非含水層水質(zhì)咸化的“井水咸化”現(xiàn)象分析

孫國春,卞學洛

(1.北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院,北京 102218;2.天津市東麗區(qū)地下水資源管理中心,天津 300300)

由于與上覆咸水相鄰的第四系深層淡水咸化污染調(diào)查的復雜性,天津至今未立項開展專題研究。經(jīng)長期調(diào)查分析,認為能使咸、淡水保持數(shù)十萬年高濃度差的粘土隔層,雖未經(jīng)高圍壓的作用,但由于堿化也具有半透膜特性。開采相鄰含水層的地下水可使上覆咸水淡化越流,最終加快地表水的入滲。

東麗區(qū)大部分與咸水相鄰第Ⅱ含水組井的水質(zhì)惡化,并非含水層水質(zhì)的變化所致,也基本未發(fā)現(xiàn)有咸水底界下移的趨勢。為此在鑿井時改進封井隔水方法[1],并改變對上覆大陸鹽漬化咸水區(qū)電測曲線的判度,在包括部分原確定的咸化污染區(qū)內(nèi),大幅增加第Ⅱ含水組地下水的開采比例,多年水質(zhì)基本未發(fā)生變化。由于開采Ⅱ組地下水引起地層變形比值最低,近五年東麗區(qū)年均地面沉降量要比其他環(huán)城三區(qū)少近 10.4 mm[2]。由于與前人的結(jié)論相左,為此,將多年調(diào)查資料進行整理分析,擬澄清井水咸化與含水層咸化污染的區(qū)分,希望能使地下水開發(fā)利用更為科學合理。

1 中更新世及以上地層地下水現(xiàn)狀

東麗區(qū) 60m以淺地層系大約 0.13 Ma以來的晚更新世與全新世地層,為陸相與海相交互沉積,其下為洪泛平原與淺水湖泊沉積環(huán)境,并夾有不同厚度的沼澤相沉積物,由不同質(zhì)地的粘性土分隔為不同化學類型、不同濃度的海侵及大陸鹽漬化咸水層。含水層巖性以粉砂、粉細砂、細砂為主,受構(gòu)造影響,咸水底界深在 40～180 m之間。咸水濃度垂向分布呈上、下部位低,中部高;或上部高,下部低,TDS在 2.1～26.7 g/L之間。京山鐵路以北咸水 TDS偏高,為 ＞10g/L的鹽水;京山鐵路以南較低,TDS一般為 ＜10g/L的咸水;總硬度(CaCO3)為 670～6 168mg/L,均為極硬水(＞600 mg/L),以 Cl— Na型水為主 ,并有少量 Cl? SO4— Na? Mg、Cl? SO4—Na和 Cl—Na?Mg型水。咸水層地板起伏較大,其靜水位埋深由淺至深為 1.2～19m。

第Ⅱ含水組層底約在 150～210 m左右,大體相當約 0.78Ma以來的中更新世早期沉積,巖性以粉細砂、細砂為主。Ⅱ組地下水北部、東部的 TDS在 0.6～1.0 g/L之間,為淡水,以 HCO3—Na型水為主。中南、西南部受地熱異常、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造的影響,TDS在 1.0～1.6 g/L,為微咸水。絕大多數(shù)為極軟水,總硬度(CaCO3)＜75mg/L;在南、西南部分布有少量軟水(＜150 mg/L);主要為 HCO3?Cl—Na和 Cl?HCO3—Na型水,靜水位埋深 20～43m之間。

2 井水咸化分類

2.1 因淤積井深變淺水質(zhì)惡化

由于多數(shù)Ⅱ組水井是多段含水層取水,各含水層水質(zhì)均有差異,而且早期一些水井成井工藝差,含沙量偏高,淤積較快。

2003年在“華明新市鎮(zhèn)”在約 1 km2范圍內(nèi)先后開鑿第Ⅱ含水組水井四眼,對該組各含水層的水質(zhì)、水位有了較詳細的了解。在大量開采一段時間后個別水井深度發(fā)生變化,引起水質(zhì)發(fā)生變化,(見表 1)。

