張念龍

(山西省運(yùn)城市運(yùn)城市涑水河河務(wù)局，山西 運(yùn)城044000)

運(yùn)城鹽湖位于山西省西南部的運(yùn)城盆地中南部。盆地內(nèi)地勢呈東北－西南傾斜，自南向北有中條山、四十里崗、七里崗、鳴條崗，峨嵋?guī)X、稷王山等東西走向的條帶高地與平原相間。區(qū)內(nèi)屬暖溫帶干旱半干旱大陸性氣候，多年平均降水量為570 mm，平均氣溫12.8℃，平均蒸發(fā)量為1 148.2 mm，年無霜期為207 d。盆地內(nèi)地表水資源貧乏，有涑水河、姚暹渠兩條季節(jié)性河流從區(qū)內(nèi)經(jīng)過。盆地內(nèi)南部散布著鹽池、鴨子池、硝池、硝池灘、北門灘、長樂灘、湯里灘等湖泊與灘地。境內(nèi)發(fā)育著褐土、沼澤土、鹽土等多樣化土質(zhì)，再加上特殊的氣候環(huán)境和水文地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)淺層地下水的平均硬度高達(dá)43.50德度，礦化度等指標(biāo)也嚴(yán)重超標(biāo)，僅中深層地下水可用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或人畜生活用水。

本文就運(yùn)城盆地鹽湖區(qū)域內(nèi)淺層地下水的硬度特征及成因進(jìn)行初步探討。

1 鹽湖區(qū)域淺層地下水硬度特征及水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)淺層水的硬度較高，一般都在25德度以上，在局部高達(dá)100德度以上。由于沉積類型的差異，區(qū)內(nèi)淺層地下水硬度沿徑流方向有一定規(guī)律的分帶性。鹽湖區(qū)域范圍分為鹽池南部洪積扇區(qū)、鹽池北部波狀起伏沖積平原區(qū)。

1.1 鹽池南部洪積扇區(qū)(簡稱A區(qū))

在鹽池的南部洪積扇區(qū)，淺層地下水的補(bǔ)給來源主要有大氣降水入滲、山前地下徑流的側(cè)方補(bǔ)給、山區(qū)溝溪泉的清水補(bǔ)給。該區(qū)的巖性以沖洪積砂礫石為主，從上向下，顆粒由粗變細(xì)，逐漸過渡為亞砂土、亞粘土。含水層底板埋深16～60 m，厚度16～28 m，水位埋深由山麓25 m至扇前逐漸變淺，地下水由南向北徑流排泄于鹽池凹地。由于補(bǔ)徑排條件良好，礦化度低，硬度一般在10～20德度，總硬度以暫時(shí)硬度為主，且鈣硬度普遍比鎂硬度高。在53.8%的水樣中有負(fù)硬度存在。

1.2 鹽池北部微波狀起伏沖積平原區(qū)(簡稱B區(qū))

B區(qū)地表開闊，具波狀起伏，含水層顆粒較細(xì)，地下水受大氣降水及上游地下徑流的補(bǔ)給。含水層底板埋深30～54 m，砂層厚7.5～36.4 m。由于地勢平緩，水力坡度為0.1% ～1%，地下徑流緩慢，礦化度一般在2.5～4g/L較高，硬度普遍超標(biāo)，而且鎂硬度普遍比鈣硬高。根據(jù)淺層含水層巖性及地下水硬度特征，將B區(qū)分為3個(gè)亞區(qū)(B1區(qū)、B2區(qū)、B3區(qū))。

1.2.1 鳴條崗以北的涑水河沖積平原區(qū)(簡稱B1區(qū))

B1區(qū)巖性一般為厚層的細(xì)砂，礦化度一般較低，硬度一般小于25德度，硬度均值為19.4德度，符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。在贖馬村附近，硬度僅為4.2德度，屬極軟水。B1區(qū)負(fù)硬度廣泛存在，18個(gè)井點(diǎn)中出現(xiàn)率高達(dá)50%。

1.2.2 姚暹渠兩側(cè)大片地區(qū)(以下簡稱B2區(qū))

B2區(qū)分布于姚暹渠兩側(cè)，南起鹽池北邊的四十里崗，北至鳴條崗。該區(qū)硬度一般25～60德度。硬度均值為40德度，且一般沒有負(fù)硬度存在。

