呼和浩特盆地地下水化學特征及成因

李瀟瀚

摘要：在水文地質(zhì)調(diào)查和樣品采集分析的基礎(chǔ)上，采用描述性統(tǒng)計、離子比例系數(shù)、Piper三線圖、Gibbs圖及剖面Schoeller圖等方法對呼和浩特盆地地下水展開了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明：（1）地下水化學成分形成過程明顯受到地形地貌和地下水賦存條件的控制。山前沖洪積扇前緣的潛水與承壓水主要受碳酸鹽和硫酸鹽的風化溶解作用影響，以HCO3Ca·Mg型地下水為主；而最終至沖湖積平原中心，蒸發(fā)濃縮過程和陽離子交替吸附過程成為水化學成分主控因素。（2）由沖湖積平原邊緣至中心，水化學類型快速演變，陽離子經(jīng)Ca·Mg·Na型過渡為Mg·Na型、Na·Mg型并最終以Na+占絕對優(yōu)勢，而陰離子則由HCO3·Cl型、Cl·HCO3型、Cl·SO4型最后演變?yōu)镃l 型。（3）在地表水系和灌區(qū)附近，混合效應(yīng)明顯改變了地下水化學成分。此外，人類活動的影響同樣不可忽視，在人口密集區(qū)及主要農(nóng)業(yè)區(qū)周邊出現(xiàn)高氮地下水，甚至導致Cl·NO3型水形成。

關(guān)鍵詞：呼和浩特盆地；地下水；水化學特征；演化規(guī)律；形成作用

中圖分類號：P641.3文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2018）04013610

Hydrochemical characteristics and formation mechanism of groundwater in Hohhot basin

LI Xiaohan1，2，ZHANG Yilong1，2，WANG Rui3，4，LI Zhenghong1，2

（

1.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China；2.Team of Groundwater Resource Evaluation and Protection，Shijiazhuang 050061，China；3.School of Water Resources and Environment，Hebei GEO University，Shijiazhuang 050031，China；4.Hebei Province Key Laboratory of Sustained Utilization and Development of Water Resources，Shijiazhuang 050031，China）

Abstract：

On the basis of hydrogeological investigation and sample collection，we used descriptive statistics，ionic ratios，Piper trilinear diagram，Gibbs diagram，and Schoeller figures to systematically study the groundwater in Hohhot basin.The results showed：（1）The chemical components of groundwater are obviously controlled by the topographic and geomorphic factors and groundwater occurrence conditions.The unconfined and confined water in alluvialproluvial plain are mainly affected by weatheringdissolution of carbonate and sulphate，and they are mainly the HCO3Ca·Mg type.In the center of alluviallacustrine plain，evaporation and ionexchange reactions become the main control processes for hydrochemical components.（2）From the edges to the center of alluviallacustrine plain，the hydrochemical types evolve rapidly.The cations evolve from the Ca·Mg·Na type to the Mg·Na and Na·Mg types，and end up with Na+ as the only dominant type.The anions evolve from the HCO3·Cl type，Cl·HCO3 type，Cl·SO4 type，to Cl type in the end.（3）Near the surface water system and irrigation areas，the mixing effect has obviously changed the chemical composition of groundwater.In addition，the influence of human activities cannot be ignored.Around densely populated areas and major agricultural regions，there is highnitrogen groundwater，which even caused the formation of Cl·NO3 type groundwater.

Key words：

Hohhot basin；groundwater；hydrochemical characteristics；evolution laws；formation

地下水的化學成分是地下水與外界環(huán)境長期相互作用的產(chǎn)物，開展地下水水化學成分的研究不僅對闡明地下水的起源與形成具有重要的學術(shù)意義，而且對科學合理地進行地下水開發(fā)與保護地下水資源具有重要價值[13]。地下水是呼和浩特市主要供水水源，在保障供水、支持社會經(jīng)濟發(fā)展及維持生態(tài)平衡等方面具有重要地位[45]。近年來關(guān)于呼和浩特地區(qū)地下水化學成分及水量水質(zhì)方面的研究較多，邵景力等[4]、楊亮平等[6]分別基于PMWIN軟件和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)探討了該區(qū)地下水流場的形成和未來發(fā)展趨勢；張翼龍等[7]運用統(tǒng)計學和水化學圖示方法研究了淺層地下水化學特征與TDS演變規(guī)律；Liu等[810]通過同位素方法討論了該區(qū)土壤水和飽和帶水的補給特征，并計算了地下水年齡和流速；DONG等[11]、史曉瓏等[12]分別分析了局部地區(qū)地下水中氟化物和氮化物的空間分布特征及成因等。這些研究成果為呼和浩特地區(qū)地下水循環(huán)演化的后續(xù)研究提供了良好的基礎(chǔ)，但目前尚缺乏對該區(qū)地下水化學成分的演化規(guī)律及形成機制的系統(tǒng)研究，從流域和地下水系統(tǒng)角度針對補徑排特征進行分區(qū)研究的則更為少見，這也是今后科學開發(fā)與利用水資源過程中仍需繼續(xù)重點研究的內(nèi)容之一[13]。

呼和浩特盆地地下水系統(tǒng)是河套盆地地下水系統(tǒng)內(nèi)一個相對完整的子系統(tǒng)[14]。目前在全球氣候變化和地下水開采量急劇增加的雙重作用下，水資源供求不平衡已促使該區(qū)出現(xiàn)了淺層水疏干、深層水降落漏斗、水質(zhì)惡化、植被退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[15]。這些環(huán)境問題則可能直接或間接地影響地下水質(zhì)正常的演化進程，甚至明顯改變水化學成分，制約著社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[16]。因此，本研究通過采集呼和浩特盆地地下水樣品，運用數(shù)理統(tǒng)計分析和水化學分析方法，系統(tǒng)討論該區(qū)域地下水的水化學特征及演化規(guī)律，揭示不同地質(zhì)背景下的水化學成分形成作用，為研究水循環(huán)機制、制定合理有效的地下水開發(fā)利用方案及環(huán)境保護措施提供科學依據(jù)。

1研究區(qū)概況

1.1自然地理及水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)土默川平原東部，地理坐標為北緯40°00′-41°20，東經(jīng)111°35′-112°45′，面積約5 110 km2。該區(qū)三面環(huán)山，北部有天然屏障大青山，東部被蠻漢山環(huán)抱，南部為托克托臺地，整體呈簸箕狀向西南敞開，西南端則以黃河為界。大地構(gòu)造單元位于鄂爾多斯臺坳-河套斷陷中呼包坳陷盆地的東北部，地勢總體上東北高、西南低，盆地內(nèi)地形開闊平坦，海拔高程965～1 230 m，坡度介于3‰～5‰。

呼和浩特盆地屬大陸性半干旱氣候，四季氣候變化明顯，年溫差和氣溫日較差大，降水量少而集中且蒸發(fā)量大，多年平均降水量由北向南、由西向東逐漸遞增，變化范圍為355～415 mm，年均蒸發(fā)量約2 600 mm。 研究區(qū)內(nèi)山前地帶以較粗粒徑的沖洪積沉積物為主，形成了上下連通的單一結(jié)構(gòu)潛水含水層。北側(cè)大青山前以粒徑較大的卵礫石、砂礫石為主，含水層厚度一般為20～60 m，最厚可達100 m，富水性很好；東側(cè)蠻汗山前以卵礫石為主，局部分布有粉細砂，含水層厚度一般小于20 m，大黑河古河道局部為20～40 m；而盆地南側(cè)托克托臺地自第四紀以來持續(xù)抬升，沉積的含水層厚度一般小于20 m，巖性則以砂礫石、粉細砂為主，富水性較差。除第四系孔隙水外，在研究區(qū)東南部丘陵山區(qū)有玄武巖出露（圖1），賦存孔隙裂隙水，由于不同含水巖段間水力聯(lián)系密切且具有統(tǒng)一的補徑排條件，故同將其視作一層潛水含水層。

由山前地帶至盆地中心，含水介質(zhì)顆粒逐漸變細，由砂礫石向中粗砂、粉細砂過渡。受中更新世晚期在盆地中部形成的穩(wěn)定淤泥層的分隔作用，平原區(qū)第四系孔隙含水系統(tǒng)被分割為潛水含水層和承壓含水層的雙層結(jié)構(gòu)（圖2）。潛水含水層東部及南部厚度多小于20 m，西北部（白廟子鄉(xiāng)以西、古城鄉(xiāng)以北）含水層則快速增厚，為40～100 m。承壓含水層埋深從東部60 m向西逐漸加深至180 m，含水層巖性以卵礫石、砂礫石為主，局部分布中粗砂。

