李豐琇，周金龍(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061)

地下水水化學(xué)組分分析不僅是地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，也是研究地下水循環(huán)和演化的重要手段[1,2]。漢水泉洼地位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密地區(qū)巴里坤縣境內(nèi)，深入研究該區(qū)域地下水中的主要離子比值變化特征對(duì)今后地下水開(kāi)發(fā)利用及保護(hù)有著重要的意義。本文依據(jù)漢水泉洼地16個(gè)承壓水樣品的組分含量測(cè)試結(jié)果，利用離子比值法，結(jié)合研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，分析承壓水水質(zhì)的成因，并利用單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)漢水泉洼地承壓水質(zhì)量。

1 研究區(qū)承壓水水文地質(zhì)及采樣點(diǎn)分布概況

1.1 承壓水埋藏與分布

漢水泉洼地北部為呼洪得雷山、大哈甫提克山,南部為白依山，西部為M2背斜(圖1)，東部為洪積礫質(zhì)平原。其總體地勢(shì)南部低于北部、東部低于西部。漢水泉洼地只有地下水可以利用，沒(méi)有地表水資源可開(kāi)發(fā)。研究區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型為多層結(jié)構(gòu)，即上覆第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水，下伏碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓水及基巖裂隙水。由于地下水受到地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性的影響以及地下水循環(huán)特點(diǎn)、水動(dòng)力特征和含水介質(zhì)的分布等的差異，形成了研究區(qū)現(xiàn)有的水循環(huán)特征以及水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)。

1.2 承壓水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

研究區(qū)基本處于天然狀態(tài)。從自然地理?xiàng)l件和水文地質(zhì)條件分析，在漢水泉洼地內(nèi)，山區(qū)基巖裂隙水補(bǔ)給新近系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓水。由于新近系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓水頂板隔水層不連續(xù)的分布，在漢水泉洼地洪積細(xì)土平原和洪積礫質(zhì)平原區(qū)內(nèi)，承壓水和孔隙潛水在局部地段會(huì)產(chǎn)生相互補(bǔ)給。漢水泉洼地承壓水由四周向漢水泉-芒硝礦-白泥地東井偏北匯集(圖1)。由于隔水層的不連續(xù)性，承壓水局部頂托補(bǔ)給上部潛水，其主要排泄方式為蒸發(fā)、植被蒸騰及自流井溢出。

圖1 漢水泉洼地承壓水等水壓線(xiàn)圖Fig.1 Map of isopiestic level of confined groundwater in Hanshuiquan depression注：圖中距離與高程單位均為m，下同。

1.3 樣品的采集與測(cè)試

2012年9-10月在研究區(qū)內(nèi)共采集16個(gè)承壓水樣品，采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。水樣測(cè)試由新疆地礦局第二水文地質(zhì)大隊(duì)實(shí)驗(yàn)室完成。分析依據(jù)為《GB/T8538-2008飲用天然礦泉水檢驗(yàn)方法》及《GB/T5750.1-5750.13-2006生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》。檢測(cè)項(xiàng)目包括pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、溶解性總固體(TDS)[3]。

圖2 漢水泉洼地承壓水采樣點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution of sampling sites of confined groundwater in Hanshuiquan depression

2 研究區(qū)地下水水化學(xué)特征

2.1 地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

對(duì)地下水有關(guān)化學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析是研究其演化規(guī)律及特征的基礎(chǔ)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,可以大致了解地下水中各化學(xué)成分的變化規(guī)律和富集特征。漢水泉洼地承壓水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表1。

從表1可看出：承壓水中各離子的變異系數(shù)普遍較小，反映其在承壓水中含量的相對(duì)穩(wěn)定；其中K++Na+、Cl-和SO2-4的平均值較大，說(shuō)明其在承壓水中的絕對(duì)含量較大，是決定承壓水鹽化作用的主要變量；Mg2+和HCO-3平均值和標(biāo)準(zhǔn)差皆較小，表明Mg2+和HCO-3離子在洼地內(nèi)絕對(duì)含量少，離子濃度變化幅度較小。