表1 華明新市鎮(zhèn)取水井深變后水質(zhì)變化情況 mg/L

新立街東揚場村及四合莊村兩眼取用Ⅱ組地下水的水井,均因掉泵造成水井淤積,覆蓋了下部水質(zhì)較優(yōu)的取水段,使井水惡化。上、下部位取水層水質(zhì)的差異可在圖 1中兩眼井自然電位(JDHZ)曲線電位差看出。近期在四合莊水井東約 300m和 800m處各開鑿同組取水層水井,其水質(zhì)與原井成井初期基本相同,(見表2 )。

圖1 井水 TDS增高與水井取水段變化示意圖

表2 因井深變化使Ⅱ組井水質(zhì)變化部分井統(tǒng)計表

2.2 含水層供水比例變化引起水質(zhì)變化

取用兩個或以上含水層的水井,水位下降均是下部含水層水位降幅大,(見圖 2),造成下部含水層的供水比例變小。如上部含水層水質(zhì)差,則井水水質(zhì)變劣;上部含水層水質(zhì)較好,則井水水質(zhì)變優(yōu)。

華明新市鎮(zhèn)4號水井開采一年后水質(zhì)略有惡化,其原因為各取水段水位下降不同所至。表 1中155m井淤積后上部含水層的水位在 24m左右,而同深的 4號井兩個取水段的水位在 28m(見表3 )。3號井 2006年 11月的水位,下部取水段的水位應降至 30 m以下。由于兩個取水段水位下降不同,造成上部水質(zhì)較差取水段的供水比例增加。使井水水質(zhì)變差。

圖2 小東莊鎮(zhèn)不同深度地下水位動態(tài)曲線圖

表3 華明新市鎮(zhèn)水井不同水位、水質(zhì)情況 mg/L

表3 中 5號井和 4號井的水質(zhì)均劣于 3號井,從水井自然電位曲線顯示 3號井 123～166 m含水層的水質(zhì)優(yōu)于 173～179 m含水層的水質(zhì)。水位下降時下部含水層的水位下降幅度大,造成下部含水層的供水比例減少,水質(zhì)則向好的方向變化。

表 4為歡坨村第Ⅱ含水組水井不同時期水位及水質(zhì)情況。歡坨村第Ⅱ含水組水位是在 1976年 1月開始觀測[4],推算 1974年 3月的水位在 5～6m。

表4 歡坨村Ⅱ組水井水位與水質(zhì)變化 mg/L

位于塘沽的天津堿廠Ⅱ組水井在上世紀末靜水位埋深超過 70m,因井水咸化停用。近幾年水位上升至 30m左右,惡化的井水水質(zhì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

2.3 上部咸水或微咸水進入水井的影響

眾多錄象資料顯示,井管咸水段銹蝕破損處咸水進入井內(nèi)(照片 1),及取用水質(zhì)差異較大兩個及以上取水段井,因水位差在濾管進水孔周圍都附著有不同數(shù)量的沉淀物,透水性變差,如水質(zhì)、溫度差異較大可使濾管過水孔全部堵塞,(照片 2)。

照片 1 上覆地層中咸水經(jīng)井管破損處進入井內(nèi)

照片 2 濾水管進水孔被過飽和沉淀物堵塞

深層淡水的咸化污染過程中有數(shù)不清的可改變地下水系統(tǒng)中咸化污染物濃度的化學和物理化學等反應,但反應會受到多種因素的影響。

咸水中的CO2含量高低對其溶解能力有很大的影響,當含量高時能較多地將地層中難溶的 CaSO?2H2O、CaCO3及 MgCO3溶解,在水中形成可溶性的硫酸鹽、重碳酸鹽,其中化學反應之一為：CaCO3+CO2+H2O←→Ca2++2HCO3-,是可逆反應。

表5 水中游離 CO2含量與水滴落時間關(guān)系 ppm[5]

當CO2高含量的咸水、微咸水從地層中經(jīng)破漏部位或上部取水段井管進水孔流出,使CO2含量減少,溶解度降低,井內(nèi)錄象中可見到在上部取水段進水孔處析出的少量沉淀物;如破損在靜水位以上,再經(jīng)過曝氣,CO2含量進一步減少(見表 5);進入高于咸水溫度的井水中,溶解能力進一步降低,成為過飽和溶液向固相轉(zhuǎn)化：Ca2++2HCO-→CO2↑+H2O+CaCO3↓。漏咸水井治理前后的水溫、CO2及水質(zhì)變化,(表 6)。

