蘭州市地下水化學(xué)特征及演化模擬

于開寧，田 劍，劉景濤，周亞紅，呂曉立，Vetrimurugan Elumalai

(1.河北地質(zhì)大學(xué)，河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北石家莊 050031；2.核工業(yè)二○八大隊(duì)，內(nèi)蒙古包頭 014010；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050061;4.祖魯蘭大學(xué)，南非德班999136)

0 引言

中國(guó)西部區(qū)域發(fā)展面臨的主要問題之一是水資源及水質(zhì)問題(中國(guó)科學(xué)院，2018)。地下水與其存在的環(huán)境空間在自然地質(zhì)因素作用于人類活動(dòng)作用下所演化形成的狀態(tài)與過(guò)程統(tǒng)稱為地下水環(huán)境，地下水環(huán)境的變化對(duì)干旱區(qū)和半干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)穩(wěn)定具有舉足輕重的作用(沈照理等，1993)。地下水水化學(xué)類型是地下水化學(xué)成分的集中反映，對(duì)地下水化學(xué)的特征與演變規(guī)律進(jìn)行研究，可以更好地揭示地下水與環(huán)境的相互作用機(jī)制，對(duì)維持半干旱區(qū)與干旱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、piper三線圖、Gibbs圖、離子比例系數(shù)、鈉吸附比、飽和指數(shù)及同位素示蹤、PHREEQC軟件反向模擬等方法對(duì)不同區(qū)域的地下水化學(xué)特征及演化模擬進(jìn)行研究。陳晨等(2019)等利用描述性分析、piper三線圖、Gibbs圖、離子比例系數(shù)等方法研究了泰萊盆地地下水化學(xué)特征；姜凌(2009)利用同位素示蹤技術(shù),論證了地下水的補(bǔ)給成因、徑流途徑和排泄方式，采用鈉吸附比、飽和指數(shù)等方法，分析研究區(qū)地下水水化學(xué)演化中發(fā)生的溶解沉淀作用；劉海等(2019)等采用PHREEQC軟件進(jìn)行水文地球化學(xué)模擬，定量分析了泗縣地下水的形成機(jī)理及演化。前人對(duì)蘭州市的地下水研究多集中在“三氮”和重金屬污染方面，呂曉立等(2019)等對(duì)蘭州地下水“三氮”污染和鐵錳分布特征提出研究，并得出控制“三氮”和鐵錳離子遷移轉(zhuǎn)化及其空間分布的主要因素。學(xué)者們對(duì)蘭州市地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律研究較少。尤其是對(duì)于地下水資源匱乏的西北地區(qū)，地下水化學(xué)成分的研究顯得格外重要。本文通過(guò)對(duì)蘭州市地下水化學(xué)成分的形成過(guò)程的分析，掌握地下水水化學(xué)演化規(guī)律，揭示地下水與環(huán)境相互影響關(guān)系，對(duì)蘭州市的地下水保護(hù)和利用具有重要意義，為西北干旱氣候河谷盆地類型城市的地下水可持續(xù)開發(fā)利用提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理環(huán)境

蘭州市地處甘肅中部，全市下轄5個(gè)區(qū)、3個(gè)縣，總面積13100 km2，地理位置：北緯35°45′～36°28′，東經(jīng)102°49′～103°59′。蘭州氣候特點(diǎn)是干燥寒冷，日照多，光能潛力大，屬于半干旱氣候，多年平均氣溫8.9 ℃，多年平均降水量為317.6 mm，主要集中在7～9月，平均相對(duì)濕度56%，年蒸發(fā)量1600 mm左右。蘭州市河流均屬黃河干流水系，黃河自西向東穿過(guò)蘭州市區(qū)，蘭州工農(nóng)業(yè)、生活用水主要取自地下水資源。

1.2 水文地質(zhì)條件

蘭州屬于河谷盆地型城市，地勢(shì)總體南北高而中間低。南部為皋蘭山等黃土丘陵，中部為黃河谷地，北部為黃土丘陵及低中山(圖1)。蘭州斷陷盆地的基底由新近系泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂質(zhì)礫巖組成，含有大量可溶鹽類，常見石膏、芒硝、菱鎂礦等晶體①(呂曉立等，2013)。蘭州市典型水文地質(zhì)剖面見圖2。

研究區(qū)有供水意義含水層主要分布在黃河河谷平原松散巖類孔隙水，含水層巖性為砂礫卵石層，含水層富水性良好，區(qū)域地下水從基巖山地接受降水補(bǔ)給，分別向南北徑流，最終均排泄于黃河，構(gòu)成一個(gè)完整的地下水循環(huán)系統(tǒng)，在天然狀態(tài)下，松散巖類孔隙水以接受大氣降水入滲、河流入滲和基巖裂隙水轉(zhuǎn)化補(bǔ)給為主，在徑流過(guò)程中接受農(nóng)田灌溉水和城市污水的入滲補(bǔ)給，排泄方式主要為人工開采、蒸發(fā)和徑流排泄到黃河(黎濤等，2010；呂曉立等，2014)。

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集與分析

圖1 蘭州市地下水采樣點(diǎn)分布圖

圖2 研究區(qū)I-I’水文地質(zhì)剖面

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

本文數(shù)據(jù)可靠性利用電荷平衡誤差E進(jìn)行分析，電荷平衡誤差E的絕對(duì)值小于5%為可靠數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，所有數(shù)據(jù)均為可靠性數(shù)據(jù)。

