高陵地區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征及其形成作用

牟海斌，鄒 愈，郭 鵬

(1.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054；2.陜西科技控股集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077；3.陜西科控實業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 西安 710077；4.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250100)

賦存于地層中的地下水，在與周邊環(huán)境進行水量交換的同時，也不斷交換著化學(xué)成分[1]。地下水的水化學(xué)成分受控于區(qū)域地層巖性、地形地貌、氣候條件、人為活動等因素[2]。因此，地下水的水化學(xué)特征能夠反映該區(qū)域地下水體的歷史演變過程[3]，這對地下水水資源的保護與可持續(xù)開發(fā)利用具有重要的實際價值。

1 研究區(qū)概況

2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于關(guān)中盆地中部，渭河北岸，地勢開闊平坦，西北高東南低。區(qū)內(nèi)灌渠密布，清河于研究區(qū)北部自西向東橫貫全區(qū)，地表水資源較豐富。地形地貌由北至南依次劃分為山前沖洪積平原、一級沖洪積平原、二級沖洪積平原、渭河三級階地及涇河一級階地。新生代以來，區(qū)內(nèi)沉積了厚層的沖積、沖洪積及沖湖積相松散堆積物。全區(qū)均被第四系地層覆蓋，地層巖性主要為粉質(zhì)粘土、粉土、砂、砂礫卵石層及黃土，是地下水賦存、運移的良好空間。由北至南，靠近渭河，含水層巖性顆粒逐漸變粗，由山前沖洪積平原的粉細砂為主，變?yōu)闆芎右患夒A地的中粗砂為主，富水性逐漸變好。地下水徑流方向與地形傾向一致，由西北流向東南，最終排泄于渭河。

3 水化學(xué)特征

3.1 水化學(xué)類型

沿地下水徑流方向，區(qū)內(nèi)水化學(xué)類型和離子濃度特征具有一定的分帶性，依據(jù)舒卡列夫分類，將本區(qū)地下水分為HCO3-Na·Mg型、HCO3·SO4-Na·Mg型、HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型及SO4·Cl-Na·Mg型四種類型水(圖1)。

HCO3-Na·Mg型水，大部分布于研究區(qū)東北部，北至閻良城區(qū)，西、南至清河一帶，面積49.36 km2。此區(qū)域瀕臨黃土臺塬與石川河，接受黃土臺塬地下水側(cè)向徑流補給，同時石川河河水、清河河水與地下水交換作用積極；少部分布于渭河三級階地，面積7.60 km2，同樣受河渠水入滲稀釋作用影響。該類型地下水化學(xué)作用以溶濾作用、混合作用為主，形成低礦化的HCO3-Na·Mg型水，TDS含量839～1 887 mg/L。

HCO3·SO4-Na·Mg型水，分別分布于清河北岸東北部官劉村-洪家堡-新躍村以北區(qū)域；清河南岸櫟陽鎮(zhèn)至東廟村一帶及一級沖洪積平原西南部與渭河三級階地接壤地段三部分區(qū)域，總面積45.99 km2。該類型水分布區(qū)域，大部分位于南一干渠、南二干渠及五支渠附近，同時，研究區(qū)東北部與西南部分別與石川河、涇河相鄰，河渠水滲漏與灌溉水入滲對地下水起著稀釋作用，形成礦化度較低的HCO3·SO4-Na·Mg型水，TDS含量967～3 208 mg/L。

HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水，沿地下水徑流方向，廣泛分布于研究區(qū)從西北到東南大部分中間區(qū)域，面積317.15 km2。此區(qū)域地形平坦，地下水埋藏淺，水力坡度小，徑流緩慢，在溶濾作用與濃縮作用控制下，形成礦化度較高的水，TDS含量730～5 213 mg/L。

SO4·Cl-Na·Mg型水，分布于清河中部北至大程、南至油坊楊，東起陂西鎮(zhèn)，西至徐楊村一帶，總面積8.83 km2。此區(qū)域水位埋藏淺，部分區(qū)域小于5 m，地下水蒸發(fā)濃縮作用強烈，碳酸鹽析出，形成高礦化的水，TDS含量3 921～4 716 mg/L。

