，

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

過度開采對(duì)地下水水化學(xué)特征的影響研究

呂路，楊軍耀

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

為探究過度開采對(duì)地下水水化學(xué)特征的影響，通過對(duì)比分析研究區(qū)1997年和2010年的地下水水位與水質(zhì)資料，研究了過度開采條件下地下水水位與水化學(xué)特征的動(dòng)態(tài)規(guī)律及兩者之間的聯(lián)系。研究結(jié)果表明：1997年和2010年研究區(qū)地下水水位與水化學(xué)特征的空間變化規(guī)律具有很高的一致性，表現(xiàn)為地下水水位降幅較大的區(qū)域?qū)?yīng)的鎂離子、硫酸鹽含量增幅也相對(duì)較大，地下水水化學(xué)特征受地下水水位變化的影響較大?？臻g疊加分析結(jié)果表明：鎂離子、硫酸鹽與地下水水位變化較大的區(qū)域空間重合率分別為72.2%，53.1%。過度開采通過改變地下水補(bǔ)徑排條件及飽和帶、非飽和帶的水環(huán)境變化對(duì)地下水水化學(xué)特征產(chǎn)生影響，因此對(duì)于地下水不可盲目、過度開采。

地下水；過度開采；水化學(xué)特征；演化規(guī)律；空間分析

1 研究背景

地下水是我國北方許多城市的重要供水水源，在人類生活和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。人類長期對(duì)地下水的過度開采，引發(fā)了地下水水量減少和水質(zhì)惡化等水環(huán)境問題[1]，同時(shí)，還伴隨地面沉降、土壤鹽漬化、海水入侵等一系列環(huán)境地質(zhì)問題[2-5]，因此，研究過度開采對(duì)地下水水環(huán)境的影響十分必要。目前，關(guān)于地下水過度開采條件下，地下水水質(zhì)的演化機(jī)理及其影響因素分析成為研究重點(diǎn)，主要采用的研究方法和內(nèi)容包括對(duì)地下水水位、水質(zhì)的監(jiān)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析,同位素分析,水文地球化學(xué)模擬及灰色模型等，研究成果為區(qū)域地下水環(huán)境的保護(hù)與治理工作提供了科學(xué)指導(dǎo)[6-11]。

本文通過對(duì)比分析研究區(qū)1997年和2010年地下水水位和水化學(xué)動(dòng)態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地下水水位與水化學(xué)變化規(guī)律在空間上具有很好的一致性，過度開采引發(fā)地下水水化學(xué)特征變化的現(xiàn)象十分明顯，同時(shí)對(duì)過度開采條件下研究區(qū)地下水水化學(xué)類型的演化規(guī)律進(jìn)行了分析。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeological map of the study area

2 研究區(qū)概況

2.1 水文地質(zhì)條件

本文重點(diǎn)對(duì)松散巖類孔隙水進(jìn)行討論。研究區(qū)松散巖類孔隙水主要賦存于呂梁山以南、峨嵋臺(tái)地以北的沉降帶第四系、黃河、汾河河漫灘及山前傾斜平原中。根據(jù)地下水的賦存條件和水力特征，可劃分為淺層潛水-微承壓水、中層承壓水和深層承壓水。研究區(qū)水文地質(zhì)圖見圖1。

天然條件下，地下水接受大氣降水入滲、山前側(cè)向徑流、灌溉回歸入滲補(bǔ)給，在黃河岸邊還接受側(cè)向滲漏補(bǔ)給。地下水排泄以人工開采為主，其次是向下游徑流排泄，河漫灘局部存在蒸發(fā)排泄。自1997年以來，受地下水過度開采的影響，研究區(qū)地下水水位與水化學(xué)特征發(fā)生了較大變化，具體討論如下。

2.2 地下水水位動(dòng)態(tài)特征

地下水是研究區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水的主要水源之一，隨著城市需水量的不斷增大，自1997年開始長期過度開采地下水，導(dǎo)致地下水水位逐年下降。研究區(qū)1997年和2010年的地下水水位動(dòng)態(tài)特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1和圖2。

由表1可知，相比1997年,2010年研究區(qū)地下水水位平均下降了12.2 m。其中，水位下降點(diǎn)占所有采樣點(diǎn)比例為81.8%，最大降幅為102.19 m，分布于北部山前傾斜平原的柳壕村北；水位上升點(diǎn)占所有采樣點(diǎn)比例為18.2%，最大升幅為7.53 m，分布于黃河河漫灘的清澗灣。其中，除柳壕村以外，研究區(qū)在黃河階地區(qū)形成了以苗圃為中心的水位降幅較大區(qū)，苗圃中心水位降幅16.42 m，1997—2010年年均降幅1.26 m；在汾河河漫灘及階地區(qū)形成了以黃村漁場為中心的水位降幅較大區(qū)，中心水位下降為16.85 m，年平均下降1.30 m。

表1 研究區(qū)1997年和2010年地下水水位統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results of groundwater levelin 1997 and 2010 in the study area

圖2為研究區(qū)1997年和2010年地下水水位等值線圖。從圖2(a)可以看出，受過度開采影響，研究區(qū)在汾河三級(jí)階地形成了以趙家莊—東莊為中心的地下水水位降落漏斗，至2010年降落漏斗范圍不斷擴(kuò)大，向南延伸至汾河河漫灘的黃村漁場附近，向西延伸至黃河河漫灘及階地的苗圃附近。降落漏斗改變了地下水原有的補(bǔ)徑排特征，山前洪積扇地下水的流向發(fā)生變化，汾河河漫灘的地下水由徑流排泄變?yōu)橄虮辈拷德渎┒费a(bǔ)給。

2.3 地下水水化學(xué)特征

2.3.1 水化學(xué)成分變化

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)研究區(qū)1997年的33個(gè)監(jiān)測水樣和2010年的30個(gè)監(jiān)測水樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各指標(biāo)的均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由表2可以看出，相比1997年,2010年研究區(qū)地下水水化學(xué)成分的主要變化為：①pH值和總硬度增大，地下水環(huán)境一直處于偏堿性狀態(tài)；②鎂離子含量增大了17.0%，鉀+鈉和鈣離子含量分別減少了27.1%和38.7%；③硫酸鹽含量增大了38.8%，氯化物減小，重碳酸鹽基本保持不變；④氨氮和亞硝酸鹽氮分別增大了364.2%和726.7%，硝酸鹽明顯減小；⑤重金屬中，鐵、錳、鋅均減小，鐵和汞在2010年均未檢出，錳和鋅2010年均值僅為1997年的18.6%和1.8%。

圖2 研究區(qū)1997年和2010年地下水水位等值線Fig.2 Contours of groundwater level in the studyarea in 1997 and 2010

表2 1997年和2010年地下水水化學(xué)成分變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of the chemical compositionof groundwater in 1997 and 2010

注：表中數(shù)值除pH值無單位外，其他數(shù)值均表示各物質(zhì)濃度，其單位為mg/L;TDS表示總?cè)芙夤腆w;表中變化比例為2010年相對(duì)1997年

2.3.2 水化學(xué)類型變化

研究區(qū)1997年和2010年的地下水水化學(xué)類型分布見圖3。由圖3可看出：相比1997年,2010年研究區(qū)地下水中Mg型水、HCO3SO4型水和ClSO4型水明顯增多，而Ca型水減少至消失，Na型水相對(duì)減少。

圖3 研究區(qū)1997年和2010年地下水化學(xué)類型分布對(duì)比Fig.3 Distribution of chemical composition in groundwater in the study area in 1997 and 2010

由圖3還可見，地下水水化學(xué)類型變化較大的區(qū)域主要分布在山前洪積扇和山前傾斜平原、黃河河漫灘及階地、汾河三級(jí)階地的東部、汾河河漫灘及二級(jí)階地的西部，而汾河三級(jí)階地中部和汾河南黃土塬區(qū)地下水水化學(xué)類型變化較小，各區(qū)地下水水化學(xué)類型變化特征見表3。

表3 地下水水化學(xué)類型分布特征Table 3 Distribution characteristics of chemicaltypes of groundwater

由表3可以看出，受地下水水位降落漏斗的影響，地下水流向的改變?cè)斐闪说叵滤a(bǔ)給區(qū)Mg型水、SO4型水明顯增多，水流路徑上由補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)地下水水化學(xué)類型的變化趨勢(shì)十分接近。

3 地下水水位變化對(duì)水化學(xué)特征的影響

3.1 空間動(dòng)態(tài)規(guī)律

對(duì)研究區(qū)1997年和2010年的鎂離子、硫酸鹽及地下水水位的變化進(jìn)行研究，1997年與2010年的地下水水位、鎂離子及硫酸鹽含量差值(mg/L)等值線見圖4。

由圖4可以看出：研究區(qū)鎂離子、硫酸鹽含量變化較大的區(qū)域,相應(yīng)的地下水水位變化幅度也較大。其中，鎂離子含量增幅較大的區(qū)域?yàn)樯角昂榉e扇、黃河河漫灘、汾河漫灘及階地的東部，地下水水位降幅較大的3個(gè)區(qū)域分別為以苗圃為中心的黃河河漫灘、以黃村漁場為中心的汾河河漫灘及階地和以柳壕村北為中心的山前傾斜平原區(qū)。對(duì)比1997年和2010年硫酸鹽含量的變化可知，2010年硫酸鹽含量除市區(qū)有所下降外，東部、西部和北部的硫酸根含量均有不同程度升高，其中，黃村附近地下水中硫酸根含量劇增，增幅超過了500 mg/L，另一個(gè)高值區(qū)域?yàn)樯角昂榉e扇東北部，硫酸鹽的增減變化與地下水水位下降的區(qū)域也基本吻合。

黃村水樣點(diǎn)1997—2010年地下水水位、鎂離子、硫酸鹽變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可以看出，隨著地下水水位的下降，鎂離子、硫酸鹽含量不斷增大。由于1997—2010年，黃村附近地下水水位降幅為局部最大點(diǎn)，受黃河滲漏、汾河滲漏及北部地下水徑流補(bǔ)給，導(dǎo)致鎂離子、硫酸鹽含量在黃村附近富集，含量不斷升高。

圖4 1997年和2010年地下水水位差值、鎂離子含量差值及硫酸鹽含量差值等值線Fig.4 Contours of changes of groundwater level，magnesium ion content and sulfate content in 1997 and 2010

圖5 1997—2010年黃村水樣點(diǎn)地下水水位、鎂離子、硫酸鹽含量變化趨勢(shì)Fig.5 Change trend of groundwater level，contents of magnesium ion and sulfate in Huangcun from 1997 to 2010

3.2 空間疊加分析

分別將鎂離子增幅30 mg/L、硫酸鹽增幅50 mg/L以上區(qū)域疊加至地下水位差值等值線圖中，與地下水位降幅10 m以上區(qū)域進(jìn)行空間疊加分析(見圖6)。由圖6可以看出，鎂離子、硫酸鹽增幅較大的區(qū)域與地下水位降幅較大的區(qū)域在空間分布上重合性很高。鎂離子增幅30 mg/L以上區(qū)域與地下水位降幅10 m以上區(qū)域相交面積為17.31 km2，重合率為72.2%(以占鎂離子增幅30 mg/L以上區(qū)域面積的比例計(jì)算)，硫酸鹽增幅50 mg/L以上區(qū)域與地下水位降幅10 m以上區(qū)域相交面積27.85 km2，重合率為53.1%(以占硫酸鹽增幅50 mg/L以上區(qū)域面積的比例計(jì)算)?？臻g疊加分析結(jié)果也表明了地下水位變化對(duì)研究區(qū)地下水化學(xué)類型的影響十分顯著。

圖6 鎂離子、硫酸鹽與地下水水位差值等值線疊加圖Fig.6 Superposition of contours of the variation of magnesium ion and sulfate content and groundwater level

3.3 地下水水化學(xué)演化機(jī)理

過度開采一方面改變了研究區(qū)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄關(guān)系，另一方面改變了研究區(qū)飽和帶和非飽和帶的水化學(xué)環(huán)境。

過度開采首先導(dǎo)致地下水水位降落漏斗范圍不斷擴(kuò)大，降落漏斗附近的地下水由徑流區(qū)變?yōu)榕判箙^(qū)，不僅接受山區(qū)、山前洪積扇的側(cè)向徑流補(bǔ)給,還接受黃河的側(cè)向滲漏與汾河南部階地的地下水補(bǔ)給，伴隨著混合作用、溶濾作用和離子交換作用，使得地下水位降幅較大的區(qū)域鎂離子、硫酸鹽富集。

以黃村漁場水樣點(diǎn)為例，1997—2010年，鎂離子含量增加了156.5 mg/L，硫酸鹽含量增加了500 mg/L，為研究區(qū)鎂離子、硫酸鹽含量增幅最大點(diǎn)，地下水徑流途徑對(duì)應(yīng)的地下水化學(xué)類型演化趨勢(shì)為HCO3-Mg→HCO3SO4-Mg→ClSO4-NaMg→HCO3SO4-NaMg，可見黃村漁場的地下水化學(xué)類型受地下水徑流的影響較大，受地下水過量開采的影響，黃村附近地下水位降幅為局部最大點(diǎn)，地下水水化學(xué)類型的演化趨勢(shì)與地下水位的變化趨勢(shì)一致。

另一方面地下水過度開采使飽和帶、非飽和帶水環(huán)境發(fā)生變化。近年來,隨著煤化工、冶金和發(fā)電工業(yè)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，研究區(qū)空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，氮化物和硫化物含量降低，雨水的酸度減小，影響到非飽和帶水-土的酸堿性，隨著非飽和帶水入滲補(bǔ)給地下水，研究區(qū)地下水pH值升高，地下水環(huán)境一直處于偏堿性狀態(tài)。地下水pH值的升高，使得碳酸平衡向右進(jìn)行，方解石向飽和與過飽和方向發(fā)展，導(dǎo)致地下水中鈣離子減少，同時(shí)，白云石可能處于非飽和狀態(tài)，這種非全等溶解最終使得鎂離子含量相對(duì)增加，鈣離子含量相對(duì)減少。

地下水水位下降，使得原本處于飽水帶的地層變成了非飽和帶，原本處在還原環(huán)境的地層變成了氧化環(huán)境，鐵、錳、硫、氮、氧和砷是地下水環(huán)境的主要氧化還原元素，這些元素對(duì)氧化還原反應(yīng)十分敏感，這些敏感元素的含量變化也反映了研究區(qū)地下水環(huán)境處于一種弱氧化環(huán)境。這也使得在強(qiáng)還原環(huán)境下才可能發(fā)生的脫硫酸反應(yīng)不能繼續(xù)發(fā)生，SO42-含量也不會(huì)減少，反而相對(duì)增加。此外，北部山區(qū)的煤礦開采，黃鐵礦不斷被氧化導(dǎo)致地下水中SO42-含量增加，再加上山前傾斜平原和山前洪積扇地下水位的下降，接受山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給的地區(qū)地下水中硫酸鹽含量增高，這從2010年地下水化學(xué)類型分布圖中北部地區(qū)SO4型水比例增多也可以看出。

4 結(jié) 語

研究區(qū)地下水水位與水化學(xué)類型變化的空間一致性反映了過度開采對(duì)地下水水化學(xué)的影響較大?？臻g疊加分析也很好地驗(yàn)證了鎂離子、硫酸鹽增幅較大的區(qū)域與地下水水位變化較大區(qū)域有很好的重合性。過度開采通過改變地下水的補(bǔ)徑排條件及飽和帶、非飽和帶的水環(huán)境特征,從而對(duì)地下水水化學(xué)特征產(chǎn)生影響。

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(編輯：黃 玲)

Effect of Over Exploitation of Groundwater onthe Hydrochemical Characteristics of Groundwater

Lü Lu，YANG Jun-yao
(College of Water Resource Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

In order to explore the influence of over-exploitation of groundwater on the hydrochemical characteristics of groundwater, we analyzed the dynamic changes of and relationship between groundwater level and water chemistry in the condition of over exploitation by comparing groundwater level and groundwater quality between 1997 and 2010. Results showed that when groundwater level declined, magnesium ion content and sulfate content increased correspondingly, indicating that spatial changes in groundwater level is highly consistent with that in chemical composition, which means that water chemistry is greatly affected by groundwater level. Spatial superposition results suggest that 72.2% of the changes in magnesium ion content coincided with groundwater level decline, and 53.1% of the changes in sulfate contentcoincided with groundwater level decline. Over exploitation affected groundwater chemistry through changing the discharge and recharge conditions as well as the water environment in saturated zone and non-saturated zone.

groundwater；over-exploitation；hydrochemical characteristics；evolution law；spatial analysis

2016-04-21；

：2016-05-09

呂路(1992-)，男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源，(電話)13233626295(電子信箱)331519943@qq.com。

楊軍耀(1965-)，男，山西聞喜人，副教授,碩士生導(dǎo)師，碩士，研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源，(電話)13015309351(電子信箱)704381962@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160377

2017,34(9):14-18,23

P342

：A

：1001-5485(2017)09-0014-05