京津冀水源涵養(yǎng)區(qū)水化學環(huán)境分析
——以承德市興隆縣為例

魯重生，劉文波，李志明，武 雄，康 偉，任玉祥

(1.中國地質大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京 100083;2.中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081; 3.承德市自然資源和規(guī)劃局，河北 承德 067000)

地處承德西南端的興隆縣毗鄰京津唐承四市，是距離京津冀[1]最近的水源涵養(yǎng)區(qū)，境內(nèi)發(fā)育多支河流并向京津地區(qū)輸送水源。興隆縣以發(fā)展工、農(nóng)、礦、果林、旅游業(yè)為重心，用水需求量大，然而，區(qū)內(nèi)多年年均降水量呈下降趨勢，年內(nèi)季節(jié)性用水緊張[2]；且鷹手營子礦區(qū)排污、農(nóng)業(yè)果林業(yè)用肥、礦山廢渣堆放及農(nóng)村生活污水使地表河流及地下水環(huán)境惡化。目前，已有學者對興隆縣典型河流和水庫及其周邊水體進行了污染物檢測與源解析[3-4]、水質評價[5]及氮、磷輸出的風險評價[6]，指出污染源主要是工廠“三廢”和農(nóng)藥化肥，應進一步加強氮、磷輸出的管理與治理，但水流自凈能力強，水質尚好。已有研究著重于工作區(qū)及周邊地表水體質量的評估，未將地表水、地下水和巖性條件作為相互關聯(lián)的水體來研究[7]，更未從小流域尺度剖析水源涵養(yǎng)狀況。

基于前人研究，本文以地質條件為背景，采用GIS空間分析方法，揭示了區(qū)內(nèi)水環(huán)境的成生條件、主控地質因素[8]和水巖相互作用過程，旨在從水化學角度分析水源涵養(yǎng)狀況，同時，還分析了區(qū)內(nèi)地下水中鍶、硒礦泉元素富集特征[9]，指出其獨特的水源涵養(yǎng)條件，服務于安全供水[10]，為京津冀協(xié)同發(fā)展進程中城市發(fā)展、水資源配置及功能區(qū)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理條件

興隆縣位于承德市域西南端，北與承德縣相望，東臨灤河與寬城滿族自治縣毗鄰，西接北京市密云縣與平谷縣，南與天津交界，縣境東西長86 km，南北寬 57 km，總面積3 123 km2。因研究區(qū)獨特的地質構造與地形地貌，發(fā)育了柳河、清水河、泃河、潵河及沙河等主要水系，流入北京、天津及省內(nèi)臨縣，對京津冀水源涵養(yǎng)具有重要意義(圖1)。

研究區(qū)屬半濕潤半干旱大陸性季風型山地氣候，降水和蒸發(fā)具有明顯的季節(jié)性差異，年均降水量為715.5 mm，年均月蒸發(fā)量為117 mm；降水集中在5—9月，占全年的71%；蒸發(fā)量集中在4—8月，占全年的63.9%；年平均氣溫為5.6 ℃，極端最高氣溫36.6 ℃，極端最低氣溫-28.6 ℃。

1.2 水文地質條件

區(qū)內(nèi)含水巖組主要有碳酸鹽巖裂隙巖溶類、變質巖孔隙-裂隙類、巖漿巖裂隙類、碎屑巖孔隙-裂隙類及松散巖孔隙類。碳酸鹽巖類主要分布在中部，沿東西向展布，以長城系(Ch)白云巖、白云質灰?guī)r及薊縣系(Jx)的灰質白云巖和白云巖為主，局部地區(qū)出露奧陶系(O)灰?guī)r，富水性較好；變質巖分布在南部，東西向展布，主要以太古界(Ar)的斜長角閃巖和黑云斜長片麻巖為主，富水性一般；各期侵入巖則為早白堊紀(K1)侵入石英二長巖、太古代(Ar)侵入二長花崗巖、燕山期侵入正長斑巖、中元古界侵入花崗斑巖，富水性隨儲水構造不同呈現(xiàn)出較大差異性；碎屑巖分布在北部，東西向展布，中部地區(qū)零星分布，以長城紀的石英砂巖、中侏羅紀(J2)的粉砂巖夾砂巖及礫巖為主，富水性一般；松散巖類沿柳河、清水河、沙河等河流溝谷分布，以第四系(Q)砂礫石、卵礫石為主，與地表水關系密切，富水性隨所處地貌部位不同而變化。

圖1 研究區(qū)地理位置及水樣點分布圖Fig.1 Geographical location and distribution of the water samples

