保定市一畝泉漏斗區(qū)地下水水化學(xué)特征演變及驅(qū)動機(jī)制解析

魏世博,韓金輝,畢俊杰,張福存,徐蓉楨

1)中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北保定, 071051;2)河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,石家莊, 050021; 3)河北省地礦局第五地質(zhì)大隊,河北唐山, 063000

內(nèi)容提要:筆者等在對比分析一畝泉漏斗區(qū)地下水開采前—開采中—壓采全過程地下水水化學(xué)特征基礎(chǔ)上,綜合利用數(shù)理統(tǒng)計分析、離子比例分析、水文地球化學(xué)模擬技術(shù),揭示了漏斗區(qū)地下水水化學(xué)特征演化規(guī)律,解析了水化學(xué)特征演變驅(qū)動機(jī)制。結(jié)果表明,研究區(qū)地下水水化學(xué)特征演化表現(xiàn)出階段性,在開采初期至壓采初期,水化學(xué)類型、TDS、總硬度保持穩(wěn)定,水化學(xué)類型以HC—Ca2+·Mg2+型為主;在漏斗恢復(fù)期地下水水化學(xué)類型種類增多,TDS和總硬度顯著增大,表現(xiàn)出向鹽化和硬化方向演化趨勢;1960～2010年研究區(qū)地下水水化學(xué)成分主要受脫白云石化作用、陽離子交換作用控制,呈自然演化規(guī)律;2010年以后,在漏斗恢復(fù)背景下,包氣帶中水巖相互作用過程加劇,地下水水化學(xué)演變受溶濾作用和離子交換作用控制,人類活動對地下水水化學(xué)特征的影響逐漸顯現(xiàn)。研究結(jié)果可為漏斗區(qū)地下水保護(hù)與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

地下水是一種不可或缺的自然資源,是生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)需要的重要水源,特別是在干旱、半干旱地區(qū)(Madan Kumar Jha et al., 2020)。地下水集中供水水源地在保障城鎮(zhèn)居民日常生活方面起著重要作用,由于長期高強(qiáng)度集中開采其地下水,形成地下水降落漏斗。近年來隨著地下水超采綜合治理工作持續(xù)深入,一些地下水降落漏斗逐漸縮小,地下水循環(huán)條件發(fā)生明顯改變。地下水系統(tǒng)演化由自然演化階段進(jìn)入人為干擾因素疊加的演化階段,地下水環(huán)境發(fā)生顯著變化(張宗祜等,1997)。地下水水化學(xué)特征及其形成過程是了解地下水系統(tǒng)演化規(guī)律的關(guān)鍵(Chen Jie et al., 2020)。通常地下水水化學(xué)組分主要受大氣降水、蒸發(fā)、水巖相互作用控制,然而伴隨著地下水長期高強(qiáng)度開采和人類污染活動,地下水水化學(xué)特征發(fā)生變化,改變或加快了水文地球化學(xué)演化過程。因此,對比研究自然演化和人類活動雙重影響下地下水降落漏斗區(qū)開采前—開采中—壓采后地下水水化學(xué)特征及形成機(jī)制,有助于探究地下水開采、壓采過程中地下水環(huán)境演變的驅(qū)動機(jī)制,對地下水資源保護(hù)與可持續(xù)利用及地下水超采綜合治理工作的科學(xué)推進(jìn)至關(guān)重要。

保定市一畝泉地下水水源地是保定市重要供水水源,自1960年以來,由于長期高強(qiáng)度開采地下水形成了區(qū)域地下水降落漏斗。近年來隨著地下水超采綜合治理措施的實(shí)施,漏斗區(qū)水位顯著上升,地下水水位降落漏斗區(qū)水動力場的變化特征及漏斗修復(fù)技術(shù)引發(fā)學(xué)者們廣泛關(guān)注和討論(李彥,2018;楊會峰等,2021),漏斗區(qū)水位—水量雙控引起相關(guān)部門高度重視(王曉瑋等,2020;孫晉煒等,2021)。然而,與之伴隨的長期開采—壓采過程中漏斗區(qū)水化學(xué)場變化規(guī)律、水文地球化學(xué)過程及水化學(xué)演化方向尚不明晰,制約著地下水保護(hù)與利用。

