基于水文地球化學(xué)的寧夏吳忠地區(qū)傍河取水可行性探討

方 磊，吳 瑞，馬小波，金 亮

(寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏 銀川 750021)

水資源是我國西北干旱地區(qū)最重要的資源，是人類生產(chǎn)生活和生態(tài)的基礎(chǔ)[1]。寧夏銀川平原地處干旱半干旱地區(qū)，水資源尤為重要。該區(qū)的主要水質(zhì)來源于黃河，黃河水不但灌溉了農(nóng)田，還為寧夏沿黃城市群提供了生活供水。但直接引黃河水存在水質(zhì)渾濁，含有大量的泥沙和雜質(zhì)，需要花費(fèi)大量的成本進(jìn)行前期處理。如果可以利用傍河取水進(jìn)行供水，則可以解決這一問題[2-4]。為此，本次研究在銀川平原南部傍河取水的有利地段(卵礫石地層區(qū))—吳忠地區(qū)部署一眼大口徑進(jìn)行傍河取水，通過水文地球化學(xué)分析對(duì)其可行性進(jìn)行探討，服務(wù)寧夏沿黃城市群的水資源利用規(guī)劃。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河?xùn)|岸，吳忠市區(qū)的西北側(cè)的古城鎮(zhèn)一帶，見圖1。屬溫帶大陸性半干旱氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。多年平均氣溫10.14℃，年均降水量186.18 mm，年平均蒸發(fā)量1 847.46 mm。研究區(qū)地處銀川平原南部，黃河?xùn)|岸，地形平坦，地勢(shì)開闊。

研究區(qū)地下水類型為第四系松散巖類孔隙水，含水巖組主要為洪積砂卵石等粗粒沉積物，富水性強(qiáng)，單井涌水量一般大于3 000 m3/d，地下水水質(zhì)良好，TDS小于1 g/L[5-6]。黃河是該區(qū)地下水的主補(bǔ)給來源，通過引黃灌溉和渠系滲漏源源不斷的補(bǔ)給地下水，同時(shí)黃河也是為該區(qū)域地下水的排泄基準(zhǔn)面，控制著地下水的排泄。

2 傍河取水試驗(yàn)

圖1 研究區(qū)的位置圖

圖2 QS01井結(jié)構(gòu)圖及抽水試驗(yàn)歷時(shí)曲線圖

本次研究以QS01抽水井為主要的研究對(duì)象，該孔(井)鉆探全孔取芯測(cè)井，鉆遇地層以卵礫石為主，見圖2。QS01成井后進(jìn)行了連續(xù)七天的抽水試驗(yàn)，抽水量為30 m3/d，試驗(yàn)過程中使用了電導(dǎo)率、簡(jiǎn)分析和氘氧同位素等手段進(jìn)行了連續(xù)的監(jiān)測(cè)和取樣，主要從水文地球化學(xué)分析角度對(duì)黃河水的補(bǔ)給量進(jìn)行分析計(jì)算。

3 分析與結(jié)果

3.1 抽水試驗(yàn)過程中電導(dǎo)率和TDS的變化

在抽水試驗(yàn)過程中，QS01井水的電導(dǎo)率(現(xiàn)場(chǎng)哈希水質(zhì)檢測(cè)儀獲取)隨著時(shí)間不斷的變化，總體呈現(xiàn)出不斷變小的規(guī)律，減少的平均速度為每小時(shí)0.247 μs/cm，見圖3。電導(dǎo)率不斷變小反映出隨著抽水的進(jìn)行，地下水位下降，地下水漏斗不斷擴(kuò)大，黃河水補(bǔ)給逐漸變大。由于黃河水電導(dǎo)率僅有313 μs/cm，遠(yuǎn)小于地下水(778 μs/cm)，黃河水的補(bǔ)給造成QS01抽出的水電導(dǎo)率變小。根據(jù)該規(guī)律，可以將QS01井抽出的水看作是黃河水和地下水二元混合的結(jié)果，混合比例可以根據(jù)電導(dǎo)率觀測(cè)數(shù)值進(jìn)行推算。本次混合比例最終推算采用的參數(shù)為：黃河水和試驗(yàn)抽水的電導(dǎo)率采用抽水試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的觀測(cè)值分別為331 μs/cm和716 μs/cm，地下水的電導(dǎo)率采用抽水開始時(shí)候電導(dǎo)率最大觀測(cè)值778 μs/cm，見圖3。據(jù)此，計(jì)算出黃河水對(duì)試驗(yàn)抽水的補(bǔ)給比例為13.65%，說明補(bǔ)給量很小。

