常園

摘要：本文以位于渭河平原的高陵地區(qū)為研究對象，于2015年對地下水進行取樣分析，同時結合收集到的1990年區(qū)內水質資料，運用描述性統(tǒng)計法，對比研究了地下水化學特征及時空演化規(guī)律。結果表明：地下水化學類型在空間上變化較為復雜，但仍以重碳酸型為主，各類型分布范圍也有明顯的擴大或遷移趨勢，原來的零散分布區(qū)域已經擴大為面積型的條帶或片狀區(qū)域；在時間上，Cl-、SO42-、HCO3-、硝酸鹽含量及總硬度均有逐年增高趨勢；區(qū)域地下水超采、長期施用化肥、灌區(qū)引水量減少等是影響地下水化學類型變化的主要因素。

關鍵詞：水化學特征；地下水；水化學類型；高陵地區(qū)

Hydrochemical characteristics and evolution laws of groundwater in Gaoling area of Weihe plain

Chang Yuan

Sino Shannxi Nuclear Industry Group Geological Survey Co，Ltd， Xian 710100， China

Abstract： Taking Gaoling area in Weihe plain as the research object. In 2015， groundwater was sampled and analyzed. At the same time， combined with the collected water quality data in 1990， descriptive statistical methods were used to comparatively study the groundwater hydrochemical characteristics and the law of spatial and temporal evolution. The results show that： The hydrochemical type of groundwater is more complex in space， but it is still dominated by bicarbonate type， and the distribution range of each type also has an obvious trend of expansion or migration. The original scattered distribution area has been expanded into area type strip or sheet area；In terms of time， the content of Cl-， SO42-， HCO3-， nitrate and total hardness are increasing year by year. Overexploitation of regional groundwater， long-term application of chemical fertilizer and reduction of water diversion in irrigation area are the main factors affecting the change of groundwater chemical types.

Key words： Hydrochemical characteristics； Groundwater； Hydrochemical type； Gaoling area

地下水化學時空分布規(guī)律蘊含了地下水循環(huán)過程的重要信息，各種補給來源的地下水在進入含水層后，受物源沉積環(huán)境和地質地貌影響[1-2]，在流動過程中發(fā)生一系列水巖相互作用，地下水的化學組分不斷地發(fā)生變化，水化學空間分布可以呈現(xiàn)一定的分帶性[3]，蘊含了地下水循環(huán)條件的信息[4]。另外，研究區(qū)位于的涇惠灌區(qū)，具有2200多年的灌溉歷史，長期地表灌溉和強烈的人類活動對地下水化學組分也產生了嚴重影響[5]。本文擬利用涇惠渠管理局水質資料（1990年、2007年）和筆者調查取樣資料（2015年），通過描述性統(tǒng)計方法，進行地下水化學組分的空間和時間對比分析，討論研究區(qū)地下水化學特征與演變規(guī)律，對揭示地下水環(huán)境現(xiàn)狀以及地下水與環(huán)境的相互作用機制和促進地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護、治理，具有重要的理論意義與實際意義[6-14]。

1.研究區(qū)概況

研究區(qū)位于關中平原中北部，屬于渭河以北、涇河以東沖積—沖洪積平原水文地質單元。第四系松散層覆蓋全區(qū)，地勢寬闊平坦，自西北微向東南緩傾，海拔425m～357m，相對高差68m，坡降1‰～3‰。區(qū)內水系主要為清河，屬渭河水系，水利工程主要為涇惠渠。研究區(qū)屬于大陸性半干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫14.36℃，多年平均降水量為542.87mm，蒸發(fā)量1212mm。

研究區(qū)出露地層主要有全新統(tǒng)（Qh）和更新統(tǒng)（Qp），巖性主要為粉質粘土、粉土、砂、砂礫卵石層及黃土。

地下水類型主要為松散巖類孔隙水，按地下水的埋藏條件及水動力特征，進一步將區(qū)內松散巖類孔隙水，劃分為沖積沖洪積層孔隙潛水、沖湖積層淺層承壓水及沖湖積層深層承壓水三類。本次研究的淺層地下水賦存于全新統(tǒng)—上更新統(tǒng)沖洪積粉細砂、中細砂含水巖組及沖積粉細砂、中細砂含水巖組中。含水層富水性由北至南，靠近渭河，逐漸變好。地下水主要補給源有大氣降水垂直入滲補給、灌溉渠系及田間入滲補給（其中包括井灌回歸量），其次是沿河岸邊的河水側向入滲補給。地下水排泄途徑為垂直蒸發(fā)和水平排泄，水平排泄以徑流方式，