區(qū)內(nèi)地下水來源以降水入滲補給為主，滲入地下的水隨地形在基巖風化裂隙、構造裂隙或溶隙中徑流，最終以泉流或側向滲流方式進入溝谷，匯成河流出境，形成京津冀水源涵養(yǎng)區(qū)。

2 樣品采集與測試

2019年6—8月，在研究區(qū)內(nèi)采集水樣共計79組，其中井水采樣25組，泉水采樣46組，地表水采樣6組，尾礦水樣2組(圖1)。水樣現(xiàn)場測試項目：氣溫、水溫、pH、電導率(EC)、氧化還原電位(Eh)、溶解氧、TDS。現(xiàn)場對用于金屬元素分析的水樣進行加硝酸處理。

陰離子采用離子色譜儀(型號ICS-1100)測試；陽離子采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(型號ICP-OES(ICAP6300))測試；微量元素采用電感耦合等離子體質譜儀(型號 ICP-MS(Aglilent 7700))測試。誤差控制在5%以內(nèi)，測試精度為±0.001 mg/L。水樣測試在中國地質大學(武漢)生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室完成。

3 結果與討論

3.1 水化學類型及分布

圖2 研究區(qū)水化學類型統(tǒng)計柱狀圖Fig.2 Statistical histogram of hydrochemical types

地表水、泉水和地下水水化學類型均以HCO3—Ca·Mg型為主，表現(xiàn)出同源性特征。地表水樣品中，HCO3—Ca·Mg型水占66.7%；地下水樣品中，HCO3—Ca·Mg型水15組(占60%)，其余合計占40%；泉水樣品中HCO3—Ca·Mg型水30組(占65.2%)，其余類型合計占34.8%；泉水中有2組尾礦出流水樣，均為SO4—Mg·Ca型水(表1)。

表1 各類取樣點中水化學類型數(shù)量統(tǒng)計表

圖4 巖性與水化學類型分布圖Fig.4 Distribution map of lithology and hydrohemistry types注：圖中H、C、M、N、Cl、S分別代表HCO3、Ca、Mg、Na、Cl、SO4。

圖3 研究區(qū)水化學Piper圖Fig.3 Piper diagram of hydrochemistry in the study area

進一步的GIS空間分析[13]結果表明(圖4)，水化學類型為HCO3—Ca·Mg和HCO3—Ca的水樣多位于灰?guī)r或白云巖為主的碳酸鹽巖地區(qū)，沿北馬圈子鎮(zhèn)、上石洞鄉(xiāng)、陡子峪鄉(xiāng)、大水泉鄉(xiāng)、南木門一帶分布；SO4—Ca(泉水2XL-63)、HCO3·SO4—Ca(泉水2XL-34、井水2XL-61)、HCO3·SO4—Ca·Mg(井水XL-52、井水2XL-153)、SO4·HCO3—Ca·Mg(泉水2XL-61)型水分布在變質巖及侵入巖地區(qū)，沿茅山鎮(zhèn)—八卦嶺—半壁山鎮(zhèn)一帶分布；SO4·HCO3—Na·Ca·Mg(地表水2XL-28)、SO4—Ca(泉水2XL-139)型水分布在鷹手營子礦區(qū)以北碳酸鹽巖和碎屑巖地區(qū)，主要受工礦活動控制；SO4—Mg·Ca(尾礦水WR-149、WR-151及地表水2XL-104)型水集中在安子嶺鄉(xiāng)劉家莊廢棄硫鐵、鉛鋅礦周邊。

研究區(qū)水化學類型與巖性展布狀況有高度一致性，工礦活動對水化學類型產(chǎn)生一定的影響。

3.2 水化學環(huán)境及成因

針對79組水樣進行分析，鈉氯系數(shù)的最大值為6.87，最小值為0.27，均值為0.98(表2)。14組水樣(地表水1組、井水5組、泉水8組)落在鈉氯系數(shù)值大于1區(qū)域，為大氣降水淋濾所致，其中，井水水樣2XL-57、XL-52受大氣降水淋濾作用影響最大，說明其含水巖體的開啟程度較高，與周邊巖層裂隙發(fā)育相關，更易攜帶易溶鹽。14組水樣(地表水3組、井水3組、泉水8組)的鈉氯系數(shù)值在1附近，為巖鹽層溶濾作用的結果。48組水樣(地表水2組、井水16組、泉水30組)散布在海水鈉氯系數(shù)線(0.85)下方，表明這部分水非本地來源，而是處于徑流途中，水巖作用和陽離子交替吸附作用較充分，2XL-97為斷層泉水，沿破碎帶運移距離較長，水巖作用造成礦物質聚集；2XL-53取自大口井，出露巖性為石英砂巖，較高的TDS反映出脆性巖石發(fā)育的裂隙為地下水運移和水巖相互作用提供了條件(圖5a)。

