漢中盆地不同徑流條件下地下水水化學特征研究

韓朝輝，朱一龍，王郅睿，丁廉超，田 輝，趙 超，趙立磊，趙 浩，李新斌，龔文強，王 凡

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710100)

地下水化學組成是水文地球化學循環(huán)的重要組成部分，與周圍環(huán)境關系密切，通常利用地下水化學組分來示蹤地下水循環(huán)途經(jīng)，反映地下水流特征，從而對地下水資源變化趨勢及合理開發(fā)進行科學判斷[1-3]。水化學特征也可以反映氣候變化、巖石風化、土地利用及人類活動等對流域水環(huán)境的影響[4]。漢中盆地位于漢江流域上游，也是南水北調(diào)中線工程的重要水源涵養(yǎng)地，盆地內(nèi)水系眾多，漢江自西向東穿盆地而過，此外還發(fā)育眾多漢江的一級支流。漢江南北兩岸寬窄不一，北岸較為寬闊，地下水徑流距離長，南岸則較為狹窄，徑流距離短。本次研究選取了漢江南北兩岸以及其兩條支流褒河和文川河對不同徑流條件下地下水的水化學特征變化進行研究，以期對漢中盆地地下水的水化學特征有所了解，為進一步優(yōu)化水資源開發(fā)利用及管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漢中盆地在大地構(gòu)造上位于勉略帶勉略區(qū)段中東部，受控于勉略構(gòu)造帶和陽平關-寧陜斷裂帶，為一個新生代斷陷盆地。盆地北部為秦嶺山系，山勢陡峭，切割較深，相對高差一般在500～1 000 m，屬中山區(qū)，森林覆蓋率高，常綠針闊葉林均較發(fā)育；南部為大巴山系，相對高差500 m，屬低山-丘陵區(qū)。四季分明，溫暖濕潤，垂直氣候差異大，為典型亞熱帶內(nèi)陸季風氣候。多年平均氣溫為14.3℃，年均降雨量為712 mm[5],主要分布在5-9月。

盆地內(nèi)水系較為發(fā)育，長江流域最大的支流漢江自西向東穿過盆地，漢江支流眾多，發(fā)育有漾家河、褒河、文川河、湑水河、溢水河等支流。研究區(qū)含水層類型主要分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水三種(圖1)。

潛水廣泛分布于全區(qū)，含水層主要為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖洪積和中下更新統(tǒng)沖湖積砂卵(礫)石組成，漢江支流水系沿岸則主要由中細、中粗砂等組成，厚度約55～75 m。從盆地邊緣至中部富水性不斷增強，水位由深變淺；

承壓水廣泛埋藏于各地貌單元底部的第四系中、下更新統(tǒng)沖湖積含礫中粗砂和中細砂中，層間夾3～5層粘性土，含水層厚度34.10～46.10 m。以接受山區(qū)基巖裂隙水、裂隙溶洞水的補給為主，至盆地中部漢江各級階地底部，中、下更新統(tǒng)沖積湖積層的承壓水與潛水存在著相互補給的關系。據(jù)調(diào)查資料顯示，研究區(qū)第四系含水巖層(組)集中分布于150 m深度以內(nèi)，潛水含水層一般埋深65～80 m深度以上，隔水層厚度一般5 m，以下為承壓水層，200 m深度承壓水含水巖層減少并呈薄層分布。

圖1 漢中盆地水文地質(zhì)簡圖

基巖裂隙水主要分布于北秦嶺山前洪積扇群、階地后緣或溝谷中，基巖巖性多為片巖、砂巖和碳酸鹽巖、少量花崗巖侵入巖，在裂隙較發(fā)育地段，地下水常以泉水形式出露。

2 材料與方法

2.1 采樣點分布

本次研究共在漢中盆地段內(nèi)漢江干流南岸和北岸及其支流文川河和褒河上共采集了31件潛水地下水樣品，所采集的樣品全部為井水，樣品沿漢中盆地段內(nèi)漢江及兩條支流的上、中、下游均有分布，采樣點分布見圖2。

2.2 樣品采集與分析

2.2.1 樣品采集與儲存

樣品采集容器為5 L的聚乙烯塑料桶，先將樣品桶清洗干凈并干燥，取樣時用水樣清洗樣桶2～3次，再裝入水樣，蓋上瓶蓋后用封口膜將瓶口封緊以保證水樣不會外漏。樣品采集后放入冷藏運輸箱，在3日內(nèi)將樣品送至中陜核工業(yè)集團綜合分析測試有限公司實驗室進行分析。

