鄒嘉文,劉 飛,張靖坤

南水北調(diào)典型受水區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征及成因

鄒嘉文,劉 飛*,張靖坤

(河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院,河北省智慧水利重點實驗室,河北 邯鄲 056038)

以邯鄲黑龍港平原作為典型受水區(qū),運用描述性統(tǒng)計、Piper圖、離子比例分析、飽和指數(shù)和氯堿指數(shù)等方法,開展淺層地下水水化學(xué)變化特征及其成因分析研究.結(jié)果表明:南水北調(diào)中線工程通水后淺層地下水總體上由咸水向微咸水轉(zhuǎn)化,淺層地下水水質(zhì)的改善與水位恢復(fù)存在密切的相關(guān)性; 6月和12月淺層地下水主要水化學(xué)類型分別是Na-SO4-Cl型和Na-HCO3型.蒸發(fā)巖(巖鹽、石膏和芒硝)和碳酸鹽巖礦物(方解石和白云石)的溶解/沉淀作用控制著淺層地下水主要離子濃度的變化.大部分區(qū)域發(fā)生了正向陽離子交換作用,而地下水位降落漏斗區(qū)或鈉離子濃度相對富集區(qū)域則主要發(fā)生了反向離子交換作用.工業(yè)和生活污水排放、農(nóng)業(yè)化肥使用可能在一定程度上造成部分淺層地下水的污染.研究結(jié)果對南水北調(diào)中線受水區(qū)地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用和環(huán)境保護具有重要意義.

南水北調(diào)中線；地下水壓采；水化學(xué)特征；淺層地下水；成因分析

地下水化學(xué)組分是地下水與周圍環(huán)境之間長期相互作用的產(chǎn)物[1].開展地下水水化學(xué)特征及成因分析,是了解區(qū)域含水層礦物溶解沉淀規(guī)律、離子來源、補徑排條件變化的重要途徑.長期以來,南水北調(diào)中線受水區(qū)地下水資源過度開采,地下水位急劇下降,形成大面積地下水降落漏斗,引起了咸淡水界面下移、礦化度增加、水質(zhì)惡化等環(huán)境地質(zhì)問題,地下水資源的枯竭已經(jīng)嚴重影響到此區(qū)域水安全、糧食安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[2-5].2014年南水北調(diào)中線工程通水以來,受水區(qū)供水水源結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,南水北調(diào)外調(diào)水源逐步替換當?shù)氐牡叵滤Y源,以扭轉(zhuǎn)地下水過量開采的不利局面,實現(xiàn)地下水的采補平衡[6-7].伴隨著南水北調(diào)通水和地下水壓采工作的深入推進,地下水水位下降趨勢得到明顯遏制,部分地區(qū)淺層地下水水位出現(xiàn)不同程度的回升[8-9],水動力條件的變化勢必對淺層地下水水質(zhì)產(chǎn)生影響.這種影響有多大,影響程度能否被接受,成為了各級政府十分關(guān)注的問題.

水文地球化學(xué)方法是描述地下水演化機制的重要手段,廣泛應(yīng)用于不同尺度地下水化學(xué)演化研究中.分析地下水化學(xué)組分含量的變化可以有效的揭示水化學(xué)類型的演化規(guī)律[10].并且外來調(diào)水通過改變受水區(qū)原有的水循環(huán)關(guān)系,會間接引起淺層地下水水質(zhì)的變化[11].同時,水文地球化學(xué)模擬也被用于預(yù)測地下水位恢復(fù)條件下的地下水化學(xué)組分[12].受水區(qū)地下水開采量的減少勢必會引起水位的回彈,水位的動態(tài)變化進而會引起水文地球化學(xué)的變化.因此,本文選取邯鄲黑龍港平原作為典型受水區(qū),開展現(xiàn)狀條件下淺層地下水水化學(xué)變化特征及其成因分析研究,為南水北調(diào)中線受水區(qū)地下水資源合理開發(fā)利用及水環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

