漳河流域典型區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征分析

周曉妮，王振興，苗青壯，張冰

（中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊050061）

地下水作為水資源的重要組成部分，在京津冀一體化協(xié)同發(fā)展和維持生態(tài)平衡等方面具有重要作用。地下水化學(xué)特征反映了氣候變化、巖石風(fēng)化、蒸發(fā)作用、土地利用及人類活動(dòng)等對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境的影響，以及地下水的補(bǔ)徑排特征，對(duì)合理開發(fā)利用地下水資源具有積極的指導(dǎo)作用[1]。自上世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)地下水化學(xué)離子組合特征，分析其離子來源、遷移轉(zhuǎn)化過程與輸送通量，通過研究地下水化學(xué)特征的演化過程與機(jī)理，探討區(qū)域地下水循環(huán)模式和污染來源。如張旺等討論了黃河中下游豐水期水化學(xué)特征及主要控制因素[2]；馬榮等根據(jù)洛陽盆地地下水化學(xué)離子組合特征，定量刻畫人類活動(dòng)和水巖相互作用對(duì)區(qū)域地下水化學(xué)組分的影響[3]。

漳河流域山前沖洪積平原主要位于華北平原南部，地處半濕潤氣候帶，地理位置極為重要[4-10]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人口、資源、環(huán)境矛盾日益突出[11-17]；由于受氣候條件的限制，該地區(qū)水資源相對(duì)較為緊缺，人均資源量不足全國的1/6，長期以來水問題嚴(yán)重，供水缺口很大[18-21]，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到水資源瓶頸制約[22-24]，淺層水和土地資源潛力沒有得到應(yīng)有的開發(fā)利用。本文在該地區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，分析其地下水的水化學(xué)特征及成因機(jī)制，為當(dāng)?shù)馗玫睦玫叵滤Y源提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漳河流域山前沖洪積平原區(qū)位于河北省南部，華北平原西南部，屬于漳衛(wèi)河流域，涉及河北省邯鄲市的磁縣、臨漳縣、成安縣、廣平縣、魏縣五個(gè)縣區(qū)，南鄰河南省安陽縣，面積約1 400 km2。區(qū)內(nèi)較大的河流主要有兩條，中部為漳河，自西向東流經(jīng)本區(qū)域，南部邊界處有安陽河自西南部流經(jīng)本區(qū)；區(qū)內(nèi)地勢(shì)西高東低，海拔高程為54～120 m，局部海拔較高，為236 m；以0.7‰～1.1‰的坡度微傾向東北。本區(qū)屬暖濕帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量558.8 mm，年蒸發(fā)量為1 563 mm[25-26]。

漳河流域山前沖洪積平原位于山西斷隆次一級(jí)構(gòu)造—太行拱斷束東部和華北斷拗—臨清臺(tái)陷南部和內(nèi)黃臺(tái)拱的北部，邢臺(tái)-安陽深斷裂及臨漳-魏縣大斷裂分布以南北向和北西-南東方向穿過本區(qū)，對(duì)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件有明顯的控制作用。自西向東依次為山前沖積洪積物，中部沖積、湖積物和東部沖積物。沉積物厚度自西向東逐漸增大，其中西部厚約65 m，東部最大厚度超過260 m；含水介質(zhì)、顆粒的粗細(xì)、分選性、磨圓度、單層厚度、埋藏深度、包氣帶巖性以及距離補(bǔ)給源的遠(yuǎn)近是影響地下水賦存與分布的主要因素；卵石、中細(xì)砂、細(xì)砂是地下水賦存、運(yùn)移的主要場(chǎng)所；沖洪積扇、河道帶是孔隙水含水體的主要蓄水構(gòu)造，水量豐富，單井涌水量介于320～3 000 m3/d。目前研究區(qū)內(nèi)淺層地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，其補(bǔ)給來源為大氣降雨、農(nóng)業(yè)回灌補(bǔ)給、河流補(bǔ)給，排泄途徑主要為人工開采。淺層地下水自西向東，地下水流向與漳河流向一致，在研究區(qū)西部一帶地下水位較高，在東部地下水位最低，水位標(biāo)高-10 m，在東北部略有升高，這主要是由于民用渠等灌溉渠對(duì)地下水產(chǎn)生補(bǔ)給，使得此處地下水位略有抬升。

2 研究區(qū)淺層水水化學(xué)分布特征

2.1 地下水化學(xué)分布特征

在研究區(qū)共采集水化學(xué)全分析樣品60 組（圖1）。水樣測(cè)試是由水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)測(cè)試室完成，測(cè)試方法嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)的要求完成。典型地帶淺層地下水的化學(xué)統(tǒng)計(jì)特征見表1 。

