銀川平原地下水水化學(xué)特征及演變研究

劉海燕，馬玉學(xué)，趙志鵬，趙銀鑫

（1.寧夏回族自治區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川 750021）

地下水是維持生態(tài)環(huán)境平衡的制約因素[1]，地下水中的化學(xué)成分是地下水與地下巖石圈、地表環(huán)境及人類活動(dòng)長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物，研究地下水水化學(xué)特征對(duì)水資源的利用方式、水資源管理及生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)具有重要的指導(dǎo)作用[2]。孫從建等[3]、趙楠芳等[4]綜合運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)、Piper 三線圖、Gibbs 圖及離子比例系數(shù)等方法對(duì)地下水水化學(xué)特征進(jìn)行了分析，揭示了地下水化學(xué)組分的質(zhì)量濃度變化，探討了地下水水化學(xué)特征形成的原因。郭子楊[5]等采用水化學(xué)與氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)，探討了水化學(xué)和氫氧同位素在水文過程的指示作用。相關(guān)研究表明[6-7]，2016 年，銀川平原水體呈現(xiàn)堿性，水化學(xué)類型主要以HCO3-Na，HCO3-Ca·Mg 型為主，離子組成主要與巖石風(fēng)化和蒸發(fā)結(jié)晶相關(guān)。銀川平原西側(cè)補(bǔ)給區(qū)承壓水中陰離子以HCO3-為主，陽(yáng)離子以Mg2+和Ca2+為主，在斷裂帶附近，陰離子以Cl-和SO42-為主，陽(yáng)離子以Na+為主，且斷裂帶貫通潛水層及承壓含水層是影響該地區(qū)地下水水質(zhì)的重要因素之一[8]。柳鳳霞等[9]研究了1991—2016 年銀川地區(qū)的地下水水質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的地下水化學(xué)組分及水質(zhì)受到水文地質(zhì)因素、蒸發(fā)濃縮作用、巖石風(fēng)化作用、補(bǔ)水成分和人類活動(dòng)的綜合影響。

銀川平原位于寧夏北部，南北長(zhǎng)165 km，東西寬42～60 km，面積7 088.53 km2。其地形為一個(gè)盆地式平原，主要由黃河沖積和賀蘭山洪積形成，平原整體上呈北北東向延展的梭形，海拔1 100～1 200 m。銀川平原屬黃河流域，黃河從平原的東部流過，由南而北縱貫全區(qū)，黃河以西，地形總的趨勢(shì)是西高東低，南高北低，地勢(shì)自西南向東北傾斜。研究區(qū)按照地貌形態(tài)、成因，分為臺(tái)地、平原（山前洪積斜平原、沖洪積平原及沖湖積平原）和沙地地貌。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究人員將銀川平原第四系含水層在平面上劃分為單一潛水區(qū)和多層結(jié)構(gòu)區(qū)，多層結(jié)構(gòu)區(qū)分布于廣大沖湖積平原和沖洪積平原，按370 m 勘探深度自上而下可劃分為第一含水巖組（潛水）、第二含水巖組（第一承壓水）、第三含水巖組（第二承壓水）和第四含水巖組（第三承壓水）4 個(gè)含水巖組，本次研究不包含第四含水巖組（第三承壓水）。受自然條件的變化和人類活動(dòng)的影響，銀川平原水化學(xué)類型趨于復(fù)雜化，本文采用水化學(xué)統(tǒng)計(jì)、Piper 圖、Gibbs 圖及離子相關(guān)關(guān)系等方法對(duì)銀川平原水化學(xué)類型特征與演變規(guī)律進(jìn)行研究，這有助于更好地了解銀川平原地下水化學(xué)成分，對(duì)維持銀川平原生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。

1 地下水水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)

本次共獲取銀川平原地下水水樣228 組，其中潛水水樣95 組，第一承壓水水樣76 組，第二承壓水水樣57 組（圖1），水化學(xué)樣品分析指標(biāo)包括：K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，HCO3-，CO32-，TDS（總?cè)芙庑怨腆w物質(zhì)）的質(zhì)量濃度。通過對(duì)地下水有關(guān)水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，可以了解地下水中各化學(xué)成分的富集、變化規(guī)律[10]。銀川平原地下水水化學(xué)參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)特征值如表1 所示。