圖1 研究區(qū)水化學(xué)類型圖

3.2 水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征

由表1統(tǒng)計結(jié)果可知，研究區(qū)地下水陽離子中，K++Na+占優(yōu)勢，濃度值145.94 mg/L～1 008.73 mg/L，為Mg2+的2.53倍，Ca2+的5.65倍；陰離子中HCO3-占優(yōu)勢，濃度值為428～1 263 mg/L，為SO42-的1.34倍，Cl-的2.14倍。Ca2+濃度平均值為79.78 mg/L，毫克當(dāng)量百分數(shù)小于25%，不參與水化學(xué)類型命名。各離子中除K+外，其余離子變異系數(shù)相對較小，反映了它們在地下水中含量的相對穩(wěn)定性，而K+雖然變異系數(shù)相對較大，反映出其空間分布不均勻，對環(huán)境因素變化較為敏感，但其濃度平均值很小，對水化學(xué)特征影響不大。HCO3-、Na+為地下水中主要的陰陽離子，表現(xiàn)為兩種離子的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差較大。SO42-、Cl-的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差較大，變異系數(shù)也高于HCO3-、Na+，說明它們在地下水中不僅絕對含量較大，相對含量空間上也存在差別，是決定地下水鹽化作用的主要變量。

圖2 研究區(qū)主要離子Piper三線圖

由Piper三線圖(圖2)可知，地下水陽離子組分分布在Na+-Mg2+線上，且偏向Na+端。陰離子組分分布較為分散，微偏向HCO3-端。以上表明，Na+、HCO3-是區(qū)內(nèi)地下水的主要離子，水化學(xué)特征的控制因素。區(qū)內(nèi)地層廣泛分布有石英、長石等鋁硅酸鹽，白云石、方解石等碳酸鹽巖，鋁硅酸鹽、碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解，是Na+、HCO3-的主要來源。沿地下水徑流方向，地下水水化學(xué)類型發(fā)生著演化。由上游低礦化的HCO3-Na·Mg、HCO3·SO4-Na·Mg型水，演化為下游礦化度較高的HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水。

3.3 水化學(xué)參數(shù)間相關(guān)性分析

表2為研究區(qū)水化學(xué)參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)矩陣。從整個研究區(qū)看，Na+、Mg2+、SO42-、Cl-與TDS之間具有良好的相關(guān)性，說明它們之間可能有相同的物質(zhì)來源。四種離子與TDS的回歸方程見式(1)：

ρTDS=3.60ρNa++648.72 R2=0.569

ρTDS=8.97ρMg2++657.76 R2=0.501

ρTDS=4.61ρCl-+518.93 R2=0.839

ρTDS=2.67ρSO42-+646.42 R2=0.871

(1)

式中：ρTDS、ρNa+、ρMg2+、ρCl-、ρSO42-依次為TDS、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-的質(zhì)量濃度(mg/L)；

R2為相關(guān)系數(shù)，無量綱。

式(1)表明，Na+、Mg2+、Cl-、SO42-與TDS濃度間的相關(guān)系數(shù)均大于0.7，為研究區(qū)地下水中的主要成分，Cl-、SO42-與TDS濃度間的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，說明Cl-、SO42-濃度的空間分布對TDS濃度分布起著決定性作用。此外，Na+與Cl-、SO42-，Mg2+與Cl-、SO42-，Cl-與SO42-之間也存在較好的相關(guān)性，而Ca2+與HCO3-相關(guān)系數(shù)較低(R=0.015)。研究區(qū)地層中常見的礦物為石英、長石、云母等硅鋁酸鹽，局部地區(qū)含有方解石、白云石等碳酸鹽礦物，同時鹽巖等蒸發(fā)巖對淺層水的水化學(xué)組分同樣具有重要的影響。據(jù)此可初步推測石英、長石等硅鋁酸鹽，方解石、白云石等碳酸鹽礦物以及鹽巖的風(fēng)化溶解是區(qū)域水體的主要離子來源。

