【《高速公路施工期地下水水化学变化特征分析案例》6000字】

PAGE51大学硕士学位论文高速公路施工期地下水水化学变化特征分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u8793高速公路施工期地下水水化学变化特征分析案例 156121.1都巴高速沿线各水点pH值、TDS和电导率 178551.1.1都巴高速沿线水点pH值变化 189251.1.2都巴高速沿线水点TDS及Ec变化 382211.1.3都巴高速沿线各水点DO变化 470251.2都巴高速沿线水体离子组分特征 5242971.3都巴高速沿线水体水化学类型及其影响机制 820681.1.1都巴高速沿线水体水化学Piper图 8138351.1.2水化学Gibbs图分析 10253951.1.3离子比例系数分析 11236181.4小结 13地下水在径流过程中，与其流经地区的含水岩层发生一系列物理化学作用，自身的物质组成也不断改变。不同水体具有其独特的水化学特征及变化规律，探讨研究区地下水化学的变化特征及地下水化学类型的分布规律，对于深入研究区域地下水化学的影响因素、形成特征及演化规律有重要的作用。都巴高速沿线的岩溶泉群作为当地群众重要的用水水源，分析泉群水体中各种组分及离子含量特征，确定研究区的水化学特征，为人们更好的开发利用和保护地下水资源提供依据。1.1都巴高速沿线各水点pH值、TDS和电导率用于分析地下水化学组分分析的样品分别于2019年5月、8月初、9月中旬及11月底进行采样，其中2019年8月、9月由于前往江南乡泉群内DB03泉点的道路塌方未取样，11月伏龙泉流域内DB13泉点干涸未能取样。1.1.1都巴高速沿线水点pH值变化都巴高速沿线各水点pH值的季节变化不明显，江南乡泉群pH值略高于伏龙泉流域。江南乡泉群pH值呈中性偏弱碱性，pH值介于6.81~8.25之间，平均值范围为7.09~7.54；2019年5月DB02江东村泉口pH值8.25为最高，2019年11月DB04泉点pH值6.69为最低。伏龙泉流域pH值呈中性，pH值介于6.6~7.36之间，平均值范围为6.72~6.93；2019年9月伏龙泉流域DB10处pH值最低为6.52，2019年11月伏龙泉流域DB10处pH值最高位7.36。隧道入口排水5月呈强碱性，pH值为10.03，结合野外取样调查，隧道施工污水排入可能是造成隧道入口排水偏碱性重要原因，其余监测月份隧道入口排水pH值偏弱碱性。非岩溶区地表水呈中性偏弱碱性，pH值变化范围为7.82~8.38。江南乡泉群和伏龙泉流域在取样期间，pH值显示岩溶水处于正常酸碱性变化范围内（6.50~8.50），符合国家饮用水卫生标准。表3-1都巴高速沿线水点pH值统计分析江南乡泉群伏龙泉流域非岩溶区地表水隧道入口排水2019.05Max8.256.998.3810.03Min7.016.85Mean7.546.932019.08Max7.827.077.917.59Min6.856.6Mean7.096.722019.09Max7.877.348.087.66Min6.856.52Mean7.096.912019.11Max7.717.367.827.97Min6.816.62Mean7.136.881.1.2都巴高速沿线水点TDS及Ec变化TDS是指水中溶解组分的总量，包括水中的离子、分子及络合物，它能够表征研究区地下水水质的好坏。都巴高速沿线各水体TDS值季节变化不大，TDS值介于74.10~248.70mg·L-1之间，平均值为197.29mg·L-1。江南乡泉群TDS值略低于伏龙泉流域，非岩溶区地表水TDS值最低。研究区内各水体TDS相对稳定，水体矿化度较低，属于淡水（TDS<1000mg·L-1），符合饮用水标准。