1.2.3 鹽池北部緊鄰的近周邊區(qū)(簡稱B3區(qū))

B3區(qū)上部為Q2沖積次生黃土，下部為Q2湖相地層。巖性為黑色淤泥質(zhì)亞粘土、亞砂土、粉砂土互層，厚度變化大。

B3區(qū)淺層水主要接受大氣降水及北部地下水的徑流補(bǔ)給。由于水與巖土的溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用，從而使該區(qū)淺層水礦化度普遍高于其他區(qū)，礦化度均值為4.96 g/L，硬度一般都大于60德度，均值為98.7德度，53.3%的水樣永久硬度大于暫時(shí)硬度，沒有負(fù)硬度存在。

2 淺層地下水的水化學(xué)特征

由于水文地質(zhì)條件和巖性的控制，鹽池的南北水化學(xué)成分特征有明顯的不同。

2.1 鹽池南部洪積扇區(qū)(A區(qū))淺層水的水化學(xué)特征

據(jù)鹽池以南，中條山洪積扇區(qū)13個(gè)淺層水樣資料的七個(gè)常量組分含量如表1。

表1 A區(qū)淺層水樣常量組分含量表

A區(qū)淺層地下水中，離子含量最大的為HCO3－，Ca2+、Na+、Mg2+、SO42－的含量也較高。由于洪積扇地形坡降大，巖層透水性好，地下徑流強(qiáng)烈，主要為HCO3－Ca－Mg水或HCO3－Ca水、HCO3－Ca－Na水，礦化度均小于 1g/L，硬度一般在10～20德度。

2.2 鹽池北部波狀起伏區(qū)(B區(qū))淺層水的水化學(xué)特征

據(jù)鹽池以北的77個(gè)水樣點(diǎn)的資料，七個(gè)常量組分含量如表2。

表2 B區(qū)淺層水樣常量組分含量表

B區(qū)的淺層水中，SO42－、Na+的含量較高，HCO3－、Cl－、Ca2+、Mg2+的含量相對較低，平均礦化度為3.23 g/L。與 A區(qū)相比相應(yīng)的離子含量均較大，這也是B區(qū)在主要離子為Na+和SO42－的前提下，總硬度仍較A區(qū)高的原因。

沿著淺層水徑流方向從北西→鹽湖，地下水由HCO3－Na水→HCO3－SO4－Na水→HCO3－SO4－Cl－Na－Mg水→SO4－Cl－HCO3－Na－Mg水→SO4－Cl－Na－Mg水;從正北及北東徑流→鹽湖，HCO3－的含量有減小的趨勢。在鹽池北近周邊附近，水型為 SO4－Na－Mg水及 SO4－Cl－Na－Mg水。

3 淺層地下水硬度特征

3.1 淺層地下水的化學(xué)成分與硬度關(guān)系

地下水的化學(xué)成分與地下水的形成及貯存條件有密切關(guān)系。鹽湖區(qū)域淺層地下水中的優(yōu)勢陽離子以HCO3－、SO42－、 Cl－為主，陽離子以 Na+、Ca2+、Mg2+為主。通過對區(qū)內(nèi)90個(gè)水樣(A區(qū)13個(gè)水樣，B區(qū)77個(gè)水樣)的總硬度與暫時(shí)硬度、永久硬度、鈣硬、鎂硬、礦化度之間相關(guān)關(guān)系分析，可看出相關(guān)程度的差異性，以分析淺層地下水高硬度的成因。

3.1.1 Ca硬與 Mg硬

地下水中Ca2+、Mg2+含量直接關(guān)系到硬度的高低。鹽池南北Ca2+、Mg2+的分布有明顯不同:A區(qū)，為山前洪積扇地帶，水中Ca2+的含量大于Mg2+;而在 B區(qū)，Ca2+的含量明顯小于Mg2+?？傆捕菻0與鈣硬(Hca，由Ca2+形成的硬度)，鎂硬(Hmg，由Mg2+的含量形成的硬度)的相關(guān)關(guān)系一元線性回歸模型及相關(guān)系數(shù)R如下:

3.1.2 HCO33－及 Cl－、SO42－

從水樣中HCO3－、Cl－、SO42－與總硬度的相關(guān)性可以看出，當(dāng)水中 SO42－和 Cl－有限時(shí)，水的硬度構(gòu)成主要取決于HCO3－的含量，而 Cl－、SO42－卻隨礦化度的增高而明顯地增大。區(qū)內(nèi)A區(qū)屬低礦化度的淡水，由HCO3－而決定的暫時(shí)硬化度占絕對優(yōu)勢，但總硬度不大，最大不超過40德度。B區(qū)，由北向南礦化度逐漸增大，硬度也逐漸升高。對總硬度(H0)與暫時(shí)硬度(H')及永久硬度(H″)相關(guān)分析，得出一元線性回歸模型及相關(guān)系數(shù)R如下:

可以看出，H'隨礦化度的增高與H0的相關(guān)性明顯減小，甚至不相關(guān)，而 H″與H0的相關(guān)性，不因礦化度的變化而變化，相關(guān)性一直很好，這說明總硬的升高是由于永硬升高所致。在低硬度時(shí)，暫時(shí)硬度構(gòu)成了總硬度的基礎(chǔ)值，但隨著總硬度的升高，暫時(shí)硬度變化不大，永久硬度上升到主要位置。

3.1.3 Na+

Na+鹽都有較高的溶解度，遷移性能很強(qiáng)，隨著礦化度的增加，Na+的含量也增加。B區(qū)，地下水的礦化度大于1g/L，Na+是含量最大的陽離子，其水型一般都為Na(Mg)水或Na水。A區(qū)，Ca2+的含量較大，僅西姚和小李村的東部，陽離子以Na+為主。

區(qū)內(nèi)沿淺層地下水流方向，Na+的相對含量有增加的趨勢(鹽池以北)，當(dāng) Ca2++Mg2+的含量小于 HCO3－的含量時(shí)，Na+會(huì)構(gòu)成一定量的負(fù)硬度。B1區(qū)巖性為厚層細(xì)砂，徑流條件較好，水型為HCO3－Na或 HCO3－Na－Mg水，因此負(fù)硬度大面積出現(xiàn)。A區(qū)為山前洪積扇地帶，負(fù)硬度的出現(xiàn)率為46.2%?？傆捕菻0與Na+含量一元線性回歸分析模型及相關(guān)系數(shù)R如下:從以上可以看出，Na+的含量與總硬度的相關(guān)性較差。

3.1.4 礦化度 M

礦化度是指地下水中陰陽離子的總量，硬度是指地下水中Ca2+、Mg2+的量。從定義可知二者之間有一定的聯(lián)系，對90個(gè)水樣進(jìn)行相關(guān)分析得出一元線性回歸模型及相關(guān)系數(shù)R如下:

通過以上回歸模型，可知總硬度和礦化度之間的相關(guān)性較好。但隨著礦化度的增加，水中Na+的相對含量增加，而Ca2+、Mg2+的相對含量減少，H0和M的相關(guān)性有減小的趨勢。

3.2 淺層水的化學(xué)類型與硬度

地下水化學(xué)類型反映了水化學(xué)相的特征，主要離子百分比組成也能概括水的硬度的組成、大小及分布規(guī)律。將淺層水中大于25%的陽離子作為分類依據(jù)，鹽湖區(qū)域淺層地下水的化學(xué)類型主要有 HCO3水，HCO3－SO4－Cl水，SO4－HCO3－Cl水，SO4－Cl－HCO3水及 SO4－Cl水，并分區(qū)如下:

3.2.1 HCO3－水區(qū)

主要分布于山前洪積扇地帶(A區(qū))，礦化度均小于0.7g/L，通過對該區(qū)164號(hào)孔水化學(xué)成分柱狀圖分析可以看出HCO3－水中常有負(fù)硬度存在，這是由于HCO3－的含量大于Ca2++Mg2+的含量時(shí)，水中過剩的HCO3－與 Na+結(jié)合形成NaHCO3而致。HCO3－水中，暫時(shí)硬度為總硬度的基礎(chǔ)，永久硬度均較小或?yàn)榱恪?/p>

3.2.2 HCO3－－SO42－和HCO3－－SO42－－Cl－水區(qū)

主要分布于區(qū)內(nèi)的西北及東北方向，礦化度均值為1.1 g/L，硬度均值為17.9德度。該區(qū)負(fù)硬度普遍存在，最高值為11.9德度。該區(qū)永久硬度很小，且本區(qū)鎂硬度大于鈣硬。