圖1 水樣采集點(diǎn)位置分布圖Fig.1 The distribution of water samples

表1 典型水樣點(diǎn)測(cè)試分析結(jié)果（mg/L）Tab.1 The test results and analysis of water（mg/L）

2.2 地下水化學(xué)分類

地下水的化學(xué)成分在地下工程及地下水資源的評(píng)價(jià)中具有重要的意義[27]。本文根據(jù)地下水樣品的測(cè)試結(jié)果，對(duì)地下水化學(xué)類型采用舒卡列夫分類法進(jìn)行分類；該方法按摩爾百分?jǐn)?shù)大于25%者定名，若出現(xiàn)NO3－，OH－大于25%時(shí)同樣列出并參加命名。命名時(shí)離子排列順序按陰離子在前，陽離子在后，含量大者在前，小者在后[28]。區(qū)內(nèi)淺層地下水水化學(xué)類型有23種，反應(yīng)物質(zhì)來源或成因環(huán)境極為復(fù)雜；其中主要的化學(xué)類型有五種，有HCO3·SO4－Ca，HCO3－Ca·Mg，HCO3－Mg·Ca·Na、HCO3－Na·Mg，、SO4·HCO3－Na·Mg；按照分類結(jié)果，可將研究區(qū)分為兩個(gè)區(qū)，其中每個(gè)區(qū)又可劃分2或3個(gè)亞區(qū)，具體分區(qū)情況見圖2。

圖2 研究區(qū)地下水化學(xué)分區(qū)Fig.2 Chemical partition of groundwater in the study area

由圖2 可知，研究區(qū)淺層地下水整體上分為東（Ⅱ區(qū)）、西（Ⅰ區(qū)）兩個(gè)區(qū)；二者又分別分3個(gè)和2個(gè)亞區(qū)，用Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3區(qū)表示。

西區(qū)（Ⅰ區(qū)）為全淡水區(qū)，其溶解性總固體在0.25～0.93 mg/L之間，均值0.51 mg/L；pH值在7.35～7.97之間，均值7.67；地下水類型以HCO3·SO4－Ca、HCO3－Ca·Mg型為主，該區(qū)可分兩個(gè)亞區(qū)：

Ⅰ1區(qū)以HCO3·SO4－ Ca 型水為主，其次為HCO3－Ca型水，溶解性總固體在0.38～0.93 mg/L之間，均值0.62 mg/L；pH 值在7.35～7.73 之間，均值7.57；另外，該區(qū)靠近西部山區(qū)，因其復(fù)雜的地層巖性，導(dǎo)致地下水化學(xué)類型復(fù)雜，除以上兩種主要類型，還存在HCO3-Ca·Na、HCO3·SO4-Ca·Na、SO4·HCO3-Ca·Na和HCO3·Cl-Ca型；

Ⅰ2區(qū)以HCO3－Ca·Mg型水為主，溶解性總固體在0.27～0.75 mg/L 之間，均值0.45 mg/L；pH 值在7.51～7.95之間，均值7.72；相比于Ⅰ1區(qū)低，TDS含量減少，pH值略有增大；

東區(qū)（Ⅱ區(qū)）地下水的溶解性總固體在0.18～3.26 mg/L之間，均值1.01 mg/L；pH值在7.59～8.41之間，均值7.85；地下水類型以HCO3－Mg·Ca·Na、HCO3－Na·Mg為主，相比西區(qū)，該區(qū)Na+、SO42-含量增大，溶解性總固體含量也隨之增大，pH 也較西區(qū)大，該區(qū)可分三個(gè)亞區(qū)：

Ⅱ1區(qū)為東西兩區(qū)的過渡帶，其水化學(xué)類型主要以HCO3－ Mg·Ca·Na、HCO3－ Ca·Mg·Na、SO4·HCO3－Na·Mg為主，溶解性總固體在0.43～0.47 mg/L之間，均值0.45 mg/L；pH值在7.59～8.08之間，均值7.88；

Ⅱ2區(qū)主要為HCO3－Na·Mg型水，Na+的含量增大，成為第一主要陽離子；溶解性總固體較前區(qū)增大，在0.44～0.90 mg/L之間，均值0.63 mg/L；pH值在7.78～8.41之間，均值7.89；

Ⅱ3區(qū)主要為SO4·HCO3－Na·Mg 型水，除Na+離子占主導(dǎo)地位，陰離子中SO42-取代HCO3－離子成為第一主要陰離子，同時(shí)其溶解性總固體含量明顯增大，在1.26～3.26 mg/L之間，均值2.11 mg/L，多為微咸水；最東部SHW47號(hào)點(diǎn)，溶解性總固體含量達(dá)3.26 mg/L，已屬于咸水范疇；pH 值在7.60～8.01 之間，均值7.79，水質(zhì)較差。

