王忠亮, 甘 爽, 董子涵, 李文龍, 李俊峰

(1.河北省水文工程地質(zhì)勘查院, 石家莊 050021; 2.河北地質(zhì)大學(xué) 水資源與環(huán)境學(xué)院, 石家莊 050031)

地下水資源是維持自然生態(tài)系統(tǒng)平衡, 保障社會經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展的重要因素, 尤其是對于我國缺水嚴(yán)重的華北平原來說, 地下水資源占有更加重要的地位。然而經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也會為環(huán)境帶來一些負(fù)面的影響, 威脅地下水安全, 諸如區(qū)域地下水質(zhì)的惡化趨勢以及地下水超采嚴(yán)重等問題[1-4]。時(shí)至今日, 地下水嚴(yán)重超采和污染的后果已經(jīng)凸顯, 地下水污染防治、地下水資源可持續(xù)利用等問題已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略性課題。現(xiàn)有研究表明, 地下水水質(zhì)惡化受自然因素和人為因素的雙重控制, 地下水污染可能對人類的生命健康、社會發(fā)展造成災(zāi)難性影響[5-6]。2019年河北省印發(fā)了《河北省碧水保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃(2018—2020)》，到2020年全省地級城市集中式飲用水水源水質(zhì)100%達(dá)標(biāo)，全部達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類；地下水質(zhì)量考核點(diǎn)位水質(zhì)級別保持穩(wěn)定且極差比例控制在5% 以內(nèi)。由此可見, 對地下水資源的保護(hù)工作刻不容緩。而深刻理解地下水水化學(xué)演化過程及演化機(jī)制, 是研究地下水污染防治的關(guān)鍵問題[7-9]。本文擬選擇京津冀協(xié)同發(fā)展、新型城鎮(zhèn)化和生態(tài)文明建設(shè)工作中的重點(diǎn)區(qū)域——高碑店市為研究區(qū), 擬通過研究該地區(qū)淺層地下水水化學(xué)演化過程及演化機(jī)制推進(jìn)地下水污染防治工作的開展, 為地下水水資源的保護(hù)奠定理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

高碑店市隸屬河北省保定市, 地處太行山東側(cè)山麓沖積平原內(nèi), 全境面積672 km2。本區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候, 四季分明, 各季節(jié)氣候特征顯著。冬季寒冷干燥, 降雪很少; 春季干燥多風(fēng), 氣溫上升迅速; 夏季高溫多雨；秋季天高氣爽。近60年來, 本區(qū)氣候的大體趨勢是暖干化, 氣溫明顯上升, 降水明顯減少。

研究區(qū)地勢較為平坦, 呈現(xiàn)出西北高東南低的態(tài)勢, 鉆探資料顯示，市區(qū)內(nèi)均為第四系全新統(tǒng)沖、洪積成因地層。西部為太行山東麓的洪沖積扇邊緣地帶; 東部為河流沖積平原, 是兩種沉積物雙重作用的結(jié)果, 上部為近代河流沖積物所覆蓋, 下部是西部沖洪積扇的延伸。區(qū)內(nèi)河流屬海河流域大清河北支水系, 為季節(jié)性河流, 主要河流有白溝河、紫泉河、倉尚河、蘭溝河、斗門河、運(yùn)糧河、盧僧河等，其中白溝河縱貫市域南北, 是境內(nèi)主要的行洪河道。區(qū)內(nèi)還有南水北調(diào)中線工程通過, 緩解了高碑店市用水緊張的現(xiàn)狀。

研究區(qū)內(nèi)地層主要為第四系松散堆積物, 根據(jù)區(qū)域松散堆積物的分布及垂向變化、巖性特征以及含水層水力性質(zhì), 可以將地層自上而下劃分為4個含水巖組，即第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水巖組。其中，第Ⅰ、Ⅱ含水巖組之間無穩(wěn)定的隔水層分布, 水力聯(lián)系密切, 為統(tǒng)一的含水體, 構(gòu)成淺層地下水, 該層水是目前本區(qū)主要開采層；第Ⅲ、Ⅳ含水組均歸為深層地下水, 第Ⅲ含水組為本區(qū)深層地下水的主要開采層, 第Ⅳ含水組因富水性差, 且層位相對較深, 開采強(qiáng)度不大。

第Ⅰ含水組的底界埋藏深度10～30 m，第Ⅱ含水組底界埋藏深度50～135 m。含水組巖性特征: 自西向東由粗變細(xì); 巖層組合呈現(xiàn)出由單層變多層, 單層厚度逐漸變薄, 總厚度增大, 連續(xù)性變差的遞變規(guī)律。第Ⅰ+Ⅱ巖組接受大氣降水補(bǔ)給, 水力聯(lián)系良好。第Ⅲ含水巖組結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 西側(cè)主要由礫石、中粗砂組成, 東部由細(xì)砂、粉砂組成, 底板埋藏深度90～300 m。第Ⅳ含水巖組, 層位較深, 底板埋藏深度140～420 m。

研究區(qū)內(nèi)淺層地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水和地表徑流入滲, 地下水徑流方向總體上自西北向東南(圖1)。人工開采是地下水的主要排泄方式, 其次是側(cè)向徑流排泄。

