新密市雙洎河流域超化段地下水化學演變特征

何欣琳 孫學靜 蘇建倉 占亮

摘 要：【目的】地下水是新密市超化鎮(zhèn)的重要用水來源。研究新密市雙洎河流域超化段巖溶地下水化學類型的歷史演變特征，可為地下水的安全管理使用提供科學依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^收集20世紀60年代、80年代和2021年的地下水化學資料，進行地下水化學組分的歷史演變特征對比分析?！窘Y(jié)果】研究區(qū)巖溶地下水化學類型主要為HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型水。多年來，研究區(qū)大部分巖溶地下水的水化學類型沒有改變。相較于20世紀，2021年研究區(qū)整體TDS水平有所增高，局部巖溶地下水中的Na+和SO42-含量上升，地下水化學類型種類增多?！窘Y(jié)論】巖溶水化學組分的變化與地表水的下滲補給等自然條件和煤礦開采、采空區(qū)的形成等人類影響關(guān)系密切。污染通道的封堵和定期的水質(zhì)監(jiān)測是保護巖溶地下水的重要措施。

關(guān)鍵詞：地下水；地下水化學類型；雙洎河流域超化段；演變特征

中圖分類號：P641? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）05-0091-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.019

Characteristics of Groundwater Chemical Evolution in the ChaoHua Section of Shuangji River Basin in Xinmi City

HE Xinlin1，2 SUN Xuejing1，2 SU Jiancang1，2 ZHAN Liang1，2

（1. Henan Academy Of Geology， Zhengzhou 450016， China; 2. Henan Key Laboratory of Prevention and Remediation of Groundwater Pollution， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： [Purposes] Groundwater is an important source of water for Chaohua Town in Xinmi City， and its hydrochemical composition directly affects the water safety and quality of life of residents. [Methods]In order to search the historical evolution characteristics of karst groundwater chemical types in the Chaohua section of the Shuangji River Basin in Xinmi City， this article collected groundwater chemical data from the 1960s， 1980s， and 2021， and conducted a comparative analysis of the historical evolution characteristics of groundwater chemical components. [Findings] The results indicate that：The chemical types of karst groundwater in the study area are mainly HCO3-Ca type and HCO3-Ca·Mg type water. And the types have not changed over the years.Compared to the previous century， the overall TDS level in the study area increased in 2021， with an increase in the content of Na+ and SO42-in local karst groundwater and an increase in the types of groundwater chemical types. [Conclusions] The changes in the chemical composition of karst water are closely related to natural conditions such as surface water infiltration， as well as human impacts such as coal mining and goaf formation. Blocking pollution channels and regular water quality monitoring are important measures to protect karst groundwater.

Keywords：groundwater； chemical types of groundwater； Chaohua section of Shuangji River Basin； characteristics of evolution

0 引言

地下水是水資源的重要組成部分，是保障人類正常生活和社會經(jīng)濟發(fā)展的重要自然資源［1］。人類社會的高速發(fā)展不僅在水量上，更在水質(zhì)上對地下水造成了一定影響，引發(fā)了一系列相關(guān)的地下水問題。研究地下水化學歷史演變的時空特征、揭示地下水演化機制，對地下水的可持續(xù)利用具有重要意義［2-8］。

新密市超化鎮(zhèn)煤礦開采歷史悠久，在煤礦開采疏排水的影響下，地下水位相比20世紀60至70年代的自然水平顯著下降約100 m。近年來，煤炭行業(yè)去產(chǎn)能，中小型煤礦關(guān)停并轉(zhuǎn)，煤礦排水量下降，取水量大幅度減少，地下水水位逐步上漲。研究區(qū)多年來降雨較為穩(wěn)定，2021年鄭州“7·20”特大暴雨之后研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖巖溶水位急劇上升。