2.3 水化學(xué)Piper三線圖

圖3顯示淺層水樣品點(diǎn)多分布在菱形的左側(cè)，說明多數(shù)淺層水的堿土金屬離子含量超過堿金屬離子，僅Ⅱ2區(qū)內(nèi)幾個(gè)點(diǎn)，其堿金屬離子超過堿土金屬離子；多數(shù)樣品其弱酸根含量超過強(qiáng)酸根，多數(shù)碳酸鹽硬度超過50%；且絕大多數(shù)樣品點(diǎn)其任一對(duì)陰陽離子含量均不超過50%毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)[29]。

2.4 溶解性總固體與主要離子相關(guān)性

圖3 淺層水水化學(xué)Piper“三線圖”Fig.3 The piper map of unconfined groundwater

在諸多的表征水化學(xué)屬性的常量中，溶解性總固體（TDS），能夠反映化學(xué)組分的總體情況。TDS是表征水文地球化學(xué)作用過程的重要參數(shù)，也是反映地下水徑流條件的重要指標(biāo)。TDS是地下水各組分濃度的總指標(biāo)，地下水化學(xué)組分濃度的變化特別是常量組分濃度的變化，隨之引起TDS的變化，因此它能很好地反映地下水中物質(zhì)組分在總體上的分布特征和變化趨勢(shì)[30]。

A）相關(guān)分析是研究兩組變量間相關(guān)關(guān)系的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[31]，可揭示地下水水化學(xué)組分間的相似相異性及地下水來源的一致性和差異性[32]，相關(guān)系數(shù)是測(cè)定變量間相關(guān)密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。由相關(guān)系數(shù)r公式：

計(jì)算本次測(cè)定結(jié)果中TDS與各離子含量的相關(guān)系數(shù)，并做出相關(guān)圖。

B）淺層地下水溶解性總固體與各組分相關(guān)系數(shù)的計(jì)算和回歸分析。

Ⅰ區(qū)淺層地下水與主要離子含量分布如圖4所示，用回歸分析的方法，將各離子與TDS的關(guān)系以一組斜率不同的直線方程表示出來。很明顯，本區(qū)淺層地下水TDS與各組分（HCO3-除外）含量呈較好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程及相關(guān)系數(shù)見表2（表中X為離子含量，Y為礦化度）。

表2表明，礦化度與陽離子Ca2+相關(guān)性最好，與陰離子SO42-和Cl-高度相關(guān)性強(qiáng)于HCO3-離子，與HCO3-線性相關(guān)程度極弱。

圖4 Ⅰ區(qū)淺層地下水Na+、Ca+、Mg2+、Cl- 、SO42- 、HCO3-等含量與TDS關(guān)系Fig.4 Relations between Na+，Ca+，Mg2+，Cl- ，SO42- ，HCO3- and TDS in unconfined groundwater inⅠregion

表2 淺層地下水（Ⅰ區(qū)）礦化度與各化學(xué)成分含量之間的相關(guān)關(guān)系Tab.2 The correlation between TDS and every chemical composition

圖5 Ⅱ區(qū)淺層地下水Na+、Ca+、Mg2+、Cl- 、SO42- 、HCO3-等含量與TDS關(guān)系Fig.5 Relations between Na+，Ca+，Mg2+，Cl- ，SO42- .HCO3- and TDS in unconfined groundwater inⅡregion

Ⅱ區(qū)淺層地下水與主要離子含量分布如圖5所示；本區(qū)淺層地下水TDS與各組分（HCO3-除外）含量呈較好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程及相關(guān)系數(shù)見表2（表中X為離子含量，Y為溶解性總固體）。

表3表明，礦化度與陽離子Mg2+、Na+顯著相關(guān)，與Ca2+高度相關(guān)；與陰離子SO42-和Cl-顯著相關(guān)，與HCO3-線形相關(guān)程度較弱。

表3 淺層地下水（有深層水區(qū)）礦化度與各化學(xué)成分含量之間的相關(guān)關(guān)系Tab.3 The correlation between TDS and every chemical composition

3 淺層地下水水化學(xué)類型成因機(jī)制探討

由以上分析可知，本區(qū)地下水化學(xué)類型自西向東總體上呈HCO3－Ca·Mg（HCO3－Ca）、HCO3－Na·Mg、SO4·HCO3－Na·Mg、SO4－Na·Mg的變化規(guī)律；淺層地下水化學(xué)類型的成因主要與地質(zhì)環(huán)境、水文地質(zhì)條件及其氣候有關(guān)，受沉積物巖性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響控制，作用方式為地下水化學(xué)成分的溶濾作用和濃縮作用，另外，地下水的徑流方式也對(duì)地下水化學(xué)成分產(chǎn)生影響[14,25]。