研究區(qū)山前地區(qū)主要接受山區(qū)地下水的側(cè)向徑流及大氣降水補給，山區(qū)地下水匯集到溝谷第四系砂礫石層后以溝谷、河谷潛流的形式補給單一結(jié)構(gòu)區(qū)潛水；雙層結(jié)構(gòu)區(qū)潛水除接受單一結(jié)構(gòu)區(qū)潛水側(cè)向徑流補給外，同時接受大氣降水入滲、渠系入滲及灌溉入滲補給；承壓水則主要依靠單一結(jié)構(gòu)區(qū)潛水的側(cè)向徑流補給，在隔水層相對薄弱的地方有潛水向下越流補給承壓水。地下水在山前地區(qū)主要由北部、東部、東南部向盆地內(nèi)徑流，進入沖湖積平原區(qū)后主要由東北向西南方向徑流，排泄方式則主要為蒸發(fā)排泄和人工開采，而承壓地下水以人工開采為主，主要集中在呼和浩特市城區(qū)。

1.2地下水資源開發(fā)利用狀況及相關(guān)問題

近年來，呼和浩特市社會經(jīng)濟始終保持快速發(fā)展，人口密集，是內(nèi)蒙古自治區(qū)的重要的糧食產(chǎn)區(qū)和工業(yè)發(fā)展基地，其中地下水一直是該地區(qū)的主要供水水源，2009-2014年平均開采量達818億m3/a，占全區(qū)總排泄量的794%[17]。截至2011年，研究區(qū)內(nèi)有中、小型水庫近40座，周邊山區(qū)內(nèi)共有截伏流工程35處，加之氣候變化的影響，致使山前側(cè)向補給量明顯減小。伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和水利工程的修建，水資源供需[HJ2.1mm]矛盾越來越突出，地下水由于嚴重超采而引起水位持續(xù)下降：2005-2015年大青山山前單一結(jié)構(gòu)含水層年均下降速率為100～127 m/a，沖湖積物沉積平原潛水年均下降速率為020～068 m/a，此外，在呼和浩特城區(qū)已形成連為一體的區(qū)域性承壓水降落漏斗，在金河鎮(zhèn)等地為中心的降落漏斗正在逐漸形成[45]。

隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)人口的增加，生活污水和工業(yè)廢水產(chǎn)生量不斷上升。據(jù)統(tǒng)計，從呼和浩特市西郊經(jīng)土默特左旗至托克托縣，共分布有總面積約660 km2的污水灌區(qū)。污水灌溉一般指使用經(jīng)過一定處理的城市污水來灌溉農(nóng)田和森林草地，主要包括生活污水、商業(yè)污水和工業(yè)廢水。雖然污水中常富含農(nóng)田所需的營養(yǎng)元素及有機質(zhì)，但可能引起地下水中NO3-含量明顯增加和土壤重金屬超標等問題[18]。此外，作為重要的農(nóng)耕區(qū)和人口密集區(qū)，生活污水的排放及農(nóng)業(yè)施肥等人類活動為水環(huán)境中提供了大量氮物質(zhì)來源，威脅到地下水用水安全。

2取樣與研究方法

2.1樣品采集

基于對水文地質(zhì)條件和地形地貌特征的分析，并結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果，本研究于2013年9月至2015年11月共采集地下水樣品167組，其中潛水139組，承壓水28組。樣品的采集、保存和運送參照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（HJ/T 164-2004）》執(zhí)行，進行嚴格的質(zhì)量控制，并用GPS（Global Position System）確定采樣點的地理位置。

2.2樣品測試

樣品送至具有國家計量認證資質(zhì)的測試中心，按照《地下水質(zhì)檢驗方法》（DZ/T 0064-1993）進行保存和測試分析。其中主要陰、陽離子采用Dionex500型離子色譜儀和PerkinElmer原子吸收光譜儀測定，pH采用電位法測定，溶解性總固體（TDS，Total Dissolved Solids）由重量法測定，總硬度由原子吸收法測定結(jié)果換算得到。所有水樣測試結(jié)果均通過正負電荷5%平衡檢驗。

