天津地鐵2號(hào)線淺層地下水水化學(xué)特征及演化規(guī)律研究

劉 鑫，黃 濤

(1.中鐵上海設(shè)計(jì)院天津分院，天津 300102;2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756)

在地下隱蔽工程中，淺層地下水常常會(huì)對(duì)工程的基礎(chǔ)設(shè)施及建筑材料造成腐蝕性干擾［1］，這就會(huì)對(duì)地下隱蔽工程的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)不可避免的影響。特別的，在濱海地區(qū)，由于人類(lèi)過(guò)量開(kāi)采地下水，使淡水與海水之間的平衡狀態(tài)遭受破壞，結(jié)果導(dǎo)致?；蚺c海水有直接動(dòng)力聯(lián)系的高礦化度地下水沿含水層向陸地方向運(yùn)移，使咸淡水界面不斷向陸地方向移動(dòng)，造成海侵［2］，從而使濱海地區(qū)有一套海陸交互相沉積層，使得地下水類(lèi)型多變，內(nèi)部各層地下水之間水力聯(lián)系復(fù)雜等情況出現(xiàn)［3］。因而其水化學(xué)成分相比于內(nèi)陸城市要復(fù)雜的多，表現(xiàn)出更為獨(dú)特的水化學(xué)特征［4］。因此，在濱海地區(qū)進(jìn)行地下工程時(shí)，確定工程所在地淺層地下水的水化學(xué)特征尤顯得更為重要。它是正確評(píng)價(jià)地下工程場(chǎng)地內(nèi)地下水腐蝕性的重要依據(jù)。準(zhǔn)確的分析地下水水化學(xué)特征對(duì)于地下工程基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕性防治有很大的指導(dǎo)意義［1］。

對(duì)于地下水水化學(xué)特征研究的方法，重點(diǎn)集中于地下水的水質(zhì)、腐蝕性等方面。如通過(guò)地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型來(lái)確定地下水組分，該方法一般不考慮水—巖系統(tǒng)中復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，還需要運(yùn)用大量的特征值法及質(zhì)點(diǎn)追蹤法進(jìn)行數(shù)據(jù)求解，費(fèi)時(shí)費(fèi)力［5］。利用統(tǒng)計(jì)性描述方法來(lái)確定地下水化學(xué)成分，則需要配合相關(guān)性分析及回歸性分析，大多比較復(fù)雜，且結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確［6］。欒長(zhǎng)青等人運(yùn)用反應(yīng)路徑模擬方法分析研究了鄂爾多斯盆地含水層地下水的演化過(guò)程，不僅給出系統(tǒng)平衡時(shí)的物質(zhì)濃度，且給出了系統(tǒng)從非平衡到平衡這一變化的過(guò)程。Jin等通過(guò)質(zhì)量平衡計(jì)算方法，表明了白云巖的溶解是密歇根州地下水演化的主要過(guò)程，量化了其證明過(guò)程。上述方法可以有效的描述地下水的演化過(guò)程，但大多過(guò)程繁瑣，且計(jì)算量較大。

Piper三線圖解法是一種分析水文地球化學(xué)數(shù)據(jù)的一種極其常用的工具，因其簡(jiǎn)潔明了、直觀形象的表明了地下水常量離子的相對(duì)含量和一般化學(xué)特征而被廣泛應(yīng)用。該方法無(wú)需考慮地下水中復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，它主要依據(jù)某區(qū)域水樣資料，通過(guò)將水樣資料標(biāo)注在特定的圖上，可以分析該地區(qū)地下水的一般水化學(xué)特性。本文引入Piper三線圖法對(duì)天津地鐵2號(hào)線淺層地下水進(jìn)行分析，結(jié)合區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)資料建立水化學(xué)特征及演化規(guī)律分析評(píng)價(jià)體系，直觀形象的反映出地下水水化學(xué)類(lèi)型及各常量離子的相對(duì)含量、分布情況，從分析場(chǎng)地內(nèi)地下水水化學(xué)特征，并判斷其空間分布及水化學(xué)特征的影響因素。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

