保定平原南部超采區(qū)地下水化學(xué)特征研究

李謹(jǐn)丞 楊會(huì)峰 張永波

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；3.京津冀平原地下水與地面沉降國家野外科學(xué)觀測研究站，河北 石家莊 050061；4.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081）

0 引言

20 世紀(jì)70 年代以來， 隨著保定地區(qū)農(nóng)業(yè)和工業(yè)的快速發(fā)展， 對(duì)地下水進(jìn)行大規(guī)模長期的過度開采，引起了保定平原區(qū)地下水水位的持續(xù)下降，形成了多處地下水降落漏斗，部分含水層被疏干或枯竭，引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問題，如地面沉降、地裂縫、水質(zhì)惡化等[1]。 這些嚴(yán)重地制約了保定平原區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，危及了研究區(qū)的生態(tài)安全和供水安全。

在地下水運(yùn)移的過程中，地下水持續(xù)與流經(jīng)的介質(zhì)相互作用，形成了不同的區(qū)域地下水化學(xué)組分[2]。 地下水化學(xué)特征能夠較好地反映區(qū)域地下水循環(huán)和水化學(xué)演化，是地下水資源評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容[3]。 因此以保定平原區(qū)南部為例， 對(duì)其地下水水化學(xué)組成進(jìn)行分析，探討其地下水水化學(xué)特征、演變因素及年齡特征，對(duì)于了解保定平原區(qū)地下水資源的分布、補(bǔ)給流動(dòng)狀況及開采后的變化以及對(duì)于科學(xué)管理、合理開發(fā)地下水資源具有重要實(shí)際意義。

1 研究區(qū)概況

保定平原區(qū)南部位于河北平原與太行山脈的接壤地帶，總體地勢平坦。 西臨太行山區(qū)，中部以及東南部為河北平原區(qū)。 保定平原區(qū)位于北溫帶，為大陸型半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為12.6℃，其中以七月份氣溫最高，平均26.4℃；一月份氣溫最低，平均-5℃。研究區(qū)多年平均降水量543.5 mm，多年平均蒸發(fā)量約為平均降水量的3.2 倍，高達(dá)1 728 mm。

2 樣品采集與分析

為闡明保定平原南部地下水水文地球化學(xué)特征及地下水年齡特征，明確地下水超采對(duì)地下水年齡分布規(guī)律及水化學(xué)特征的影響， 自非漏斗區(qū)至漏斗區(qū)，沿區(qū)域地下水流方向，以A-A′，B-B′兩條典型剖面進(jìn)行研究。 采集水化學(xué)樣品40 組，并將取樣點(diǎn)分為非漏斗區(qū)采樣點(diǎn)（Ⅰ類采樣點(diǎn)）和漏斗區(qū)采樣點(diǎn)（Ⅱ類采樣點(diǎn)），采樣點(diǎn)分布如圖1 所示。

圖1 保定平原南部地下水采樣點(diǎn)分布圖

研究區(qū)所采集水樣的pH 值和水溫均在野外用便攜式測試儀完成， 其他指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)測試。 國土資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)研究區(qū)水樣進(jìn)行室內(nèi)測試，通過原子吸收分光光度對(duì)陽離子進(jìn)行測定， 采用離子色譜儀對(duì)Cl-、SO42-等陰離子進(jìn)行測定，HCO3-則采用的是滴定法測定得出。

3 地下水水化學(xué)特征

3.1 地下水主要組分特征

保定平原區(qū)南部地下水水化學(xué)主要成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：研究區(qū)地下水中陽離子以Ca2+、Na+為主，約占陽離子總量的82.34%，主要陽離子濃度平均值大小依次為 Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+，其中 Na+的變異系數(shù)較大，為94.2%，這表明研究區(qū)地下水中Na+在空間上變化較大；研究區(qū)地下水中陰離子以HCO3-、SO42-為主，約占陰離子總量的87.35%，主要陰離子濃度平均值大小依次為 HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-， 其中NO3-、SO42-、Cl-的變異系數(shù)較大分別為 151.00%、122.11%、116.4%，說明研究區(qū)地下水中的 NO3-、SO42-、Cl-在空間上變化較大。

表1 地下水主要化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)特征

研究區(qū)地下水水樣pH 值范圍為6.34～8.93，均值為7.60，整體上呈弱堿性，變異系數(shù)為6.16%，說明研究區(qū)地下水pH 值在空間上分布較為穩(wěn)定。 TDS 含量206.60～807.70 mg/L，均值為 353.34 mg/L，變異系數(shù)為36.35%，處于中等變異級(jí)別。 按照TDS 劃分咸淡水的方法[3]，研究區(qū)所有水樣均為淡水，無咸水出現(xiàn)。 各類采樣點(diǎn)TDS 值表現(xiàn)為漏斗區(qū)采樣點(diǎn)＞非漏斗區(qū)采樣點(diǎn)， 由非漏斗區(qū)采樣點(diǎn)到漏斗區(qū)采樣點(diǎn)Na+、SO42-和Cl-表現(xiàn)出明顯的上升趨勢，Ca2+、Mg2+和 HCO3-濃度呈下降趨勢。