2.3分析研究方法

運用SPSS對水化學參數(shù)進行描述性統(tǒng)計分析，討論研究區(qū)地下水總體呈現(xiàn)的特征及分布；然后運用水化學分析軟件AquaChem，通過離子比例系數(shù)法、Piper三線圖法、Gibbs圖法及Schoeller圖法進行地下水化學特征及形成作用研究。研究過程將結(jié)合自然條件及人類活動背景資料，揭示研究區(qū)地下水化學演化特征及成因。

3結(jié)果與討論

3.1水化學參數(shù)統(tǒng)計特征

對地下水樣品檢測結(jié)果中的主要指標進行數(shù)理統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1。

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)和表1的統(tǒng)計結(jié)果可以得出，研究區(qū)地下水呈中性至弱堿性，各分區(qū)pH均值為724～778，變異系數(shù)<10%，分布較均勻。而隨著地貌單元和地下水埋藏條件的變化，地下水總硬度和溶解性總固體（TDS）呈現(xiàn)出明顯的差異：根據(jù)TDS和總硬度分類[19]，山前單一結(jié)構(gòu)傾斜平原潛水（以下簡稱山前單一結(jié)構(gòu)潛水）除5個硬水點（總硬度略高于300 mg/L）和一個極硬水點（同時也是微咸水點）外，其余潛水樣均為微硬的淡水；而過渡到雙層結(jié)構(gòu)的溝谷沖洪積物堆積平原潛水（以下簡稱溝谷沖洪積平原潛水）的TDS和總硬度均值都略有升高；繼續(xù)向中心延伸至沖湖積物沉積平原（以下簡稱沖湖積平原），硬水和極硬水的比例分別則達到2364%和5636%，微咸水和咸水的比例則為5091%和2000%，總硬度和TDS均值則分別屬于極硬水和微咸水的范圍。此外，南部托克托臺地為河湖相沉積，并于中更新世晚期山地抬升而形成，因而雖同屬于單層結(jié)構(gòu)，但水化學參數(shù)統(tǒng)計值與山前單一結(jié)構(gòu)潛水有明顯不同，而與盆地中心沖湖積平原潛水更為相近。相比于分布面積廣的潛水，本研究所取承壓水主要來自呼和浩特市城區(qū)承壓水開采量大的地區(qū)，由于埋藏相對較深，且多以單一結(jié)構(gòu)區(qū)潛水的側(cè)向徑流補給為主，因而水樣總硬度和TDS均值都較低，變異系數(shù)也較小。

地下水中的“七大離子”組分也有著明顯的區(qū)域性變化。在山前單一結(jié)構(gòu)潛水中，HCO3和Ca2+的含量具有明顯的優(yōu)勢。向盆地內(nèi)部到溝谷沖洪積平原潛水中，HCO3和Ca2+的均值較高，同時變異系數(shù)相對較小，反映出它們?nèi)允窃搮^(qū)含量較穩(wěn)定的主要陰、陽離子，同時Na+、Cl、SO42的含量也有所升高，且變異系數(shù)較大，反映它們是造成該區(qū)潛水水化學類型演變的主要變量。最終在盆地最為低洼平坦的沖湖積平原地帶，潛水主要陽離子演變?yōu)橐訬a+為主，Ca2+含量有所降低，Mg2+的平均含量則增加為Ca2+的近2倍；陰離子中Cl、SO42和HCO3的含量均顯著增加；并且除Mg2+和HCO3外，其他主要離子的變異系數(shù)均超過或略低于100%，表現(xiàn)出空間分布明顯的不均勻性，優(yōu)勢離子也將快速演變。相比于潛水，承壓水中的含量較穩(wěn)定的主要陰陽離子分別為HCO3和Ca2+，而K+、Na+和Cl的變異系數(shù)值較大，空間分布不均勻，應(yīng)該是開采區(qū)受到人類活動的影響程度不同所致，而沖湖積平原承壓水則可能是受到上覆高Na+、Cl潛水越流補給的影響。