邯鄲黑龍港平原是南水北調(diào)中線工程主要受水區(qū)之一,包括邱縣、成安、大名、臨漳、廣平、曲周、館陶、永年、肥鄉(xiāng)和魏縣等地,總面積約2695km2[13-14].研究區(qū)是華北平原重要的糧食生產(chǎn)和工業(yè)基地,農(nóng)作物以小麥、棉花、蔬菜為主,工業(yè)化企業(yè)主要涉及化工廠、加工廠等,同時隨著人口數(shù)量平穩(wěn)增長,城鎮(zhèn)化進程加快,生活污染日趨增多[15-16].區(qū)內(nèi)總體地勢較為平坦,海拔高度在-10～92m之間,由西向東、由西南向東北略有傾斜[13,17].研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風氣候,四季分明,多年平均年降水量一般為500～600mm,多年平均蒸發(fā)量為1007～1265mm.第四系松散巖類孔隙含水巖組在區(qū)內(nèi)廣泛分布,垂向上分為4個含水層組,其中第Ⅰ、Ⅱ含水層稱為淺層地下水,第Ⅲ、Ⅳ含水層組成深層地下水,含水層礦物主要為碳酸鹽巖(白云石、方解石)、石膏以及長石(鈉長石、鉀長石)等[18-19].本研究聚焦的淺層地下水巖性主要為粉砂、中細砂,底板深度在100～150m,主要接受大氣降水滲透和河流渠系滲透以及側(cè)向徑流、灌溉入滲補給,人工開采和蒸發(fā)是主要排泄方式[7,18].隨著南水北調(diào)中線工程順利通水,開采量大幅度減少,地下水位開始止跌回升[9,17].

1.2 樣品采集與分析

圖1 研究區(qū)地理位置、采樣點空間分布以及2019年6～12月期間淺層地下水水位變化

分別于2019年6月10～12日和12月1～7日進行2次野外采樣,共采集淺層地下水水樣49組,采樣點空間分布情況見圖1.為便于采樣工作的開展,2次野外采樣均在天氣晴朗時進行.淺層地下水樣品主要取自民用供水井和農(nóng)田灌溉井.現(xiàn)場取樣前,首先抽水5～10min,以保證采集到新鮮的水樣;再利用預(yù)先校準好的哈希HQ40d雙通道輸入多參數(shù)數(shù)字化分析儀測定水溫(T)、pH值和電導(dǎo)率(EC);最后使用50mL和100mL聚乙烯瓶各儲存水樣一瓶,其中用于測試陽離子濃度的50mL樣品加入硝酸酸化至pH<2后密封處理,全部樣品帶回實驗室4℃冷藏待測.

K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-等化學(xué)指標在中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心進行測試.所有樣品在進行測試前使用0.45μm濾膜過濾,并對EC大于2000μS/cm的樣品使用蒸餾水進行稀釋處理.K+、Na+、Ca2+和Mg2+采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(Perkin- Elmer Optima 5300DV,USA)分析,精度均為0.1mg/L; Cl-、SO42-和NO3-采用離子色譜儀(ICS-2500, Dionex, USA)分析,各離子的檢測限分別為0.04,0.1和0.04mg/L;HCO3-濃度使用BRAND Titrette數(shù)字滴定器運用稀硫酸-甲基橙滴定法測定[20-21].計算的電荷平衡誤差控制在±10%以內(nèi)[22],數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠.

1.3 研究方法

運用SPSS 25.0軟件進行淺層地下水主要化學(xué)指標的統(tǒng)計特征分析,包括數(shù)據(jù)的變化范圍,平均值以及離散程度等.

使用AquaChem 3.70軟件繪制Piper圖和Stiff圖,能夠較好的反映水化學(xué)的組成特征[23].

采用離子比值法分析地下水中發(fā)生的地球化學(xué)反應(yīng)[20].Na+與C1-的比值有助于辨別巖鹽是否為C1-和Na+的主要來源[24].(Ca2++Mg2+)與(HCO3-+ SO42-)的比值關(guān)系可以判斷地下水中的離子是否由蒸發(fā)巖(石膏)和碳酸鹽巖平衡控制[25].Na+與SO42-的比值可以分析地下水中的Na+與SO42-是否來源于芒硝的風化作用[26].(Cl-+SO42-)>HCO3-,表明主要離子來源于蒸發(fā)巖溶解;相反,為碳酸鹽巖溶解[27]. Ca2+與Mg2+比值用于確定碳酸鹽巖礦物的風化溶解主要是由白云石還是方解石貢獻[28].

陽離子交換作用可以用氯堿指數(shù)(CAI)分析,2個判斷指標分別為CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ[29].

通過計算地下水中礦物的飽和指數(shù)(SI),可以定性地預(yù)測地下水中礦物沉淀或溶解的趨勢性,是水文地球化學(xué)模擬的重要組成部分,其計算表達式為:

式中:IAP為離子活度積;SP為某溫度下溶解反應(yīng)的平衡常數(shù).

利用PHREEQC軟件通過離子濃度、pH值及水溫(T)等參數(shù)進行水文地球化學(xué)模擬,可計算不同礦物以及CO2分壓(CO2)的SI.

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計

6月份淺層地下水樣品pH值的變化范圍為7.3～8.0,均值為7.6;12月份淺層地下水樣品pH值的變化范圍為6.9～9.2,均值為7.5,均呈弱堿性(表1).6月份淺層地下水電導(dǎo)率(EC)的變化范圍為1095～9300μS/cm,均值為3416μS/cm;12月份淺層地下水EC的變化范圍為694～6200μS/cm,均值為2545μS/cm.6～12月EC均值由3416μS/cm減小至2545μS/cm,淺層地下水水質(zhì)總體呈現(xiàn)淡化趨勢. 6～12月期間,淺層地下水水位在曲周、永年、館陶中部、廣平西南部、肥鄉(xiāng)、大名西南部和魏縣等地呈上升趨勢,其余地區(qū)水位下降(圖1).值得注意的是,水位上升區(qū)EC均值由3485μS/cm減小至2553μS/cm,水質(zhì)淡化趨勢明顯.同時,水位上升區(qū)域面積為1549km2,水位上升區(qū)域與EC減小區(qū)域重疊面積為1321km2,重合率高達85%.空間疊加分析結(jié)果表明淺層地下水水質(zhì)的改善與水位的恢復(fù)存在十分密切的關(guān)系.

6月和12月淺層地下水陽離子濃度排列順序均為Na+>Mg2+>Ca2+>K+;6月陰離子濃度排列順序為SO42->Cl->HCO3->NO3-,12月陰離子排列順序為HCO3->SO42->Cl->NO3-.6～12月期間,淺層地下水Cl-、SO42-、Na+、Mg2+、Ca2+的濃度減小,K+、HCO3-、NO3-濃度略有增加.NO3-濃度在6月和12月的均值分別為8.3和16.7mg/L,均明顯低于《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)硝酸鹽限值(20mg/L)[30],表明淺層地下水未受到明顯的硝酸鹽污染,僅有館陶尚沿村、曲周孔莊等少數(shù)地區(qū)硝酸鹽超標.

2.2 水化學(xué)類型

淺層地下水陽離子中Na+占主導(dǎo)地位,陰離子以HCO3-為主(圖2).由Piper圖菱形區(qū)域所示,6～12月堿金屬Na+始終多于堿土金屬Mg2+與Ca2+,而6月份強酸SO42-與Cl-超過弱酸HCO3-,12月份弱酸HCO3-呈現(xiàn)增加趨勢,強酸SO42-與Cl-向弱酸HCO3-轉(zhuǎn)化.不難看出6月份水樣點主要分布在7區(qū)(Na-SO4-Cl型),占6月份淺層地下水樣品的60%,說明6月份淺層地下水水化學(xué)類型以Na-SO4-Cl型主導(dǎo).12月份水樣點主要分布在8區(qū)和7區(qū)(Na-HCO3型和Na-SO4-Cl型),分別占12月份淺層地下水樣品的38%和32%,表明12月份淺層地下水水化學(xué)類型以Na-HCO3型主導(dǎo).繪制6月和12月淺層地下水相應(yīng)的Stiff圖(采用離子的平均濃度),6月主要表現(xiàn)為Na-SO4-Cl型水,12月則呈現(xiàn)出Na-HCO3型,與Piper圖示法分析一致.

表1 淺層地下水水化學(xué)參數(shù)描述統(tǒng)計

圖2 淺層地下水Piper三線圖和stiff圖

3 討論

3.1 離子比例分析

由Na+和C1-散點圖,可以看出水樣點分布于1:1線附近或上方,說明巖鹽的溶解可能是淺層地下水中C1-和Na+的主要來源[24],過量的Na+可能是由于正向陽離子交換作用導(dǎo)致(圖3a).(Ca2++ Mg2+)與(HCO3-+SO42-)關(guān)系圖上的散點分布在1:1線附近或右側(cè),考慮到含水層普遍分布石膏、碳酸鹽巖(白云石、方解石)等礦物[18-19],說明石膏和碳酸鹽巖的溶解是水中Ca2+的來源[25],Ca2+和Mg2+的減少可能與陽離子交換作用有關(guān)(圖3b).Na+與SO42-的比值高于1或者在1附近,說明芒硝的風化作用可能是SO42-和Na+的主要來源[26],且除了芒硝風化,可能該區(qū)域發(fā)生了陽離子交換作用導(dǎo)致Na+增多(圖3c).(Cl-+SO42-)與HCO3-關(guān)系圖顯示, 63.27%的水樣點分布在1:1線下方,且隨著(Cl-+ SO42-)增加HCO3-始終比較小,說明淺層地下水的主要離子來源是蒸發(fā)巖(石膏、巖鹽和芒硝等礦物)溶解作用;36.73%的水樣點分布在1:1線上方,表明碳酸鹽巖的沉淀或溶解作用也是淺層地下水的重要離子來源(圖3d)[27].而且,淺層地下水Ca2+與Mg2+比值小于1,說明碳酸鹽巖以白云石溶解為主(圖3e)[28].

圖3 主要離子比例關(guān)系和CAI-Ⅰ與CAI-Ⅱ關(guān)系

3.2 陽離子交換作用

圖4 氯堿指數(shù)空間分布

淺層地下水樣品中CAI-Ⅰ<0且CAI-Ⅱ<0的水樣有42個,占85.7%,CAI-Ⅰ>0且CAI-Ⅱ>0的水樣有7個,占14.3%.大部分水樣點分布在CAI-Ⅰ、CAI-Ⅱ小于0的區(qū)域,少部分水樣點分布在CAI-Ⅰ、CAI-Ⅱ大于0的右上角,表明淺層地下水主要發(fā)生正向陽離子交換作用,少許區(qū)域發(fā)生反向離子交換作用(圖3f).

大部分區(qū)域發(fā)生正向陽離子交換作用,反向離子交換作用主要發(fā)生在曲周(圖4).進一步分析表明,反向離子交換作用發(fā)生的區(qū)域Na+濃度遠高于Ca2+濃度,Na+/Ca2+處于3～5之間,異常高的Na+濃度促使反向離子交換作用發(fā)生.此外,曲周的土壤鹽漬化程度較高[31],包氣帶土壤中的大量Na+通過垂向淋濾作用進入淺層地下水中,并隨地下徑流在地下水降落漏斗區(qū)域匯集(圖4),從而導(dǎo)致該區(qū)域的Na+濃度遠高于Ca2+濃度.在異常高Na+濃度的脅迫下,淺層地下水中的Ca2+容易被過剩的Na+解吸置換出來,進而發(fā)生反向離子交換作用.

3.3 礦物飽和指數(shù)

巖鹽(Halite)的SI在-7.57～-4.36之間,均值為-5.78;石膏(Gypsum)的SI在-2.89～-0.43之間,均值為-1.73;以上兩種礦物的SI均小于0,表明這些礦物處于不飽和狀態(tài),巖鹽和石膏不斷溶解進入淺層地下水中(表2).方解石(Calcite)的SI在-0.80～1.25之間,均值為0,淺層地下水中方解石總體趨于平衡狀態(tài).白云石(Dolomite)的SI在-0.70～3.28之間,均值為0.78,大部分白云石的SI>0,說明研究區(qū)白云石過飽和,具有生成沉淀,析出晶體的可能.

圖5 不同礦物飽和指數(shù)與EC關(guān)系和CO2分壓與pH值、方解石飽和指數(shù)關(guān)系

淺層地下水中巖鹽和石膏的SI均隨著EC的增大而增加,說明淺層地下水礦化度的增加與巖鹽和石膏的溶解有關(guān)(圖5a、b).淺層地下水中方解石和白云石的SI值和EC值相互獨立(圖5c、d),考慮到碳酸鹽巖在區(qū)內(nèi)含水層普遍分布[18-19],雖然其處于過飽和狀態(tài),但碳酸鹽巖的溶解作用很可能在地下水水化學(xué)演化的初始階段已經(jīng)快速完成.因此,可以認為碳酸鹽巖溶解是淺層地下水中HCO3-、Ca2+和Mg2+的重要來源,與前文所述一致.

地下水中溶解的二氧化碳可以誘發(fā)許多礦物的溶解,尤其是碳酸鹽礦物的溶解.淺層地下水CO2分壓(CO2)的范圍為10-3.46～10-1.19atm(表2).CO2為參與反應(yīng)的礦物提供了溶解條件.淺層地下水中CO2值與pH值呈現(xiàn)顯著負相關(guān),且隨著CO2值減小pH值在增大(圖5e).鑒于研究區(qū)含水層礦物普遍存在長石(鈉長石、鉀長石等)[19],長石的溶解過程中不斷消耗CO2,HCO3-離子濃度的增大使得pH值升高[式(4)、式(5)].CO2值與方解石SI也呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)性(圖5f),CO2值降低使得方解石飽和指數(shù)增加,說明CO2的消耗促使了方解石沉淀過程的發(fā)生[式(6)].

表2 礦物飽和指數(shù)

3.4 人類活動影響

近年來,受水區(qū)農(nóng)業(yè)化肥的過度使用,生活污水與工業(yè)廢水肆意排放等人類活動也深刻影響著淺層地下水水質(zhì)的變化[16].地下水中SO42-主要來自于工業(yè)活動、大氣沉降以及硫化物(石膏)的溶解,NO3-多來自于農(nóng)業(yè)活動和生活污水排放[32]. (SO42-/Ca2+)與(NO3-/Ca2+)關(guān)系圖可以用于解釋人類活動對地下水化學(xué)組分的影響,同時排除石膏溶解的影響[32-33].淺層地下水的(SO42-/Ca2+)和(NO3-/ Ca2+)的比值波動較大(圖6a),說明此區(qū)域受到的人類活動影響比較復(fù)雜.(SO42-/Ca2+)比值遠大于(NO3-/Ca2+),說明工業(yè)活動可能比農(nóng)業(yè)活動和生活污水對淺層地下水水化學(xué)的影響更大.個別水樣點(例如館陶尚沿村、曲周孔莊和館陶淺口)的(NO3-/Ca2+)比值較大,且結(jié)合前文所述,館陶尚沿村、曲周孔莊硝酸鹽超標,說明其很可能受到農(nóng)業(yè)施肥(可能是Ca(NO3)2肥料)、生活污水排放的影響.值得注意的是,少數(shù)異常點如肥鄉(xiāng)西魏村、成安大寨和邱縣黃河套具有極高的(SO42-/Ca2+)與較高的(NO3-/Ca2+),說明其可能主要受到高強度工業(yè)活動的污染,農(nóng)業(yè)活動污染與生活污水影響次之[32].如果NO3-與K+之間是正相關(guān)關(guān)系,間接說明地下水可能受到硝酸鉀化肥使用的影響[34-35].從圖6b中可以看出,水樣點分布在1:1線附近,表現(xiàn)出較強的正相關(guān)關(guān)系,說明淺層地下水可能在一定程度上受到了硝酸鉀化肥的污染.正如前文所述,由于僅有少數(shù)樣品NO3-超標,因此研究區(qū)可能主要受到工業(yè)活動污染,只有部分地區(qū)可能受到農(nóng)業(yè)面源污染影響.