本研究通過研究不同時期新密市超化鎮(zhèn)地下水的水化學類型和溶解性總固體的歷史變化，分析總結(jié)研究區(qū)的水化學變化趨勢，探究水化學組分變化因素，為地下水的安全管理使用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

新密市位于中原腹地鄭州市西南，北望黃河、西依嵩山，貫通鄭汴洛、連接許平南。研究區(qū)位于平陌超化次級巖溶水系統(tǒng)單元，總面積為159 km2。

研究區(qū)處于溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，降雨主要集中在每年的6至9月。研究區(qū)地理位置示意如圖1所示。雙洎河是研究區(qū)唯一的一條主干河流，也是Ⅰ級水系，支流有洧水河、綏水河、紅眼河、里泉河等，無外源輸入性河流過境。

1.2 水文地質(zhì)

根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地貌、含水層組、地下水賦存條件和動力特征，考慮水文、氣象等因素，將研究區(qū)內(nèi)地下水含水巖組按地下水類型分為松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙水含水巖組和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水巖組（如圖2所示）。其中普遍分布在研究區(qū)內(nèi)的為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水層，該層也是本研究的目標含水層。

研究區(qū)內(nèi)裂隙巖溶水的巖層有：寒武系中統(tǒng)徐莊組泥質(zhì)條帶灰?guī)r；張夏組鮞狀灰?guī)r；上統(tǒng)崮山組厚層狀鮞狀白云巖；長山組薄層狀白云巖；鳳山組粗晶白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r；奧陶系馬家溝組厚層狀石灰?guī)r；石炭系太原組與頁巖；煤層互層的石灰?guī)r（如圖3所示）。從富水特征和分布的比重等方面區(qū)分，鳳山組，馬家溝組是研究區(qū)內(nèi)最主要的裂隙巖溶水含水層。

巖溶地下水的補給以大氣降水為主，同時接受雙洎河上游洧水河流沿溶洞及裂隙轉(zhuǎn)入地下的補給。地下水的主體流向為自西向東。人工開采及礦井排水為該地區(qū)地下水的主要排泄方式。

2 數(shù)據(jù)來源

為分析研究區(qū)地下水化學類型的歷史演變特征，本研究收集了河南省地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊1961年繪制的密縣地下水水文化學圖和20世紀80年代的地下水化學資料，繪制了20世紀60年代和80年代研究區(qū)部分區(qū)域的巖溶地下水化學組分相關(guān)圖件。并根據(jù)2021年獲取的枯水期（3月）、豐水期（10月）的地下水化學數(shù)據(jù)，繪制了兩期巖溶地下水的地下水化學類型圖及溶解性總固體（Total dissolved solids，TDS）分區(qū)圖。

3 地下水化學類型演變及成因

3.1 地下水化學類型演變特征

研究區(qū)20世紀60年代、80年代的地下水化學類型分別如圖4、圖5所示，2021年枯水期、豐水期的巖溶水化學類型如圖6、圖7所示，具體水化學組分特征見表1。

20世紀60年代和80年代，研究區(qū)巖溶地下水化學類型較為單一，僅存在HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca型水，其中以HCO3-Ca型水為主。20世紀80年代時，地下水化學類型種類相較于60年代時沒有改變，但巖溶水中Mg2+的含量有所增加，優(yōu)勢水化學類型由HCO3-Ca型變?yōu)镠CO3-Ca·Mg型。

截至2021年，研究區(qū)巖溶地下水的主要水化學類型仍為HCO3-Ca·Mg型水，但水化學類型種類增多?？菟跁r，研究區(qū)存在7種水化學類型，分別為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg，HCO3·SO4-Ca型水，豐水期在枯水期的基礎(chǔ)上又新增了HCO3·SO4- Na·Ca·Mg型水。

與20世紀相比，2021年地下水化學類型的變化主要在于Na+和SO42-的局部升高。由圖6和圖7可知，平陌鎮(zhèn)東側(cè)地下水Na+含量較高，枯水期時Na+、Ca2+、Mg2+三大陽離子占比相近，呈HCO3-Na·Ca·Mg型水，豐水期時，由于Na+和SO42-占比的增加，呈HCO3·SO4-Na·Ca型水。研究區(qū)東部雙洎河多處支流附近亦在2021年豐水期表現(xiàn)出SO42-增高的現(xiàn)象。

3.2 地下水TDS演變特征

20世紀60年代的地下水礦化度分區(qū)如圖8所示。據(jù)已有資料，20世紀80年代的地下水礦化度在研究區(qū)東北部范圍內(nèi)均處于300～350 mg/L范圍內(nèi)，故未繪制礦化度分區(qū)。2021年枯水期、豐水期的巖溶水TDS分區(qū)如圖9、圖10所示。

經(jīng)分析，20世紀60年代，研究區(qū)東北部地下水TDS普遍低于500 mg/L，且以低于300 mg/L為主。與1961年對比，2021年時，研究區(qū)巖溶地下水中的溶解性總固體（TDS）存在明顯上升。枯水期時，過半?yún)^(qū)域地下水TDS超過500 mg/L，在已獲取的數(shù)據(jù)中，最低值為298.3 mg/L，最高值為753 mg/L，平均值為501.01 mg/L。經(jīng)過2021年鄭州“7·20”特大暴雨后，巖溶地下水TDS水平在該年10月份表現(xiàn)出整體升高，TDS最低值為362 mg/L，平均值594.16 mg/L，最高值可達1 470 mg/L。

3.3 地下水化學演變成因分析

研究區(qū)巖溶水含水介質(zhì)主要為灰?guī)r、白云巖，經(jīng)水—巖相互作用，地下水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型水。

若按地下水的舒卡列夫分類法來定義地表水，則研究區(qū)內(nèi)地表水主要為HCO3·SO4型水，TDS為244～851 mg/L?？菟跁r，陽離子以Na+為主。經(jīng)6至7月雨季，特別是鄭州“7·20”特大暴雨后，地表水中Ca2+的含量增加，成為地表水中的主要陽離子之一，水化學類型呈HCO3·SO4-Na·Ca型水?？臻g上，洧水河自西向東流，在平陌-超化徑流路徑上，即自上游至下游，地表水的水流量逐漸減少，在超化鎮(zhèn)莪溝村一帶斷流，河流通過巖溶塌陷進入地下巖溶系統(tǒng)。

從空間特征上可以發(fā)現(xiàn)，高鈉、高硫酸根型的地下水也多處于靠近地表水體的區(qū)域，Na+和SO42-含量因接受地表水的補給而有所升高。與此同時，當?shù)卮嬖谳^多煤礦采空區(qū)， 鄭州“7·20”特大暴雨補給煤礦采空區(qū)，與煤系地層中的鐵礦物發(fā)生氧化溶解作用，交互反應(yīng)產(chǎn)生高硫酸根水，再串層補給巖溶水，產(chǎn)生了局部的高硫酸根巖溶水。

4 結(jié)論及建議

①近六十年來，研究區(qū)地下水中Mg2+含量增加，主要水化學類型由HCO3-Ca型變?yōu)镠CO3-Ca·Mg型。隨著地表水的入滲及煤礦采空區(qū)的交互補給，巖溶地下水的化學類型種類變多，局部呈現(xiàn)高鈉、高硫酸根的地下水類型。

②與20世紀相比，2021年研究區(qū)巖溶地下水中的溶解性總固體存在明顯上升，研究區(qū)內(nèi)，西南部、東部及平陌鎮(zhèn)TDS水平較高。

③地下水的演化一方面與水—巖相互作用時間的加長有關(guān)，含水層中更多的成分溶解進地下水，礦化度增高。另一方面受人類的生產(chǎn)、生活的影響，煤礦業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的開展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢水的排放導致地下水中各離子含量的增高，地下水化學類型也變得更為復雜。

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