《Hydrology》：Hydrogeochemical Assessment of Groundwater Quality in Basaltic and Alluvial Aquifers, Al Madinah Al-Munawwarah, Saudi Arabia
Hamdy Hamed Abd El-Naby,
Yehia Hassan Dawood and
Abduallah Abdel Aziz Sabtan
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本文对沙特麦地那地区的玄武岩与冲积含水层进行了系统性地下水质量评估。研究发现，地下水普遍呈现高盐度、高总溶解固体（TDS）及硝酸盐污染特征，多数水质参数超出海湾与国际标准，反映出强烈的人为（城市化、农业）与自然（矿物溶滤、水岩相互作用）共同作用的影响。研究通过水文地球化学与统计模型，有效区分了污染的自然与人为来源，强调了在该干旱地区进行持续监测与管理以确保地下水资源可持续利用的紧迫性。
引言
城市化进程加剧了对城市地下水系统的压力，导致工业排放、农业径流等污染问题日益严重。地下水作为重要的淡水资源，在干旱半干旱地区尤其关键。沙特麦地那作为重要的朝觐城市，面临着水资源短缺与地下水质量下降的双重挑战。当地含水层主要由裂隙性前寒武纪岩石和沉积层构成，开采强度大。高气温、低降雨和过量开采导致水资源稀缺。为了可持续利用地下水，需要综合评估其水质，并厘清自然地质过程和人为活动对污染物水平的控制作用。
研究区地质
研究区位于沙特阿拉伯麦地那，面积约589平方公里。其地质框架主要由哈拉特·拉哈特玄武岩和第四纪冲积沉积物构成。玄武岩含水层主要由富含斜长石、辉石和橄榄石的玄武岩熔岩流组成，化学风化过程可向地下水释放Ca2+、Mg2+、Na+等主要阳离子。冲积含水层则由砂、砾石和粘土互层组成，其矿物成分（如石英砂、长石、粘土矿物、碳酸盐和蒸发岩矿物）通过溶解、离子交换等过程显著影响地下水化学。这种地质组成的差异直接决定了两个含水层不同的水文地球化学行为。
水文地质背景
研究区地下水系统主要分为两个部分：由玄武岩构成的玄武岩含水层，以及由第四纪冲积沉积物构成的冲积含水层。玄武岩含水层的透水性主要受囊泡、垂直裂隙、熔岩流边界及风化带控制，平均导水系数约为260 m2/天。冲积含水层的透水性则受粘土含量影响而变化，平均导水系数约为242 m2/天。两个含水层的补给主要来源于有限的降雨和地表径流入渗，以及周围区域的侧向地下径流。干旱气候下的高蒸发率是导致地下水盐度升高的关键因素。
材料与方法
研究共采集了44个地下水样本（20个来自玄武岩含水层，24个来自冲积含水层）。采样时使用GPS精确定位，并现场测量pH、温度和电导率（EC）。水样使用高密度聚乙烯瓶采集并妥善保存，送至实验室后，使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、火焰原子吸收光谱（FAAS）和X射线荧光光谱（XRF）等多种技术分析主要离子、理化参数和重金属。研究还采集了14个邻近水井的基岩样本进行对比分析。数据分析采用了皮珀三线图进行水化学相分类，并利用斯皮尔曼等级相关分析和独立样本t检验来揭示变量间关系及两个含水层间的差异。
结果与讨论
理化参数与主要离子浓度
分析显示，两个含水层的地下水总溶解固体（TDS）、电导率（EC）和总硬度（TH）值均很高，且冲积含水层的数值普遍高于玄武岩含水层，多数超过了海湾合作委员会标准组织（GSO）、世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（US EPA）的允许限值。皮珀图显示，水样主要属于氯化钠型和硫酸钙型，表明蒸发岩矿物（如石盐和石膏）的溶解是导致高盐度的主要原因。主要离子（Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO42-、NO3-）浓度在冲积含水层中更高，且多数超出允许限值。pH值处于中性至弱碱性范围，符合饮用水标准，但高浓度的特定离子引发了对其安全性的担忧。高浓度的钙、钠、氯化物、硫酸盐和硝酸盐可能分别导致肾结石、脱水、心血管问题、腹泻和婴儿高铁血红蛋白血症等健康风险。
重金属浓度
分析了27种重金属。根据浓度与标准限值的比较，可将其分为两类：
- 1.
浓度在允许限值内的金属：包括Ag、Ba、Be、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Sb和U。
- 2.
浓度在至少一个样本中超出允许限值的金属：包括Zn、Al、As、Se和Tl。
其中，冲积含水层的个别水井中Zn、Al、As、Se和Tl浓度超标，而玄武岩含水层中多个水井的硼（B）浓度超标。重金属浓度的升高主要归因于水岩相互作用（特别是与花岗岩、霏细岩等岩石的相互作用）以及农业活动（如施用含砷、锌的化肥）。高浓度的砷、铝、硒、铊和硼分别与神经毒性、认知障碍、硒中毒、器官损伤及植物毒性相关。
玄武岩与冲积含水层的对比统计分析
斯皮尔曼相关分析显示，两个含水层中EC、TDS与主要阳离子均呈强正相关，表明溶解固体主要由离子成分控制。在玄武岩含水层中，硝酸盐（NO3-）与K+、Mg2+、Na+呈中度至强正相关，暗示其部分受含水层基质地球化学作用影响。而在冲积含水层中，硝酸盐与主要离子的相关性弱或为负相关，表明其更可能来源于地表输入（如农业或人为源）。独立样本t检验结果表明，两个含水层在多种主要离子和理化参数的平均浓度上存在显著差异，冲积含水层的平均值普遍更高。在重金属方面，冲积含水层中Ag、As、B、Br、Cd、Se和U的平均浓度显著更高，而Ba在玄武岩含水层中浓度更高。
影响地下水质量的来源与过程
矿物溶解与沉淀：饱和度指数计算表明，大多数水样对方解石和白云石过饱和，而对石膏、硬石膏和石盐不饱和或接近饱和。这表明碳酸盐矿物的沉淀和硫酸盐、氯化物矿物的持续溶解共同控制着地下水的离子组成。
硝酸盐的贡献：地下水中高浓度的硝酸盐主要来源于化学肥料和动物粪便的施用。在玄武岩含水层，硝酸盐与氯化物的中度正相关暗示了污水渗漏的部分贡献；而在冲积含水层，两者相关性弱，表明污水影响有限。硝酸盐与钾、钠、镁的正相关（尤其在玄武岩含水层）进一步印证了农业化肥的影响。
地下水补给过程：降雨后对13个冲积含水层水样的重新采样显示，大多数微量元素和重金属浓度因雨水稀释而下降，但Rb、Al、Ba、Hg和Cr的浓度却有所上升，这可能是因为它们更容易从宿主矿物（如长石）中溶解和释放出来。
水岩相互作用：通过对比水样和邻近岩石样本的元素平均浓度，发现两者间存在正相关关系。这强烈表明，当地岩石的化学风化是地下水中溶解元素的主要来源。高于1:1参考线的元素（如Na+、K+）具有更高的迁移性，而低于参考线的元素（如Cr、Ni、Pb）则因低溶解度或吸附作用而迁移性受限。
概念性水文地球化学模型
综合研究结果，提出了一个概念模型来解释麦地那地区地下水的演化与质量。在干旱气候下，有限的降雨入渗是主要补给来源。补给水下渗过程中，与玄武岩和冲积沉积物发生强烈的水岩相互作用。硅酸盐矿物的风化提供Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3-，而碳酸盐和硫酸盐矿物的溶解-沉淀平衡则控制着主要的离子浓度。强烈的蒸发作用导致盐分浓缩，水化学类型由最初的Ca-HCO3型向Ca-SO4型，最终向Na-Cl型演化。人为输入（农业化肥、污水）进一步加剧了硝酸盐、钾及部分重金属（如As、Zn）的污染，这种影响在渗透性更好、滞留时间更长的冲积含水层更为显著。
结论
对麦地那地区玄武岩和冲积含水层的地下水质量评估表明，地下水普遍呈现高盐度（高TDS、EC、TH）和高硝酸盐污染特征，水化学类型以氯化钠和硫酸钙型为主。多项参数超过国际标准，限制了其饮用和农业用途。重金属污染方面，Zn、Al、As、Se和Tl在部分水样中超标。污染是自然过程（矿物溶解、水岩相互作用、蒸发浓缩）与人为活动（农业径流、化肥使用、城市化）共同作用的结果。统计分析和概念模型有效区分了不同来源的贡献。冲积含水层因更易受到地表活动影响，其污染程度总体高于玄武岩含水层。这些发现凸显了在该干旱地区对地下水资源进行持续监测、制定有效管理策略以实现可持续利用的紧迫性和必要性。