3.2水化學類型特征

研究區(qū)地下水化學類型采用舒卡列夫分類法，并應(yīng)用水化學分析軟件Aquachem將主要離子相對含量用Piper三線圖表現(xiàn)出來，見圖3。

由圖3和水化學類型計算結(jié)果顯示，山前單一結(jié)構(gòu)潛水、溝谷沖洪積平原潛水中陰離子分布較為集中，除極少數(shù)水點出現(xiàn)HCO3·SO4或SO4·HCO3型外，其他水樣均為HCO3型；而陽離子在圖中分布相對分散，大部分水樣以Ca2+、Mg2+為主要陽離子，HCO3Ca·Mg型在兩區(qū)分別占比720%和625%。堿土金屬和弱酸根離子占優(yōu)，水化學類型為HCO3Ca·Mg型水，這是補給區(qū)地下水典型的化學特征[19]。相較于山前單一結(jié)構(gòu)潛水，溝谷沖洪積平原潛水中Na+相對含量升高較明顯，并形成了HCO3Ca·Mg·Na、HCO3Ca·Na·Mg、HCO3Na·Mg、HCO3·SO4Ca·Na等型水，水化學類型變得較復雜。此外，位于單一結(jié)構(gòu)區(qū)南端托克托臺地的10個水樣點，水化學類型各異，沒有表現(xiàn)出明顯的演化規(guī)律，除受到氣候、構(gòu)造、巖性、微地貌等諸多特殊的自然因素影響外，人類活動的干預也不可忽視，如NO3含量升高明顯，并出現(xiàn)了 Cl·NO3Mg型水等。

在圖3中，陰陽離子組成分布最為分散的為沖湖積平原潛水，結(jié)合采樣點位置可以看出，由沖湖積平原邊緣至湖積平原中心，地下水中陰陽離子呈現(xiàn)出一個明顯演化的過程：陽離子類型由Ca型、Ca[KG-*2]·[KG-*4]Mg[JP5]型逐漸過渡為Ca·Mg·Na型、Mg·Na型、Na·Mg型，最后地下水中陽離子以Na+占絕對優(yōu)勢；陰離子類型也由HCO3型向HCO3Cl型、ClHCO3、ClSO4型過渡，最后演變?yōu)镃l型，整個沖湖積平原區(qū)域水化學類型非常復雜。圖3的菱形區(qū)域也明顯體現(xiàn)出從左部的以堿土金屬和弱酸為主向右部的以堿金屬和強酸為主的化學組分的演化過程。

相比于潛水，本研究所取承壓水樣的水化學類型相對簡單，呼市城區(qū)承壓水由于與上覆潛水共同[JP4]接受單一結(jié)構(gòu)潛水區(qū)的補給，因而也以HCO3Ca·Mg型為主；在沖湖積平原邊緣地區(qū)Na+的相對含量有所升高，形成HCO3Ca·Mg·Na型、HCO3Ca·Na型等水化學類型。

3.3水化學成分形成作用

3.3.1離子比例系數(shù)的指示意義

根據(jù)水化學參數(shù)統(tǒng)計特征和水化學類型空間分布特征的分析結(jié)果，[HJ2.1mm]研究區(qū)地下水主要離子成分存在著明顯的演變規(guī)律，不同區(qū)域可能經(jīng)受著不同水文地球化學演化過程的影響。首先利用各組分含量比值的差異性特征來討論成因或形成條件，推斷地下水化學成分的演化過程[1]。

繪制研究區(qū)潛水離子成分比例系數(shù)圖（圖4）。根據(jù)化學反應(yīng)式的指示，若γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3+SO42）（meq/L）接近于1，則Ca2+、Mg2+應(yīng)是來自于方解石、白云石和石膏這些碳酸鹽和硫酸鹽礦物的溶解；若比值大于1，則還應(yīng)有硅酸鹽的溶解；小于1則預示著溶濾作用還伴隨著離子交替吸附過程[20]。γ（Ca2+）/γ（Mg2+）（meq/L）常用來指示主要溶解的碳酸鹽礦物，若比值接近1，暗示著溶解的主要碳酸鹽礦物為白云石，方解石的溶解則會增高比例，若比值大于2，硅酸鹽的溶解是不能忽視的過程[3，21]。而γ（Na++K+）/γ（Cl）（meq/L）常用來指示Na+、K+的來源，是表征Na+、K+來自巖鹽、硅酸鹽的溶解或是離子交替吸附作用的重要參數(shù)[2223]。