2 采樣與研究方法

2.1 樣品采集與分析

圖1 淺層地下水采樣點(diǎn)分布和水位標(biāo)高等值線圖

表1 各指標(biāo)的檢測方法及使用儀器型號

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征

表2 淺層地下水描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖2 淺層地下水水化學(xué)類型分區(qū)圖

3.1.3 主要組分空間變化 地下水中各組分的變化不僅取決于當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件和圍巖的類型等因素, 人類活動對于地下水水質(zhì)的影響也不容忽視[10]。地下水中主要組分的變化主要體現(xiàn)在pH值、礦化度、離子含量和變化趨勢變異等方面。pH值是衡量水溶液酸堿性質(zhì)的綜合性指標(biāo), 它對于地下水中各組分的存在形式以及各組分與圍巖間的相互作用等有著重要的影響。依據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果繪制了pH的分區(qū)圖, 見圖3。

圖3 淺層地下水pH值分布圖

高碑店市淺層地下水的pH值在7.6～8.4, 均值為8.01, 普遍呈弱堿性, pH整體上相對較高, 主要在于高碑店市位于山前沖洪積平原地帶, 西部低山丘陵區(qū)碳酸鹽巖分布廣泛, 巖溶水側(cè)向補(bǔ)給淺層地下水。隨著地下水從西北向東南流動, pH總體上呈西高東低趨勢, 與Ca2+、Mg2+和Na+離子濃度交替變化有關(guān)。此外, 受白溝河影響, 河流兩側(cè)附近區(qū)域地下水pH普遍偏高, 在8.00～8.45, 可能是由于地表水受到一定污染, 水質(zhì)較差, 通過滲漏補(bǔ)給兩側(cè)淺層地下水所致。

圖4 各化學(xué)組分變化趨勢

圖5 淺層地下水Ca2+空間分布圖

圖6 淺層地下水Na+空間分布圖

3.2 淺層地下水水化學(xué)演化機(jī)理

圖7 研究區(qū)地下水Gibbs圖

Gibbs圖顯示巖石的溶濾作用是影響地下水主要化學(xué)組分的主要自然因素[13-14], 通過Gibbs圖和Ca2+/Na+-Mg2+/Na+關(guān)系圖(圖8)可以看出, 研究區(qū)地下水化學(xué)成分的形成主要受到硅酸巖風(fēng)化作用和碳酸鹽巖溶蝕作用的影響。從研究區(qū)水樣點(diǎn)的Ca2+/Na+-Mg2+/Na+關(guān)系可知, 地下水主要陽離子濃度(摩爾分?jǐn)?shù))比值主要分布于硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物溶解區(qū)域之間, 可以驗(yàn)證研究區(qū)大部分地下水化學(xué)組分主要來自硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物的溶解[15-16]。

通過“微課”混合式教學(xué)模式的引入課堂，不同程度的學(xué)生都可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況，按需選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，查漏補(bǔ)缺，針對自身的薄弱知識點(diǎn)進(jìn)行鞏固練習(xí)，遇到難題可以通過各種渠道解決，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力得到大幅度的提升。

圖8 研究區(qū)地下水各離子的比例關(guān)系

圖9 (Na++K+-Cl-)與關(guān)系圖

Ca2++2NaX→CaX2+2Na+;

(1)

Mg2++2NaX→MgX2+2Na+;

(2)

Ca2++2KX→CaX2+2K+;

(3)

Mg2++2KX→MgX2+2K+。

(4)

3.3 聚類分析

對27個水樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行聚類分析, 聚類距離采用平方歐氏距離, 聚類方法采用組間連接法, 結(jié)果如聚類樹狀圖(圖10)所示。當(dāng)距離為5時(shí), 25個水樣點(diǎn)按照水質(zhì)的性質(zhì)被分為4類, 其中: QC2、QC3、QC4、QC5、QC6、QC7、QC9、QC10被劃分為一類; QC11、QC12、QC13、QC14、QC15、QC16、QC17歸為一類; QC18、QC19、QC20、QC21、QC22、QC23、QC24、QC25、QC26屬于一類; QC27單獨(dú)一類。

圖10 聚類分析樹狀圖

結(jié)合其空間分布位置(圖11)和Na+、Ca2+分布特征圖(圖5、圖6)可以看出, 4類水的分布特征不同: Ⅰ類水樣點(diǎn)主要分布在地下水徑流的上游與地表水徑流的上游方向, Na+、Ca2+的含量均相對較小; Ⅱ類水樣點(diǎn)分布的較為分散, 全區(qū)均有分布; Ⅲ類水樣點(diǎn)大都分布在河流的中下游, 部分點(diǎn)分布在河流上游部分地區(qū); Ⅳ類水樣點(diǎn)分布在地下水徑流的下游區(qū)域, 位于Na+含量最高的位置。

圖11 聚類分析4類水空間分布圖

表3 聚類分析4類水的水化學(xué)組分平均值

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)淺層地下水從補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū), 水化學(xué)類型依次為: HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Ca·Na型以及HCO3-Na·Ca型。

(2)對淺層地下水水化學(xué)組分影響較大的自然因素為巖石的溶解, 且主要為硅酸鹽巖以及碳酸鹽巖的溶濾作用。

(3)由補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū), 淺層地下水系統(tǒng)中出現(xiàn)Ca2+濃度逐漸降低和Na+逐漸升高現(xiàn)象的原因是陽離子交換作用。