銀川地區(qū)承壓水水化學(xué)特征及控制因素

李志紅，胡伏生,周文生，趙志鵬,王廣才,3, 史浙明,4

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100083；2.寧夏地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)/生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)/地下水循環(huán)與環(huán)境演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

銀川地區(qū)承壓水水化學(xué)特征及控制因素

李志紅1，胡伏生1,周文生2，趙志鵬2,王廣才1,3, 史浙明1,4

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100083；2.寧夏地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)/生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)/地下水循環(huán)與環(huán)境演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

水化學(xué)特征；斷裂；承壓水；混合作用；銀川

銀川平原位于西北地區(qū)東部，寧夏北部，干旱少雨，屬中溫帶干旱區(qū)。由于黃河貫穿整個(gè)平原，平原內(nèi)地表水資源豐富，溝渠湖泊密布。溝渠和灌溉水大量入滲補(bǔ)給潛水，使得潛水埋深較淺，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水質(zhì)較差。因此，大量開采第一和第二承壓水作為生產(chǎn)及生活用水水源，致使銀川市區(qū)形成了大的承壓水降落漏斗區(qū)[1～2]。前人對(duì)平原內(nèi)D、18O、T和14C同位素特征研究表明，由于承壓水位的降低，降落漏斗區(qū)存在潛水對(duì)承壓水的越流補(bǔ)給[2～5]。潛水水質(zhì)較差，潛水的越流補(bǔ)給將導(dǎo)致承壓水質(zhì)變差。Sun等[6]對(duì)比分析了銀川市區(qū)1991—2004年潛水和承壓水的水位和水化學(xué)數(shù)據(jù)，研究了由于過量開采承壓水而形成的地下水降落漏斗對(duì)區(qū)域地下水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)的影響。結(jié)果顯示1991—2004年，在降落漏斗區(qū)承壓水水位持續(xù)降低，降深超過10 m；由于潛水的越流補(bǔ)給，承壓水水質(zhì)惡化，TDS和主要離子含量逐漸增大。承壓水除受潛水的越流補(bǔ)給影響外，還可能受其他因素的影響。一些研究認(rèn)為：除了潛水產(chǎn)生的越流補(bǔ)給，大量開采地下水形成的降落漏斗還可能激發(fā)更深層地下水的補(bǔ)給[4～5]。 此外，地質(zhì)構(gòu)造等因素也可能對(duì)該區(qū)的承壓含水層補(bǔ)給具有重要影響。尹秉喜[7]通過分析含水層電阻率與地下水溶解性總固體的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)銀川平原深層地下水水質(zhì)分帶受銀川平原發(fā)育的銀川—平羅全新世活動(dòng)斷裂控制。李志紅[8]對(duì)承壓水水化學(xué)特征的空間分布特征分析發(fā)現(xiàn)，兩層承壓水均表現(xiàn)出在銀川斷裂附近溶解性總固體較高，水化學(xué)類型為Cl—Na型的分布特征，一些水樣溶解性總固體甚至可達(dá)2 000～3 000 mg/L。承壓水是銀川市地下水開采的主要水源，較差水質(zhì)水源的補(bǔ)給將限制對(duì)承壓水的開采利用，研究開采條件下承壓含水層的地下水水質(zhì)演化的控制因素對(duì)于銀川市區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用及保護(hù)具有重要意義。本文對(duì)銀川平原潛水、承壓水和地?zé)崴瘜W(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了承壓水水化學(xué)成分分布特征，探討了承壓水水化學(xué)成分分布的控制因素，對(duì)于銀川市區(qū)承壓水的合理開發(fā)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

銀川平原位于寧夏北部，屬中溫帶干旱氣候區(qū)，年均氣溫為9.0 ℃，多年平均降水量為185 mm，蒸發(fā)量為1 825 mm。黃河及其支流苦水河為銀川平原區(qū)內(nèi)的主要河流。黃河由青銅峽流入，貫穿整個(gè)平原，向北至麻黃溝出境，為銀川平原的主要灌溉水源。