2.采樣及測試方法

地下水的水化學特征研究以對實驗數(shù)據的分析為主要手段，從而反映出地下水環(huán)境中發(fā)生的各種地質的、物理的、化學的、生物的過程和現(xiàn)象，實驗分析數(shù)據是整個水質研究的基礎。

本次研究所取水樣以淺層地下水為主，在研究區(qū)共布設了60個取樣位置（圖1），于2015年取樣進行有關化學參數(shù)的測試，項目包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO24-、HCO3-、pH值和總溶解固體（TDS）。pH值通過便攜式pH計在現(xiàn)場進行分析，樣品的其他監(jiān)測項目在陜西省地質礦產實驗研究所進行，其中：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-和SO24-等參數(shù)采用離子色譜儀進行測定，相對誤差為5%；HCO3-采用稀硫酸—甲基橙滴定方法測定；TDS為各項離子質量濃度的總和。

3.結果與討論

對研究區(qū)地下水進行科學、系統(tǒng)的取樣，測定有關水化學參數(shù)，收集前人資料，綜合運用描述性統(tǒng)計法，全面系統(tǒng)地研究地下水化學的時空變異特征與演變規(guī)律，揭示控制地下水質量演變的主要水化學過程。

3.1水化學組分的空間變化特征

據1990年涇惠渠管理局水質資料分析，依據舒卡列夫分類，研究區(qū)淺層地下水化學類型分為5種（圖2）：HCO3·SO4·Cl—Na·Mg型水，大面積分布于渭河一級、二級沖洪積平原及渭河三級階地區(qū)，為研究區(qū)常見水化學類型，分布面積占研究區(qū)總面積的48.18%；HCO3·SO4—Na·Mg型水，分布于涇河一級階地和渭河一級沖洪積平原的北屯鄉(xiāng)、雨金鎮(zhèn)一帶，分布面積占研究區(qū)總面積的11.28%；SO4·HCO3·Cl—Na·Mg型水，分布于三原縣以南楊莊村—獨李鄉(xiāng)—陂西鎮(zhèn)、高陵縣以北一級沖洪積平原中部以及臨潼區(qū)櫟西—灘張—安屯一帶的沖洪積平原，分布面積占研究區(qū)總面積的29.63%；SO4·Cl·HCO3—Na·Mg型水，僅在三原縣安樂—廟張—三橋—徐揚一線一級沖洪積平原區(qū)及臨潼區(qū)灘張—安屯一帶呈東西向帶狀分布，分布面積占研究區(qū)總面積的8.02%；SO4·HCO3—Na·Mg型水，分布于三原縣西陽鎮(zhèn)北，沿黃土塬斜坡地帶與沖洪積平原相接地區(qū)，呈帶狀東西向分布，分布面積占研究區(qū)總面積的2.90%（圖3）。1990年研究區(qū)淺層水水化學成分中陰離子主要是HCO3-，毫克當量百分比為18.63%，其次為SO42-和Cl-，毫克當量百分比分別為17.16%、14.04%；陽離子則以Na+居首位，其毫克當量百分比為26.19%，其次為Mg2+和Ca2+，毫克當量百分比分別是17.15%和6.82%。

據2015年取樣結果分析，研究區(qū)水化學類型較1990年變的復雜，分為7種類型，但主要仍以HCO3-型為主，其次為SO42-型（圖4）。各取樣水點中，地下水水化學類型統(tǒng)計結果為SO4·HCO3·Cl-Na·Mg型水最多，分布占研究區(qū)總面積40.38%；其次為HCO3·SO4·Cl-Na·Mg、HCO3-Na·Mg和SO4·HCO3-Na·Mg型水，分別占研究區(qū)總面積的23.80%、13.61%和10.51%（圖5）。研究區(qū)水化學類型的變化與地下水位埋深、潛水蒸發(fā)以及人類活動有關，但依舊沿地下水流方向呈條帶狀分布。