3.2.3 SO42－－HCO3－及SO42－－HCO3－－Cl－水區(qū)

該水區(qū)屬于由低礦化水向高礦化水的過渡水區(qū)，其水型變化比較復(fù)雜，硬度介于25～60德度之間。在龍居、長樂村等局部地段，永久硬度也為零，總硬度由暫時(shí)硬度組成。該區(qū)負(fù)硬度的出現(xiàn)率為17.7%，當(dāng)總硬度小于40德度時(shí)，其暫時(shí)硬度大于永久硬度，當(dāng)總硬度大于40德度時(shí)，永久硬度大于暫時(shí)硬度，鎂硬度大于鈣硬。

3.2.4 SO42－及SO42－－Cl－水區(qū)

主要分布于鹽池北部近周邊地帶及運(yùn)城市城區(qū)。該區(qū)的淺層水礦化度一般都很高，均值為4.02 g/L，最高達(dá)11.33 g/L，本區(qū)總硬度普遍較高，一般50～80德度，局部地段高達(dá)100德度以上。由于該區(qū)水中SO42－和 Cl－含量很高，因此該區(qū)的淺層水中永久硬度都較高，并逐漸過渡為總硬度的主要構(gòu)成部分，約50%的水樣永久硬度大于暫時(shí)硬度，且該區(qū)鎂硬度大于鈣硬。

4 淺層水硬度成因初步探討

鹽湖區(qū)域位于運(yùn)城盆地的中部，運(yùn)城盆地三面環(huán)山，西抵黃河，運(yùn)城鹽湖海拔320 m，為整個(gè)盆地的最低點(diǎn)，這種地形特點(diǎn)控制了本區(qū)水鹽運(yùn)動(dòng)的方向。

4.1 鹽湖南部中條山的山前洪積扇地帶(A區(qū))

鹽湖區(qū)南部的中條山上古老的變質(zhì)巖系，經(jīng)長期的淋濾，Ca2+、Mg2+等離子進(jìn)入水中并隨水遷移進(jìn)入山前洪積扇地帶，但由于該區(qū)地下徑流條件好，各種離子都未在此富集，因此，該區(qū)淺層水的礦化度低，硬度也很低，且鈣硬大于鎂硬。

4.2 鹽池北部微波狀起伏沖積平原區(qū)(B區(qū))

鹽池北部的B區(qū)，地下水主要接受上游地下徑流的補(bǔ)給，并最終排泄于鹽池。地下水中的鹽分主要來源于北部邊界孤峰山、大嶷山、小嶷山的燕山期的花崗閃長巖的長期淋濾。該區(qū)硬度較高原因有以下幾個(gè)方面:

1)由于B區(qū)地勢平坦，巖性為沖湖積的亞砂土、亞粘土、粉細(xì)砂，地下徑流條件較差，使的地下水在運(yùn)動(dòng)過程中水巖作用充分，又加之蒸發(fā)濃縮作用的影響，不僅使的大量的鹽分沉積于上層土壤中，也使的淺層水含鹽量也即鈣鎂離子含量增高。

2)由于大氣降水淋濾作用不僅可以把積蓄在表層的大量鹽分淋濾到地下水中，還可把湖積物里的大量可溶鹽，經(jīng)水巖作用，進(jìn)入淺層水中，使的淺層水的礦化度較高，硬度也較高。

3)氧化還原環(huán)境的變化對地下水硬度的影響。鹽池北部的B區(qū)是盆地內(nèi)的地下水主要開采區(qū)，地下水位持續(xù)下降已經(jīng)形成了漏斗區(qū)，地下水位下降后含水層中的氧化作用增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解作用加強(qiáng)，硫酸根離子增多，促使鈣、鎂離子轉(zhuǎn)入水中速度加快，也引起硬度的增高。

4)鹽池北部近周邊區(qū)由于蒸發(fā)濃縮作用及水?dāng)y鹽在此富集，使的Na+含量增高，地下水中Na+/Ca2++Mg2+比值升高。由于陽離子交替吸附作用，使的粘性土中吸附的Ca2+、Mg2+轉(zhuǎn)入地下水中，其作用過程如下:并由此形成鹽湖周邊區(qū)淺層地下水的高硬度。

