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        海原盆地地下水咸化特征和控制因素

        2019-08-14 09:15:40王雨山李海學(xué)程旭學(xué)劉偉坡張夢(mèng)南
        水文地質(zhì)工程地質(zhì) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:基巖同位素貢獻(xiàn)

        王雨山,李 戍,李海學(xué),程旭學(xué),劉偉坡,張夢(mèng)南

        (中國(guó)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)

        在干旱半干旱區(qū),地下水是生產(chǎn)和生活的重要甚至是唯一水源[1],在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位。然而,由于各種天然及人為因素影響,地下水咸化十分普遍,給水資源的開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)極大不便[2]。研究地下水咸化作用和控制因素,對(duì)合理規(guī)劃、管理和利用地下水資源具有重要意義。長(zhǎng)期以來(lái),學(xué)者們對(duì)不同地區(qū)的地下水鹽分來(lái)源和咸化機(jī)制開(kāi)展了較多研究。Tweed等[3]通過(guò)分析澳大利亞艾爾湖盆地地下水化學(xué)和同位素特征,認(rèn)為蒸騰是導(dǎo)致地下水咸化的主因。Cary等[4]在巴西沿海城市Recife地區(qū)研究得出淺層地下水咸化源于古海水混合和蒸發(fā)濃縮。Sun等[5]對(duì)敦煌盆地地下水的研究表明,溶濾、蒸發(fā)和蒸騰主導(dǎo)了地下水咸化過(guò)程。徐彥澤等[6]以滄州市淺層地下水為例,揭示了地下水鹽分來(lái)源和影響咸化的地質(zhì)環(huán)境因素。研究表明,地下水咸化是一個(gè)受多因素影響的復(fù)雜過(guò)程,其主要作用包括蒸發(fā)、蒸騰、溶濾、污水回灌、咸水入侵和含水層越流等。很多地區(qū)地下水咸化一般是上述幾個(gè)因素共同作用的結(jié)果,準(zhǔn)確區(qū)分地下水咸化的物質(zhì)來(lái)源及主要作用過(guò)程仍然是一個(gè)較復(fù)雜的難題[7]。

        海原盆地位于西北內(nèi)陸,地下水是當(dāng)?shù)匚ㄒ坏娘嬘盟?,苦咸水分布,其咸化特征在干旱區(qū)具有一定的典型性。近年來(lái),由于長(zhǎng)期開(kāi)采地下水,水位不斷下降,部分地區(qū)地下水有咸化趨勢(shì),引起了有關(guān)部門的重視。為研究新階段地下咸淡水的分布特征及咸化成因,2016—2018年基本查明了海原盆地邊界條件、含水層巖性、結(jié)構(gòu)以及地下水水質(zhì)特征。本文用水化學(xué)和氫氧穩(wěn)定同位素特征,揭示地下水的補(bǔ)給來(lái)源和不同水文地質(zhì)單元的咸化作用,并探討了溶濾和蒸發(fā)對(duì)地下水鹽分的貢獻(xiàn)比率。在此基礎(chǔ)上,提出了地下水合理利用和保護(hù)建議。

        1 研究區(qū)概況

        海原盆地位于寧夏回族自治區(qū)西部,為寧南旋卷構(gòu)造控制下的走滑拉分盆地[8],其西南和北部邊界分別為西華山—南華山東北麓斷裂和鴨兒澗-鄭旗斷裂。盆地西南部為西華山、南華山基巖山地,其余部位均與相對(duì)隆升的黃土丘陵相接。多年平均降雨量397 mm,年均蒸發(fā)量1 973 mm,地表水不發(fā)育,水資源較為貧乏。

        第四系含水層以更新統(tǒng)沖洪積砂礫石、細(xì)砂為主要含水介質(zhì),中間包含多層粉黏透鏡體。含水層厚度200~500 m,總體規(guī)律為在山前地帶厚度較大,至盆地中部因古近系、新近系隆起厚度變小。地下水埋深由山前的大于200 m降至盆地北部的小于50 m,因近年來(lái)過(guò)度開(kāi)采,地下水類型已由潛水-承壓水變?yōu)閱我粷撍?。地下水流向總體為南西至北東,在山前接受大氣降雨入滲補(bǔ)給,由山前至遠(yuǎn)離山前方向徑流,在系統(tǒng)北東邊界處遇斷裂阻水以泉的形式排泄。

        根據(jù)地下水所處地貌部位、包氣帶巖性、循環(huán)條件及流場(chǎng)特征,將盆地分為三個(gè)水文地質(zhì)單元(圖1):(1)地下水補(bǔ)給區(qū),位于西華山和南華山洪積扇部位,包氣帶顆粒較粗,利于接受大氣降雨補(bǔ)給;(2)地下水徑流區(qū),位于洪積扇前緣,地勢(shì)較為平坦,地下水徑流通暢;(3)地下水滯留-排泄區(qū),位于盆地北部,受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響第四系基底相對(duì)抬升,水力梯度變小,為地下水滯留區(qū)和排泄區(qū)。