本區(qū)地下水總體自西向東徑流；西部靠近山區(qū)，地層出露從西到東為震旦、寒武、奧陶、石炭、二疊系[5]和第三系第四系，其中有大面積的燕山期中性雜巖體出露，含水層巖性復(fù)雜；受復(fù)雜的地質(zhì)條件影響，在地下水的長期溶濾作用下，巖層中大量的氯化物、硫酸鹽析出，造成本區(qū)西部水化學(xué)類型總體以重碳酸硫酸鈣、重碳酸鈣型為主，但同時(shí)多處出現(xiàn)重碳酸鈣鈉、重碳酸硫酸鈣鈉的情況，地下水化學(xué)類型復(fù)雜。

隨著地下水自西向東徑流，本區(qū)中部區(qū)域（Ⅰ2區(qū)）地下水在運(yùn)移過程中經(jīng)過混合作用及陽離子交替吸附等作用，Mg2+含量增多，溶解性總固體含量減少，地下水類型逐漸轉(zhuǎn)化為重碳酸鈣鎂型水為主，該區(qū)水化學(xué)類型比較簡單。

至東部平原區(qū)（Ⅱ區(qū)），地下水埋藏較淺，水平徑流較弱，地下水排泄方式以垂直蒸發(fā)為主，導(dǎo)致地下水溶液逐漸濃縮，含鹽量增加，地下水中Na+離子含量逐漸增多，同時(shí)SO42+占比也逐漸增大，地下水的化學(xué)成分發(fā)生變化[24]；地下水的化學(xué)類型由重碳酸鈣鎂型水過渡為重碳酸鈉鎂型水，最后轉(zhuǎn)化為以硫酸鈉鎂為主的地下水。

另外，本區(qū)西南部有安陽河流過，經(jīng)取樣測(cè)試結(jié)果可知，河水化學(xué)成分中SO42+、Cl-、Na+含量較高，其水化學(xué)類型多為重碳酸硫酸氯鈣型和硫酸氯重碳酸鈣鈉型；本區(qū)西南部地下水均不同程度的受到河水的影響，導(dǎo)致局部出現(xiàn)硫酸重碳酸鈣鈉型水和重碳酸氯化物鈣型水的情況。

4 結(jié)論及建議

（1）研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型復(fù)雜，其中主要的化學(xué)類型有五種，有HCO3·SO4－Ca，HCO3－Ca·Mg，HCO3－Mg·Ca·Na，HCO3－Na·Mg，SO4·HCO3－Na·Mg；反應(yīng)該區(qū)淺層地下水物質(zhì)來源或成因環(huán)境的復(fù)雜性。

（2）研究區(qū)淺層地下水化學(xué)成分由西向東具有明顯的分帶性；西部重碳酸鈣、重碳酸鈣鎂區(qū)（Ⅰ區(qū)），為全淡水區(qū)，TDS和pH值相對(duì)較低，又可分為兩個(gè)亞區(qū)：西亞區(qū)以重碳酸硫酸鈣、重碳酸鈣為主，TDS含量低，水質(zhì)較好；東亞區(qū)為重碳酸鈣鎂區(qū)，鎂離子含量較西亞區(qū)增多，TDS含量低，水質(zhì)較好；東部重碳酸鎂鈣鈉、重碳酸鈉鎂和硫酸重碳酸鈉鎂區(qū)（Ⅱ區(qū)），鈉離子含量逐漸增多，同時(shí)TDS含量隨之增大，pH 值相對(duì)較高，特別是在本區(qū)西部邊界處，其TDS含量超過1 mg/L，已屬于微咸水、咸水范疇。

（3）淺層地下水樣品中，多數(shù)堿土金屬離子含量超過堿金屬離子，且弱酸根含量超過強(qiáng)酸根；少數(shù)堿金屬離子含量超過堿土金屬，主要分布于區(qū)內(nèi)東部邊界處。

（4）通過相關(guān)性計(jì)算和回歸分析，Ⅰ區(qū)TDS與陽離子Ca2+高度相關(guān)，與陰離子SO42-和Cl-也呈高度相關(guān)，與HCO3-線性相關(guān)程度極弱；Ⅱ區(qū)TDS與陽離子Mg2+、Na+顯著相關(guān)，與Ca2+高度相關(guān)；與陰離子SO42-顯著相關(guān)，與Cl-與HCO3-呈高度相關(guān)，與HCO3-線性相關(guān)程度較弱。