天津地鐵2號(hào)線為天津市東西向的骨干交通線西起西青區(qū)曹莊，途經(jīng)廣樂(lè)道 (規(guī)劃)—黃河道—南馬路—進(jìn)步道—鐵路天津站—華昌大街—衛(wèi)國(guó)道，穿過(guò)外環(huán)線至終點(diǎn)李明莊車(chē)輛段，正線全長(zhǎng)22.789km。連接了西青區(qū)、南開(kāi)區(qū)、和平區(qū)、河北區(qū)、河?xùn)|區(qū)和東麗區(qū)6個(gè)行政區(qū)，如圖1所示。本文選取天津地鐵2號(hào)線中咸陽(yáng)路、鼓樓段及津赤路至李明莊3個(gè)站段進(jìn)行淺層地下水地下水水化學(xué)特征分析研究。

圖1 天津地鐵2號(hào)線線路概況Fig.1 Figure of Tianjin subway line2

1.2 地層巖性

天津市地鐵2號(hào)線地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層 (人工堆積QmL)，第I陸相層 (第四系全新統(tǒng)上組河床～河漫灘相沉積Q43al)、第I海相層 (第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積Q42m)、第Ⅱ陸相層 (第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沉積Q41h)、第Ⅱ陸相層 (第四系全新統(tǒng)下組河床～河漫灘相沉積Q41al)、第Ⅲ陸相層 (第四系上更新統(tǒng)五組河床～河漫灘相沉積Q3eal)、第Ⅱ海相層 (第四系上更新統(tǒng)四組濱?！毕珟喑练eQ3dmc)、第IV陸相層 (第四系上更新統(tǒng)三組河床～河漫灘相沉積 Q3cal)［7］。

淺層地下水，指地表以下的潛水和潛水—微承壓水，可以直接接受大氣降水和地表水的補(bǔ)給，其埋深一般在100m以內(nèi)。在天津市區(qū)，淺層地下水的埋深一般在70m以內(nèi)，即位于第IV海相層以上。而地下工程開(kāi)挖建設(shè)一般都在30～40m以上，這一埋深的地下水有可能對(duì)該地區(qū)的地下工程產(chǎn)生腐蝕，因此將本文所研究的淺層地下水界定為天津市區(qū)內(nèi)埋深在30～40m，即第Ⅱ海相層 Q3dmc以上的地下水［8］。

本文所研究的淺層地下水多賦存與第I海相層粘性土、粉土及第Ⅱ陸相層粘土、粉砂［7］。第I海相層勘頂板高程范圍為3～11m左右，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，排泄以蒸發(fā)為主，水位受季節(jié)影響較大，水位多年變化平均值約0.8m。該含水層基本由粉質(zhì)粘土與粉土互層狀組成，局部地段夾有粉砂薄層，提高了粘性土的富水性及滲透性。但水平、垂直向滲透性差異較大。

第Ⅱ陸相層及其以下的粉土、粉砂層為微承壓水含水層，常被粘性土分隔為多層含水層，各含水層分布不很穩(wěn)定，其頂部隔水層分布較為穩(wěn)定，以⑤1、⑥1層為主要隔水層頂板，以⑥2、⑦2、⑦3層為主要含水層，以⑦1層為相對(duì)隔水層。該層地下水水位受季節(jié)影響較小。微承壓水穩(wěn)定水位埋深2.12～2.4m，微承壓水頭為含水層頂至穩(wěn)定水位距離［9］。