銀川平原為一斷陷盆地，主要受賀蘭山東麓斷裂、蘆花臺(tái)斷裂、銀川斷裂和黃河斷裂控制。主要地貌單元為賀蘭山洪積平原、沖洪積平原、沖湖積平原和黃河沖積平原，地勢(shì)總趨勢(shì)為西高東低，南高北低，東西坡降大，南北坡降小。從西往東，含水層由沖積扇的單一潛水區(qū)過渡到?jīng)_湖積平原多層結(jié)構(gòu)的潛水—承壓水區(qū)，本次研究范圍為銀川地區(qū)的潛水—承壓水區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)略圖及水樣點(diǎn)空間分布Fig.1 Hydrogeololgical sketch map of the study area and location of the sampling points

研究區(qū)第四系250 m深度內(nèi)，自上而下常分為潛水、第一承壓水和第二承壓水三個(gè)含水巖組，水文地質(zhì)剖面，見圖2。潛水含水層，埋深為1～60 m，巖性主要為中細(xì)砂及粉細(xì)砂，其下分布有連續(xù)性較好的黏土弱透水層，使之與第一承壓水隔開；第一承壓水，埋深為70～150 m，巖性主要為細(xì)砂、粉細(xì)砂和少量中砂；第二承壓水，埋深為160～250 m，巖性主要為細(xì)砂、粉細(xì)砂，與上覆第一承壓含水巖組之間，分布有不連續(xù)的黏土隔水透鏡體[3,5]。第一承壓水和第二承壓水含水層是銀川市生活用水及工業(yè)用水的主要開采目標(biāo)層[3]。各含水層地下水總體由西南向東北方向流動(dòng)，但由于承壓水的大量開采，在銀川市區(qū)第一和第二承壓水都形成大范圍的降落漏斗區(qū)[1～2]。

研究區(qū)潛水的補(bǔ)給主要來源于引水渠的滲漏補(bǔ)給及引黃灌溉回歸水的入滲補(bǔ)給，此外還有少量單一潛水區(qū)的側(cè)向徑流補(bǔ)給、大氣降水的入滲補(bǔ)給、湖泊及排水溝在某些地段的滲漏補(bǔ)給，由于潛水埋深一般較淺，研究區(qū)潛水蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，水質(zhì)較差[9～10]。

圖2 銀川水文地質(zhì)剖面Fig.2 Hydrogeololgical profile of Yinchuan

目前，研究認(rèn)為第一承壓水和第二承壓水可能為古地質(zhì)時(shí)期補(bǔ)給形成的“古水”，有來自西側(cè)單一潛水區(qū)的側(cè)向徑流補(bǔ)給，在地下水降落漏斗區(qū)存在潛水的越流補(bǔ)給；并由地下水開采區(qū)地下水的14C年齡偏老，推測(cè)承壓水接受補(bǔ)給時(shí)間較老、徑流路程較長(zhǎng)，或者開采井激發(fā)了更深部位地下水的補(bǔ)給[2～5]。

研究區(qū)潛水和承壓水從西南往東北方向流動(dòng)，潛水以蒸發(fā)排泄為主，部分通過越流補(bǔ)給承壓水，部分通過排水溝向黃河排泄；承壓水以人工開采為主，隨著開采量的增大，承壓水更新速率加大[2～3,9,11]。

2 水樣采集及分析方法

ArcMap可用于確定水樣的空間位置[12]。散點(diǎn)圖和 Piper圖可用于指示地下水的水化學(xué)特征、水中鹽分的來源及地下水演化過程等[13～15]。Gibbs圖可用于確定控制地下水化學(xué)組分的主要作用[16～17]。Schoeller圖可用于比較不同水樣的化學(xué)組分差異，并指示水化學(xué)類型及主要離子[18～19]。氫氧穩(wěn)定同位素可以很好的指示地下水補(bǔ)給來源及不同地下水的相互關(guān)系[14～15,17]。本文采用ArcMap空間分析，Piper圖、Gibbs圖、Schoeller圖等作圖分析方法，分析銀川地區(qū)潛水和承壓水的水化學(xué)分布特征，比較各層水樣水化學(xué)特征的差異，探討承壓水水化學(xué)分布特征的控制因素。