本研究擬利用數(shù)理統(tǒng)計、離子比例分析技術(shù)對比分析一畝泉水源地地下水開采前—開采中—壓采后全過程地下水水化學(xué)特征和不同階段水化學(xué)特征的異、同性。以水文地質(zhì)條件及人類活動特征分析為基礎(chǔ),利用水文地球化學(xué)模擬技術(shù),定量解析其全過程水文地球化學(xué)演化規(guī)律及驅(qū)動機(jī)制,為地下水保護(hù)利用提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于太行山北段東麓由漕河、界河沖洪積扇和沖積平原組成的山前傾斜平原,行政區(qū)劃包括河北省保定市滿城區(qū)、競秀區(qū)、順平縣部分區(qū)域,研究區(qū)范圍與一畝泉水源地準(zhǔn)保護(hù)區(qū)一致,屬于一畝泉地下水降落漏斗核心區(qū)域(圖1)。研究區(qū)地勢自西向東逐漸降低,西部為太行山東麓低山丘陵,東部為沖洪積平原。本區(qū)屬溫帶大陸性氣候,年均氣溫12℃,年均降水量576.88mm。水系主要有漕河、界河、一畝泉河,近年來由于上游水庫放水,漕河、一畝泉河生態(tài)環(huán)境逐漸復(fù)蘇,界河上游河水在出山前全部入滲,平原區(qū)河道仍為干涸狀態(tài)。

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,研究區(qū)生活污水和工業(yè)廢水排放量逐年增加。研究區(qū)北部大冊營鎮(zhèn)一帶分布大量造紙企業(yè),20世紀(jì)90年代由于幾十座小紙廠和新生化工廠污水排入,漕河方上橋以下地表水為五類,屬重度污染(康景文等,1997)。

根據(jù)研究區(qū)第四系地層沉積規(guī)律、含水層富水性,將第四系含水層劃分為4個含水層組。第一含水層組底界埋深10～40 m,含水層總厚度小于5 m,含水層巖性以砂卵石、中細(xì)砂為主,靠近山前地帶大部分已被疏干;第二含水層組底界埋深60～130 m,含水層總厚度20～40 m,以砂卵石、中粗砂為主,富水性好;第三含水層組底界埋深150～280 m,含水層總厚度10～30 m,以砂卵石、中粗砂為主;第四含水層組底界埋深340～420 m,含水層總厚度30～50 m,以中粗砂、含礫粗砂為主。目前第一、第二含水層組是工、農(nóng)業(yè)主要開采層,也是一畝泉水源地開采層位,大量的開采井將兩個含水層組貫通,二者水力聯(lián)系密切;在研究區(qū)東部分布少量開采第三含水層組地下水的農(nóng)村集中供水井,第四含水層組因富水性差尚未被開采。本研究收集的水樣及本次所取水樣均取自第一、第二含水層組。水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 保定市一畝泉漏斗區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Hydrogeological structure profile map of Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City

研究區(qū)地下水主要接受降雨入滲補(bǔ)給、界河潛流補(bǔ)給、山區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給、漕河滲漏補(bǔ)給,目前地下水總體由西北向東南徑流。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

收集河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院1960年在研究區(qū)所取地下水樣品22組,用以分析開采前地下水水化學(xué)特征。2010年6月采集研究區(qū)地下水樣品27組,采樣過程同2021年10月,2010年處于漏斗發(fā)展期向漏斗恢復(fù)期過渡階段,可近似代表漏斗發(fā)展期地下水水化學(xué)特征。兩期取樣點(diǎn)井深均為80～110 m。

2.2 研究方法

3 結(jié)果和分析

3.1 地下水水化學(xué)特征時空演變

圖3 保定市一畝泉漏斗區(qū)不同時期地下水piper三線圖Fig.3 Piper trigraph of groundwater hydrochemistry in different periods in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City

圖4 保定市一畝泉水源地開采量及漏斗中心某觀測孔地下水埋深變化Fig.4 Variation of the amount of groundwater mining in Yimu Spring water source, Baoding City, and the groundwater level depth in the center of the Yimu Spring groundwater funnel area

圖5 保定市一畝泉水源地不同時期地下水TDS、總硬度變化Fig.5 Variation of total dissolved solids and hardness of groundwater in Yimu Spring water source, Baoding City, in different periods

圖6 保定市一畝泉漏斗區(qū)不同時期地下水水化學(xué)類型分布Fig.6 Map of groundwater hydrochemical types in different periods in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City

上述漏斗區(qū)地下水水化學(xué)特征演變規(guī)律表明,漏斗區(qū)地下水水化學(xué)演變表現(xiàn)出階段性,漏斗發(fā)展期水化學(xué)特征保持穩(wěn)定;在漏斗恢復(fù)期,漏斗核心區(qū)地下水表現(xiàn)出明顯的向鹽化、硬化方向演變趨勢。

3.2 地下水水化學(xué)特征形成機(jī)制演變過程解析

地下水水化學(xué)成分受含水介質(zhì)、地下水循環(huán)條件及人類活動影響,離子比例分析可以有效識別地下水中可溶組分的物質(zhì)來源(于開寧等,2022)。