表1 銀川平原地下水水化學(xué)參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)特征值mg/L

圖1 銀川平原水樣點(diǎn)分布圖

由表1 可知：銀川平原的潛水中陰離子主要為Cl-，SO42-，其質(zhì)量濃度相差不大，HCO3-的質(zhì)量濃度相對(duì)較低；陽(yáng)離子以Na+為主，Mg2+，Ca2+次之，K+的質(zhì)量濃度相對(duì)較低；pH 的變化范圍為6.87～8.78，均值為7.67，屬偏堿性水；TDS 質(zhì)量濃度為214～28 164 mg/L，均值為2 806.08 mg/L。潛水中指標(biāo)Na+，Mg2+，NH3-N，TFe，Cl-，SO42-，CO32-，NO3-N，NO2-N，TDS，COD（化學(xué)需氧量），總硬度，永久硬度，Pb，Mn 的變異系數(shù)大于100%，說明其質(zhì)量濃度在空間存在較強(qiáng)的變異性；其余指標(biāo)的變異系數(shù)大多介于40%～100%，屬于中等變異。第一承壓水中陰離子主要為Cl-，SO42-，二者質(zhì)量濃度相差較小，HCO3-的質(zhì)量濃度相對(duì)較低；陽(yáng)離子主要以Na+為主，Mg2+，Ca2+次之，K+的質(zhì)量濃度相對(duì)較低；pH 的變化范圍為7.01～8.93，均值為8.09，屬偏堿性水；TDS 變化范圍是196～33 724 mg/L，均值為1 962.45 mg/L。第一承壓水中指標(biāo)K+，Na+，Ca2+，Mg2+，NH3-N，TFe，Cl-，SO42-，CO32-，NO3-N，NO2-N，TDS，總硬度，永久硬度，As，Pb，Cd，Mn 的變異系數(shù)大于100%，說明其質(zhì)量濃度在空間同樣存在較強(qiáng)的變異性；其余指標(biāo)的變異系數(shù)大多介于40%～100%，屬于中等變異。第二承壓水中陰離子主要為Cl-，SO42-，其質(zhì)量濃度相差不大，HCO3-的質(zhì)量濃度相對(duì)較低；陽(yáng)離子主要以Na+為主，Mg2+，Ca2+次之，K+的質(zhì)量濃度相對(duì)較低；pH 的變化范圍為7.25～8.88，均值為8.08，屬偏堿性水；TDS 的變化范圍為178～19 338 mg/L，均值是2 749 mg/L。第二承壓水中指標(biāo)K+，Na+，Ca2+，Mg2+，NH3-N，TFe，Cl-，SO42-，CO32-，NO3-N，NO2-N，TDS，總硬度，永久硬度，As，Mn 的變異系數(shù)大于100%，說明其質(zhì)量濃度在空間也存在較強(qiáng)的變異性；其余指標(biāo)的變異系數(shù)大多介于40%～100%，屬于中等變異。

銀川平原潛水中主要離子質(zhì)量濃度、總硬度與TDS 的相關(guān)性分析矩陣如表2 所示，TDS 與各個(gè)離子質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)正相關(guān)，且Na+，Mg2+，Cl-，SO42-，總硬度與TDS 的相關(guān)性較為顯著，其相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.990，0.952，0.973，0.961，0.951。第一承壓水中主要離子質(zhì)量濃度、總硬度與TDS 的相關(guān)性分析矩陣如表3 所示，TDS 與各個(gè)離子的相關(guān)性均呈現(xiàn)正相關(guān)，且相關(guān)度較高，其中Na+，Mg2+，Cl-，SO42-，總硬度與TDS 的相關(guān)性較為顯著，其相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.988，0.964，0.987，0.986，0.963。第二承壓水中主要離子、總硬度與TDS 的相關(guān)性分析矩陣如表4 所示，TDS 與各個(gè)離子的相關(guān)性均呈現(xiàn)正相關(guān)，且相關(guān)度較高，其中Na+，Cl-，SO42-與TDS 的相關(guān)性較為顯著，其相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.992，0.990，0.994。由此可知，影響TDS 的主要離子為Na+，Cl-，SO42-，其質(zhì)量濃度大小和空間分布對(duì)TDS 有著重要的影響作用。