圖5 研究區(qū)離子比例系數(shù)與TDS關系圖Fig.5 Relationship between ion proportional coefficient and TDS in the study area

表2 離子比例系數(shù)統(tǒng)計表

基于以上研究，進一步采用氯堿指數(shù)(CAI)確定離子交換的方向和強度[17-18]，以討論地下水、泉水是否與所流經(jīng)的巖石發(fā)生Ca2+、Mg2+與Na+、K+交替吸附作用。表達式為：

CAI-Ⅰ=[r(Cl-)-r(Na++K+)]/r(Cl-)

(1)

CAI-Ⅱ=[r(Cl-)-r(Na++K+)]/

(2)

區(qū)內(nèi)多數(shù)水樣CAI-I、CAI-II值小于或等于0(圖6)，表明地下水中的Ca2+、Mg2+與含水巖組中Na+、K+發(fā)生交換，使水中的Na+、K+含量增高。

相比于Na+/Cl-比值(圖7a)關系曲線，(Na++K+)/Cl-比值(約為1.75)集中在y=x線上方(圖7b)，說明除巖鹽溶解外，含鈉、鉀的硅鋁酸鹽礦物(鈉長石、鉀長石)，或蒸發(fā)巖鹽礦物(芒硝)在徑流途中不斷被水解、溶濾，陽離子交換促進Na+、K+從巖漿巖的長石類礦物中釋放出來[18-19]。

圖6 研究區(qū)氯堿指數(shù)分布圖Fig.6 Distribution map of chlor-alkali index in the study area

圖7 離子比值關系圖Fig.7 Relationship among ion ratios

3.3 水源涵養(yǎng)條件分析

篩除尾礦水異常指標值，對研究區(qū)77組水樣進行描述性統(tǒng)計(表3)，研究區(qū)水樣pH值在7.3～9.0之間，均值為8.04，為弱堿性環(huán)境，氧化還原電位(Eh)在79.5～120.0 mV之間，均值為94.6 mV，變異程度小(CV=0.09)，表明涵養(yǎng)區(qū)的地下水環(huán)境[23]為穩(wěn)定的氧化環(huán)境。

表3 研究區(qū)測試指標含量描述性統(tǒng)計

圖8 各流域典型樣點分布圖Fig.8 Distribution of the typical samples in various watersheds

水中適量的鍶(Sr)和硒(Se)是有益于人體的“健康”元素。研究區(qū)的地下水和泉水中，均檢測到Sr元素和Se元素富集。79組水樣中，富Sr水樣(≥0.4 mg/L)5組，富Se水樣(0.01～0.05 mg/L)12組，同時富Sr、Se水樣5組，富Sr或富Se但含超限指標(Se>0.05 mg/L、Sb>0.005 mg/L、Br>0.01 mg/L)水樣21組[25](圖10)。富Sr、Se的水樣多分布在研究區(qū)南部青松嶺、大碌洞等變質巖區(qū)及東部詩上莊、羊羔峪等碳酸鹽巖下伏侵入巖區(qū)(圖11)。Sr、Se等有益元素富集體現(xiàn)出京津冀水源涵養(yǎng)的優(yōu)勢水化學背景，目前對于其富集的初步研究為礦泉水利用開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。Sr、Se元素富集與水巖作用的關系還在進一步研究中。

4 結論

(1)研究區(qū)各水化學類型分布與地層巖性分布具有明顯一致性，尤其受到區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖連片出露控制，水化學類型以HCO3—Ca·Mg型(62%)為主。

(3)研究區(qū)水化學特征總體呈現(xiàn)出優(yōu)良的涵養(yǎng)特征。水中總溶解性固體(TDS)含量較低(均值246.68 mg/L)，pH均值8.04，為弱堿性水；區(qū)內(nèi)裸露及下伏侵入巖、古老變質巖分布區(qū)，“健康”

圖9 各流域水樣Stiff圖Fig.9 Stiff diagram of the water samples in various watersheds

圖10 礦泉水點分布圖Fig.10 Distribution map of mineral spring water

元素Sr、Se富集，形成京津冀水源涵養(yǎng)的天然優(yōu)勢條件。

圖11 Sr、Se礦泉達標統(tǒng)計柱狀圖Fig.11 Statistic histogram of mineral spring water of Sr and Se concentrations up to the national standards