        圖1 取樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Locations of the water samples

        2 研究方法

        2016年10月枯水期采集水樣69組,包括基巖山區(qū)泉水7組、排泄區(qū)泉水4組和地下水58組,用于水化學(xué)常量組分和氫氧穩(wěn)定同位素測(cè)試。采樣時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試pH等參數(shù),樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后置于聚乙烯瓶中。陽(yáng)離子樣品用HNO3酸化至pH值小于2后保存,陰離子樣品原樣低溫保存,氫氧同位素采集于50 mL聚乙烯瓶?jī)?nèi)密封保存。

        3 結(jié)果和分析

        3.1 地下水咸化特征

        溶解性總固體(TDS)是地下水中各離子質(zhì)量濃度的總體反映[9],用來(lái)指示地下水咸化特征。研究區(qū)地下水TDS值198.2~6 436.4 mg/L,69.6%的樣品大于1 000 mg/L,具有干旱內(nèi)陸盆地地下水水質(zhì)特征。不同水文地質(zhì)單元地下水TDS分布呈現(xiàn)出差異性(表1),基巖區(qū)泉水TDS值198.2~506.3 mg/L,均值310.2 mg/L,均為淡水。補(bǔ)給區(qū)地下水TDS值381.7~598.1 mg/L,均值482.1 mg/L。徑流區(qū)地下水TDS值580.2~3 360.5 mg/L,均值1 852.7 mg/L。滯留-排泄區(qū)地下水TDS值865.5~6 436.4 mg/L,均值2 587.4 mg/L。沿著地下水流向,地下水TDS呈增加趨勢(shì),咸化明顯。根據(jù)農(nóng)村飲用水標(biāo)準(zhǔn),適宜飲用(TDS低于1 500 mg/L)的地下水主要分布在基巖區(qū)、補(bǔ)給區(qū)和海原縣城以北的徑流區(qū)。目前基巖泉水利用較少,可在適宜地區(qū)建成分散式供水水源。

        圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile of the study area

        表1 地下水主要化學(xué)組分和氫氧穩(wěn)定同位素統(tǒng)計(jì)Table 1 Average hydrochemistry composstions and hydrogen and oxygen isotopes of the water samples

        圖3 地下水樣品Piper三線圖Fig.3 Piper diagrams of the groundwater samples

        3.2 氫氧同位素特征

        根據(jù)測(cè)試結(jié)果(表1),基巖區(qū)泉水δD值和δ18O 值分別為-78.91‰~-68.97‰、-11.26‰~-10.23‰,地下水δD值和為δ18O 值分別為-90.25‰~-67.32‰、-12.95‰~-9.10‰??梢钥闯?,地下水氫氧同位素組分變異較大,這可能是由于地下水樣品取自不同水文地質(zhì)單元,具有各自的補(bǔ)給和循環(huán)過(guò)程。由于缺少降雨同位素?cái)?shù)據(jù),地區(qū)大氣降雨線采用位于研究區(qū)以北300 km的銀川降雨線,δD=7.28δ18O+5.76[10],從δD—δ18O關(guān)系圖(圖4)可以看出,所有樣品均分布在全球降雨線兩側(cè)、地區(qū)降雨線之下?;鶐r區(qū)泉水、補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)地下水基本沿地區(qū)降雨線分布,表明受蒸發(fā)影響較小。滯留-排泄區(qū)部分地下水樣品偏離地區(qū)降雨線,重同位素顯著富集,表明該區(qū)地下水經(jīng)歷了蒸發(fā)作用。