使用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析和舒卡列夫分類，利用Aquachem繪制地下水Piper三線圖，應(yīng)用SPSS19軟件計(jì)算相關(guān)性系數(shù)，采用Origin9.0繪制主要離子關(guān)系圖和Gibbs圖，借助PHREEQC軟件進(jìn)行反向水文地球化學(xué)模擬(曾昭華，1999；張兆迪等，2017;藍(lán)天杉等，2018)。

3 結(jié)果與分析

3.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

表1 地下水化學(xué)主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

續(xù)表1

3.2 水化學(xué)類型特征及演化

圖3 研究區(qū)地下水化學(xué)成分Piper三線圖

研究區(qū)地下水從基巖山區(qū)接受降水補(bǔ)給，分別向南北徑流，最終均排泄于斷陷盆地中部。在黃河倆側(cè)地區(qū)，基巖山區(qū)地下水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的徑流后形成的高礦化水與黃河側(cè)滲補(bǔ)給的地下水相混合,形成以黃河水體為對(duì)稱軸的南北向水化學(xué)水平分帶。在南北山前一帶，處于地下水補(bǔ)給區(qū)，降水量大，水質(zhì)好，為重碳酸鹽水帶；在河谷潛水區(qū)，處于地下水徑流區(qū)，隨之徑流距離增加，水質(zhì)漸差，為硫酸鹽水帶；在河谷盆地中央，處于地下水排泄區(qū)，為氯化物水帶。由于氣候干燥，且地下水位埋藏較淺，點(diǎn)X35和X34位于洪積扇前緣細(xì)顆粒相沉積層，滲透性能較差，地下水入滲、徑流緩慢，地下水受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用和溶濾作用形成了高礦化度鹽水。這體現(xiàn)了干旱區(qū)河谷盆地典型的水文地球化學(xué)演化規(guī)律。

為分析不同水體水化學(xué)組分的演化特征及規(guī)律，將蘭州市地下水化學(xué)數(shù)據(jù)繪入Gibbs圖。由圖4a所示，大部分水樣點(diǎn)Cl-占的比重相對(duì)較大。從圖4b可以看出，絕大部分水樣點(diǎn)陽(yáng)離子以Na+為主，礦化度較大。

圖4 研究區(qū)地下水水化學(xué)Gibbs分布圖

3.3 離子關(guān)系圖分析

地下水中可溶組分的比值關(guān)系是探討物質(zhì)來(lái)源的有效指標(biāo)，為了進(jìn)一步分析區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)離子形成作用，通過(guò)繪制主要離子關(guān)系圖可以分析判斷地下水化學(xué)成因：

(1)γNa+/γCl-

圖5 地下水離子比例相關(guān)值

3.4 地下水組分相關(guān)性分析

水文地球化學(xué)研究中，常常采用Pearson相關(guān)性系數(shù)矩陣將地下水中各組分的相關(guān)性定量化表示出來(lái)(牛兆軒等，2019；姜體勝，2017;何興江等，2006)。本文采用SPSS19.0軟件對(duì)研究區(qū)水樣化學(xué)離子進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)化學(xué)離子Pearson相關(guān)系數(shù)

3.5 水文地球化學(xué)模擬

水文地球化學(xué)模擬常用美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的PHREEQC軟件。該軟件是一個(gè)用于計(jì)算多種條件下的水文地球化學(xué)反應(yīng)模擬軟件，其計(jì)算過(guò)程主要根據(jù)熱力學(xué)模型和水質(zhì)分析資料。確定當(dāng)?shù)叵滤芙饨M分反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，計(jì)算地下水中各化學(xué)組分的分布，進(jìn)而對(duì)地下水中礦物質(zhì)飽和度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可對(duì)礦物在給定水溶液環(huán)境下的溶解或沉淀趨勢(shì)進(jìn)行判定(靳書賀等，2017；方展等，2017；武亞遵等，2018)。

在對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)地下水流向，本次選取兩條路徑A、B作為水化學(xué)模擬路徑?！翱赡艿V物相”的選取依據(jù)含水層巖性及礦物組成成分，選取“可能礦物相”為巖鹽、鉀長(zhǎng)石、方解石、白云石、石膏、高嶺石、石英、鈣蒙脫石以及Ca2+、Na+陽(yáng)離子交換。從表3分析得知，模擬路徑起始點(diǎn)至終止點(diǎn)礦物相飽和指數(shù)(SI)值變化中文石、方解石、白云石趨于飽和狀態(tài)，硬石膏、石膏、巖鹽則呈溶解趨勢(shì)(模擬過(guò)程中不確定度取值為0.05)。

表3 研究區(qū)各模擬點(diǎn)礦物相飽和指數(shù)

表4 研究區(qū)水-巖作用過(guò)程中礦物轉(zhuǎn)移量(mmol/L)

4 結(jié)論

(1)蘭州市地下水總體呈堿性，硬度較高，微咸，從南北山前到黃河兩側(cè)沿岸，沿地下水徑流方向，TDS逐漸減小。

(4)根據(jù)PHREEQC軟件反向模擬計(jì)算表明：方解石、白云石在整個(gè)模擬路徑上趨于飽和狀態(tài)，具有沉淀趨勢(shì)，硬石膏、石膏、巖鹽在整個(gè)模擬路徑上則呈非飽和狀態(tài)，具有溶解趨勢(shì)。在兩路徑模擬中，均為方解石發(fā)生溶解，Na+將Ca2+發(fā)生陽(yáng)離子交替吸附作用，白云石、巖鹽、石膏均發(fā)生沉淀。

[注 釋]

① 楊顧,王華清,余振國(guó),連炎清,王武衡.1991. 蘭州市傍河水源地地下水資源及污染研究報(bào)告[R]. 蘭州：甘肅省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì).