干旱地區(qū)水循環(huán)過程中的地下水化學特征研究
——以蒙古國前巴音鉬礦水源地為例

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

干旱氣候下平原盆地的排泄區(qū)，水分不斷蒸發(fā)，淺部地下水中鹽分不斷積累，將形成高礦化的氯化物水，但是如果地下水徑流條件好，水交替迅速，即使在干旱地區(qū)也不會發(fā)生濃縮作用，因此常形成低礦化的地下水[1-2]。本文以蒙古國前巴音鉬礦水源地為例，在本區(qū)域，前人曾分析和研究了含水層的分布規(guī)律[3]，總結(jié)了類似干旱地區(qū)找水的特點及勘探思路[4]，但均沒有分析水化學特征。本文從水化學的角度出發(fā)對干旱地區(qū)的水化學特征進行分析。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)地處干旱-半干旱的蒙古高原，地貌為低山丘陵區(qū)，地勢南高北低，東西高，中部低，且東部坡度稍大，西部地勢平緩。主要溝谷自南向北貫穿全區(qū)，呈“人”字型展布，次級溝谷多為近東西向分布，構(gòu)成一個完整的水文地質(zhì)單元，單元的東南部分布著大面積的火成巖，西北部分布著白堊系碎屑巖和第三系、第四系，且地層中存在發(fā)育程度不同的透鏡體。單元內(nèi)主要含水層為白堊系弱膠結(jié)砂巖、粉砂巖孔隙裂隙含水層。單元地下水補給來源為大氣降水，接受補給后沿地形想低洼地帶徑流，通過第三系垂向越流補給第四系地下水，最終以潛水蒸發(fā)形式排泄。本次研究區(qū)水源地位于整個水文地質(zhì)單元的中下部。

2 地下水水化學空間分布特征分析

為研究地下水化學的空間分布特征，選取水源地的19個鉆孔[5]水樣進行分析，范圍覆蓋整個水源地勘探區(qū)，取得了水樣的主要陰陽離子、TDS和水化學類型等數(shù)據(jù)。

2.1 地下水水化學類型分布特征

通過對水樣的分析，繪制地下水水化學圖，可以看出水化學類型受溝谷控制，基本以“人”字型溝谷邊界為線分為三個區(qū)(見圖1)：

Ⅰ區(qū)主要為“人”字型溝谷東部區(qū)域，為HCO3型水；

Ⅱ區(qū)主要為“人”字型溝谷西南部區(qū)域，水化學類型為HCO3· Cl· SO4、HCO3· SO4· Cl、HCO3·SO4；

Ⅲ區(qū)為“人”字型溝谷的外圍，水化學類型為SO4· HCO3· Cl、 Cl·SO4· HCO3、 SO4·HCO3、 Cl·SO4。

通過水化學類型的空間分布特征，可以看出地下水的補排關(guān)系：溝谷東部坡度較大，地下水接受大氣降水補給后向溝谷匯聚排泄，而溝谷西南部坡度很緩，雖然地下水接受大氣降水補給后也向溝谷排泄，但水循環(huán)強度小于東部，所以東部地下水為HCO3型水，西南部為HCO3·Cl和HCO3· SO4型水，溝谷范圍外水循環(huán)更弱，形成SO4·HCO3和Cl·HCO3，甚至是Cl·SO4型水。

圖1 地下水水化學圖

2.2 地下水TDS分布特征

地下水TDS值可以反應水演化規(guī)律，研究區(qū)地下水TDS分為兩個區(qū)(圖2)：

(1)沿“人”字型溝谷的地下水礦化度小于1 g/L，屬于淡水, 見圖2中Ⅰ區(qū)，水中陰離子主要為HCO3-，陽離子為Na+；但是在局部小范圍由于透鏡體的存在，形成一些礦化度稍高的區(qū)域。

