地下水水化學(xué)特征及演變研究綜述

郎旭娟 李方紅 韓思航 劉昭

(1.河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，河北 石家莊 050031；2.河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050031；3.河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050031；4.河北省水文學(xué)及水資源重點(diǎn)學(xué)科，河北 石家莊 050031)

緒言

在可以被人類利用的水資源中,地下水占據(jù)最主要的比例和地位。地球表面3/4 的面積被水覆蓋,水圈的質(zhì)量約有1.44×1018t,約占地球總質(zhì)量的1/4000；但是其中可以被人類利用的淡水資源占比不到3%,而在這3%的淡水資源中約69%是不能被人類直接利用的冰川積雪,剩余的能被人類直接利用的液態(tài)水資源中地下水占比97%以上。因此,地下水資源對(duì)人類生產(chǎn)生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的、不可替代的作用。但是由于地下水埋藏在地表以下,參與水文循環(huán)周期相對(duì)地表水來說較長(zhǎng),因此當(dāng)?shù)叵滤艿轿廴竞蠛茈y恢復(fù)。而且隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高,地下水資源消耗越來越大,地下水水位迅速下降,導(dǎo)致出現(xiàn)了地面沉降、地裂縫、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害,地下水污染問題也越來越嚴(yán)重,對(duì)人們生產(chǎn)生活、國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成很大影響[1,2]。因此,地下水污染治理的研究課題越來越多,地下水水量及水質(zhì)評(píng)價(jià)是工程規(guī)劃必不可少的工作之一,而這些問題的研究都離不開對(duì)地下水水化學(xué)特征的分析與研究[3]。

1 研究現(xiàn)狀

對(duì)于地下水水化學(xué)特征及演變規(guī)律方向的研究在國(guó)外起步較早,研究方法及手段比較成熟,這些對(duì)我國(guó)的地下水水化學(xué)特征及演變規(guī)律研究起到了很大的借鑒和啟發(fā)作用。其中,應(yīng)用較為廣泛的方法有水動(dòng)力學(xué)、水化學(xué)方法(包括水化學(xué)類型法、礦物飽和指數(shù)法、地球化學(xué)反應(yīng)路徑模擬等)、同位素手段,這些技術(shù)方法廣泛應(yīng)用在地下水系統(tǒng)研究和水文地球化學(xué)演化等領(lǐng)域,并且都取得了良好效果。

Reed 等利用礦物飽和指數(shù)方法來判斷地?zé)嵯到y(tǒng)中熱液與礦物之間的化學(xué)平衡[4]。Lloyd 和Heathcote在《天然無機(jī)水化學(xué)與地下水的關(guān)系》 一書中介紹了與地下水水化學(xué)相關(guān)的基本概念及水化學(xué)參數(shù)[5]。Surveys 編寫的“PHREEQC 用戶指南” 介紹了很多地下水水化學(xué)計(jì)算研究的方法,為地下水徑流路徑演化及反向演化模擬提供了很好的借鑒研究思路[6]。Fisher 對(duì)美國(guó)德克薩斯州奇瓦瓦沙漠地下水化學(xué)演變特征進(jìn)行了研究,利用離子相關(guān)性、礦物飽和法及地球化學(xué)模擬等方法對(duì)該區(qū)土壤、土壤滲濾液、非飽和水帶和3 個(gè)主要含水層中的地下水進(jìn)行水化學(xué)類型分析并得出該區(qū)地下水水化學(xué)演變規(guī)律[7]。Arnórsson 等從取樣、分析和數(shù)據(jù)解釋3 個(gè)方面論述了水化學(xué)及同位素方法在地?zé)豳Y源勘探開發(fā)中的應(yīng)用[8]。Subyani 利用飽和指數(shù)方法及同位素法對(duì)沙特阿拉伯等地區(qū)地下水補(bǔ)給問題進(jìn)行了研究,認(rèn)為該區(qū)地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水,地下水回灌量中11%來自大氣降水[9]。Kebede 等利用地球化學(xué)和環(huán)境同位素手段對(duì)埃塞俄比亞尼羅河上游流域地下水補(bǔ)給、徑流及水化學(xué)循環(huán)演化進(jìn)行了分析研究,認(rèn)為塔納格拉本湖和耶爾圖盧韋勒火山線帶為該區(qū)地下水循環(huán)和水化學(xué)演化的主要區(qū)域[10]。Pilla 等利用同位素技術(shù)對(duì)意大利倫巴第西南部地區(qū)多層含水層地下水起源以及水動(dòng)力條件進(jìn)行了研究,得出該區(qū)潛水含水層是由局部滲透和溪流及灌溉渠道補(bǔ)給[11]。Bailly-Comte 利用了地下水動(dòng)力原理分析了Coulazou 喀斯特地區(qū)河流與河流附近巖溶含水層之間的水動(dòng)力作用及巖溶泉與河床之間的水動(dòng)力交互關(guān)系[12]。將二氧化碳進(jìn)行地質(zhì)儲(chǔ)存以緩解溫室氣體效應(yīng)的研究是地下水研究的熱點(diǎn)課題,Wilkin 等利用PHREEQC 軟件對(duì)二氧化碳?xì)怏w溶解對(duì)含水層地下水中各礦物反映的影響進(jìn)行了分析[13]。