2 實(shí)驗(yàn)與方法

2.1 水樣采集與水化學(xué)成分分析

地下水是一種復(fù)雜的多成分溶液，含有氣體、離子、膠體、有機(jī)質(zhì)和微生物。其中，六大常量離子(Na++K+、Ca2+、Mg2+、SO2-4、Cl-、HCO-3)是地下水中最常出現(xiàn)的離子指標(biāo)，他們分布最廣、含量較多，基本可以決定地下水化學(xué)類(lèi)型和特征;礦化度是水化學(xué)成分中體現(xiàn)水質(zhì)量的重要綜合指標(biāo)。故本節(jié)選取六大常量離子和礦化度作為分類(lèi)標(biāo)示變量進(jìn)行分析。于3個(gè)場(chǎng)地內(nèi)不同深處分別取水樣，共選取32組，其中潛水22組，微承壓水10組。對(duì)這些水樣進(jìn)行水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)分析，得到地下水陰陽(yáng)離子毫克當(dāng)量百分比統(tǒng)計(jì)表 (表1～表3)及天津地鐵2號(hào)線淺層地下水礦化度分類(lèi)統(tǒng)計(jì)表 (表4)，其結(jié)果可作為2號(hào)線3個(gè)站段Piper圖解所需的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 咸陽(yáng)路站地下水陰陽(yáng)離子毫克當(dāng)量百分比統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of the milligram equivalent percentage of groundwater ions at Xianyang road station

表2 鼓樓站地下水陰陽(yáng)離子毫克當(dāng)量百分比統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of the milligram equivalent percentage of groundwater ions at Gulou station

表3 津赤路至李明莊段地下水陰陽(yáng)離子毫克當(dāng)量百分比統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of the milligram equivalent percentage of groundwater ions from Jinchi road station to Limingzhuang station

表4 天津地鐵2號(hào)線淺層地下水礦化度分類(lèi)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Classification statistical table of the mineralization in shallow groundwater along Tianjin subway line2

按照《水文地質(zhì)術(shù)語(yǔ)》(GB/T14157-93)的定義，礦化度小于1.0g/L的地下水為淡水;礦化度在1.0～3.0g/L之間的地下水為微咸水;礦化度在3.0～10.0g/L之間的地下水為咸水;礦化度在10～100g/L之間的地下水為鹽水;礦化度大于100g/L的地下水為鹵水。

由表4可知:淺層潛水中礦化度均值微大于3000mg/L，以1～3g/L的微咸水 (58.9%)為主;而淺層微承壓水中礦化度均值大于9000mg/L，以10～100g/L的鹽水 (61.6%)為主。

2.2 Piper圖解法

Piper三線圖由一個(gè)菱形和兩個(gè)在下方的三角形構(gòu)成。左下方的三角形的三條邊分別代表陽(yáng)離子中Na++K+、Ca2+、Mg2+的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù);右下方的三角形的三條邊分別代表陰離子中Cl-、HCO3-、SO24-的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)。任意一水樣的陰陽(yáng)離子的相對(duì)含量在兩個(gè)三角形中分別表示出來(lái)，得到兩個(gè)點(diǎn)，兩點(diǎn)向上方菱形的引線相交得到一交點(diǎn)，表示此水樣的陰陽(yáng)離子相對(duì)含量。通過(guò)Piper三線圖中的主要離子可以劃分水化學(xué)相的類(lèi)型，這就可以描述地下水體的化學(xué)成分，從而分析含水層中的水流模式以及水巖相互作用［10，11］。

本文結(jié)合地下水陰陽(yáng)離子毫克當(dāng)量百分比統(tǒng)計(jì)表 (表1～表3)，利用AqQA軟件繪制Piper三線圖，圖解分析天津地鐵2號(hào)線3個(gè)沿線站段區(qū)域內(nèi)不同深度淺層地下水的水化學(xué)類(lèi)型特征 (圖1、圖3)。

3 Piper圖解

3.1 咸陽(yáng)路站地下水的Piper圖解

咸陽(yáng)路段處于天津市區(qū)西部，是地鐵2號(hào)線起始段。由圖2可知，西部地區(qū)淺層地下水中堿金屬含量超過(guò)堿土金屬含量、強(qiáng)酸根含量超過(guò)弱酸根含量;陽(yáng)離子以鈉鉀型為主、陰離子主要為氯離子型和非主導(dǎo)型。