地下水中的總溶解固體（TDS）取決于水中常量組分

K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HC03-、CI-、S042-等，受地形、地貌、巖性、埋藏條件及人類活動的控制和影響。1990年研究區(qū)TDS含量范圍在2.00g/L～3.00g/L的區(qū)域主要在安樂鎮(zhèn)和新市鄉(xiāng)附近，而到了2016年，TDS大于2.00g/L基本上覆蓋了整個研究區(qū)域，且研究區(qū)東南部演化成了TDS含量較高的區(qū)域，這可能主要是由于農田長期使用化肥，致使殘留在土壤中的化學組分通過滲透、溶濾等作用滲入潛水含水層中，進而使地下水中總溶解性固體的含量不斷增加。另外，近年來陂西、櫟陽一帶地下水超量開采較為嚴重，地下水位呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。地下水位下降，一方面使包氣帶厚度加大，含水層厚度相對變薄，天然地下水的水鹽均衡遭到破壞，原來部分含水層變成包氣帶，使其從相對還原環(huán)境變?yōu)橄鄬ρ趸h(huán)境，一些礦物氧化變?yōu)楦兹芙獾男问?；另一方面包氣帶厚度加大使入滲途徑加長，滲入補給水運移過程中的不同組分濃度加大，進入地下水量增加，該區(qū)域屬于干旱半干旱氣候，蒸發(fā)作用強烈，這種影響更為顯著[15]。

研究區(qū)潛水礦化度以小于3.00g/L的分布面積最大，大面積分布于研究區(qū)內，占整個研究區(qū)總面積的86.4%；礦化度大于3.00g/L主要分布于研究區(qū)的東南和西北方向，占整個研究區(qū)總面積的13.6%。研究區(qū)潛水水質最大礦化度5.40g/L，位于研究區(qū)西北角的三原縣大程鎮(zhèn)；研究區(qū)潛水水質最小礦化度1.10g/L，位于研究區(qū)西南角的高陵縣榆楚鄉(xiāng)。灌區(qū)礦化度分布總的趨勢為自西北向東南遞增，和地下水流向基本一致，在近涇河、渭河邊緣的階地地區(qū)和清河兩側，由于潛水含水層滲透性較好或水力坡度較大，地下水循環(huán)交替相對較為積極，礦化度一般較小。研究區(qū)潛水礦化度平均值為2.62g/L，較1990年灌區(qū)礦化度1.69g/L有所增大。主要原因可能是20世紀80年代至90年代十余年來，渠灌引水量減少，造成地下水循環(huán)交替作用減弱，礦化作用增強，致使礦化度增大。

綜上所述，從1990年至今，研究區(qū)淺層地下水化學類型仍以重碳酸型為主，沒有大的變化。地下水水質自北向南具有明顯的水平分帶，由補給區(qū)到徑流排泄區(qū)，地下水水化學類型由HCO3-Na·Mg型過渡到HCO3·SO4-Na·Mg型，再進一步演化為HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型，在水位埋藏較淺的區(qū)域，受蒸發(fā)濃縮作用影響，水化學類型演化為高礦化的SO4·Cl-Na·Mg型水。礦化度自北向南有明顯的增大趨勢。TDS含量較高的區(qū)域不斷增加，與研究區(qū)長期施肥、地下水位下降等密切相關。

3.2水化學組分的時間變化特征

根據1990年和2007年涇惠渠灌區(qū)水質分析資料結合本次調查的2015年水質分析資料可見，研究區(qū)內水質六大常量離子有以下的變化特征：經過十余年的演化，灌區(qū)地下水中的主要和次要離子基本沒有發(fā)生變化，地下水中陰離子仍舊以HCO3-為主，其次是SO42-和C1-，陽離子主要還是Na+，其次為Mg2+和Ca2+。然而從表1中發(fā)現(xiàn)，雖然常量成分的毫克當量百分數(shù)沒有變化，但是各離子的含量平均值有所變化，其中HCO3-、C1-、Na+、Mg2+、SO42-五種離子的含量都有增加的趨勢，只有Ca2+的含量略有降低。由于20世紀90年代以前，地下水水化學特征主要受各種天然條件（包括地質條件、水文地質條件、水文地球化學條件、水文條件及氣候條件等）控制。但進入20世紀90年代后，人類活動的增強使研究區(qū)Cl-、SO42-、HCO3-、硝酸鹽含量及總硬度均有逐年增高趨勢，淺層地下水存在潛在的污染，人類活動的直接影響是引起研究區(qū)地下水化學組分變化的主要因素[16]。