表1 地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征值 mg/L

表2 水化學(xué)參數(shù)相關(guān)性系數(shù)矩陣

4 水化學(xué)形成作用

地下水體的物質(zhì)來源及其演化特征可借由地下水中各離子含量的比值進行分析[4]。利用Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)與TDS的關(guān)系來劃分出三種主要控制因素下天然水體的特征區(qū)域[5]，繪出Gibbs圖(圖3)。從圖3可以看出，研究區(qū)河水樣分布于蒸發(fā)-沉淀作用區(qū)，表明蒸發(fā)濃縮作用是控制河水水化學(xué)特征的主要作用。地下水樣在Na+/(Na++Ca2+)-TDS圖中分布于蒸發(fā)-沉淀作用區(qū)，而在Cl-/(Cl-+HCO3-)-TDS圖中除大部分布于蒸發(fā)-沉淀作用區(qū)，少部分布于巖石控制區(qū)，表明地下水水化學(xué)特征主要受蒸發(fā)濃縮作用控制，同時受巖石溶濾作用影響。

圖3 研究區(qū)水化學(xué)Gibbs圖

4.1 溶濾作用

通過γ(Mg2++Ca2+)-γ(HCO3-+SO42-)散點圖可以推斷研究區(qū)地下水體中Mg2+、Ca2+的主要來源[6-7]。如圖4所示，地下水點絕大部分落在γ(Mg2++Ca2+)/γ(HCO3-+SO42-)=1的關(guān)系線下方，表明硅鋁酸鹽、碳酸鹽礦物的溶解是該區(qū)淺層地下水形成的主要溶濾作用，同時可能存在硫酸鹽礦物的溶解。γ(Na++K+)-γCl-的相互關(guān)系可以反映出離子是否存在硅鋁酸鹽礦物溶解來源[8]。由圖5可以看出，地下水點均位于γ(Na++K+)/γCl-=1的關(guān)系線上方，說明地下水中的Na+和K+不僅來源于鹽巖的溶解，同時普遍受到硅鋁酸鹽礦物溶解的影響。

圖4 γ(Ca+Mg)-γ(HCO3+SO4)散點圖 圖5 γ(Na+K)-γCl散點圖

由圖6可以看出，地下水點均位于γCa2+/γMg2+=1的關(guān)系線下方，表明地下水中Mg2+比Ca2+濃度高，研究區(qū)沉積物非粘土礦物中富含白云石，白云石的大量溶解使得Mg2+濃度相對較高[9]。由圖7可以看出，地下水點大部分位于γ(SO42-+Cl-)/γHCO3-=1的關(guān)系線下方，少部分位于關(guān)系線上方。表明地下水化學(xué)組分中來源于碳酸鹽巖溶解的量大于蒸發(fā)鹽巖溶解的量[10]。

由圖8可以看出，在TDS<3 000 mg/L范圍內(nèi)，γNa+/γCl-隨TDS濃度增加呈略微上升趨勢，說明在低礦化水中，隨地下水徑流時間與距離變長，風(fēng)化溶解的Na+濃度逐漸增加。而在TDS>3 000 mg/L范圍內(nèi)，γNa+/γCl-隨TDS濃度增加呈下降趨勢，說明Na+在地下水的遷移過程中，可以與巖土介質(zhì)產(chǎn)生陽離子交換吸附反應(yīng)，從溶液中析出。并且在高礦化條件下，HCO3-與SO42-發(fā)生濃縮沉淀，使Cl-富集，Na+的增加會落后于Cl-，γNa+/γCl-數(shù)值出現(xiàn)下降[11]。

圖6 γCa-γMg散點圖 圖7 γ(SO4+Cl)-γHCO3散點圖

4.2 蒸發(fā)濃縮作用

研究區(qū)一級、二級沖洪積平原地形平坦，含水層巖性為細砂、粉砂層，地下水徑流緩慢，且地下水主要接受地表水灌溉及大氣降水入滲，水位埋藏較淺，一般小于15 m，個別區(qū)域小于5 m。區(qū)域內(nèi)地下水蒸發(fā)較強，濃縮作用明顯，地下水經(jīng)溶濾作用而形成的水化學(xué)成分逐漸濃縮，礦化度不斷增高，形成HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水，TDS含量730～5 213 mg/L。在地下水埋深小于5 m區(qū)域，蒸發(fā)濃縮作用更為明顯，形成TDS含量3 921～4 716 mg/L的SO4·Cl-Na·Mg型水。