地下水的水化學(xué)成分是在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)通過水文循環(huán)形成的,因此其水化學(xué)成分的形成、演變過程必然會(huì)受到以前的氣候、構(gòu)造、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等各種環(huán)境變化的影響。同時(shí),氣候變化、地殼活動(dòng)及人類活動(dòng)也會(huì)對(duì)地下水的水化學(xué)成分產(chǎn)生較大影響導(dǎo)致其發(fā)生變化。Chen 等通過對(duì)加拿大溫尼伯地區(qū)105a 的氣候記錄數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)井水位之間相關(guān)性進(jìn)行分析,認(rèn)為降水和年平均氣溫均與地下水位有較強(qiáng)相關(guān)性,該區(qū)氣溫上升可能會(huì)減少凈補(bǔ)給從而影響地下水水位[14]。Drew 和H?tzl 系統(tǒng)地分析了人類活動(dòng)對(duì)土壤、自然景觀等造成的影響以及對(duì)巖溶水的污染[15]。Jalali 通過水化學(xué)法對(duì)伊朗哈馬丹西部區(qū)域地下水質(zhì)量和地質(zhì)特征進(jìn)行分析評(píng)價(jià),并通過水化學(xué)類型法分析出該區(qū)地下水中NO3-的含量與農(nóng)業(yè)灌溉及生活污水的排放密切相關(guān),地下水的水化學(xué)特征明顯受控于自然地球化學(xué)過程和人類活動(dòng)[16]。

相比于國(guó)外,國(guó)內(nèi)有關(guān)地下水水化學(xué)成分形成與演化的研究起步較晚。20 世紀(jì)80 年代前期,國(guó)內(nèi)對(duì)于地下水水化學(xué)的相關(guān)研究主要集中在地下水資源評(píng)價(jià)方法領(lǐng)域。閻占元加深了對(duì)地下水的相關(guān)概念的認(rèn)識(shí)及地下水資源的評(píng)價(jià)方法[17]。到了20 世紀(jì)90 年代初期,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)地下水和地表水間的關(guān)系有了突破性認(rèn)識(shí),認(rèn)識(shí)到地下水與地表水并不是獨(dú)立的,不可將二者分割研究。20 世紀(jì)90 年代后期,我國(guó)學(xué)者開始認(rèn)識(shí)到從大尺度研究水循環(huán)演化及區(qū)域地下水演變特征的重要性。張宗祜院士等水文工作學(xué)者,通過對(duì)區(qū)域地下水水化學(xué)演變特征進(jìn)行研究,認(rèn)為地下水水化學(xué)演化已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的階段,當(dāng)今時(shí)代科學(xué)技術(shù)及人類活動(dòng)已成為地下水水化學(xué)特征演變的主要控制因素,在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)要保證水資源的可持續(xù)開發(fā)利用的重要措施就是要加強(qiáng)水資源管理與保護(hù)[18-20]。2002 年開始,張光輝等學(xué)者利用同位素手段對(duì)黑河流域地下水的補(bǔ)、徑、排的時(shí)空演變特征進(jìn)行了研究,查明了地表水與相鄰地下水之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律,認(rèn)為區(qū)域地下水化學(xué)演變受到氣候變化、人類活動(dòng)影響和構(gòu)造控制作用的共同影響[21-24]。小尺度區(qū)域的地下水化學(xué)演變特征在近30a 來也越來越受到國(guó)內(nèi)水文學(xué)者們的重視。蘇永紅等綜合地球化學(xué)和同位素技術(shù)手段對(duì)額濟(jì)納盆地中的地下水和地表水的水化學(xué)特征進(jìn)行了研究,對(duì)我國(guó)西北干旱地區(qū)內(nèi)陸河流域中的地下水化學(xué)演變特征研究提供理論支撐[25]。陳宗宇等學(xué)者對(duì)中國(guó)北方地下水水化學(xué)調(diào)查成果進(jìn)行系統(tǒng)地分析統(tǒng)計(jì),對(duì)西北內(nèi)陸盆地、華北平原和松嫩平原近50a 來區(qū)域地下水系統(tǒng)的演變特征及影響因素進(jìn)行研究,并在此研究成果基礎(chǔ)上提出了在氣候變化和人為活動(dòng)共同影響下應(yīng)對(duì)地下水化學(xué)演化的適應(yīng)性對(duì)策[26]。王帥利用Piper 三線圖法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、離子相關(guān)性等水化學(xué)方法對(duì)石家莊衡水區(qū)地下水的水化學(xué)特征和演變過程進(jìn)行了研究,對(duì)該區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐[27]。王東勝等通過質(zhì)量平衡模擬方法得出了控制石家莊地下水化學(xué)演變的主要水巖作用過程[28]。