4.3 鹽池北部微波狀起伏沖積平原區(qū)(B區(qū))鎂硬大于鈣硬原因分析

根據(jù)鹽池北部微波狀起伏沖積平原區(qū)(B區(qū))水樣資料，計(jì)算 CaCO3、CaSO4、MgSO4、MgCO3、Ca(OH)2、Mg(OH)2的離子活度積(KIAP)，再與其溶度積(KSO)進(jìn)行比較，以判斷其在水中能否達(dá)到飽和而析出。通過計(jì)算分析，鎂硬大于鈣硬原因有以下幾方面:

1)由于淺層水中Ca2+的含量很高，從而使方解石CaCO3的離子活度積(KIAP)與方解石的溶度積(KSO)之比KIAP/KSO ＞1，CaCO3=Ca2++CO32－化學(xué)平衡向左進(jìn)行，即 Ca2+以CaCO3形成沉淀下來，因此在B區(qū)地層中有不少鈣質(zhì)結(jié)核出現(xiàn);同時(shí) CaSO4的 KIAP/KSO＜1，CaSO4*2H2O=Ca2++SO42－+2H2O化學(xué)平衡向右進(jìn)行，即Ca2+不會(huì)以CaSO4形式沉積下來形成石膏(CaSO4*2H2O)晶體;而且MgSO4的溶解度很高，不易沉淀;MgCO3的離子活度積(KIAP)與溶度積(KSO)之比亦大于1，雖然MgCO3也可以沉淀下來，但實(shí)際上并沒有發(fā)現(xiàn)MgCO3的晶體;Ca(OH)2、Mg(OH)2的離子活度積(KIAP)與其溶度積(KSO)之比均小于1，故 Ca2+和Mg2+不會(huì)以Ca(OH)2、Mg(OH)2的形式析出;再有該區(qū)的平均pH值為7.57，又不具備Mg(OH)2沉積條件，也即本區(qū)具備鈣的沉積條件而鎂卻不能沉積下來，這就造成鎂Mg2+含量比Ca2+高，鎂硬大于鈣硬的主要原因。

2)由于其上游徑流過來的水均為Na－Mg水，即鎂的含量本身就比鈣高，這也是本區(qū)鎂硬大于鈣硬的又一主要原因。

5 結(jié)語

1)鹽湖區(qū)域的淺層地下水硬度較高，鹽池南北硬度分布特征明顯的不同。鹽湖以南的A區(qū)，硬度均值為16.96德度，總硬度以暫時(shí)硬度為主，且鈣硬大于鎂硬，53.8%水樣存在負(fù)硬度。鹽池以北的B區(qū)淺層水硬度普遍超標(biāo)，硬度均值為40.6德度，由北向南，隨著礦化度的升高，硬度也呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢，隨著硬度而升高，永久硬度所占比例也增大，且鎂硬普遍比鈣硬高。

2)鹽湖區(qū)域淺層地下水硬度較高原因是由于鹽池北部B區(qū)地勢平坦，地下水徑流條件較差，使得水巖作用、蒸發(fā)濃縮作用、陽離子交替吸附作用、氧化作用都比較充分，這些都使得淺層水中鈣鎂離子含量增高，引起硬度的增高。B區(qū)鎂硬大于鈣硬原因是由于其特殊的水文地質(zhì)環(huán)境下淺層水中Ca2+的含量很高，從而使 CaCO3的離子活度積(KIAP)與其溶度積(KSO)之比 KIAP/KSO＞1，CaCO3=Ca2++CO32－化學(xué)平衡向左進(jìn)行，即Ca2+以CaCO3的形式析出，造成Ca2+濃度小于Mg2+緣故。

3)負(fù)硬度在鹽池南A區(qū)及池北的B1區(qū)的廣泛存在，主要由于當(dāng)HCO3－的含量大于Ca2++Mg2+的含量時(shí)，水中過剩的HCO3－與Na+結(jié)合形成NaHCO3而致。

［1］張人權(quán)，史毅虹，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ).王大純.

［2］朱宛華，鐘佐燊.水文地球化學(xué)基礎(chǔ).沈照理.

［3］山西省地礦局第二水文隊(duì).運(yùn)城市地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)及水源保護(hù)研究.