圖2 咸陽(yáng)路站地下水的Piper圖解Fig.2 Piper diagram of groundwater at Xianyang station

3.2 鼓樓站地下水的Piper圖解

鼓樓段處于天津市區(qū)中部，地鐵2號(hào)線中間段。該區(qū)地形基本平坦，巖性多變，地下水位較高，多為中硬場(chǎng)地土和中軟場(chǎng)地土所構(gòu)成。由圖3可知，中部地區(qū)淺層地下水中堿金屬含量超過(guò)堿土金屬含量、強(qiáng)酸根含量超過(guò)弱酸根含量;陽(yáng)離子以鈉鉀型為主、陰離子主要為氯離子型和非主導(dǎo)型。

圖3 鼓樓站地下水的Piper圖解Fig.3 Piper diagram of groundwater at Gulou station

3.3 津赤路段地下水的Piper圖解

津赤路至李明莊段處于天津市區(qū)東部，地鐵2號(hào)線末端，該區(qū)巖性多變，場(chǎng)地較為復(fù)雜，地下水位較高，場(chǎng)地土多為軟弱～中硬土所構(gòu)成。由圖4可知，中部地區(qū)淺層地下水中堿金屬含量超過(guò)堿土金屬含量、強(qiáng)酸根含量超過(guò)弱酸根含量;陽(yáng)離子以鈉鉀型為主、陰離子主要為氯離子型。

圖4 津赤路至李明莊段地下水的Piper圖解Fig.4 Piper diagram of groundwater at Jinchi road station to Limingzhuang station

4 結(jié)論與分析

4.1 水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)對(duì)三個(gè)站段Piper圖所反映的水化學(xué)類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，可以綜合反映天津地鐵2號(hào)線淺層地下水主要水化學(xué)類(lèi)型的變化趨勢(shì)。為說(shuō)明天津地鐵2號(hào)線水化學(xué)類(lèi)型總體特征，本節(jié)按照數(shù)量百分比位居前7位的水化學(xué)類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)類(lèi)分析。如圖5所示。

圖5 天津地鐵2號(hào)線淺層地下水化學(xué)類(lèi)型Fig.5 Chemical types of shallow groundwater cdong Tianjin subway line2

由圖5可知，天津地鐵2號(hào)線淺層地下水的水化學(xué)類(lèi)型中，主要的7種水化學(xué)類(lèi)型占水化學(xué)類(lèi)型總數(shù)的78.38%，SO4·Cl-Na·Mg型水、HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水及HCO3·Cl-Na型水占總數(shù)47.75%，為地下水主要水化學(xué)類(lèi)型。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，大部分監(jiān)測(cè)井中地下水的Q(Na+)/Q(Cl-)系數(shù)大于1，表明該地區(qū)地下水整體上水巖相互作用較弱［12］，地下水補(bǔ)給—徑流—排泄條件較差，水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，地下水交替較慢，含水層中易溶組分如HCO3-、SO24-等受淋濾并隨地下水徑流稀釋的幾率小，形成以高礦化度、水化學(xué)類(lèi)型較復(fù)雜的地下水。

4.2 水化學(xué)特征空間分布

由于本文所選取的3個(gè)站段分別位于天津地鐵2號(hào)線西、中、東部，且相距較遠(yuǎn)，研究區(qū)內(nèi)淺層地下水可依據(jù)此3個(gè)站段作東西向的空間分布分析。

分別對(duì)3個(gè)站段Piper所反映出的主要離子百分比含量取均值，可以得到東西向主要離子濃度對(duì)比圖 (圖6)。由圖6可知，3個(gè)站段中，淺層地下水的水化學(xué)特征相似程度較高;地鐵2號(hào)線東西向相對(duì)離子含量差別不大，其中Na+和Cl-占主導(dǎo)地位，西部站段Na+與Cl-略低于中部和東部;但Ca2+、HCO3-和SO24-含量要略高于其他兩段。淺層地下水在向中部和東部運(yùn)移過(guò)程中，常量離子逐漸稀釋?zhuān)珻a2+、Mg+濃度逐漸降低;Cl-始終較高，為保守離子，可作為地下水中水化學(xué)變化的指示離子。