表6 四合莊村北機井水質(zhì)分析表 mg/L

硫酸鹽、重碳酸鹽的溶解度與溫度有關(guān),溫度高時溶解度就會降低。當上部低溫的碳酸、硫酸鹽類非飽和咸水進入溫度較高的下部淡水層時,即成為過飽和水,污染物質(zhì)向固相轉(zhuǎn)化。NaCl濃度與 CaCO3、MgCO3及 CaSO?2H2O的飽和度關(guān)系密切。高 NaCl的碳酸、硫酸鹽類非飽和咸水進入水體硬度相對較高的淡水含水層,NaCl濃度將不斷降低,飽和溶解度則因 NaCl含量減少不斷降低成為過飽和溶液,向固相轉(zhuǎn)化。

季節(jié)及非連續(xù)開采的咸水、微咸水與淡水混合井及漏咸量較小的水井,非開采時段上部咸水、微咸水在水位差的作用下,進入井內(nèi)析出的沉淀物堵塞了下部淡水進水孔處濾管,隨開采時間的延長,沉淀物被逐漸融解和沖出,使井水中淡水比例逐步增大。如松務儲運場 1985年成井的Ⅱ組混采井,因地下水硬度較高,而用量小,多年 Cl-在 300～400mg/L之間變化。2007年因該地施工用水量增大,使井水淡化。2008年在該井北約 300m處新鑿一眼未取用過渡帶含水層的同組井,雖歷經(jīng) 23年的混采,含水層中地下水水質(zhì)基本未受到影響。

表7 松務儲運貨場機井水質(zhì)變化統(tǒng)計表 mg/L

2.4 咸化水井的部分淡水含水層未受咸水入侵

永和、胡張莊村位于塘沽農(nóng)場斷裂西測,對已咸化的水井做抽水試驗時,在開泵初有一時段為淡水,與該地第Ⅱ含水組地下水本底質(zhì)相差無幾。后在該地鑿井電測資料顯示,兩眼咸化水井最上部 136～144m的取水段的含水層水質(zhì)并未咸化。推測該段含水層在污染源處并無分布,因水位高,下部含水層的咸化污染水無法入侵。這也顯示在附近有斷裂破碎帶,有強水動力場、及地下水的硬度極低的環(huán)境下,雖入滲咸水的水平運移速度較快,卻沒有發(fā)生上覆咸水下滲入侵。

表8 胡張莊 4隊開井 3.5分鐘水質(zhì)情況表 mg/L

圖3 胡張莊村 4隊、5隊咸化水井排水時間與氯離子變化曲線

2.5 管外封井隔水部位失效導致井水質(zhì)的變化

軍糧城街魏王村Ⅱ 組飲水井,1984年成井時Cl-含量為200mg/L,80年代后期井水逐漸咸化。1999年做咸化污染調(diào)查抽水試驗,在開井 3～3.5分鐘時有一段咸化程度較高的出水,其 TDS為 2.85 g/L,Cl-為 975mg/L,Cl—Na型水,而其他時段 TDS約在 1.94 g/L,為 Cl? HCO3—Na型水。

圖4 魏王村Ⅱ組咸化污染水井排水與 Cl-變化示意圖

1999年該井北部 30m處鑿井,其 175 m以上的電測曲線與 1984年的基本相同。該井當時咸水底界定為 95 m,實際應在過渡帶下部的 112 m。井管外封閉隔水部位有效長度短,封井隔水所用的又是本地的鈉粘土,而上覆的是富鈣鎂的大陸鹽漬化咸水,在入滲時發(fā)生 Ca2+→Na+交換,使封井隔水土體收縮,在水泵開停的水位差反復沖擊下受到破壞,成為咸水越流通道。雖井水受到咸化污染,但因該井在調(diào)查時尚未停止使用,入滲咸水不斷被排出,而且該地第Ⅱ含水組也沒有大的水動力場,其咸化污染程度要比永和—胡張莊咸化污染區(qū)輕。

圖 5 魏王莊咸化污染區(qū)不同時期測井曲線對照圖

該地為大陸鹽漬化咸水區(qū),TDS相對較低。咸、淡水之間為較厚的過渡帶。因其電阻值比海侵型咸水高,沿海河斷裂帶附近有眾多咸水底界深誤判的水井,是造成中南部大部分Ⅱ組井水咸化的主要原因。

2.6 部分含水層對咸水入侵具有自凈能力

含水層中的砂粒都含有一定膠質(zhì)粘土,即使看來是很潔凈的砂層膠體特征也十分明顯。當膠質(zhì)粘土為鈣鎂膨潤土,雖 Ca2+交替吸附能力比 Na+大,但入滲咸水中 Na+含量增高到一定值時,粘土膠體將發(fā)生物理化學反應,出現(xiàn) Na+→Ca2+或 Na+→Mg2+交換(表 9)。 因 Ca2+、Mg2+是二價,而Na+是一價,二個 Na+將置換一個 Ca2+或 Mg2+,Na+、Ca2+、Mg2+半徑分別為 0.095 nm、0.099 nm、0.065 nm,兩個Na+要比一個 Ca2+、Mg2+所需要的空間大。粘土片晶吸附陽離子成份發(fā)生變化,促使晶格的尺寸增大而膨脹,滲透率降低。當中水 Ca2+增加成為過飽和水發(fā)生沉淀,其污染程度會逐步減輕,對咸水入滲具有一定的自凈能力。

表9 溶液 Na：Ca比對土壤交換吸附的影響 mol/L[6]

新立鎮(zhèn)斷裂帶西側(cè)的四合莊北,兩眼同深度井相距300m,靠斷裂帶近的水井含水沙層固化程度較高砂礓石密度大,兩眼井含水層厚度相似,但單位涌水量相差近 4倍。

數(shù)十萬年來高水頭的巖溶地下水經(jīng)斷裂帶入侵第四系各含水層中,在入侵過程中,首先在斷裂帶兩側(cè)成為過飽和水發(fā)生持續(xù)的沉淀,使含水層滲透系數(shù)大幅降低。當深層地下水水位下降,上覆咸水經(jīng)斷裂就難以進入淡水層中。中更新世晚期仍活動的斷裂,堵塞的部位會受到破壞。

3 結(jié)論

“井水咸化”并不等同于含水層中地下水咸化。取用兩個及以上水質(zhì)有差異含水層的水井井深、水位以及開采強度的不同,等使用環(huán)境的變化引起井水水質(zhì)變化,與含水層的水質(zhì)無關(guān)。在地下水的硬度較高的地段,含水層粘土中的Na+→Ca2+Na+→Mg2+交換,可不同程度或全部阻止的咸水入侵含水層。

在附近有裂至上、中更新統(tǒng)的活動斷裂帶及次生斷裂帶分布的地段,大量開采與其相鄰的地下淡水,東麗區(qū)發(fā)生較為嚴重的地下水咸化污染地段均有活動斷裂帶或分布。

選取水質(zhì)監(jiān)測井,應做水質(zhì)監(jiān)測抽水試驗如圖 4。在監(jiān)測水質(zhì)同時還應監(jiān)測水位、水溫或井深。一些異?，F(xiàn)象的出現(xiàn)是可遇不可求的,如能加大基層科研投入,就可能了解到更多的情況。

[1]卞學洛,合理選用封井粘土提高隔水效果[J].地下水.2001,23(4)：205.

[2]2004年、2005年 、2006年、2007年、2008年天津市地面沉降年報[M].天津市控制地面沉降工作辦公室.

[3]東麗區(qū)水利志[M].天津市：天津科學技術(shù)出版社,1996,61.

[4]天津市市郊地下水位年鑒(1976-1980年)[R].天津市地質(zhì)局,1981.9,78～79.

[5][日]豊田環(huán)吉,吳自邁譯.工業(yè)用水及水質(zhì)管理[M].中國：建筑工業(yè)出版社,1978.10,47.

[6]王遵親,祝壽泉等.中國鹽漬土[M].科學出版社 1993.12,94.