标，总硬度也存

在超标现象，总体不会对人体健康造成影响，但仍需

对微量金属和细菌含量等做进一步的研究。

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