        圖4 地下水氫氧同位素圖Fig.4 Plots of δD- δ18O of the water samples

        4 討論

        4.1 地下水補(bǔ)給來(lái)源

        揭示地下水補(bǔ)給來(lái)源是查明其咸化機(jī)制的基礎(chǔ),為此根據(jù)氫氧穩(wěn)定同位素特征的指示作用分析研究區(qū)地下水可能的補(bǔ)給來(lái)源。圖4顯示,大部分地下水樣品沿著地區(qū)降雨線分布,表明以大氣降雨為主要補(bǔ)給來(lái)源。進(jìn)一步,利用中國(guó)大氣降雨同位素的高程效應(yīng)估算地下水補(bǔ)給高程[11]:δD=-0.02h-27,δ18O=-0.003h-4.3(h為高程)??紤]到含水層和地下水可能存在18O交換,用其估算高程存在誤差,而含水層中氫元素一般含量較低[12],因此利用δD估算,得出補(bǔ)給區(qū)高程2 016~3 162 m,平均2 490 m。結(jié)合研究區(qū)地形特征可知,地下水補(bǔ)給區(qū)主要位于西華山、南華山基巖山區(qū)和山前沖洪積扇?;鶐r山區(qū)泉水來(lái)自前寒武變質(zhì)巖裂隙含水層,基巖地下水具有就近補(bǔ)給、就近排泄的淺循環(huán)特征,泉水同位素特征在一定程度上反映了地區(qū)降雨同位素特征。從圖4可以看出,大部分補(bǔ)給區(qū)樣品和泉水分布具有一致性,與兩區(qū)地下水化學(xué)特征也具有相似性,因此認(rèn)為盆地地下水除受大氣降雨補(bǔ)給外,還接受基巖地下水側(cè)向補(bǔ)給,即基巖裂隙水通過(guò)淺部導(dǎo)水的西華山-南華山東北麓斷裂補(bǔ)給盆地地下水。另外發(fā)現(xiàn),部分地下水樣品分布在地區(qū)降雨線左下側(cè),δ18O值和δD值顯示出貧化特征,這些樣品均取自深井,這表明深層地下水可能并非來(lái)自現(xiàn)代降雨補(bǔ)給[13]。通過(guò)分析可知,海原盆地第四系地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降雨和基巖地下水側(cè)向徑流。

        4.2 溶濾作用

        圖6 Na+與Cl-(a)、非巖鹽來(lái)源陽(yáng)離子與關(guān)系Fig.6 Plots of Na+ vs.Cl- and non-halite sources cations vs.

        圖7 TDS與方解石飽和指數(shù)(a)、白云石飽和指數(shù)(b)、巖鹽飽和指數(shù)與Cl-(c)、石膏飽和指數(shù)與關(guān)系Fig.7 Plots of SI of calcite vs.TDS,SI of dolomite vs.TDS,SI of halite vs.Cl-and SI of gypsum vs.

        4.3 蒸發(fā)作用

        在干旱半干旱地區(qū),蒸發(fā)濃縮對(duì)地下水咸化有重要影響[18]。由于蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致地下水中重同位素的富集,在δD-δ18O關(guān)系圖中會(huì)偏離大氣降雨線[19],偏離程度越高,蒸發(fā)作用越強(qiáng)。圖4顯示,海原盆地滯留-排泄區(qū)部分樣品偏離地區(qū)大氣降雨線,顯示出蒸發(fā)特征。為定量分析蒸發(fā)對(duì)地下水TDS的貢獻(xiàn),根據(jù)地區(qū)大氣降雨線方程δD=7.28δ18O+5.76,引入了區(qū)域氘盈余dL表征樣品偏離地區(qū)降雨線的程度:

        dL=δD-7.28δ18O

        (1)

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,基巖區(qū)泉水dL值3.1~5.5,接近大氣降雨氘盈余5.76,蒸發(fā)微弱。海原盆地地下水dL值-6.1~5.2,空間變化較大,滯留排泄區(qū)部分樣品dL值小于0,顯示經(jīng)歷了較強(qiáng)的蒸發(fā)作用。地下水TDS—dL關(guān)系圖(圖8)顯示,隨著dL的降低,TDS呈增加趨勢(shì)。地下水咸化主要受溶濾和蒸發(fā)兩種因素控制,溶濾作用導(dǎo)致地下水TDS增加,但dL值不變,蒸發(fā)作用導(dǎo)致地下水TDS增加,dL值降低。

        圖8 TDS-dL關(guān)系圖Fig.8 Plot of TDS vs.dL

        根據(jù)前人研究成果[20],蒸發(fā)程度和dL存在定量關(guān)系:

        (2)

        式中:f——蒸發(fā)度(剩余水和初始水體積比);

        dL0——區(qū)域氘盈余初始值,研究區(qū)取5.76;

        α1、α2——開(kāi)放系統(tǒng)非平衡分餾條件下氣態(tài)相對(duì)液態(tài)的D、18O分餾系數(shù);

        k——地區(qū)大氣降水線斜率,取7.28;

        地下水在補(bǔ)給區(qū)接受基巖裂隙水側(cè)向徑流補(bǔ)給和大氣降雨入滲補(bǔ)給,在徑流過(guò)程中發(fā)生溶濾作用,TDS不斷增加,由于補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)地下水埋深較大,蒸發(fā)作用較弱。至滯留-排泄區(qū),隨著地下水埋深降低,蒸發(fā)作用增強(qiáng),此時(shí)地下水TDS受溶濾作用和蒸發(fā)濃縮共同影響。假設(shè)補(bǔ)給區(qū)地下水TDS為S0,至排泄區(qū)增至S1,發(fā)生蒸發(fā)后變?yōu)镾:

        S=S1/f

        (3)

        據(jù)此得出蒸發(fā)作用對(duì)地下水TDS的貢獻(xiàn)為S(1-f),貢獻(xiàn)比率為1-f,補(bǔ)給源水對(duì)地下水TDS的貢獻(xiàn)比率為S0/S,則剩余溶濾作用對(duì)地下水TDS貢獻(xiàn)比率為f-S0/S。由此,根據(jù)地下水dL值可定量計(jì)算蒸發(fā)和溶濾作用對(duì)地下水咸化的貢獻(xiàn)比率。

        式(2)中的參數(shù)α1、α2和溫度、相對(duì)濕度有關(guān)[21],取研究區(qū)多年平均相對(duì)濕度50%,地下水平均溫度12℃,求得α1=0.908,α2=0.983。補(bǔ)給源水包括基巖裂隙水側(cè)向徑流和大氣降雨,考慮到研究區(qū)降雨量較小且大氣降水TDS較低,本次研究中S0取基巖區(qū)泉水TDS平均值310.2 mg/L。根據(jù)式(2)計(jì)算蒸發(fā)度f(wàn)以及補(bǔ)給水、蒸發(fā)和溶濾對(duì)地下水TDS的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明(圖9),補(bǔ)給水貢獻(xiàn)比率4.8%~81.2%,蒸發(fā)作用貢獻(xiàn)比率1.7%~29.5%,溶濾作用貢獻(xiàn)比率11.9% ~85.9%。從補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)到滯留-排泄區(qū),補(bǔ)給水貢獻(xiàn)比率降低,溶濾作用和蒸發(fā)貢獻(xiàn)比率逐漸增高。在補(bǔ)給區(qū),地下水TDS較低,基巖裂隙水側(cè)向徑流對(duì)地下水咸化的貢獻(xiàn)比率大于50%,溶濾和蒸發(fā)作用貢獻(xiàn)較小。在徑流區(qū)和滯留-排泄區(qū),溶濾作用貢獻(xiàn)比率多大于50%,大部分地下水樣品蒸發(fā)作用貢獻(xiàn)小于10%,僅有滯留-排泄區(qū)的7組地下水樣品蒸發(fā)作用貢獻(xiàn)大于15%,這表明,盡管受到蒸發(fā)影響,但溶濾作用是控制海原盆地地下水咸化的首要因素。近年來(lái),西安鎮(zhèn)和海原縣城附近出現(xiàn)地下水TDS增高現(xiàn)象,可能是由于該地區(qū)為地下水強(qiáng)開(kāi)采區(qū),造成了地下水流場(chǎng)改變,增強(qiáng)了對(duì)可溶鹽的溶濾作用所致。

        圖9 補(bǔ)給水(a)、溶濾作用(b)和蒸發(fā)作用(c)對(duì)地下水咸化貢獻(xiàn)比率Fig.9 Plots of contributions of dissolution and evaporationto TDS

        5 結(jié)論

        (1)研究區(qū)地下水TDS值198.2~6 436.4 mg/L,沿著地下水流向咸化程度增加。水化學(xué)特征具分帶規(guī)律,基巖區(qū)泉水化學(xué)類型為HCO3—Ca·Mg型,補(bǔ)給區(qū)為HCO3·SO4—Ca·Mg型。徑流區(qū)和滯留-排泄區(qū)多為SO4·Cl—Na·Mg型。

        (2)第四系地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降雨和基巖地下水側(cè)向徑流,深層地下水可能并非來(lái)自現(xiàn)代降雨補(bǔ)給。

        (3)不同水文地質(zhì)單元溶濾作用具差異性,基巖區(qū)和補(bǔ)給區(qū)以碳酸鹽、硅酸鹽風(fēng)化為主,徑流區(qū)和滯留-排泄區(qū)主要為蒸發(fā)巖風(fēng)化。補(bǔ)給水、溶濾和蒸發(fā)作用對(duì)第四系地下水TDS的貢獻(xiàn)比率分別為4.8%~81.2%、11.9% ~85.9%、1.7%~29.5%,溶濾作用是控制海原盆地地下水咸化的首要因素。

        當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門應(yīng)優(yōu)化地下水開(kāi)發(fā)格局,加大對(duì)南華山基巖泉水的開(kāi)發(fā)利用,作為飲用水的重要補(bǔ)充;在地下水集中開(kāi)采區(qū)控制開(kāi)采量,防止因局部流場(chǎng)改變?cè)斐傻叵滤袒辉谖⑾趟植紖^(qū)引進(jìn)地下水去除硫酸鹽技術(shù),提高微咸水利用程度。

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