圖6 天津地鐵2號(hào)線淺層地下水東西向離子相對(duì)含量對(duì)比 (%)Fig.6 Relative contents of shallow groundwater ions in latitudinal direction

圖7可以反映天津地鐵2號(hào)線淺層地下水垂直向水化學(xué)特征規(guī)律。在埋深11～15m范圍內(nèi)的水樣中，Mg+相對(duì)含量明顯偏低，沒(méi)有明顯的連貫性。而其他深度層面水樣水化學(xué)特征規(guī)律明顯，水力聯(lián)系緊湊。因此推測(cè)11～15m范圍內(nèi)存在有地下水采樣誤差的水樣，或水化學(xué)成分分析過(guò)程中，得到了錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)指標(biāo)，予以排除。按照取樣深度分層的垂直向空間分布分析，可以得出與按東西向的水平空間分析類(lèi)似的結(jié)論:淺層地下水中，Na+和Cl-依然分別是是陽(yáng)陰離子中的主導(dǎo)因子;各層地下水水化學(xué)類(lèi)型基本一致;在埋深11～20m范圍內(nèi)的地下水中，HCO-3相對(duì)含量明顯高于其他層面。

圖7 天津地鐵2號(hào)線淺層地下水垂直向離子相對(duì)含量對(duì)比圖 (%)Fig.7 Relative contents of shallow groundwater ions in longitudinal direction(%)

4.3 地下水水化學(xué)特征變化影響因素

(1)補(bǔ)給源水化學(xué)成分

研究區(qū)地下水含水巖組主要為第四系淺層孔隙水，受大氣降水、農(nóng)業(yè)灌溉水、地下水側(cè)向徑流以及海水滲漏補(bǔ)給等綜合因素影響。首先，大氣降水對(duì)研究區(qū)地下水化學(xué)成分的影響主要是降水本身含有的化學(xué)成分補(bǔ)給地下水，降水的化學(xué)成分影響地下水的化學(xué)成分。根據(jù)天津城區(qū)雨水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究區(qū)降水中氯化物、硫酸鹽含量均較高，且出現(xiàn)雨水pH呈弱酸性的情況［13］。因此降水入滲補(bǔ)給地下水在一定程度上改變了地下水化學(xué)成分。

(2)海水影響

考慮到天津位于渤海之濱，對(duì)淺層地下水水質(zhì)與海水的聯(lián)系做了研究。根據(jù)天津地鐵2號(hào)線地質(zhì)勘探報(bào)告，天津地區(qū)在自然條件下總的地下水補(bǔ)、徑、排特點(diǎn)是:在水平方向上，淺層水由北向南形成補(bǔ)給，北高南低［7］，根據(jù)天津地鐵2號(hào)線地下水腐蝕性報(bào)告，場(chǎng)區(qū)內(nèi)打井深度2米即可出水，說(shuō)明地下水潛水水位較高。因此，從地理位置上，海水入侵的影響不大，主要為潮汐活動(dòng)，如圖8，由圖所示:潮汐運(yùn)動(dòng)的Sin形邊界左右對(duì)稱(chēng)，但水位的振動(dòng)卻左右不一，曲線上升階段波角較陡，表明爬升急速，但下降時(shí)波角較緩，表明回落遲鈍，隨著橫向坐標(biāo)的移動(dòng)，余弦函數(shù)出現(xiàn)了若干的相位，因此水位的浮動(dòng)也具有相位差;從地下水開(kāi)采的角度，截至2009年，天津市自寶坻斷裂以南9538km2均出現(xiàn)不同程度的地面沉降［14］。天津市的地面沉降是典型的地下水水資源短缺型地面沉降［15］。由于人類(lèi)過(guò)量開(kāi)采地下水，使淡水與海水之間的平衡狀態(tài)遭受破壞，如圖9～10;從礦化度的角度分析，天津地鐵2號(hào)線微承壓水主要以咸水為主，礦化度較高，間接影響了地下水水化學(xué)特征;而潛水以微鹽水為主，礦化度較低，可能導(dǎo)致與海水有直接動(dòng)力聯(lián)系的高礦化度地下水沿含水層向陸地方向運(yùn)移，使咸淡水界面不斷向陸地方向移動(dòng)，造成海侵，從而造成上述Piper圖所表明的地下水高鹽性及弱腐蝕性。

