灤河三角洲地區(qū)深層地下水化學(xué)演化規(guī)律及成因分析

牛兆軒，蔣小偉，胡云壯

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

地下水化學(xué)空間分布規(guī)律蘊(yùn)含了地下水循環(huán)過程的重要信息，是水流的“化石”[1]。各種補(bǔ)給來源的地下水在進(jìn)入含水層后，受物源沉積環(huán)境和地質(zhì)地貌影響[2]，在流動(dòng)過程中發(fā)生一系列水巖相互作用，地下水的化學(xué)組分不斷地發(fā)生變化，水化學(xué)空間分布可以呈現(xiàn)一定的分帶性[3-5]，蘊(yùn)含了地下水循環(huán)條件的信息。因此，分析地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律可以揭示地下水與環(huán)境的相互影響機(jī)制，為地下水資源保護(hù)和可持續(xù)開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)[6-9]。

灤河三角洲地區(qū)位于環(huán)渤海灣經(jīng)濟(jì)圈，經(jīng)濟(jì)、交通發(fā)達(dá)，地下水是該區(qū)的主要供水水源，占總供水量的60%以上[10]。前人對(duì)該區(qū)淺層地下水的水化學(xué)現(xiàn)狀及演化規(guī)律開展了研究，認(rèn)為淺層地下水水化學(xué)類型從山前到濱海地區(qū)由HCO3—Ca型逐漸過渡到Cl—Na型，水化學(xué)變化主要受溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用及四次海侵控制，淺層地下水存在大片的咸水區(qū)或者受到人為污染區(qū)[11-13]，但對(duì)深層地下水的研究尚未見報(bào)道。目前，位于中深部第Ⅲ含水層組的地下水水質(zhì)良好，是農(nóng)村供水的主要開采層。

本文以該含水層組為例，探討山前沖洪積平原到濱海平原深層地下水的水化學(xué)演化規(guī)律及成因。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

灤河三角洲位于河北省的東北部，包括唐山市平原區(qū)和秦皇島市南部的部分轄區(qū)，面積9 200 km2(圖1)。屬于暖溫帶濕潤-半濕潤大陸季風(fēng)性氣候區(qū)，年平均氣溫12.5 ℃，多年平均降水量625 mm，多年平均蒸發(fā)量1 650 mm[14-15]。

圖1 取樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of the sampling points

灤河三角洲北依燕山，南臨渤海，主要地貌單元有沖洪積平原、濱海平原、海岸帶。地勢由北向南傾斜，地形較為平坦，地面坡降約為0.2‰～1.2‰。區(qū)內(nèi)主要河流有灤河以及獨(dú)流入海的沿海諸河。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水主要為第四系孔隙水。依據(jù)第四系的沉積物巖性特征和水文地質(zhì)條件，在垂向上將第四系的松散堆積物自上而下共劃分為四個(gè)含水層組(圖2)。第Ⅰ含水層組，底界埋深為10～30 m，位于地表及淺部地段，可以直接接受大氣降水、河水補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄，水循環(huán)條件好，為垂直強(qiáng)烈循環(huán)交替帶；第Ⅱ含水層組，底界埋深為40～200 m，可以間接接受大氣降水補(bǔ)給，水循環(huán)條件較好，為較強(qiáng)烈循環(huán)交替帶；第Ⅲ含水層組，底界埋深為 60～420 m，其地下水具承壓性，徑流條件較差，為較差循環(huán)帶；第Ⅳ含水層組，底界埋深為350～550 m，其地下水具承壓性，徑流條件差，為弱循環(huán)帶[16]。本文主要研究第Ⅲ含水層組的孔隙水。

第Ⅲ含水層組屬半封閉盆地型承壓水，地下水主要接受山前邊緣隱伏巖溶水的頂托補(bǔ)給、山前主要沖洪積扇側(cè)向徑流以及在開采條件下的越流補(bǔ)給，排泄方式包括人工開采和向下游側(cè)向排泄。地下水總體流向由北向南，水力坡度約1‰～2‰。上游沖洪積平原區(qū)的含水層巖性主要為中砂、粗砂、礫卵石，單層厚度較大，一般為10～20 m，富水性強(qiáng)徑流條件較好；下游濱海平原區(qū)含水層為河流沖積與海(湖)積組成，顆粒較細(xì)，含水層主要巖性為細(xì)砂、粉砂，局部為中細(xì)砂，徑流條件較差，地下水徑流緩慢。

2 樣品采集和測試

為了揭示控制地下水水化學(xué)演化的主要水巖相互作用過程，2017年7—8月，避開人類開采強(qiáng)烈的唐山市區(qū)附近，沿兩條水文地質(zhì)剖面從沖洪積平原到濱海平原采集了第Ⅲ含水層組的17組地下水樣(圖1)。在取樣過程中，取樣瓶均用樣品原液進(jìn)行3次以上清洗，并在取樣前先抽水?dāng)?shù)分鐘，待水管中滯留的水完全排干，保證所取水樣能代表含水層中水體的真實(shí)水化學(xué)特征。