抽水試驗(yàn)過程中，對(duì)QS01井水的每天取樣一組，進(jìn)行簡(jiǎn)分析或全分析，測(cè)得TDS等主要指標(biāo)。監(jiān)測(cè)顯示TDS的指標(biāo)都隨著時(shí)間不斷的變化，總體呈現(xiàn)出不斷變小的規(guī)律，與電導(dǎo)率的規(guī)律一致。同理，根據(jù)黃河水與地下水二元混合模型，可以通過TDS指標(biāo)計(jì)算出黃河水對(duì)試驗(yàn)抽水的補(bǔ)給比例為9.32%(見圖3)，也說明黃河補(bǔ)給量很小，而且與電導(dǎo)率計(jì)算混合比例誤差不大。

圖3 QS01的電導(dǎo)率、TDS的歷史曲線圖

3.2 抽水驗(yàn)收過程中氘氧同位素的變化

同位素技術(shù)廣泛的應(yīng)用在地下水補(bǔ)給來源判別中，是被公認(rèn)有效的手段之一[7-8]。為了進(jìn)一步對(duì)抽水過程中的黃河水的補(bǔ)給規(guī)律進(jìn)行揭示，本次傍河抽水試驗(yàn)對(duì)QS01和黃河水的氘氧(由西安地質(zhì)調(diào)查中心試驗(yàn)室測(cè)試)進(jìn)行了連續(xù)的監(jiān)測(cè)，每天取樣一組(見表1)，監(jiān)測(cè)也顯示出了較好的規(guī)律性。

表1 抽水試驗(yàn)氫氧同位素取樣分析結(jié)果一覽表

現(xiàn)將QS01和黃河水采取氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)在同一張圖繪制，結(jié)果為圖4。該圖明顯的反映出黃河水樣點(diǎn)基本都位于大氣降水線下方，僅有一個(gè)水樣離群(QY24)，出現(xiàn)了明顯的聚類現(xiàn)象；QS01抽水井中取的第一個(gè)水樣QY01數(shù)據(jù)分布在圖的最右側(cè)，顯示出抽水試驗(yàn)剛開始井中抽出的水為地下水，黃河水無補(bǔ)給；隨著抽水試驗(yàn)的進(jìn)行，黃河水開始補(bǔ)給，QS01樣品氘氧同位素?cái)?shù)據(jù)開始向黃河水的氘氧范圍靠近，但由于黃河水的補(bǔ)給有限，氘氧同位素靠近地下水，與地下水形成明顯的聚類現(xiàn)象，與黃河水樣呈現(xiàn)出顯著差異。氘氧同位素?cái)?shù)據(jù)顯示出本次抽水試驗(yàn)抽出的水主要源于地下水，而非黃河水。

氫氧同位素在水文地質(zhì)方面的一個(gè)重要應(yīng)用就是確定混合水的混合比例。根據(jù)圖4，可以發(fā)現(xiàn)本次抽水試驗(yàn)呈現(xiàn)出很好二元混合模型規(guī)律，即QS01抽出的水是由地下水和黃河水二元混合而成，根據(jù)氘氧同位素可以對(duì)二元混合比例進(jìn)行計(jì)算分析。本次二元混合計(jì)算的數(shù)據(jù)選?。狐S河水取試驗(yàn)最后的非離群數(shù)據(jù)，因?yàn)樽詈蟮腝Y24為離群數(shù)據(jù)，故取倒數(shù)第二個(gè)數(shù)據(jù)—QY21；地下水取抽水試驗(yàn)最開始的取樣數(shù)據(jù)QY01，因?yàn)槌樗囼?yàn)開始的時(shí)候黃河水基本無補(bǔ)給，抽取的水為地下水；最終的抽出的水取抽水試驗(yàn)取的最后一個(gè)數(shù)據(jù)—QY22。根據(jù)以上采取的數(shù)據(jù)的δ18O通過二元混合模型計(jì)算黃河水的補(bǔ)給比例為12.46%，與前面電導(dǎo)率和TDS黃河水補(bǔ)給比例的計(jì)算結(jié)果基本一致。

圖4 抽水試驗(yàn)水樣氘氧關(guān)系

根據(jù)氘氧同位素的連續(xù)監(jiān)測(cè)分析，顯示出本次傍河取水的主要來源是地下水而非黃河水，黃河水的補(bǔ)給量僅為12.46%。

4 結(jié)語

通過連續(xù)七天QS01傍河取水試驗(yàn)對(duì)寧夏吳忠地區(qū)黃河傍河取水可行進(jìn)行初步分析。傍河取水試驗(yàn)中對(duì)電導(dǎo)率、TDS和氘氧同位素等指標(biāo)的連續(xù)監(jiān)測(cè)分析，從水水文地球化學(xué)的角度對(duì)傍河取水的可行性論證。根據(jù)地下水與黃河水二元混合模型對(duì)混合比例計(jì)算顯示黃河水補(bǔ)給QS01的比例僅為9.32%～13.65%，說明該區(qū)黃河傍河取水的可行較差，可能與黃河水中的泥沙含量大河底淤泥滲透性差有關(guān)，有待進(jìn)一步分析。