γ(Na+)/γ(Cl-)比值通常被用來判別Na+與Cl-是否同源(魏善明等,2022),若γ(Na+)/γ(Cl-)比值接近于1,表明二者來源于巖鹽的溶解,若比值大于1,表明Na+除了巖鹽的貢獻(xiàn),還有硅酸鹽礦物鈉長石的溶解(李曉波等,2022),若比值小于1,則表明Cl-有他源輸入或者存在離子交換作用。如圖7a所示,三個時期地下水點(diǎn)大部分落在1∶1線附近,表明地下水中的Na+與Cl-主要來自巖鹽的溶解;1960年少量水點(diǎn)落在1∶1線上方,表明有鈉長石溶解作用的貢獻(xiàn);2010與2021年部分水點(diǎn)顯現(xiàn)出低鈉高氯的特征,表明可能存在反向陽離子交換作用。

圖7 保定市一畝泉漏斗區(qū)不同時期地下水中主要離子比例關(guān)系Fig.7 Relationship between the major ion in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City, in different periods

γCa2+/γMg2+比值反映鈣、鎂來源,若比值為1,表明主要來源于白云石,比值在1～2之間,表明還有方解石的溶解,比值大于2,則主要是硅酸鹽的溶解(Mayo et al., 1995)。圖7c顯示絕大部分點(diǎn)在1～2之間分布,鈣鎂主要來源于碳酸鹽巖的溶解。且隨著時間的推移,鈣、鎂離子濃度呈不斷增加的趨勢。

3.3 地下水水化學(xué)特征演變驅(qū)動機(jī)制

3.3.1地下水水化學(xué)特征變異歸因分析

圖9 保定市一畝泉漏斗區(qū)2010年、2021年地下水ρ(Cl-) — ρ(N )關(guān)系Fig.9 Relationship of the ρ(Cl-) and ρ(N ) in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City, in 2010 and 2021

圖10 保定市一畝泉漏斗區(qū)2010年、2021年地下水ρ(Cl- )分布Fig.10 Cl- mass concentration distribution in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City, in 2010 and 2021

圖12 保定市一畝泉漏斗區(qū)2021年地下水關(guān)系Fig.12 Relationship of the and [γ(Ca2+)+γ(Mg2+) ] in 2021

3.3.2地下水水化學(xué)特征演變驅(qū)動機(jī)制定量解析

通過污染源分布狀況調(diào)查及漏斗區(qū)水位變化趨勢分析,發(fā)現(xiàn)漏斗恢復(fù)期地下水水化學(xué)特征演變的主要驅(qū)動力是人類活動排放的污染物在包氣帶不斷富集及地下水水位上升。地下水水位上升后與包氣帶中的礦物/污染物發(fā)生溶濾作用及離子交換作用,導(dǎo)致地下水水化學(xué)特征發(fā)生變異,這種變異受研究區(qū)20 m深度以淺地層以黏性土為主的巖性特征、地下水水位上升、污染物排放特征綜合影響。

為定量分析漏斗恢復(fù)期地下水水化學(xué)特征面狀變異的機(jī)制,在漏斗區(qū)地下水動力場演變及上述離子比例定量分析基礎(chǔ)上,概化出漏斗核心區(qū)地下水水化學(xué)特征變異的定量模擬過程,如圖13所示。在漏斗發(fā)展期,漏斗區(qū)地下水各項離子組分保持穩(wěn)定狀態(tài),由模擬路徑起點(diǎn)到終點(diǎn),地下水主要與含水層礦物之間存在水巖相互作用;在漏斗恢復(fù)期,2010～2021年漏斗核心區(qū)水位上升20 m左右,大部分包氣帶變?yōu)轱柡蛶?由模擬路徑起點(diǎn)到終點(diǎn),地下水既與含水層礦物,同時也在地下水水位上升過程中與包氣帶中的礦物之間發(fā)生一系列水巖相互作用。漏斗發(fā)展期地下水與含水層中礦物發(fā)生的水巖相互作用可通過1960年、2010年兩期取樣數(shù)據(jù)計算,漏斗恢復(fù)期地下水與包氣帶中礦物發(fā)生的水巖相互作用過程可通過漏斗核心區(qū)同一取樣點(diǎn)2010年和2021年測試數(shù)據(jù)模擬計算,其中2010年數(shù)據(jù)為模擬路徑起點(diǎn),2021年數(shù)據(jù)為模擬路徑終點(diǎn)。

圖13 保定市一畝泉漏斗區(qū)地下水水化學(xué)特征演變過程模擬思路概化圖Fig.13 Generalized diagram of simulation ideas for the evolution process of groundwater hydrochemical in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City

筆者等選用PHREEQC軟件進(jìn)行水文地球化學(xué)反向模擬,定量解析水巖相互作用過程中礦物相的轉(zhuǎn)化(余倩等,2013;郭清海等,2014)。研究區(qū)含水層巖性以砂卵石為主,卵石成分為灰?guī)r、白云巖,含水層主要礦物為方解石、白云石、石膏,因此選取方解石、白云石、石膏、巖鹽和二氧化碳作為可能礦物相,此外研究區(qū)含水層夾多層粉質(zhì)黏土,還需考慮陽離子交換作用。模型的不確定度采用PHREEQC軟件默認(rèn)值5%(吳艷飛等,2022)。從漏斗區(qū)三期地下水中主要礦物的飽和指數(shù)平均值可以發(fā)現(xiàn),見圖14,研究區(qū)地下水中巖鹽、石膏和CO2的飽和指數(shù)小于0,處于不飽和狀態(tài),在地下水中會繼續(xù)溶解;而白云石和方解石的飽和指數(shù)大于0,處于飽和狀態(tài),在地下水中有沉淀趨勢。且從1960年～2021年,各礦物飽和指數(shù)均不斷增加,表明各礦物在地下水徑流方向主要發(fā)生了微量的礦物溶解作用,在中均有向飽和狀態(tài)發(fā)展的趨勢。

圖14 保定市一畝泉漏斗區(qū)地下水中主要礦物不同時期的飽和指數(shù)平均值Fig.14 Average saturation index of major minerals in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City, in different periods

從1960年和2010年兩期地下水取樣點(diǎn)中分別選擇一條模擬路徑,進(jìn)行水文地球化學(xué)反向模擬,模擬路徑位置見圖1。模擬結(jié)果顯示這兩期地下水沿960年地下水中發(fā)生正向陽離子交換作用,交換量為6.12×10-6mol/L,2010年地下水中發(fā)生反向陽離子交換作用,交換量為2.28×10-5mol/L,該模擬結(jié)果與離子比例分析結(jié)果一致。從主要礦物的轉(zhuǎn)移量可以看出1960～2010年地下水水化學(xué)特征及演變過程處于穩(wěn)定狀態(tài),與離子比例分析結(jié)果一致。

利用漏斗核心區(qū)同一取樣點(diǎn)2010年、2021年測試數(shù)據(jù),模擬水位回升階段地下水中發(fā)生的水巖相互作用,選取的取樣點(diǎn)位置見圖1。從表2可以看出,水位恢復(fù)階段巖鹽、鉀鹽、石膏和CO2的飽和指數(shù)小于0,表明這個過程中巖鹽、鉀鹽、石膏和CO2為不斷溶解狀態(tài),飽和指數(shù)逐漸增大表明有向飽和狀態(tài)發(fā)展的趨勢;而方解石和白云石的飽和指數(shù)均大于0,表明二者處于飽和狀態(tài)。由表3可以看出,水位恢復(fù)階段地下水中主要發(fā)生了巖鹽、石膏、白云石的溶解,方解石的沉淀以及反向陽離子交換作用;白云石溶解狀態(tài)與其飽和指數(shù)不符,這是由于發(fā)生了脫白云石化作用,白云石隨著石膏的溶解而溶解,而方解石沉淀;漏斗區(qū)水位恢復(fù)階段礦物轉(zhuǎn)移量較1960年和2010年明顯增大,尤其是巖鹽的溶解量,由圖13可以看出不同時期的巖鹽均未飽和,地層中的巖鹽在1960年就應(yīng)全部溶解,巖鹽溶解量在水位恢復(fù)階段顯著增大表明存在外源輸入,地下水位上升后與之發(fā)生溶解反應(yīng)。

表3 漏斗區(qū)不同階段地下水反向模擬結(jié)果Table 3 Results ofhydrogeochemical reverse simulation in different periods

4 結(jié)論

筆者等對60年來保定市一畝泉漏斗區(qū)地下水水化學(xué)演變特征及其驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)解析,結(jié)論如下:

(2)漏斗發(fā)展期地下水水化學(xué)特征主要受脫白云石化作用、陽離子交換作用控制,呈自然演化規(guī)律;漏斗恢復(fù)期,地下水水化學(xué)演變受溶濾作用和離子交換作用控制,人類活動對地下水水化學(xué)特征的影響逐漸顯現(xiàn),水文地球化學(xué)模擬結(jié)果表明地下水中主要發(fā)生了巖鹽、石膏、白云石的溶解,方解石的沉淀以及反向陽離子交換作用。

(3)隨著地下水超采綜合治理持續(xù)深入和受近年來降水量偏大影響,研究區(qū)地下水位將持續(xù)大幅回升,其對地下水水化學(xué)特征的影響有待進(jìn)一步研究。