3.2 地下水水化學(xué)類型

通常利用Piper 三線圖對(duì)地下水水化學(xué)的主要離子組成特征進(jìn)行分析[10]。 由非漏斗區(qū)到漏斗區(qū)地下水對(duì)碳酸鹽礦物的溶濾逐漸減弱；研究區(qū)地下水陰離子以 HCO3-、SO42-、Cl-為主， 非漏斗區(qū)與漏斗區(qū)地下水優(yōu)勢陰離子為HCO3-， 但出現(xiàn)部分漏斗區(qū)采樣點(diǎn)優(yōu)勢陰離子為 SO42-；陽離子以 Ca2+、Na+、Mg2+為主，非漏斗區(qū)地下水優(yōu)勢陽離子為Ca2+， 漏斗區(qū)地下水優(yōu)勢陽離子為Na+。 按舒卡列夫分類[3]，研究區(qū)非漏斗區(qū)地下水化學(xué)類型主要類型為 HCO3-Ca·Mg 型、HCO3-Ca·Na 型、HCO3-Ca 型； 漏斗區(qū)采樣點(diǎn)主要類型為HCO3-Na 型、HCO3·SO4-Na 型。

4 地下水組分來源

4.1 Gibbs 模型分析

Gibbs 模型[4]可以用來識(shí)別自然水體中各種離子的起源。 利用 TDS 與 Na+/（Ca2++Na+）以及 Cl-/（Cl-+HCO3-）濃度比值關(guān)系繪制的Gibbs 圖， 對(duì)研究區(qū)地下水水化學(xué)過程進(jìn)行分析， 從圖2 可以看出地下水采樣點(diǎn)主要落在巖石風(fēng)化控制區(qū)， 說明地下水化學(xué)組分的形成受蒸發(fā)濃縮和大氣降水影響較小，主要受巖石風(fēng)化作用控制[5-8]。 各區(qū)水點(diǎn) Cl-/（Cl-+HCO3-）沒有明顯的規(guī)律性，比值普遍較低，表明地下水徑流路徑上地下水化學(xué)組分受鹽巖礦物溶解影響較小。Na+/（Na++Ca2+）比值分布范圍較廣， 漏斗區(qū)與非漏斗區(qū)采樣點(diǎn)Na+/（Na++Ca2+）比值有較好的集群性，其中所有非漏斗區(qū)采樣點(diǎn)Na+/（Na++Ca2+）＜0.5； 有 82.35%的漏斗區(qū)采樣點(diǎn) Na+/（Na++Ca2+）＞0.5，由此可以看出，隨著漏斗的形成和發(fā)展，漏斗區(qū)地下水位大幅下降，水力坡度變大，水交替變強(qiáng)，加劇了水巖作用。

圖2 Gibbs 水化學(xué)圖

4.2 陽離子交替吸附作用

陽離子交替吸附作用是地下水化學(xué)形成和演變的一個(gè)重要過程[9]。通常氯堿指數(shù)（CAI）的變化可以用來分析地下水發(fā)生離子交換作用的方向和強(qiáng)度。

若發(fā)生正向Ca-Na 交換， 則兩個(gè)指數(shù)均小于0；當(dāng)發(fā)生反向Na-Ca 交換時(shí)，則兩個(gè)指數(shù)均大于0。 漏斗區(qū)與非漏斗區(qū)的氯堿指數(shù)有較好的集群性，漏斗區(qū)采樣點(diǎn)的CAI1 和CAI2 均小于0，而非漏斗區(qū)采樣點(diǎn)CAI1 和CAI2 值多集中于0 附近或大于0， 表明在漏斗區(qū)發(fā)生了正向的 Ca-Na 交換； 從CAI1 和CAI2 均值來看非漏斗區(qū)CAI1 和CAI2 均值分別為-0.639 和0.0082， 漏斗區(qū)則為-5.89 和-0.135， 漏斗區(qū) CAI1 和CAI2 均值低于非漏斗區(qū)，表明漏斗區(qū)地下水離子交換作用的強(qiáng)度大于非漏斗區(qū)。 以上兩種現(xiàn)象說明大量開采地下水后導(dǎo)致漏斗區(qū)地下水與圍巖之間正向Ca-Na 交換作用增強(qiáng)，從而改變了地下水的水化學(xué)組分。

5 結(jié)語

研究區(qū)非漏斗區(qū)采樣點(diǎn)地下水化學(xué)類型主要類型為 HCO3-Ca·Mg 型和 HCO3-Ca·Na 型， 進(jìn)入漏斗區(qū)后主要地下水水化學(xué)類型變?yōu)镠CO3-Na 型和HCO3·SO4-Na 型；由非漏斗區(qū)到漏斗區(qū)地下水對(duì)碳酸鹽礦物的溶濾逐漸減弱； 大量非漏斗區(qū)采樣點(diǎn)發(fā)生逆向Ca-Na 交換作用，而所有漏斗區(qū)采樣點(diǎn)則發(fā)生正向Ca-Na交換作用，且強(qiáng)度大于非漏斗區(qū)；進(jìn)入漏斗區(qū)后地下水的水流運(yùn)動(dòng)加快，水動(dòng)力條件變好。 地下水超采地下水的過度開采造成地下水水位下降，形成地下水降落漏斗，水力梯度增大，增強(qiáng)了地下水對(duì)圍巖的溶濾作用以及正向Ca-Na 交換作用，改變了地下水水動(dòng)力場和水化學(xué)場的原始平衡。