(2)“人”字型溝谷外圍地區(qū)礦化度1.0～2.2 g/L，屬于微咸水，見圖2中Ⅱ區(qū)，主要陰離子為SO42-、Cl-和HCO3-，陽離子為Na+。

TDS含量溝谷地區(qū)小于外圍地區(qū)，表明溝谷地區(qū)的地下水循環(huán)強度要大于外圍區(qū)域。

圖2 TDS等值線圖

2.3 水化學類型垂向變化特征

在研究區(qū)取同一地點深度不同的兩個鉆孔水樣比較分析，結(jié)果見表1：

隨著深度增大，地下水中陽離子主要成分由包含Na+、Ca2+兩種離子變?yōu)橹话琋a+；陰離子由只包含HCO3-變化為包含HCO3-、SO42-、和Cl-三種離子；水化學類型由HCO3型變?yōu)?HCO3·Cl·SO4和HCO3· SO4型。

結(jié)合上述地下水水化學類型水平分布特征，得出溝谷地區(qū)地下水的水平徑流程度小于垂向，地下水化學類型主要受垂向水循環(huán)的影響，地下水補給來源主要為大氣降水垂向入滲。

表1 水化學類型垂向變化表

3 水徑流路徑上水化成分特征分析

在水化學類型分區(qū)的基礎上，繪制研究區(qū)派珀三線圖(圖3)，由圖可以看出：

(1)研究區(qū)的陽離子主要都為Na+。

(2)從“人”字型溝谷到溝谷邊緣再到溝谷范圍外，主要陰離子由只含HCO3-過渡到包含HCO3-、 Cl-、SO42-三種離子，最后到包含Cl-、SO42-兩種離子。

(3)從“人”字型溝谷到溝谷范圍外礦化度由0.6 g/L變化到1.3 g/L。

從地下水化學濃度特征，也可以看出溝谷地區(qū)水地下水補排的水循環(huán)強度強于外圍地區(qū)。所以溝谷附近形成低礦化度的淡水，外圍地區(qū)形成礦化度稍高的微咸水。

4 人工開采狀態(tài)下水化學特征

抽水試驗有6口水井同時抽水，平面位置分布見圖4，抽水時間延續(xù)20 d，抽水量12 775 m3/d，采集各個水井抽水開始和結(jié)束的水樣[5]，分析結(jié)果見表2。

圖3 水化學piper圖

圖4 抽水孔平面位置圖

抽水試驗前后各抽水井TDS量均稍有增加，表明溝谷地區(qū)的地下水天然循環(huán)強度較低，經(jīng)地下水的溶濾作用在經(jīng)過較短的徑流后礦化度稍有增加。

抽水試驗前后抽水孔的水化學類型變化中：

(1)位于北部的C02和C06號孔接受溝谷東側(cè)HCO3型地下水補給，所以水化學類型沒有變化；

(2)位于南部兩條溝谷之間的C01、C03和CO4孔主要接受來自東側(cè)HCO3型地下水補給，水化學類型由HCO3·SO4變?yōu)镠CO3型水；

(3)位于西南部的C05號孔水化學類型由HCO3變?yōu)镠CO3·SO4，表明其主要補給來源為西南部的HCO3·Cl·SO4、HCO3·SO4·Cl、HCO3·SO4型水。

表2 抽水試驗前后水化學特征表

5 結(jié)語

(1)研究區(qū)水源地地下水補給來源為大氣降水，且經(jīng)過短距離的垂向徑流補給研究區(qū)地下水，溝谷東部地區(qū)的水循環(huán)強度高于西南部地區(qū)，外圍地區(qū)最弱，地下水的水平徑流較弱小于垂向；

(2)受水循環(huán)強度影響溝谷東部形成地礦化度的HCO3型水，西南部形成HCO3· Cl· SO4、HCO3· SO4· Cl、HCO3· SO4型水，溝谷外圍地區(qū)形成SO4· HCO3· Cl、 Cl·SO4·HCO3、SO4·HCO3、 Cl·SO4型水。

(3)干旱地區(qū)水循環(huán)強度和補徑排條件的差異會形成不同的水化學類。在水循環(huán)強度弱，徑流路徑長的地區(qū)，會形成以補給、徑流、排泄三個區(qū)域為分區(qū)的不同水化學類型，且區(qū)域面積廣闊；在水循環(huán)強度強，徑流路徑相對較短的地區(qū)，如本文研究的區(qū)域，則以水循環(huán)強度的強弱形成不同的水化學類型，且相對面積會較小。