表1 漢水泉洼地承壓水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值Tab.1 Chemistry parameters statistics of confined water in Hanshuiquan depression

2.2 TDS與總硬度變化規(guī)律

TDS與總硬度的變化受地貌、巖性、埋藏條件、地下水補(bǔ)徑排條件的影響和控制。根據(jù)TDS的高低，可以將地下水劃分為淡水(TDS<1 g/L)、微咸水(1 g/L3 g/L)。按照硬度(以CaCO3計(jì))分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將地下水分為軟水(<150 mg/L)、微硬水(150～300 mg/L)、硬水(300～450 mg/L)、極硬水(>450 mg/L)[4]。本文運(yùn)用Surfer軟件繪制漢水泉洼地TDS等值線(xiàn)圖。

由圖3分析可以看出，TDS大體呈現(xiàn)由四周向漢水泉洼地中心逐漸變大的趨勢(shì)。經(jīng)主要離子濃度變化規(guī)律分析，K++Na+、Cl-和SO2-4離子含量呈現(xiàn)與TDS基本相似的變化規(guī)律，因此可以斷定研究區(qū)TDS的變化是由K++Na+、Cl-和SO2-4離子濃度變化造成的。

圖3 漢水泉洼地承壓水TDS等值線(xiàn)圖Fig.3 Isoline of TDS of confined groundwater in Hanshuiquan depression

漢水泉洼地承壓水硬度普遍偏大，大部分為極硬水。極軟水、軟水和微硬水在取樣范圍內(nèi)均不存在；硬水分布范圍有限，僅在點(diǎn)HK7處出現(xiàn)硬水，其余地區(qū)均為極硬水。由圖4可以看出漢水泉洼地總硬度的變化規(guī)律與TDS的變化規(guī)律呈現(xiàn)出較好的一致性，地下水硬度由四周向漢水泉洼地中心總體呈增大趨勢(shì)。

圖4 漢水泉洼地承壓水TDS與總硬度變化趨勢(shì)圖Fig.4 The trend of TDS and total hardness of confined groundwater in Hanshuiquan depression

2.3 水化學(xué)類(lèi)型分布規(guī)律

利用Piper三線(xiàn)圖，可以直觀地顯示水化學(xué)類(lèi)型，并能夠較直觀地看出水樣的一般化學(xué)特征及地下水化學(xué)成分的形成作用[4,5]。圖5為漢水泉洼地承壓水Piper圖，由圖5可以看出，漢水泉洼地承壓水中K++Na+為主要陽(yáng)離子、Cl-和SO2-4為主要陰離子。

圖5 漢水泉洼地承壓水Piper圖Fig.5 Piper diagram of confined groundwater in Hanshuiquan depression

本文采用舒卡列夫分類(lèi)法對(duì)漢水泉洼地承壓水化學(xué)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，經(jīng)分析，漢水泉洼地承壓水呈現(xiàn)出3種不同的水化學(xué)類(lèi)型，分別為SO4型、SO4·Cl型和Cl·SO4型。承壓水在漢水泉洼地中呈現(xiàn)出明顯的水平分帶規(guī)律：洼地中心地帶為SO4·Cl型，中心以北為SO4型，以南為Cl·SO4型。由北向南，水化學(xué)類(lèi)型由SO4型→SO4·Cl型→Cl·SO4型。

2.4 離子比例系數(shù)變化特征

在分析地下水的化學(xué)成分時(shí)，離子-離子比例系數(shù)常常被用來(lái)研究某些水文地球化學(xué)的問(wèn)題。由于地下水不同成因或不同形成條件，某些離子當(dāng)量的比例系數(shù)在數(shù)值上有比較明顯的差異，因此可以利用這類(lèi)系數(shù)判斷地下水的成因[6-8]。它比傳統(tǒng)的水化學(xué)類(lèi)型單一分析更能深入描述并刻劃出水質(zhì)在空間和時(shí)間尺度上的特點(diǎn)和演化過(guò)程，更能對(duì)水文地球化學(xué)演化做出典型的剖析[9]。

本文利用主要離子的毫克當(dāng)量比值(見(jiàn)表2)來(lái)分析漢水泉洼地承壓水水化學(xué)成分的來(lái)源和形成過(guò)程，運(yùn)用Surfer軟件繪制漢水泉洼地承壓水中各組分含量比例系數(shù)等值線(xiàn)圖(見(jiàn)圖6 )。

表2 漢水泉洼地承壓水離子毫克當(dāng)量比值Tab.2 Ion milliequivalent ratio of confined groundwater in Hanshuiquan depression

(1)γCl-/γCa2+。γCl-/γCa2+是表示水動(dòng)力特點(diǎn)的參數(shù)[10]。Cl-富集于滯緩的水動(dòng)力帶，Ca2+是弱礦化水中的主要陽(yáng)離子。γCl-/γCa2+比值大說(shuō)明地下水流動(dòng)滯緩，水交替程度弱，可溶性鹽類(lèi)在地下水中富集[11,12]。

從圖6(a)中可以看出，沿地下水流向γCl-/γCa2+比值由四周向洼地中心逐漸升高，說(shuō)明漢水泉洼地自四周向洼地中心水動(dòng)力條件逐漸變差，水交替程度也逐漸變?nèi)?，可溶性鹽類(lèi)在地下水中富集。在研究區(qū)內(nèi)TDS變化趨勢(shì)是由四周向中心遞增，即Cl-含量沿地下水流向逐漸增大，Ca2+含量逐漸減小，與整個(gè)區(qū)域內(nèi)γCl-/γCa2+變化趨勢(shì)一致。

圖6 漢水泉洼地承壓水離子當(dāng)量比值等值線(xiàn)圖Fig.6 Isoline of ion milliequivalent ratio of confined groundwater in Hanshuiquan depression

(2)γMg2+/γCa2+及γNa+/γMg2+。γMg2+/γCa2+及γNa+/γMg2+表示地下水水質(zhì)演化的過(guò)程及礦化度的強(qiáng)弱和水質(zhì)演化過(guò)程。低礦化度水中通常Ca2+占優(yōu)勢(shì)，隨著礦化度增大，水中Mg2+的含量相應(yīng)增高，當(dāng)?shù)V化程度繼續(xù)加強(qiáng)，則Na+在水中處于優(yōu)勢(shì)地位，γNa+/γMg2+比值增高[12,13]。

由圖6(b)和圖6(c)可以看出，γNa+/γMg2+由四周向洼地中心逐漸升高，說(shuō)明礦化程度由四周向漢水泉洼地中心不斷加強(qiáng)，Na+含量不斷升高；而γMg2+/γCa2+由東南向西北逐漸增大，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析可知沿地下水流向溶濾作用逐漸變?nèi)酢?/p>

(3)γCl-/γHCO-3、γCl-/γSO2-4及γSO2-4/γHCO-3。γCl-/γHCO-3、γCl-/γSO2-4及γSO2-4/γHCO-3是表示陰離子演化過(guò)程及組分分配比變化的水文地球化學(xué)參數(shù)[14]。沿地下水流方向，若SO2-4增加，則可能發(fā)生硫酸鹽的溶解；若SO2-4減少，則可能發(fā)生硫酸鹽的還原[9]。

由圖6(d)、圖6(e)和圖6(f)可以看出：γCl-/γSO2-4比值自東向西逐漸變大；γSO2-4/γHCO-3比值和γCl-/γHCO-3比值自西向東總體呈增加趨勢(shì)，沿地下水流向，易溶鹽有積累的趨勢(shì)，地下水水質(zhì)總體向咸化方向發(fā)展。

(4)γNa+/γCl-。γNa+/γCl-比值表示地下水的成因，是表征地下水中Na+富集程度的一個(gè)水文地球化學(xué)參數(shù)[15,16]。標(biāo)準(zhǔn)海水中的γNa+/γCl-平均值為0.85，低TDS水具有較高的γNa+/γCl-比值(γNa+/γCl->0.85)，高TDS水具有較低的γNa+/γCl-比值(γNa+/γCl-<0.85)。從表2中可以看出，漢水泉洼地承壓水中γNa+/γCl-的比值均大于0.85，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)的承壓水不是海相沉積水。

3 承壓水質(zhì)量評(píng)價(jià)

采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)漢水泉洼地承壓水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先，選取pH值、TDS、總硬度(以CaCO3計(jì))、SO2-4、Cl-、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮、F-共8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。其次，用水體各指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)照該項(xiàng)目的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，確定其水質(zhì)類(lèi)別，本文以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)為對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中Ⅰ、Ⅱ類(lèi)水主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量，適用于各種用途；Ⅲ類(lèi)水以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，主要適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水；Ⅳ類(lèi)水以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù)，除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外，適當(dāng)處理后可作生活飲用水；Ⅴ類(lèi)水不宜飲用[17]。最終，在所有項(xiàng)目的水質(zhì)類(lèi)別中選取水質(zhì)最差類(lèi)別作為水體的水質(zhì)類(lèi)別。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，地下水質(zhì)量的類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)的井點(diǎn)占調(diào)查井?dāng)?shù)的100%，承壓水水質(zhì)較差，不宜飲用。影響地下水質(zhì)量的天然化學(xué)組分主要為T(mén)DS、總硬度、SO2-4、Cl-等(表3)[18]。

表3 漢水泉洼地承壓水質(zhì)量類(lèi)別匯總表Tab.3 Confined groundwater quality categories in Hanshuiquan depression

該地區(qū)承壓水水質(zhì)較差的原因簡(jiǎn)析如下：在研究區(qū)內(nèi)無(wú)常年性地表水流，僅有零星分布的泉點(diǎn)，以及在融雪季節(jié)和夏季暴雨過(guò)后在溝谷中可形成暫時(shí)性的地表水流，山前洪積礫質(zhì)平原降雨稀少，所以地表水對(duì)承壓水無(wú)補(bǔ)給。漢水泉洼地為相對(duì)最低洼地帶，地下水向芒硝礦附近匯集，并且受水文地質(zhì)條件影響，在洪積細(xì)土平原形成了地下水的深埋帶，其地層顆粒變細(xì)，徑流滯緩，礦化度升高，溶濾作用變差，易溶鹽積累，導(dǎo)致水質(zhì)變差。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜合上述分析可得：

(1)漢水泉洼地承壓水呈現(xiàn)出3種不同的水化學(xué)類(lèi)型，分別為SO4、SO4·Cl和Cl·SO4型。承壓水在漢水泉洼地中呈現(xiàn)出明顯的水平分帶規(guī)律：洼地中心地帶為SO4·Cl型，中心以北為SO4型，以南為Cl·SO4型；由北向南，水化學(xué)類(lèi)型由SO4型→SO4·Cl型→Cl·SO4型。

(2)結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件及離子當(dāng)量比值分析發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)內(nèi)承壓水沿地下水流向由四周向洼地中心流動(dòng)，地下水動(dòng)力逐漸變差，溶濾作用變?nèi)?，可溶性鹽類(lèi)在地下水中富集。漢水泉洼地承壓水不是海相沉積水。

(3)運(yùn)用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)漢水泉洼地承壓水質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)得出的結(jié)論為：漢水泉洼地內(nèi)承壓水水質(zhì)較差，不宜飲用。其主要原因是承壓水受地表水補(bǔ)給較少，徑流滯緩，導(dǎo)致承壓水礦化度變高，水質(zhì)變差。

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