3 地下水化學(xué)成分及同位素特征

3.1 地下水化學(xué)成分特征

應(yīng)用ArcMap繪制了研究區(qū)潛水、第一承壓和第二承壓水的溶解性總固體和水化學(xué)類型空間分布圖(圖3，圖4)。由溶解性總固體和水化學(xué)類型空間分布圖可以看出，潛水水質(zhì)較承壓水差，大部分潛水水樣溶解性總固體大于700 mg/L，最大達(dá)2 500 mg/L，大部分承壓水水樣溶解性總固體小于700 mg/L；潛水的溶解性總固體和水化學(xué)類型在空間分布上都沒有明顯的規(guī)律性，而第一承壓水和第二承壓水在空間分布上，都有沿著銀川斷裂溶解性總固體較高，水化學(xué)類型為Cl—Na型的特點(diǎn)。在銀川斷裂西側(cè)靠近補(bǔ)給區(qū)，承壓水溶解性總固體小于500 mg/L，由西往東至銀川斷裂，溶解性總固體逐漸增大，在銀川斷裂附近溶解性總固體高達(dá)3 000 mg/L；承壓水水化學(xué)類型，在靠近西側(cè)的單一潛水補(bǔ)給區(qū)為HCO3—Mg(Ca)型，往東變?yōu)镠CO3—Na型水，至銀川斷裂變?yōu)镃l—Na型水。

圖3 研究區(qū)地下水溶解性總固體空間分布圖Fig.3 Distribution of the TDS of groundwater samples in the different aquifers

圖4 研究區(qū)地下水水化學(xué)類型空間分布圖Fig.4 Distribution of the hydrochemical types of groundwater samples in the different aquifers

圖5 研究區(qū)地下水Piper圖Fig.5 Piper diagram of groundwater samples in the different aquifers

圖6 主要離子與溶解性總固體(TDS)的關(guān)系圖Fig.6 Concentrations of Na+, Ca2+, Cl- and vs. TDS in the groundwater samples in the different aquifers

3.2 地下水同位素特征

將測(cè)得的同位素?cái)?shù)據(jù)投影到δ18O 與δD關(guān)系圖(圖7)中發(fā)現(xiàn)，潛水的δ18O 與δD值大于承壓水，這主要是由于潛水受黃河水補(bǔ)給，且受到一定的蒸發(fā)作用。在銀川區(qū)黃河水δ18O 與δD的平均值為-8.65‰和-62.25‰，較地下水偏大。第一承壓水和第二承壓水δ18O 與δD值分布較一致，表明二者補(bǔ)給來源相同或者水力聯(lián)系較密切。在第一承壓水中出現(xiàn)一個(gè)明顯偏離其他水樣的點(diǎn)，其δD值為-107.69‰，通過空間分析發(fā)現(xiàn)，在該水樣附近的第一承壓水B49溶解性總固體高達(dá)3 210.63 mg/L，這表明該區(qū)第一承壓水很可能受到更深層的古水補(bǔ)給，由于古水中常發(fā)生氧漂移作用，表現(xiàn)出較高的δ18O值及較低的δD值。潛水和第一承壓水有重合部分，表明在部分區(qū)域二者之間可能存在水力聯(lián)系。

圖7 研究區(qū)地下水δ18O 與δD關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.7 δD vs. δ18O of water samples in the study area

4 含水層水動(dòng)力場(chǎng)特征

從各層地下水等水位線圖(圖8)可以看出，由于對(duì)承壓水的大量開采，在銀川市區(qū)，第一與第二承壓含水層已出現(xiàn)較大的地下水降落區(qū)。潛水含水層中，地下水總體從西南向東北方向流動(dòng)，若承壓水未受到過量開采，其水流方向總體與潛水一致。由于承壓水的過量開采，在銀川市區(qū)潛水位高于承壓水位，在潛水與承壓水之間黏土層較薄或者有斷層通過時(shí)，水質(zhì)差的潛水很可能越流補(bǔ)給承壓水，從而使承壓水水質(zhì)惡化。

圖8 研究區(qū)各層地下水水位分布圖Fig.8 Groundwater lever distribution of different aquifers in the study area