2.2.2 樣品分析

K+、Na+、Ca2+、Mg2+采用ICAP 6300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進行測定；Cl-、SO42-采用ICS-1100離子色譜儀進行測定；CO32-和HCO3-由25 ml酸式滴定管方法分析測定；溶解性總固體利用烘干法由BSA224S-CW電子天平進行測定；pH由pHS-3CpH計進行測定。

圖2 采樣點分布示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 不同徑流條件下的主要離子特征

漢中盆地內(nèi)漢江北岸和南岸、文川河、褒河從上游到下游各地下水樣品中的主要離子特征見表1。從表1中可以看出，K+的均值和最大值在漢江北岸為最高，分別為2.39 mg/L和9.36 mg/L；Na+的均值和最大值則在漢江南岸為最高；Ca2+的最大均值為95.5 mg/L，出現(xiàn)在漢江支流褒河；Mg2+的最小均值為12.9 mg/L，在漢江支流文川河；Cl-和HCO3-的均值在漢江南岸和北岸變化不大，在支流褒河和文川河則明顯降低，漢江支流褒河最低，其均值分別為8.94 mg/L和216.53 mg/L；SO42-的均值在漢江北岸最大，為47.55 mg/L。

圖3 漢中盆地不同徑流條件下地下水主要離子的空間變化特征

表1 不同徑流條件下主要離子特征

3.2 不同徑流條件下地下水化學組成的空間變化特征

3.2.1 主要離子的空間變化特征

根據(jù)徑流路徑的不同，以漢江為界，共選取了三種不同的徑流路徑進行研究，分別為漢江北岸、漢江南岸以及漢江北岸支流褒河和文川河，各徑流條件下地下水中主要離子從上游至下游的變化特征如圖3所示。從圖3可以看出，不同徑流路徑下地下水中各主要離子的特征呈現(xiàn)出不同的規(guī)律：

(1)漢江北岸

從圖3a可以看出，從漢江北岸上游至下游，沿著徑流方向，各主要離子中除K+整體波動較為明顯外，其他離子在下游均出現(xiàn)了較為明顯的波動；從點S9至S10，除HCO3-和Ca2+的含量基本保持不變外，其他離子含量均出現(xiàn)了明顯的降低；Ca2+和Mg2+的整體變化趨勢較為一致，即從下游至中游先降低后升高，至中下游明顯降低，到下游又再次升高。

(2)漢江南岸

圖3b顯示，漢江南岸上游至下游，各主要離子的變化特征與漢江北岸出現(xiàn)了明顯的不同。整體上除HCO3-、Ca2+和Mg2+波動較小外，其他離子均呈現(xiàn)出明顯的波動；K+在中上游波動上升，至中下游波動較小，且呈緩慢降低趨勢；Na+、Cl-和SO42-在上游至中游先降低、后升高，在中游波動明顯，至下游呈緩慢上升趨勢。

(3)褒河

從圖3c中可以看出，在漢中盆地內(nèi)，褒河從山前至入漢江口段，地下水主要離子變化特征規(guī)律較為明顯，Na+在中游略有降低，至下游再次上升，Ca2+和Mg2+的變化不顯著，其他離子含量均呈現(xiàn)出緩慢增高的趨勢。

(4)文川河

從圖3d中可以看出，與褒河不同，從文川河的上游至下游，除K+和Na+在下游呈略微上升外，其他各離子的含量均呈降低趨勢，其中SO42-和Cl-的下降幅度較為明顯。

圖4 漢中盆地不同徑流條件下地下水pH和TDS的空間變化特征

3.2.2 pH及TDS空間變化特征

從表1可知，不同徑流條件下地下水的pH變化范圍不大，最大值為7.75，最小值為6.69，平均值為7.21；TDS介于52～638 mg/L之間，平均值為273.42 mg/L。整體為弱堿性低礦化度水。但在不同徑流條件下，pH和TDS的變化特征不同。

從圖4a可以看出，在漢江北岸，pH和TDS變化特征明顯，TDS的變化范圍為128～638 mg/L，標差高達164.65，說明其波動較為劇烈。整體變化規(guī)律為：從上游至中游，pH和TDS變化特征一致，即先降低后升高，至下游TDS突然增大，pH則是表現(xiàn)為先增大后降低的趨勢。從圖4b可以看出，在漢江南岸，pH和TDS波動較為劇烈，TDS變化范圍為52～384 mg/L，pH的變化范圍6.69～7.75，二者最小值均出現(xiàn)在漢江南岸的中上游，pH的最大值出現(xiàn)中游，在中下游TDS呈波動上升趨勢，且最大值位于下游。從圖4c可以看出，從褒河上游至下游，地下水的pH和TDS的變化規(guī)律一致，即先降低后升高。圖4d顯示，從文川河上游至下游，pH和TDS整體上均呈現(xiàn)下降趨勢，pH在中上游略微上升。