圖2 縱3水文地質(zhì)剖面Fig.2 The third longitudinal hydrogeological profile

編號(hào)徑流距離/kmCa2+Mg2+K+Na+Cl-SO2-4NO-3CO2-3HCO-3TDS/(mg·L-1)縱2-01 3039.595.571.0737.589.3141.142.720.00178.43315.41 縱2-023747.4115.940.7892.8338.4053.633.791.73304.74559.24 縱2-034748.5810.370.7277.3157.9768.440.004.19241.21508.80 縱2-045541.9410.430.5077.4534.1154.642.971.11230.19453.34 縱2-055840.766.730.4878.4729.1350.890.907.33202.78417.47 縱2-066335.998.680.64107.11116.4846.320.0011.73208.74535.70 縱3-01 1331.997.860.5912.643.516.100.643.57142.85209.75 縱3-022027.258.060.7213.038.563.170.660.00149.85211.28 縱3-032932.4311.760.9320.482.235.910.554.19171.66250.16 縱3-043542.9911.511.3339.653.3132.900.892.59236.32326.09 縱3-05 4049.2014.430.5935.664.6227.110.0012.46231.11375.19 縱3-064348.5412.020.5341.255.6529.510.000.00275.84413.34 縱3-074751.5315.720.5949.1910.0636.490.155.13269.87438.74 縱3-085536.666.500.5881.7246.3431.252.780.00200.36406.19 縱3-096022.224.140.5696.3038.5925.340.760.00219.15407.05 縱3-106223.208.730.78108.3856.7115.420.325.42238.08457.04 縱3-116821.338.291.15159.60110.5410.755.595.67274.29597.20

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)類型

圖3 灤河三角洲地區(qū)深層地下水水化學(xué)Piper圖Fig.3 Piper diagram showing the deep groundwater samples in the Luanhe River delta

3.2 描述性統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)上下游水樣分別統(tǒng)計(jì)水化學(xué)組分特征值，結(jié)果見表2。

表2 地下水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值

3.3 主要離子沿徑流方向演化分析

圖4 各主要離子沿徑流距離變化關(guān)系圖Fig.4 Evolution of the main ions along the groundwater flow distance

Cl-和Na+從上游到下游表現(xiàn)出沿流動(dòng)路徑增大的現(xiàn)象，并且在下游的增長速度明顯大于在上游的增長速度(圖4a、b)。Cl-是一種惰性示蹤劑，來源為鹽巖溶解或受到海水影響。除了鹽巖溶解或者海水混入，離子交換也可能造成Na+增多。

(1)

3.4 水巖相互作用過程分析

地下水化學(xué)組分之間的比例系數(shù)可以揭示地下水的成因或演化過程[4,12]。為了證實(shí)前文推測的各種水巖相互作用過程，利用離子之間的比例關(guān)系分別分析上下游地下水的演化規(guī)律。

圖5 離子比值關(guān)系圖Fig.5 Relationships among the selected ions of the water samples

由于海水中Mg2+總比Ca2+大得多，其γ(Mg2+)/γ(Ca2+)約為5.5，因此可以由γ(Mg2+)/γ(Ca2+)判斷下游地區(qū)是否受到了海水的混合[4]。統(tǒng)計(jì)表明，上游地下水的γ(Mg)/γ(Ca)平均值為0.47，下游地下水的γ(Mg2+)/γ(Ca2+)平均值下降到0.43，表明下游地下水并未混入海水。因此，推測鹽巖溶解是下游地區(qū)Cl-和Na+的重要來源。

由于Na+的增加可能同時(shí)受到鹽巖溶解和離子交換的控制，為了分析下游地區(qū)是否發(fā)生了明顯的離子交換作用，繪制了Na+-Cl-和Ca2++Mg2+的關(guān)系圖(圖5c)。Na+-Cl-和Ca2++Mg2+之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且γ(Na+-Cl-)/ γ(Ca2++ Mg2+)接近-1，表明上游富含Ca2+、Mg2+地下水流到下游黏性土比例增加、顆粒較細(xì)吸附大量Na+時(shí)，水中的Ca2+、Mg2+置換介質(zhì)中吸附的Na+，其反應(yīng)式為：

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反應(yīng)的結(jié)果使水中Na+增加而Ca2+、Mg2+減少，地下水中Na+百分含量將逐漸增加，最終成為Na型水。

3.5 基于質(zhì)量平衡模擬研究水巖相互作用

本區(qū)域上游地區(qū)主要發(fā)生方解石、白云石、芒硝和巖鹽的溶解作用，下游地區(qū)主要發(fā)生陽離子交替吸附、脫硫酸和巖鹽的溶解作用。因此，通過建立質(zhì)量平衡(Mass Balance)模型[18,22](表3)定量分析水化學(xué)過程。

表3 兩剖面的質(zhì)量平衡計(jì)算

注：最上游點(diǎn)為沿徑流方向最上游水點(diǎn)、中游點(diǎn)為上下游地區(qū)分界水點(diǎn)(47 km)、最下游點(diǎn)為沿徑流方向最下游水點(diǎn)。

經(jīng)計(jì)算兩條剖面上下游的質(zhì)量平衡模型，得到了兩條剖面上下游各礦物溶解沉淀量及各地下水化學(xué)反應(yīng)量，結(jié)果見表4。

表4 礦物溶解-化學(xué)反應(yīng)過程量計(jì)算結(jié)果

由求解結(jié)果可見，上游地區(qū)，縱2剖面上每升地下水在向中游運(yùn)動(dòng)過程中，通過溶解0.05 mmol的方解石、0.40 mmol的白云石、0.17 mmol的CO2、0.98 mmol的巖鹽和0.57 mmol的芒硝形成中游的地下水化學(xué)組分；縱3剖面上每升地下水在向中游運(yùn)動(dòng)過程中，通過溶解0.33 mmol的方解石、0.65 mmol的白云石、0.45 mmol的CO2、0.25 mmol的巖鹽和0.63 mmol的芒硝形成中游的地下水化學(xué)組分。

4 結(jié)論