4.3 陽離子交替吸附作用

陽離子交替吸附作用對高濃度TDS地下水的形成具有重要意義。研究區(qū)Ca2+和Mg2+主要來源于硅鋁酸鹽、白云石和石膏的溶解，但能被石鹽溶解產(chǎn)生的部分Na+所取代，而HCO3-、SO42-和Cl-主要來源于白云石、石膏和巖鹽的溶解。用γ(Na+-Cl-)表征相對鹽巖溶解，Na+含量增減情況，用γ(HCO3-+SO42--Mg2+-Ca2+)表征相對于硅鋁酸鹽、白云石與石膏的溶解，Mg2+與Ca2+含量增減情況。若存在陽離子交替吸附作用，則γ(Na+-Cl-)/γ(HCO3-+SO42--Mg2+-Ca2+)的值應(yīng)接近1.0。由圖9可以看出，地下水樣離子比值接近于1.0，表明陽離子交替吸附作用在各區(qū)域均有不同程度的發(fā)生。同時，由水樣數(shù)據(jù)計算得出地下水的鈉吸附比(SAR)沿地下水徑流方向不斷增大，說明陽離子交替吸附作用逐漸增強，而研究區(qū)范圍內(nèi)沿地下水徑流方向基本呈現(xiàn)Ca2+含量不斷降低，Na+含量不斷升高、Mg2+含量基本不變的趨勢，這也說明了陽離子交替吸附作用的存在[11]。

圖8 (Cl/TDS)-TDS散點圖 圖9γ(Na-Cl)-γ(HCO3+SO4-Mg-Ca)散點圖

4.4 混合作用

研究區(qū)南部為涇河、渭河，東部為石川河，河水水化學(xué)類型為HCO3-Na·Mg型，沿河地帶河水與地下水交替補給。區(qū)內(nèi)西南部分布有涇惠灌渠南一、南二干渠，渠水對地下水有入滲補給作用。研究區(qū)地下水水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型，而在沿河渠地段，地下水經(jīng)混合作用，形成HCO3-Na·Mg型水，TDS含量較低，介于839～1 887 mg/L。

4.5 人類活動影響

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人類對自然的改造能力大幅提高，對地下水環(huán)境的影響越發(fā)明顯。一方面，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物，使地下水的有害元素濃度提高，影響范圍不斷擴大。經(jīng)本次調(diào)查，研究區(qū)地下水中Cr6+超標(biāo)區(qū)域面積較上世紀(jì)90年代有所擴大，地下水礦化度亦有所提高。另一方面，人為大規(guī)模開采地下水，使地下水流場發(fā)生變化，從而使水化學(xué)成分也發(fā)生變化。研究區(qū)下游臨潼中部人為開采地下水強度較大，存在超采問題，在區(qū)外張卜、任留一帶形成地下水位降落漏斗，使地下水中鹽分向此區(qū)域聚集，形成礦化度較高的水。

5 結(jié)語

(1)由補給區(qū)到徑流排泄區(qū)，地下水水化學(xué)類型由HCO3-Na·Mg型過渡到HCO3·SO4-Na·Mg型，再近一步演化為HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型，在水位埋藏較淺的區(qū)域，受蒸發(fā)濃縮作用影響，水化學(xué)類型演化為高礦化的SO4·Cl-Na·Mg型水。

(2)研究區(qū)總?cè)芙庑怨腆w及各離子濃度含量較高，離子濃度整體表現(xiàn)為K++Na+>Mg2+>Ca2+，HCO3->SO42->Cl-。Na+、Mg2+、SO42-、Cl-與TDS之間具有良好的相關(guān)性。

(3)區(qū)內(nèi)地下水的水化學(xué)成因主要為溶濾作用和蒸發(fā)濃縮作用，在地下水徑流途中發(fā)生著比較明顯的陽離子交替吸附作用，而在河渠水附近則發(fā)生混合作用。