圖6 (SO42-/Ca2+)與(NO3-/Ca2+)比值和NO3-與K+比值

對比分析南水北調(diào)通水前后咸淡水分布面積(圖7)[36],不難發(fā)現(xiàn),咸水(TDS>3g/L)面積由579km2下降至375km2,微咸水(1g/L

圖7 南水北調(diào)通水前后咸淡水分布面積變化

4 結(jié)論

4.1 6～12月期間,水位上升區(qū)域與EC減小區(qū)域在空間分布上呈現(xiàn)高度重合,淺層地下水水質(zhì)改善與水位上升密切相關(guān).6月份淺層地下水水化學(xué)類型以Na-SO4-Cl型主導(dǎo),12月份以Na-HCO3型主導(dǎo).

4.2 自然因素中,巖鹽、石膏、芒硝、長石和碳酸鹽巖(方解石和白云石)的溶解/沉淀作用控制著淺層地下水水化學(xué)的演化.大多數(shù)地區(qū)的淺層地下水發(fā)生正向陽離子交換作用,而地下水位降落漏斗區(qū)或鈉離子濃度相對富集區(qū)域則主要發(fā)生了反向離子交換作用.

4.3 人為因素中,工業(yè)廢水和生活污水排放、農(nóng)業(yè)化肥使用可能是造成受水區(qū)部分淺層地下水污染的原因.南水北調(diào)中線工程通水后,淺層地下水水質(zhì)在一定程度上得以改善,主要表現(xiàn)為咸水向微咸水轉(zhuǎn)化.

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Hydrochemical characteristics and formation mechanism of shallow groundwater in typical water-receiving areas of the South-to-North Water Diversion Project.

ZOU Jia-wen, LIU Fei*, ZHANG Jing-kun

(Hebei Key Laboratory of Intelligent Water Conservancy, School of Water Conservancy and Hydropower, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China)., 2022,42(5)：2260～2268

The hydrochemical characteristics and formation mechanism of shallow groundwater in a representative water-receiving area (the Heilonggang Plain in Handan city) were investigated by using multiple approaches such as descriptive statistics, Piper diagram, ion ratios, saturation indices and chloro-alkaline index. Results showed that shallow groundwater generally changed from salt water to brackish waterafter the operation of the Middle Route of the SNWDP.There was a close connection between the improvement of shallow groundwater quality and the elevated water table. The hydrochemical types was mainly Na-SO4-Cl in June and Na-HCO3in December. The evolution of shallow groundwater chemistry was mainly controlled by the dissolution/precipitation of evaporites (halite, gypsum, Glauber’s salt) and carbonate minerals (calcite and dolomite). Additionally, cation exchange modified the cationic concentrations in the most of shallow aquifer, while reverse ion exchange mainly occurred in the groundwater depression cone or some areas with surplus Na+. Human activities (including industrial effluents and domestic sewage, agricultural fertilizers) may be responsible for the individual shallow groundwater samples’ contamination. These findings have important implications for groundwater sustainable development and environmental protection in such water-receiving areas of the Middle Route of the SNWDP.

the Middle Route ofthe South-to-North Water Diversion Project；groundwater exploitation reduction；hydrochemical characteristics；shallow groundwater；formation mechanism

X523

A

1000-6923(2022)05-2260-09

鄒嘉文(1999-),男,江西南昌人,碩士研究生,主要從事流域水循環(huán)與水環(huán)境研究.發(fā)表論文2篇.

2021-10-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(41901039)

*責任作者,副教授, liufei@hebeu.edu.cn