4.結論

（1）通過對比分析，研究區(qū)地下水的演化特征是從20世紀90年代至今，地下水化學類型逐漸變復雜，但仍以重碳酸型為主，各類型分布范圍也有明顯的擴大或遷移趨勢，原來的零散分布區(qū)域已經擴大為面積型的條帶或片狀區(qū)域。

（2）研究區(qū)地下水水質自北向南具有明顯的水平分帶，由補給區(qū)到徑流排泄區(qū)，地下水水化學類型由HCO3-Na·Mg型過渡到HCO3·SO4-Na·Mg型，再進一步演化為HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型，在水位埋藏較淺的區(qū)域，受蒸發(fā)濃縮作用影響，水化學類型演化為高礦化的SO4·Cl-Na·Mg型水。

（3）通過對地下水水質的演化規(guī)律研究，從20世紀90年代至今，可知人類活動的影響明顯增強，部分區(qū)域地下水超采、長期施用化肥、灌區(qū)引水量減少等是影響地下水化學類型變化的主要因素。

參考文獻：

[1]張人權，梁杏，靳孟貴，等.水文地質學基礎[M]北京：地質出版社， 2011.

[2]謝振華，劉凱，李志萍，等.基于沉積物物質來源的地下水化學特征分析：以北京市平原區(qū)為例[J] .地學前緣， 2010， 17（6）： 81-87.

[3]李學禮，孫占學，劉金輝.水文地球化學[M].北京：原子能出版社， 2010.

[4]牛兆軒，蔣小偉，胡云志.灤河三角洲地區(qū)深層地下水化學演化規(guī)律及成因分析[J].水文地質工程地質， 2019， 46（1）： 27-33.

[5]劉秀花，易秀，李林，等.涇惠渠灌區(qū)地下水硫酸鹽水文地球化學演化過程研究[J].地球化學， 2012， 41（6）： 559-568.

[6]Adams S， Titus R， Pietersen K ， et al. Hydrochemical characteristics of aquifers near Sutherland in the Western Karoo ，South Africa[J]. Journal of Hydrology ，2001（24）： 91-93.

[7]章光新，鄧偉，何巖，等.中國東北松嫩平原地下水水化學特征與演變規(guī)律[J].水科學進展， 2006， 17（1）： 20-28.

[8]陳夢熊.西北干旱區(qū)水資源的合理開發(fā)利用與荒漠化防治[J].地球科學與環(huán)境學報， 2005， 27（4）： 1-7.

[9]薛禹群，張幼寬.地下水污染防治在我國水體污染控制與治理中的雙重意義[J].環(huán)境科學學報， 2009， 29（3）： 474-481.

[10]中國科學院.中國學科發(fā)展戰(zhàn)略·地下水科學[M].北京：科學出版社， 2018.

[11]牛兆軒，蔣小偉，胡云壯.灤河三角洲地區(qū)深層地下水化學演化規(guī)律及成因分析[J].水文地質工程地質， 2016， 35（5）： 27-33.

[12]邢文樂，馬瑞，孫自永，等.敦煌盆地地下水水化學特征及水質評價[J].地質科技情報， 2019， 46（1）： 196-202.

[13]向剛，張華湘.四川老河壩磷礦區(qū)水化學特征及水質評價[J].南水北調與水利科技， 2011， 9（4）： 125-129.

[14]楊森，李義連，姜鳳成，等.高店子幅水化學特征及水質特征[J].地質科技情報， 2019， 38（2）： 226-234.

[15]聶振龍，陳宗宇，程旭學，郝明林，張光輝.黑河干流淺層地下水與地表水相互轉化的水化學特征[J].吉林大學學報（地球科學版）， 2005（01）： 48-53.

[16]田秋菊，唐仲華，鄧曉穎，等.黃河下游岸邊淺層地下水環(huán)境演化研究[J].人民黃河， 2007， 29（4）： 30-34.