海河流域下游潛水水化學(xué)特征分析及水文地球化學(xué)模擬

劉景蘭，劉 佳

(天津市地質(zhì)研究和海洋地質(zhì)中心，天津 300170)

海河作為天津市重要的河流，了解海河流域地下水水文地球化學(xué)有助于合理地利用海河流域水資源和保護(hù)海河流域地下水環(huán)境。近年來，圍繞地下水水化學(xué)特征，我國學(xué)者在國內(nèi)不同流域研究了地下水化學(xué)場的形成及運(yùn)移規(guī)律[1-8]。本文利用海河流域下游天津段潛水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過采用綜合分析、Gibbs圖、Piper三線圖、離子比例系數(shù)和水文地球化學(xué)模擬等方法，開展了天津市海河流域潛水水化學(xué)成分的特點(diǎn)及其成因分析研究，為地下水合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

此次研究的為海河流域下游天津段，由天津境內(nèi)的北運(yùn)河、永定河、子牙河和海河干河組成。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為582 mm。研究區(qū)潛水主要賦存于第四系沖積—海洪積層的粉土和粉質(zhì)黏土層，滲透性較差。研究區(qū)潛水埋深較淺，地下水流向整體與地表水流向吻合。地下水補(bǔ)給來源主要為河水入滲、降水入滲，排泄方式主要為蒸發(fā)、補(bǔ)給河流、人工開采。

此次選取的55組水化學(xué)數(shù)據(jù)，按照地貌劃分為3段，分別為A段(沖積平原)、B段(海積沖積低平原)和C段(海積低平原)。地下水樣品具體點(diǎn)位分布如圖1所示。

圖1 地下水樣品點(diǎn)位分布Fig.1 Point distribution of groundwater samples

2 數(shù)據(jù)來源

3 結(jié)果分析與討論

3.1 地下水水化學(xué)特征

表1 地下水水化學(xué)統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical results of groundwater hydrochemistry

圖2 Piper三線圖Fig.2 Piper trilinear nomograph

由圖2可知，A段水化學(xué)類型較多，Na-HCO3、Na·Ca-HCO3、Na-HCO3·Cl、Na-Cl·SO4，以Na-HCO3型為主；B段水化學(xué)類型主要集中在Na-HCO3和Na·Ca-HCO3型；C段水化學(xué)類型主要集中在Na-Cl和Na-Cl·HCO3型。潛水總體水化學(xué)變化具有由西北向南東的水平分帶性，與中國大多數(shù)流域地下水的水化學(xué)類型相似。濱海新區(qū)潛水的水化學(xué)類型以Cl-Na型為主，水化學(xué)特征受海相成分的影響遠(yuǎn)超過陸相成分，海洋及鹽田對潛水水化學(xué)特征的變化影響較大。

3.2 水化學(xué)組分控制作用及來源

水化學(xué)組分控制作用及來源的分析方法有多種，本次選用Gibbs圖、陽離子交換作用和離子比例關(guān)系3種方法。

3.2.1 Gibbs圖

潛水Gibbs如圖3所示。由圖3可知，研究區(qū)潛水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化控制，也受到一定程度的蒸發(fā)濃縮作用。海河A段潛水水巖作用較為明顯，同時也受到蒸發(fā)作用的影響；海河B段潛水水巖作用是主要的控制因素；海河C段蒸發(fā)濃縮作用較為顯著。

3.2.2 陽離子交換作用

3.2.3 離子比例關(guān)系

圖3 潛水GibbsFig.3 Diving Gibbs

圖與(Na+-Cl-)相關(guān)性Fig.4 Correlation between (Ca2++Mg2+- and (Na+-Cl-)

水化學(xué)特征研究中，常利用Ca2+和Mg2+的比值來反映Ca2+、Mg2+的主要來源，若比值為1，則表明白云巖是主要溶解的碳酸鹽巖[14]。如圖5所示，A段、B段幾乎所有點(diǎn)位均分布在1∶1線附近，說明海河A段和海河B段中Ca2+、Mg2+主要來源于白云石風(fēng)化溶解。

3.3 水文地球化學(xué)模擬

3.3.1 模型輸入項

本文利用PHREEQC進(jìn)行反向水文地球化學(xué)模擬，根據(jù)地下水流向自西北向東南選擇模擬路徑SY11→SY03和DL05→BH42，路徑涉及的地下水點(diǎn)主要離子成分見表2。根據(jù)海河流域水文地質(zhì)特征，確定模擬中選取的“礦物相”為碳酸鹽巖礦物(方解石和白云石)、蒸發(fā)巖類礦物(巖鹽和石膏)、離子交換(NaX、CaX2)和CO2氣體。

3.3.2 飽和指數(shù)

根據(jù)飽和指數(shù)可以判斷水與巖石、礦物之間的反應(yīng)狀態(tài)。從兩路徑上飽和指數(shù)計算結(jié)果(表3)可知，各礦物在兩模擬路徑上呈現(xiàn)出一致趨勢，碳酸鹽類礦物飽和指數(shù)均大于0，表明該類礦物處于過飽和狀態(tài)，有沉淀析出趨勢；反之，蒸發(fā)鹽類礦物飽和指數(shù)均為負(fù)，處于不飽和狀態(tài)，表現(xiàn)出溶解趨勢。

3.3.3 模型輸出結(jié)果分析

2條模擬路徑“礦物相”的摩爾轉(zhuǎn)移量見表4，正值表示溶解至水溶液，負(fù)值表示沉淀析出。2條路徑模擬結(jié)果表現(xiàn)為方解石發(fā)生沉淀，白云石、巖鹽和石膏的發(fā)生溶解，需關(guān)注的是，其中白云石的溶解與上述飽和指數(shù)處于飽和狀態(tài)結(jié)論相悖，其原因可能是地下水在徑流過程中溶解CO2，使其繼續(xù)溶解白云石以及沉淀滯后所致[14，15-18]。

圖5 潛水離子比值關(guān)系Fig.5 Diving ion ratio relation

表2 路徑始末端水樣的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of water samples at beginning and end of the path

表3 各路徑始末端的飽和指數(shù)Tab.3 Saturation index at the beginning and end of each path

表4 礦物在各路徑上的溶解/沉淀量Tab.4 Dissolution/precipitation of minerals on each path mmol/L

4 結(jié)論

(2)研究區(qū)整體地下水徑流滯緩，但海河A段和海河B段含水層介質(zhì)顆粒相對較粗，潛水更新交替速度相對較快，潛水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化控制，Ca2+、Mg2+主要來源于白云石風(fēng)化溶解；海河C段接近海域，含水層介質(zhì)顆粒相對較細(xì)，潛水更新交替速度相對較慢，潛水化學(xué)組分主要受蒸發(fā)濃縮作用，陽離子交換作用顯著。

(3)潛水水文地球化學(xué)反向模擬表明，2條路徑模擬表現(xiàn)為方解石發(fā)生沉淀，白云石、巖鹽和石膏發(fā)生溶解。