5 承壓水化學(xué)組分控制因素

影響和決定研究區(qū)地下水化學(xué)特征及其演化的因素主要有地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、補(bǔ)給水的化學(xué)成分、水巖作用、蒸發(fā)濃縮作用及人為影響，其中地質(zhì)和水文地質(zhì)條件對(duì)地下水化學(xué)成分的形成在一定程度上起著決定性的作用[9,20]。地質(zhì)和水文地質(zhì)條件控制著水巖作用和蒸發(fā)濃縮作用，表現(xiàn)為銀川平原從南往北含水層孔隙度越來越小，透水性越來越差，水交替作用緩慢，地下水埋藏越來越淺，受蒸發(fā)作用越來越強(qiáng)烈，水質(zhì)越來越差[9]。人為因素可以改變水文地質(zhì)條件，從而改變地下水水化學(xué)特征，灌溉入滲補(bǔ)給使得研究區(qū)潛水位埋深變淺，蒸發(fā)作用增強(qiáng)，導(dǎo)致潛水水質(zhì)變差；大量開采承壓水，使得承壓水位下降，可能激發(fā)潛水或更深層的地下水補(bǔ)給，從而導(dǎo)致承壓水水質(zhì)變差。承壓水的補(bǔ)給來源有賀蘭山東麓單一潛水補(bǔ)給，也可能有潛水的越流補(bǔ)給，或者更深層的地下水補(bǔ)給。賀蘭山東麓單一潛水水質(zhì)較好，為HCO3—Ca型水，溶解性總固體小于1 000 mg/L[9]，而沖湖積平原潛水水質(zhì)相對(duì)承壓水較差。嚴(yán)烈宏[21]和張宇[22]的研究結(jié)果表明，在銀川盆地沿著銀川斷裂一帶存在地溫異常。尹秉喜[7]根據(jù)含水層電阻率與溶解性總固體的關(guān)系，研究銀川平原水質(zhì)分布，發(fā)現(xiàn)深部承壓水咸淡水界線剛好與平羅—銀川全新統(tǒng)斷層趨于一致，并認(rèn)為深層地下水水質(zhì)分帶受銀川平原發(fā)育的銀川—平羅全新世活動(dòng)斷層控制。由于未收集到更深層承壓水的水質(zhì)資料，因此將地?zé)崴鳛楦顚拥叵滤嗽?，分析其?duì)承壓水質(zhì)的影響。根據(jù)主要水化學(xué)特征控制因素，及研究區(qū)實(shí)際氣象水文、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，將從水巖作用，蒸發(fā)濃縮作用及混合作用角度出發(fā)，研究承壓水化學(xué)組分的控制因素。

5.1 地下水化學(xué)組分形成作用

Gibbs[23]通過Gibbs圖將世界河流、湖泊及主要海洋水化學(xué)組分的控制因素劃分為，巖石風(fēng)化型、大氣降水控制型和蒸發(fā)結(jié)晶型。將研究區(qū)潛水、承壓水和地?zé)崴畼油度隚ibbs圖(圖9)中發(fā)現(xiàn)，由于研究區(qū)地下水中Na+含量較高，大部分水樣的Na/(Na+Ca)值大于Cl/(Cl+HCO3)。在圖9a和9b中潛水和承壓水均表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)。Cl/(Cl+HCO3)與TDS關(guān)系圖顯示，地?zé)崴捎诮?jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的水巖作用過程，使得其落在海水類型區(qū)域內(nèi)，承壓水與潛水的變化趨勢(shì)相似，顯示出蒸發(fā)結(jié)晶的作用過程，并朝著地?zé)崴愋头较虬l(fā)展，然而承壓水不大可能經(jīng)歷強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用，因此認(rèn)為承壓水可能受到潛水或地?zé)崴幕烊胱饔谩?/p>

圖9 研究區(qū)地下水Gibbs圖Fig.9 Gibbs plots of groundwater samples in the different aquifers

5.2 承壓水化學(xué)組分來源分析

圖6顯示，部分第二承壓水Na和Cl含量高于第一承壓水，說明第一承壓水和第二承壓水化學(xué)組分控制因素可能不同，因此對(duì)比分析同一地點(diǎn)的第一承壓水與第二承壓水化學(xué)組分。本次共取得31組同一地點(diǎn)的第一與第二承壓水樣，對(duì)同一地點(diǎn)的兩層水樣TDS作差，并將差值在5%以內(nèi)(即兩者TDS之差小于兩者TDS之和的5%)的兩層水樣溶解性總固體近似相等。結(jié)果顯示部分第二承壓水TDS大于第一承壓水，也有部分第一承壓水TDS大于第二承壓水，這些水樣主要位于銀川斷裂附近，其空間分布見圖3。

圖10 研究區(qū)地下水Schoeller圖，(a)第一承壓水溶解性總固體大于第二承壓水，(b)第一承壓水溶解性總固體小于第二承壓水Fig.10 Schoeller diagrams of (a) the samples that the first confined water has greater TDS than the second confined water, and (b) the samples that the first confined water has less TDS than the second confined water

圖10a顯示，有兩組第一承壓水溶解性總固體明顯大于第二承壓水的水樣，其空間位置在銀川斷裂附近的B48和B49處(如圖1所示)，Gibbs圖中顯示承壓水溶解性總固體的增加可能是由于水質(zhì)較差的潛水混入，吳學(xué)華等[9]用潛水位減去第一承壓水位得到兩者之間差值的等值線圖，發(fā)現(xiàn)在銀川地區(qū)潛水位大于第一承壓水位，潛水很可能通過銀川斷裂混入承壓水。因此將B48附近溶解性總固體較大的潛水樣A31和A32，及B49附近的潛水樣A27的化學(xué)組分投入到圖11中，結(jié)果顯示，承壓水與潛水組分曲線形狀有較大差異，但同時(shí)與地?zé)崴螤钋€對(duì)比發(fā)現(xiàn)，B48和B49處的第一承壓水各離子含量在潛水與地?zé)崴g。因此認(rèn)為，導(dǎo)致第一承壓水溶解性總固體增加的主要因素可能是潛水和地?zé)崴墓餐绊?，即第一承壓水同時(shí)受到潛水和深層地?zé)崴幕烊胱饔?。這說明第一承壓水樣溶解性總固體出現(xiàn)大于潛水水樣的可能。

圖11 第一承壓水與潛水和地?zé)崴畬?duì)比Schoeller圖Fig.11 Schoeller diagrams of the comparison of the first confined water with the confined water and geothermal water

6 結(jié)論

(4)推斷第二承壓水水化學(xué)特征可能主要受更深層地下水沿著銀川斷裂的混入作用影響，而第一承壓水水化學(xué)特征可能同時(shí)受到地?zé)崴蜐撍刂y川斷裂的混入作用影響。

(5)除銀川斷裂帶附近部分承壓水溶解性總固體超過1 000 mg/L外，承壓水水質(zhì)相對(duì)較好，溶解性總固體小于1 000 mg/L。如果承壓水繼續(xù)過量開采，承壓水位持續(xù)下降，將進(jìn)一步激發(fā)潛水和深層地?zé)崴幕烊?，從而?dǎo)致承壓水質(zhì)惡化。因此控制銀川區(qū)承壓水的過量開采，對(duì)于承壓水資源的可持續(xù)利用至關(guān)重要。

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Hydrogeochemical characteristics and controlling factors of confined water in Yinchuan

LI Zhihong1, HU Fusheng1, ZHOU Wensheng2, ZHAO Zhipeng2, WANG Guangcai1,3, SHI Zheming1,4

(1.SchoolofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.NingxiaGeologicalSurveyInstitute,Yinchuan,Ningxia750021,China；3.StateKeyLaboratoryofBiogeologyandEnvironmentalGeology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; 4.MOEKeyLaboratoryofGroundwaterCirculationandEvolution,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; )

hydrochemical characteristics; faults; confined water; mixing effect; Yinchuan

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.05

2016-10-08;

2017-01-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272269)

李志紅(1988-)，女，博士研究生，主要從事水文地球化學(xué)研究。E-mail:lzh19880611@126.com

王廣才(1962-)，男，教授，博導(dǎo)，主要從事水文地球化學(xué)、地震地下水等研究。E-mail:wanggc@pku.edu.cn

P641.3

A

1000-3665(2017)02-0031-09