地下水動(dòng)力場(chǎng)的演化研究對(duì)油氣遷移聚集規(guī)律、地質(zhì)災(zāi)害治理具有重要的意義。樓章華等通過對(duì)松遼盆地地下水動(dòng)力場(chǎng)特征及油氣遷移、聚集規(guī)律研究得出油氣運(yùn)移與分布與水動(dòng)力條件密切相關(guān)的結(jié)論[29]。李天宇等對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地層中地下水化學(xué)特征與油氣保存之間關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)礦化度低、地層封閉性差的部位容易形成稠油[30]。周新平等通過水化學(xué)法對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組地層油藏條件進(jìn)行了分析[31]。李陽等針對(duì)油田的水動(dòng)力條件特征對(duì)油氣藏的影響進(jìn)行了討論,認(rèn)為相對(duì)穩(wěn)定的水動(dòng)力條件比動(dòng)蕩的水動(dòng)力環(huán)境更有利于油氣藏的保存[32]。魏哲對(duì)黑方臺(tái)灌區(qū)地下水的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要誘因是地下水動(dòng)力場(chǎng)特征空間分布不均[33]。

地下水演化過程的研究離不開對(duì)地下水化學(xué)方面的分析。近十幾年來,水化學(xué)法、同位素手段、地球化學(xué)模擬等方法在我國(guó)水化學(xué)方面的研究日漸成熟。喬曉英通過地下水系統(tǒng)理論為指導(dǎo),對(duì)準(zhǔn)格爾盆地南緣地下水環(huán)境演化進(jìn)行了研究,探討了地下水可再生性基本理論與方法[34]。郭小娟利用地下水化學(xué)指標(biāo)分析法、同位素技術(shù)等手段對(duì)天津王四井鈣華的形成進(jìn)行了模擬研究[35]。李青梅等通過對(duì)博興縣地下水歷史水化學(xué)資料分析,得出了該區(qū)地下水化學(xué)成分演變主要與南部地下水降落漏斗的產(chǎn)生有關(guān)[36]。

2 總結(jié)與展望

對(duì)于地下水化學(xué)及演化特征的研究方法利用較為廣泛的方法有水化學(xué)指標(biāo)法、水化學(xué)類型法、同位素技術(shù)及水化學(xué)模擬法等。其中,對(duì)于比較復(fù)雜的水文地質(zhì)條件,利用同位素手段來研究往往能達(dá)到理想效果；進(jìn)行揭示地下水化學(xué)演變規(guī)律的研究采用地球水文化學(xué)法可取得良好效果；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在地下水化學(xué)演化模擬手段也越來越多地被利用到有關(guān)地下水方面的研究中,如SWAT 模型、WEP 模型、DTVGM 模型等；同時(shí),相關(guān)性分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法也可用在對(duì)地下水類型演化方面。

針對(duì)地下水化學(xué)演變,國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量研究。隨著氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)自然的改造影響不斷加劇,在未來的地下水演化領(lǐng)域,需要重視二者耦合作用對(duì)地下水化學(xué)演變的影響。