圖8 水位-潮汐時(shí)間變化關(guān)系Fig.8 Water-tidal time diagram

圖9 小白樓站4號(hào)孔水位觀測(cè)曲線Fig.9 Water level observation curve of drilling4 at Xiaobailou station

圖10 小白樓站5號(hào)孔水位觀測(cè)曲線Fig.10 Water level observation curve of drilling5 at Xiaobailou station

(3)地層巖性

天津地鐵2號(hào)線沿線區(qū)域?yàn)闆_擊平原，皆為新生界沉積層覆蓋，是以陸相沉積為主。第四紀(jì)晚期因受海進(jìn)海退影響，形成了其海陸交互相沉積層。地鐵線路沿線的淺層地下水所屬地層中的粉質(zhì)粘土和粘土中多有夾層，個(gè)別地方還有“天窗”，因此粉細(xì)砂并非穩(wěn)定分布，規(guī)模小，多成呈透鏡體狀分布。如果砂層的透鏡體含水，且進(jìn)入含水層，就會(huì)間接對(duì)地下水水化學(xué)特性造成影響。

(4)污染物排放

城市化發(fā)展所導(dǎo)致的污染和地下水的不合理開(kāi)發(fā)利用是地下水水質(zhì)變化的根本原因［16］。近年來(lái)，研究區(qū)城市化進(jìn)程加快，污染物排放、地下水開(kāi)采等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水的影響程度較為劇烈。僅天津市市內(nèi)6區(qū)共有規(guī)?；娮?、化工廠25處。根據(jù)十二五規(guī)劃報(bào)告，截止至2010年，城市污水雖大部分得到處理，但仍有28%的生活及工業(yè)污水未經(jīng)處理就地排放。在大氣降水下和灌溉的作用下，含有多種污染物質(zhì)的地表水入滲進(jìn)入地下水，對(duì)地下水水化學(xué)特征產(chǎn)生影響。天津地鐵2號(hào)線淺層地下水中SO2-4濃度相對(duì)偏高就可以反映地表污染物排放對(duì)地下水化學(xué)特征有一定的影響。

5 結(jié)論

5.1 天津地鐵2號(hào)線區(qū)域內(nèi)淺層地下水中，堿金屬含量普遍超過(guò)堿土金屬含量、強(qiáng)酸根含量普遍超過(guò)弱酸根含量，陽(yáng)離子均以鈉鉀型為主、陰離子均以氯離子型為主;地下水化學(xué)類(lèi)型變化范圍較大，SO4·Cl-Na·Mg 型水、HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水及HCO3·Cl-Na型水為地下水主要水化學(xué)類(lèi)型;淺層地下水地下水水化學(xué)特征具有明顯的水平、垂直空間分布規(guī)律。

5.2 天津地鐵2號(hào)線區(qū)域內(nèi)淺層地下水中，Cl-、Na+含量明顯較高，結(jié)合該區(qū)域地層巖性及礦化度分析，這種現(xiàn)象與該區(qū)域地下水徑流交替微弱、地層巖性、微承壓水礦化度較高及近代海水入侵有關(guān)，與天津作為濱海地區(qū)這一原因密不可分。

5.3 天津地鐵2號(hào)線部分區(qū)域淺層地下水中，硫酸根離相對(duì)含量高子達(dá)40%，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具硫酸鹽弱腐蝕性。在地下工程的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，應(yīng)注意防腐措施。

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