表2 潛水中主要離子質(zhì)量濃度、總硬度與TDS的相關(guān)性分析

表3 第一承壓水中主要離子質(zhì)量濃度、總硬度與TDS的相關(guān)性分析

2 地下水水化學(xué)類型

銀川平原潛水中陰離子以HCO3-，SO42-，Cl-為主，陽(yáng)離子主要為Na+，Mg2+，Ca2+。銀川平原北部地區(qū)水化學(xué)類型主要為Cl·SO4-Na·Mg 型，銀川平原南部的水化學(xué)類型較為復(fù)雜，主要為HCO3·SO4-Ca·Mg 型和Cl·SO4-Na 型（圖2）。

圖2 銀川平原潛水及承壓水Piper圖

銀川平原第一承壓水中陰離子主要為HCO3-，Cl-，SO42-，陽(yáng)離子則以Na+為主。銀川平原北部水化學(xué)類型以Cl·SO4-Na 型和HCO3·Cl-Na 型為主，南部的水化學(xué)類型較為復(fù)雜，主要存在HCO3-Ca·Mg 型和HCO·3Cl-Na·Mg 型。

銀川平原第二承壓水中陰離子以Cl-，HCO3-，SO42-為主，陽(yáng)離子以Na+，Mg2+為主。銀川平原東部水化學(xué)類型主要為Cl·SO4-Na，Cl·SO4-Na·Mg 型，部分地 區(qū)存在著HCO3-Na，HCO3-Na·Mg·Ca，Cl·HCO3-Na 型；西部地區(qū)存在著HCO3-Na，HCO3·Cl-Na，HCO3-Ca·Mg 和HCO3-Ca·Na 型。

3 地下水水化學(xué)演變

3.1 離子來源分析

通過對(duì)銀川平原的地下水離子組分來源及演化進(jìn)行分析，有助于我們更好地了解區(qū)域的水文地球化學(xué)演化過程[11-12]。

3.1.1 Gibbs 圖 Gibbs 圖可定性地判斷大氣降水、蒸發(fā)濃縮作用及區(qū)域巖石風(fēng)化作用對(duì)地下水的影響，從而探究離子起源[13-15]。銀川平原潛水與承壓水Gibbs 圖如圖3 所示。由圖3 可知，銀川平原的大多數(shù)地下水水樣點(diǎn)分布在巖石風(fēng)化帶，說明該地區(qū)的大部分地下水的成分主要受巖石風(fēng)化作用的影響，其余水樣點(diǎn)均分布在蒸發(fā)濃縮帶，尤其是潛水水樣，說明潛水受蒸發(fā)濃縮作用的影響略大于承壓水。

圖3 銀川平原潛水與承壓水Gibbs圖

銀川平原部分地勢(shì)較低，水位埋深較淺的地區(qū)，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致該地區(qū)水樣的TDS 偏大。對(duì)于分布在蒸發(fā)濃縮作用區(qū)域的承壓水水樣，其可能是受到了上覆潛水越流補(bǔ)給的影響。

3.1.2 陽(yáng)離子交替吸附作用 若地下水中的Na+主要來源于巖鹽的溶解，則Na+的質(zhì)量濃度與Cl–的質(zhì)量濃度比值應(yīng)該等于1。本文繪制了Na+與Cl-質(zhì)量濃度的關(guān)系圖，如圖4 所示。該地區(qū)大部分地下水中Na+與Cl-的質(zhì)量濃度的比值大于1，表明該區(qū)地下水（潛水和承壓水）中的Na+可能還來源于陽(yáng)離子交替吸附作用或者巖鹽的風(fēng)化溶解。

圖4 銀川平原地下水中Na+與Cl-質(zhì)量濃度關(guān)系圖

地下水中的Na+，Ca2+，Mg2+陽(yáng)離子交換在地下水化學(xué)成分形成過程中極其重要，地下水在流動(dòng)過程中，是否發(fā)生離子交換，可用Cl-堿性指數(shù)（CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ）來判斷[16]，表示如下：

當(dāng)?shù)叵滤械腘a+，K+與含水層顆粒表面吸附的Ca2+，Mg2+發(fā)生離子交換時(shí)，CAI-Ⅰ與CAI-Ⅱ均小于0，當(dāng)發(fā)生相反方向的離子交換時(shí)，CAI-Ⅰ與CAI-Ⅱ均大于0。由圖5 可知，銀川平原潛水與承壓水中的大多數(shù)水樣點(diǎn)的CAI-Ⅰ與CAI-Ⅱ均小于0，表明該區(qū)域存在著地下水中Na+，K+與含水層顆粒表面吸附的Ca2+，Mg2+的離子交換，從而使地下水中的Na+，K+質(zhì)量濃度逐漸減少，Ca2+，Mg2+的質(zhì)量濃度逐漸增多。

圖5 銀川平原地下水的CAI-Ⅰ與CAI-Ⅱ關(guān)系圖

3.1.3 溶解/沉淀作用 本文用PHREEQC 地球化學(xué)模擬軟件分別計(jì)算了調(diào)查區(qū)方解石、白云石、巖鹽和石膏的飽和指數(shù)，并繪制了飽和指數(shù)與TDS 之間的相互關(guān)系[17]（圖6），進(jìn)一步分析調(diào)查區(qū)地下水水化學(xué)演化過程中的溶解/沉淀作用。由圖6 可知，銀川平原的潛水與承壓水中白云石基本都處于飽和狀態(tài)，方解石處于平衡近飽和狀態(tài)，而銀川平原的地下水中巖鹽和石膏均處于非飽和狀態(tài)，表明在該地區(qū)發(fā)生了白云石沉淀，方解石平衡及巖鹽、石膏的溶解作用。

圖6 地下水中各礦物飽和指數(shù)SI和TDS的關(guān)系

反應(yīng)機(jī)理如下：

3.2 水化學(xué)演變分析

由表1 可知，潛水中Cl-，SO42-，TDS 平均質(zhì)量濃度分別為798.27，787.59，2 806.00 mg/L，第一承壓水中Cl-，SO42-，TDS 的平均質(zhì)量濃度分別為554.76，541.66，1 962.45 mg/L，第二承壓水中Cl-，SO42-，TDS 的平均質(zhì)量濃度分別為878.11，702.80，2 749.00 mg/L。與潛水相比，第一承壓水中Cl-，SO42-，TDS 的平均質(zhì)量濃度較低，均為潛水的70%左右；第二承壓水中Cl-，SO42-，TDS 的平均質(zhì)量濃度較高，與第一承壓水相比，分別為第一承壓水的158.29%，129.75%，140.08%。

潛水氯化物質(zhì)量濃度超標(biāo)點(diǎn)主要位于銀川平原的北部，氯化物超標(biāo)面積約占銀川平原面積的60%，氯化物質(zhì)量濃度大于250 mg/L。氯化物僅在大武口區(qū)西北部、賀蘭縣東北部、西夏區(qū)全域、永寧縣全域、青銅峽市北部、利通區(qū)北部達(dá)標(biāo)，氯化物質(zhì)量濃度小于250 mg/L。潛水硫酸鹽質(zhì)量濃度超標(biāo)點(diǎn)主要分布于銀川平原北部區(qū)域，超標(biāo)面積約占銀川平原總面積的70%，硫酸鹽質(zhì)量濃度大于250 mg/L。硫酸鹽僅在大武口區(qū)、賀蘭縣東北部、西夏區(qū)西部、永寧縣全域、利通區(qū)北部達(dá)標(biāo)，硫酸鹽質(zhì)量濃度小于250 mg/L。相較于硫酸鹽和氯化物的分布，TDS 的超標(biāo)面積介于二者之間，但是分布區(qū)域相差不大，TDS 的超標(biāo)面積大約為銀川平原面積的70%，TDS質(zhì)量濃度大于1 000 mg/L，超標(biāo)區(qū)域與氯化物和硫酸鹽的超標(biāo)區(qū)域基本一致，僅在大武口區(qū)北部、賀蘭縣東北部、西夏區(qū)西部、永寧縣全域、利通區(qū)北部地區(qū)達(dá)標(biāo)，TDS 質(zhì)量濃度小于1 000 mg/L。從銀川平原氯化物、硫酸鹽和TDS 的空間分布來看，三者具有相似性，說明TDS 與Cl-和SO42-存在密切的聯(lián)系，TDS 質(zhì)量濃度高的地區(qū)，其Cl-和SO42-的質(zhì)量濃度也高。

與潛水不同的是，第一承壓水中的Cl-和SO42-來源為潛水的越流補(bǔ)給。第一承壓水作為銀川平原的主要開采層，長(zhǎng)期的開采已在部分地區(qū)形成降落漏斗，在水頭差的作用下，潛水通過弱透水層向第一承壓水進(jìn)行越流補(bǔ)給。含有大量的Cl-和SO42-的高TDS 潛水補(bǔ)給到第一承壓水中，使得第一承壓水中Cl-和SO42-的質(zhì)量濃度較高，TDS 也較高。

由圖4 可知，Na+的質(zhì)量濃度隨著Cl-質(zhì)量濃度的增加而增加，這在一定程度上說明地下水中發(fā)生了巖鹽的溶解作用，使得銀川平原第二承壓水中Cl-的質(zhì)量濃度較高。且Ca2+與SO42-之間明顯呈正相關(guān)關(guān)系，即Ca2+的質(zhì)量濃度隨著SO42-質(zhì)量濃度的增加而增加，說明了地下水中也發(fā)生了石膏的溶解反應(yīng)。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)中Na+，Mg2+，NH3-N，TFe，Cl-，SO42-，TDS，總硬度和永久硬度等在潛水、第一承壓水及第二承壓水中的變異系數(shù)均大于100%，說明其質(zhì)量濃度在銀川平原地下水中存在較強(qiáng)的變異性。

（2）研究區(qū)中潛水水化學(xué)類型以Cl·SO4-Na·Mg，HCO3·SO4-Ca·Mg 型為主，第一承壓水以Cl·SO4-Na，HCO3-Ca·Mg 型為主，第二承壓水以Cl·SO4-Na 型為主。

（3）研究區(qū)的大部分地下水的成分主要受巖石風(fēng)化作用的影響，且潛水受蒸發(fā)濃縮作用的影響略大于承壓水；地下水中的Na+可能來自陽(yáng)離子交替吸附作用或者巖鹽的風(fēng)化溶解。用PHREEQC 地球化學(xué)模擬軟件分別計(jì)算調(diào)查區(qū)方解石、白云石、巖鹽和石膏的飽和指數(shù)，表明在該地區(qū)發(fā)生了白云石沉淀，方解石平衡及巖鹽、石膏的溶解作用。

（4）潛水中TDS 和Cl-，SO42-的空間分布具有相似性，說明TDS 與Cl-，SO42-存在密切的聯(lián)系，TDS質(zhì)量濃度高的地區(qū)，其Cl-，SO42-的質(zhì)量濃度也較高。第一承壓水受到潛水的越流補(bǔ)給，使得第一承壓水中Cl-，SO42-的質(zhì)量濃度較高，TDS 質(zhì)量濃度也較高；第二承壓水中發(fā)生了巖鹽的溶解作用，使得其Cl-質(zhì)量濃度較高，而Ca2+與SO42-之間呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，說明地下水中發(fā)生了石膏的溶解作用。