伏龙泉流域江南乡泉群伏龙泉流域江南乡泉群图3-1TDS及Ec变化曲线电导率的大小取决于水体中存在的离子，它是反映水质状况的重要指标，电导率的大小能初步确定水质状况，电导率的差异显示水中的溶解性离子浓度不同。都巴高速沿线各水点电导率未出现较大的季节变化，江南乡泉群水体电导率介于321.30~476.4µs·cm-1之间，平均值为386.53µs·cm-1。伏龙泉流域水体电导率介于415.90~492.60µs·cm-1之间，平均值为439.74µs·cm-1。非岩溶区地表水电导率最低，平均为180.68µs/cm；伏龙泉流域内悬挂泉出口（DB13）最高，为492.60µs/cm。隧道出口排水电导率平均为326.80µs/cm。伏龙泉流域内水体电导率高于都巴高速沿线其他各水体，表明伏龙泉流域受环境影响的程度较大。1.1.3都巴高速沿线各水点DO变化由表3-2可知，2019年5月江南乡泉群DO含量范围为6.39~10.45mg·L-1，平均值为8.18mg·L-1；非岩溶区地表水DO含量为7.97mg·L-1；伏龙泉流域DO含量范围为4.24~8.76mg·L-1，平均值为7.19mg·L-1；隧道入口排水DO含量为8.20mg·L-1。2019年8月江南乡泉群DO含量范围为6.27~8.03mg·L-1，平均值为7.20mg·L-1；非岩溶区地表水DO含量为7.71mg·L-1；伏龙泉流域DO含量范围为6.69~8.14mg·L-1，平均值为7.46mg·L-1；隧道入口排水DO含量为8.20mg·L-1。2019年9月江南乡泉群DO含量范围为6.59~8.07mg·L-1，平均值为6.98mg·L-1；非岩溶区地表水DO含量为8.14mg·L-1；伏龙泉流域DO含量范围为6.52~9.24mg·L-1，平均值为7.63mg·L-1；隧道入口排水DO含量为6.96mg·L-1。2019年11月江南乡泉群DO含量范围为4.81~14.08mg·L-1，平均值为8.21mg·L-1；非岩溶区地表水DO含量为10.09mg·L-1；伏龙泉流域DO含量范围为7.92~8.54mg·L-1，平均值为8.17mg·L-1；隧道入口排水DO含量为8.86mg·L-1。江南乡泉群及伏龙泉流域的DO含量大都处于正常范围内。表3-2都巴高速沿线泉点DO浓度与范围/mg·L-1江南乡泉群伏龙泉流域非岩溶区地表水隧道入口排水2019.05平均值8.187.197.978.25范围6.39-10.454.24-8.762019.08平均值7.207.467.718.20范围6.27-8.036.69-8.142019.09平均值6.987.638.146.96范围6.59-8.076.52-9.242019.11平均值8.218.1710.098.86范围4.81-14.087.92-8.541.2都巴高速沿线水体离子组分特征在使用水样分析结果前，应先对已有数据进行分析整理并进行阴阳离子的平衡性进行检验，保证数据的可靠性，误差在允许范围内才可进行相关的地下水化学分析。研究区阳离子当量浓度（TZ+=2Ca2++Na++2Mg2++K+）在2.23～6.64meq·L-1之间，平均为4.70meq·L-1；阴离子当量浓度（TZ-=HCO3-+2SO42-+NO3-+Cl-）在1.82～5.95meq·L-1之间，平均为4.38meq·L-1，江南乡泉群及伏龙泉流域阴、阳离子电荷基本达到平衡（阴阳离子电荷平衡差≤±5%）。由表3-3分析，研究区各水体优势离子为Ca2+和HCO3-。江南乡泉群地下水阳离子以Ca2+为主，平均含量范围为72.4~92mg·L-1；阴离子以HCO3-为主，平均含量介于217.16~280.6mg·L-1之间。伏龙泉流域阳离子以Ca2+为主，平均含量范围为98~100.66mg·L-1；阴离子以HCO3-为主，平均含量介于278.16~297.88mg·L-1之间。非岩溶区地表水阳离子以Ca2+为主，其含量介于32~38mg·L-1之间；优势阴离子为HCO3-，含量变化范围为101.7~122mg·L-1。隧道入口排水处2019年8月、9月主要阳离子为Ca2+，2019年5月、11月主要阳离子为K+和Na+，主要阳离子的变化可能受到隧道施工的影响；阴离子仍以HCO3-为主，浓度范围介于158.6~256.2mg·L-1之间。非岩溶区地表水及隧道入口排水的Ca2+含量比江南乡泉群及伏龙泉流域Ca2+含量低，隧道入口排水的Ca2+含量季节变化较大。研究区各水点Mg2+含量较低，且各点间含量差异不大，江南乡泉群Mg2+含量均值为2.16~6.48mg·L-1，其中2019年9月最高为6.48mg·L-1；非岩溶区地表水Mg2+含量为5.43mg·L-1；伏龙泉流域Mg2+含量均值为2.76~7.32mg·L-1，2019年5月最高为7.32mg·L-1；隧道入口排水Mg2+含量为0.78~9.45mg·L-1，2019年8月最高为9.45mg·L-1。江南乡泉群、伏龙泉流域及非岩溶区地表水各月K+和Na+总含量均低于10mg·L-1。2019年8月、11月隧道入口排水的K+和Na+总含量分别为68.75mg·L-1和55.44mg·L-1，岩溶地区地下水中的K+和Na+离子含量一般较低，其来源包括盐岩或含钠、钾的硅酸盐矿物溶解[53]，研究区出露的地层为碳酸盐岩地层，K+和Na+离子含量高值出现可能与隧道施工活动相对应。表3-3都巴高速沿线水体常量离子组分统计/mg·L-1Ca2+Mg2+K++Na+HCO3-SO42-NO3-Cl-江南乡泉群2019.0572.402.634.55217.164.525.135.312019.0881.502.161.44231.808.651.085.242019.0992.006.482.51280.604.674.084.012019.1184.802.827.09225.706.018.415.66伏龙泉流域2019.0598.007.321.22297.884.0551.301.932019.08100.331.752.28292.808.3710.294.252019.09100.662.761.28297.884.025.312.512019.11100.004.582.14278.164.7811.322.32非岩溶区地表水2019.0532.005.435.66115.901.684.081.172019.0834.001.775.46101.706.234.064.002019.0934.0016.805.19109.801.314.712.152019.1138.004.887.31122.001.321.312.15隧道入口排水2019.058.000.7868.75158.6010.4711.584.182019.0874.009.458.34256.209.4010.124.902019.0964.004.712.05250.105.5110.291.452019.1130.005.3955.44170.8012.770.161.89江南乡泉群SO42-含量均值范围为4.52~8.65mg·L-1，非岩溶区地表水SO42-含量为1.31~6.23mg·L-1，伏龙泉流域SO42-含量均值范围4.02~8.37mg·L-1，隧道入口排水SO42-含量为5.51~12.77mg·L-1。江南乡泉群Cl-含量均值范围为4.01~5.66mg·L-1，非岩溶区地表水Cl-含量为2.15~4.00mg·L-1，伏龙泉流域Cl-含量均值范围2.32~4.25mg·L-1，隧道入口排水Cl-含量为1.89~4.90mg·L-1。各泉点SO42-和Cl-含量不高，在监测期间变化较小。江南乡泉群NO3-浓度均值为1.08~8.41mg·L-1，非岩溶区地表水NO3-浓度为1.31~4.71mg·L-1，伏龙泉流域NO3-浓度均值为5.31~51.30mg·L-1，隧道入口排水NO3-浓度为0.16~11.58mg·L-1。江南乡泉群、非岩溶区地表水及隧道入口排水处NO3-浓度均较低。其中伏龙泉流域NO3-在2019年5月平均含量为51.3mg·L-1，远高于国家饮用水卫生标准（20mg·L-1），由于DB13处NO3-的高含量（258.8mg·L-1）影响，使流域内NO3-含量总体偏高，DB13泉点可能受到了农业活动（放牧产生的粪便）及人类活动等方面的影响。1.3都巴高速沿线水体水化学类型及其影响机制1.1.1都巴高速沿线水体水化学Piper图地下水的水化学组分主要由区域水文地球化学环境决定，但人类生产生活在一定程度上会改变地下水的水化学组分，改变地下水的水化学类型。Piper三线图能将大量不同水样点呈现在图上，依据其分布情况，解释水文地球化学问题，确定地下水的水化学类型，分析研究区水化学特征与演变规律，揭示控制地下水质量演变的水化学过程[50,51]。图1.3为都巴高速沿线水体Piper图，不同月份的Piper图分别表示有江南乡泉群、非岩溶区地表水、伏龙泉流域及隧道入口排水，揭示了不同月份不同流域的地下水水化学类型。图3-3a为2019年5月Piper图，江南乡泉群水样5组，伏龙泉流域水样6组，非岩溶区地表水样品1组，隧道入口排水样品1组。根据图1.3a可知，主导阳离子Ca2+平均毫克当量百分比为81.8%，仅在隧道入口排水水样中，碱金属元素（Na++K+）毫克当量百分比为84.01%，大于Ca2+浓度。主导阴离子HCO3-平均毫克当量百分比为94.33%，研究区水化学类型以HCO3--Ca2+型为主，伏龙隧道入口处排水点水化学类型为HCO3--Na+·K+型水，可能受到伏龙隧道施工的影响。非岩溶区地表水阳离子虽以Ca2+为主，但已趋向于非主导型。图3-3b为2019年8月Piper图，江南乡泉群水样4组，伏龙泉流域水样6组，非岩溶区地表水样品1组，隧道入口排水样品1组。根据图1.3b，主导阳离子Ca2+平均毫克当量百分比为89.7%，主导阴离子HCO3-平均毫克当量百分比为92.74%，因此研究区8月水化学类型以HCO3--Ca2+型为主，隧道入口排水水化学类型也变为HCO3--Ca2+型，可能与隧道的施工活动间歇期有关。图3-3c为2019年9月Piper图，江南乡泉群水样4组，伏龙泉流域水样6组，非岩溶区地表水样品1组，隧道入口排水样品1组。根据图1.3c，9月非岩溶区地表水主导阳离子为Ca2+和Mg2+，毫克当量百分比为51.5%和41.9%。江南乡泉群、伏龙泉流域及隧道入口排水主导阳离子为Ca2+，平均毫克当量百分比为91.87%。研究区内各水样主导阴离子HCO3-平均毫克当量百分比为96.1%，水化学类型为HCO3--Ca2+型。图3-3d为2019年11月Piper图，江南乡泉群水样5组，伏龙泉流域水样5组，非岩溶区地表水样品1组，隧道入口排水样品1组。江南乡泉群、伏龙泉流域及隧道入口排水主导阳离子为Ca2+，平均毫克当量百分比为88.7%，隧道入口排水主导阳离子转变为Ca2+、Na+和K+，水化学类型主要为HCO3--Ca2+型，隧道入口排水的阳离子处于非主导区内。