由圖4（a）可以看出，大部分水樣點分布于1∶1線上或附近，部分沖湖積平原水樣點分布于1∶1線下方，表明碳酸鹽和硫酸鹽類的風化溶解是研究區(qū)地下水系統(tǒng)的主要反應(yīng)，而在沖湖積平原地區(qū)還發(fā)生著陽離子交替吸附過程。在傾斜平原區(qū)（包括山前單一結(jié)構(gòu)區(qū)、托克托臺地區(qū)和溝谷沖洪積平原區(qū)）和沖湖積平原的邊緣地區(qū)，位于盆地地下水系統(tǒng)的補給—徑流區(qū)，水流交替較積極，地下水中含有較豐富的溶解氧和二氧化碳，促進溶濾作用的進行，Ca2+和Mg2+成為地下水中主要陽離子。由圖4（b）也可看出，幾處傾斜平原區(qū)的水樣點基本分布于1∶1和2∶1線的中間，而沖湖積平原的水樣點γ（Ca2+）/γ（Mg2+）大都小于1，這也說明隨著徑流區(qū)向排泄區(qū)過渡，水力梯度逐漸減小，含水層巖性逐漸變細，水流交替遲緩，利于Ca2+、Mg2+和含水層介質(zhì)中Na+充分發(fā)生交換（以Ca2+、Na+交換為主），同時離子濃度升高造成碳酸鹽類沉淀析出，最終使得地下水中Ca2+含量明顯降低。

而由圖4（c）所示，大多數(shù)地下水點分布于1∶1線上或附近，表明區(qū)內(nèi)地下水中Na+、K+和Cl主要來源于巖鹽溶解；而部分沖湖積平原的地下水樣中 Na+含量稍高于Cl，證明Na+有其它來源，這與前面分析的存在陽離子交替吸附作用相對應(yīng)。此外，由于含水層中鹽巖成分含量有限，因而隨著靠近沖湖積平原西南端排泄區(qū)，Na+和Cl濃度的持續(xù)升高應(yīng)是蒸發(fā)濃縮作用所致。

根據(jù)前面的分析，潛水中Ca2+和Mg2+主要來源于地下水對碳酸鹽和硫酸鹽的溶解作用，因而可用γ（Ca2++Mg2+SO42HCO3）（meq/L）來表示除去方解石、白云[JP+1]石和石膏等溶解而剩余的 Ca2+與Mg2+之和，并用γ（Na+Cl）（meq/L）表示鹽巖溶解之外的剩余Na+量。若水樣點γ（Ca2++Mg2+SO42HCO3）/γ（Na+Cl）接近于1，則說明Na+的增加（或減少）與（Ca2++Mg2+）的減少（或增加）關(guān)系密切，陽離子交換反應(yīng)在地下水化學成分的控制中起到了重要作用[24]。繪制沖湖積平原的γ（Ca2++Mg2+SO42HCO3）/γ（Na+Cl）關(guān)系圖，見圖5。

圖5中散點擬合直線斜率為-09454（R2=09754），斜率接近于-1且線性關(guān)系極為顯著，說明在沖湖積平原，地下水中Na+增加的同時伴隨著Ca2+和Mg2+的減少，同前面的分析結(jié)果一致，陽離子交替吸附過程是影響沖湖積平原區(qū)地下水化學成分的重要水文地球化學過程；而研究區(qū)黏土礦物中伊利石、蒙脫石等離子交換劑的含量較高[25]，也為該過程的發(fā)生提供了便利條件。[HJ1.8mm]

[BT（4]3.3.2Gibbs圖所反映的水文地球化學控制作用

Gibbs圖是是分析水化學成分演化過程主控作用的一種重要方法，其縱坐標為對數(shù)坐標，標志著水體TDS值，橫坐標為普通坐標，標志著陽離子γ（Na2+）/γ（Na++Ca2+）的值或陰離子γ（Cl）/γ（Cl+HCO3）的值，通過圖中散點的分布來說明降水、巖石成分和蒸發(fā)濃縮過程對地表水的影響，通常陰、陽離子圖的結(jié)果較為接近[26]。由于原理類似，也可以應(yīng)用于分析影響地下水的水化學作用[26，27]。

繪制研究區(qū)地下水陰離子的Gibbs圖，結(jié)果見圖6。研究區(qū)水文地球化學作用表現(xiàn)出了良好的演變趨勢：山前單一結(jié)構(gòu)傾斜平原位于盆地補給區(qū)，TDS值較低，γ（Cl）/γ（Cl+HCO3）小于02，顯示主要受到巖石風化溶解作用的影響；雙層結(jié)構(gòu)的溝谷沖洪積平原區(qū)位于補給—徑流區(qū)，TDS值和γ（Cl）/γ（Cl+HCO3）的值都有所升高，散點有向蒸發(fā)濃縮區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢；而沖湖積平原位于徑流—排泄區(qū)，散點的延展式分布明顯指示著地下水逐漸受到蒸發(fā)濃縮作用的控制。托克托臺地是一個相對獨立的補給—徑流區(qū)，主要補給源為大氣降水，水中溶解組分最初來源于水—巖作用過程中的礦物溶解，由于該區(qū)第四系沉積厚度較薄，巖性較細，地下水埋藏較淺且更新性差，溶濾作用和蒸發(fā)濃縮作用同時進行，碳酸鹽達到飽和析出，Na+和Cl的含量升高，圖中散點也逐漸向蒸發(fā)濃縮作用的控制區(qū)域移動；但該區(qū)有數(shù)個點位于水化學作用指示區(qū)域外，Cl含量的增長并不伴隨著TDS的增長，考慮到該區(qū)煤化工企業(yè)和制藥企業(yè)的存在，Cl含量的升高應(yīng)與該區(qū)人類工業(yè)活動的廢水排放有關(guān)?？傮w上講，雖然研究區(qū)地下水主要來源于大氣降水[810]，但在地下水下滲和徑流的過程中，在經(jīng)歷了溶濾、混合、蒸發(fā)濃縮和人類活動等作用后，大氣降水對研究區(qū)地下水化學成分的影響已經(jīng)極其微弱了。

3.3.3混合作用

當成分不同的兩種水混合時，形成了化學成分與原先兩者均不同的地下水的作用，被稱為混合作用。研究區(qū)地表水系屬于黃河支流水系，其一級支流大黑河從東北部進入研究區(qū)，沿途接納發(fā)源于北部大青山的溝谷支流，至托克托縣城西南部匯入黃河，其流域自東北向西南貫穿整個研究區(qū)，與淺層地下水水力聯(lián)系密切；而研究區(qū)內(nèi)諸多地表水灌區(qū)的影響，也加深了地表水與地下水的相互控制作用。選擇三條基本垂直于大黑河干流的剖面AA′、BB′、CC′，繪制每條剖面上所采集地下水樣（剖面及水樣點位置見圖1）的schoeller圖，見圖7。

Schoeller圖橫坐標為地下水主要離子組分，縱坐標為對數(shù)坐標，代表各組分的毫克當量濃度。應(yīng)用Schoeller圖可以清晰地對比研究處于不同地點的水樣的水化學成分變化，受到稀釋的混合水會具有垂向移動曲線且形狀變動不大的特點[28]。由圖1和前面分析可知，同一剖面上各水樣點的位置和徑流條件相近，水化學形成作用相近，理論上水化學組分濃度也相似；但據(jù)圖7中顯示，距離河流相對最近的地下水點（A2、B3、C2）各主要離子的濃度明顯低于同剖面其他點。如位于地下水滯留排泄區(qū)的CC′剖面，地下水經(jīng)歷了長期的溶濾及蒸發(fā)濃縮等作用的影響，離子總濃度明顯升高，但接近什拉烏素河匯入大黑河位置的C2點的TDS值僅為9905 mg/L，遠小于C1點的4 561 mg/L和C3點的2 361 mg/L?？拷乇硭w的這種共同特征，應(yīng)該是受到了混合效應(yīng)的影響。