3.3 不同徑流條件下的地下水化學類型

Piper三線圖可以用來分析地下水化學成分的演化規(guī)律，也是分析水化學組分的常用方法，其優(yōu)點為不受人為因素的影響，在三線圖中可以看出各種離子的相對含量[6-8]。將漢江北岸、漢江南岸、褒河及文川河等不同徑流條件下的地下水樣品中主要離子的毫克當量百分比(meq%)點投到piper三線圖上(圖5)，從圖5可知，在陽離子圖中，大部分水樣點落在Ca2+端元，少量落在Mg2+端元中部，說明地下水中陽離子以Ca2+為主，其次為Mg2+；在陰離子圖中，大部分水樣點落在HCO3-端元，遠離SO42-和Cl-端元，說明地下水中陰離子以HCO3-占優(yōu)。在漢中盆地不同的徑流路徑下，地下水水化學類型總體差別不大，以HCO3-Ca型為主，少量HCO3-Ca·Mg型。根據(jù)舒卡列夫分類法，繪制了不同徑流條件下各地下水樣品的水化學類型分布圖(圖6)，從圖中可以看出，與piper三線圖結(jié)果類似，不同徑流條件下，從上游至下游地下水的化學類型幾乎不變，主要為HCO3-Ca型，局部地段為HCO3-Ca·Mg型，在漢江北岸的入盆地口處為HCO3·SO4-Ca·Mg型，在漢江南岸出盆地口處為HCO3·Cl-Ca型。

圖5 漢中盆地不同徑流條件下地下水樣品主要離子的Piper三線圖

圖6 漢中盆地不同徑流條件下地下水樣品的是化學類型分布圖

3.4 不同徑流條件下礦物的飽和指數(shù)

飽和指數(shù)(SI)是指離子活度積(iron activity product, ICP)和溶度積常數(shù)(Ksp)比值的對數(shù)(以10為底)，用來指示溶液與固相是否處于平衡[9]。一般情況下，黨SI=0時，說明礦物相對水溶液處于溶解平衡狀態(tài)；當SI<0時，礦物在水溶液中不飽和；當SI>0時，礦物在水溶液中處于過飽和狀態(tài)[10]。但是由于水質(zhì)分析等不可避免的誤差，使得SI的計算結(jié)果具有不確定性，因此實際中人為SI=±0.5時水溶液與礦物處于平衡狀態(tài)[11]。使用PHREEQC水文地球化學模擬軟件計算得到不同徑流條件下礦物的飽和指數(shù)(SI)(圖7)，從圖7中可以看出，不同徑流條件下各礦物的飽和指數(shù)變化不大，巖鹽和CO2的飽和指數(shù)均較低，處于未飽和狀態(tài)，在地下水徑流過程中，還會發(fā)生這些礦物的溶解，直至達到平衡狀態(tài)。大部分地下水樣品的方解石和白云石的飽和指數(shù)位于-0.5～0.5之間，說明相對

圖7 漢中盆地不同徑流條件下礦物飽和指數(shù)圖

地下水已處于平衡狀態(tài)；只有個別樣品的白云石飽和指數(shù)小于0.5，處于未飽和狀態(tài)；在漢江南岸，有一件樣品的白云石飽和指數(shù)大于0.5，處于過飽和狀態(tài)，即將發(fā)生沉淀。

4 結(jié)語

(1)在漢中盆地不同徑流條件下，地下水中主要離子組成特征差別不大，未有明顯的變化規(guī)律。

(2)在空間上，沿著徑流方向，不同徑流條件下地下水中的主要離子呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：在漢江北岸，K+整體波動較為明顯，其他離子在中上游波動較小，在下游均出現(xiàn)了明顯波動；在漢江南岸，除HCO3-、Ca2+和Mg2+波動較小外，其他離子均出現(xiàn)明顯波動；在漢江支流褒河，除Ca2+和Mg2+的變化不顯著，其他離子含量均緩慢增高；而在文川河，除K+和Na+在下游呈略微上升外，其他各離子的含量均呈降低趨勢。

(3)漢中盆地不同徑流條件下的地下水均為弱堿性低礦化度水，沿著徑流方向，pH和TDS在漢江南、北兩岸均呈現(xiàn)波動變化；在支流褒河，pH和TDS先降低后升高；在文川河，整體呈下降趨勢。

(4)不同徑流條件下，從上游至下游地下水的化學類型主要為HCO3-Ca型，局部地段為HCO3-Ca·Mg型。礦物飽和指數(shù)(SI)結(jié)果顯示，不同徑流條件下各礦物的飽和指數(shù)變化不大，巖鹽和CO2處于未飽和狀態(tài)，仍可以發(fā)生溶解，方解石和白云石已基本處于平衡狀態(tài)。