图3-2都巴高速沿线水体Piper图都巴高速沿线各水点水化学类型季节变化不大，水化学类型以HCO3--Ca2+型为主，地下水化学组分主要受到碳酸盐岩矿物溶解作用的影响。隧道入口排水点受到隧道施工的影响，主导阳离子发生改变。1.1.2水化学Gibbs图分析Gibbs[52]通过对雨水、河湖水等大量样品的水化学数据分析，指出控制水化学成分的主要机制为大气降水、水-岩作用以及蒸发浓缩3个过程。Gibbs图可以直观反映出控制水化学组分变化的过程，定性判断大气降水、岩石风化以及蒸发浓缩作用对水化学影响的重要手段[54]。吴起鑫等[55]利用Gibbs图分析了南、北盘江水化学组成特征，岩石风化是控制南、北盘江水化学组分变化的主要因素。为确定研究区水化学组成的影响因素，将离子比值绘制Gibbs图（图1.4），图的中部左侧表示水-岩作用，右下区域表示大气降水作用，右上角表示蒸发浓缩作用。从图1.4可以看出，都巴高速沿线水样都落在了中间左侧部分，表明研究区水体离子组分的变化主要受到水-岩作用的控制，大气降水作用及蒸发浓缩作用影响较小。与伏龙泉流域相比，江南乡泉群泉点Na+/（Na++Ca2+）和Cl-/（Cl-+HCO3-）相对较高，表明江南乡泉群的风化速率较高[56]。非岩溶区地表水有向下扩展趋势，表明该水体在形成过程中受到水-岩作用和大气降水作用的双层影响，以水-岩作用为主。通过Gibbs图可以判断，水-岩作用是都巴高速沿线地下水水化学组分的主要形成机制。5月，伏龙隧道入口取样点的Na+/（Na++Ca2+）大于0.5，在低矿化度水体中Na+含量一般都很低，该处Na+含量为37.4mg·L-1，11月伏龙隧道入口水样中Na+含量为27.1mg·L-1。Na+一般来源于硅酸盐岩的风化、大气输入及人类活动[56]，研究区无蒸发盐岩出露，主要出露为碳酸盐岩，硅酸盐岩风化对Na+贡献可以忽略不计，隧道穿越层位高不受深部卤水的影响，；郭昆兴[57]等人对南宁地区大气降水观测表明，大气输入的Na+质量浓度约为8~14mg·L-1，伏龙隧道入口处Na+质量浓度明显高于大气输入量，表明Na+有其他来源[58]，可能受到隧道施工过程污水排入影响，使得该点Na+质量浓度明显高于其他泉点。地下水化学组成是自然因素与人类活动共同影响的结果，Gibbs图[59]不能将自然因素和人类活动对水化学组成的影响区分开来。农业[60,61]生产施肥及灌溉使得地下水中SO42-、Cl-和TDS浓度升高，改变地下水化学组分，矿产开采引起的地下水位下降导致蒸发浓缩作用的改变，影响水样在Gibbs图中的分布，对识别地下水组分的形成机制产生一定干扰。图3-3都巴高速沿线水样Gibbs图1.1.3离子比例系数分析在研究地下水化学组分时，一些水文地球化学问题可以用各种组分之间的离子比例系数来研究。离子比例系数可以用于判断地下水化学组分的来源、成因及形成过程，能更好地描述水化学成分在空间上的演化过程和特点，对水文地球化学演化进行剖析。为了更深入了解研究区地下水化学组分形成机制，对都巴高速沿线地下水离子比例系数的特征进行分析。1.1.1.1γCl-/γCa2+在地下水的化学组分中，各组分的含量比例系数常常用于水化学形成演化规律研究的重要指标[62-64]，判断地下水的成因。Cl-在流动滞缓地下水中富集，Ca2+是低矿化度水体中的主要阳离子。γCl-/γCa2+可以表明地下水的水动力条件[63,65]，γCl-/γCa2+值越小，表明地下水动力条件越好。江南乡泉群，非岩溶区地表水γCl-/γCa2+值最大，地下水径流较慢。伏龙泉流域中，伏龙泉泉口DB07、DB08和DB09的γCl-/γCa2+值均较小，水动力条件良好，伏龙隧道入口处排水γCl-/γCa2+值较大，相较于区内其他泉点，地下水径流较慢。江南乡泉群及伏龙泉流域地下水γCl-/γCa2