除了地表水與地下水之間的混合作用，在局部含水巖組間亦存在著一定的垂向水力聯(lián)系，如在山前傾斜平原區(qū)域，根據(jù)水位監(jiān)測結(jié)果，由于人工開采承壓水造成測壓水位下降，甚至變?yōu)闊o壓水，淤泥質(zhì)粘土層厚度薄的地區(qū)潛水將越流補給承壓水。

3.3.4人類活動的影響

控制研究區(qū)地下水演化的主要人類活動因素為平原區(qū)地下水開采、山區(qū)截伏流及水庫工程、灌溉入滲和生活污水排放。山區(qū)水庫及截伏流工程的修建使山區(qū)對平原區(qū)的側(cè)向補給減少，影響地下水的補給條件；由于嚴重開采引起的水位下降已形成了區(qū)域水位降落漏斗，改變了地下水流場，增加可溶性巖石在地下水中的溶解量，使局部地下水硬度增加，也使得承壓水水質(zhì)受到潛水水質(zhì)的影響。此外，研究區(qū)地下水中NO3分布普遍，采集的樣本中僅2個樣本未檢出，超標率為88%，超標區(qū)域主要位于呼和浩特市城區(qū)西南部及托克托縣，其中在托克托縣雙河鎮(zhèn)和董家營有2個潛水點分別形成Cl·NO3Mg和Cl·NO3Mg·Ca型水。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，呼和浩特市區(qū)西南部及托克托縣都是主要的糧食產(chǎn)區(qū)，化肥施用量較多，增加了氮元素隨灌溉及降水進入地下水的風險；同時由于工礦企業(yè)較多，人口密集，工業(yè)廢水和居民生活污水排放量多，加之農(nóng)業(yè)灌溉需求量大，因此多采用純污水灌溉或污水、井水混合灌的農(nóng)業(yè)灌溉形式，這也往往為地下水提供了大量的氮源，因此在這些地區(qū)往往形成硝酸鹽超標的地下水?？傮w上講，本研究區(qū)的人類活動一方面通過直接的工農(nóng)業(yè)及生活活動來影響地下水水質(zhì)，另一方面則通過改變地下水的補徑排條件，改變其他水化學形成作用的控制區(qū)域和強度，從而影響地下水化學成分的組成。

4結(jié)論

基于統(tǒng)計分析原理和水文地球化學理論，本文對呼和浩特盆地地下水進行了較為系統(tǒng)全面的水化學特征分析和成因研究，主要結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)淺層地下水化學類型較為復雜，在山前單一結(jié)構(gòu)潛水中主要為HCO3Ca·Mg型水，徑流至溝谷沖洪積平原后兼有HCO3Ca·Mg·Na、HCO3·SO4Ca·Na等型水。沖湖積平原處由邊緣至中心離子交替迅速，陽離子類型經(jīng)Ca·Mg·Na型、Mg·Na型、Na·Mg型最終演變以Na+為絕對優(yōu)勢；陰離子則由HCO3型經(jīng)HCO3·Cl型、Cl·HCO3型、Cl·SO4型最終演變?yōu)镃l型。而南部托克托臺地相對獨立，地下水化學特征與沖湖積平原潛水相近。主要開采區(qū)的深層承壓水以HCO3Ca·Mg型為主，與上覆潛水相比K+、Na+和Cl含量的空間不均勻性增大。

（2）研究區(qū)地下水化學成分形成過程明顯受到地形地貌和地下水賦存條件的控制。山前地區(qū)以碳酸鹽和硫酸鹽類的風化溶解為主；隨著沖洪積扇前緣沖至湖積平原中心的過渡，蒸發(fā)濃縮過程和陽離子交替吸附過程逐漸成為水化學成分主控作用。而托克托臺地由于含水層厚度小、巖性細，水流交替遲緩，溶濾作用和蒸發(fā)濃縮作用同時進行，局部受人類活動的影響明顯。

（3）在地表水系和灌區(qū)附近，混合效應(yīng)明顯改變了地下水化學成分。此外，研究區(qū)地下水中NO3分布普遍，局部地區(qū)甚至形成了氯化物—硝酸型高氮地下水。人類活動除改變地下水補徑排條件外，更是直接導致水質(zhì)惡化，對地下水資源的合理開發(fā)利用和保護工作勢在必行。

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