牟海斌，鄒 愈，郭 鵬

(1.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054；2.陜西科技控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077；3.陜西科控實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 西安 710077；4.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250100)

賦存于地層中的地下水，在與周邊環(huán)境進(jìn)行水量交換的同時(shí)，也不斷交換著化學(xué)成分[1]。地下水的水化學(xué)成分受控于區(qū)域地層巖性、地形地貌、氣候條件、人為活動(dòng)等因素[2]。因此，地下水的水化學(xué)特征能夠反映該區(qū)域地下水體的歷史演變過(guò)程[3]，這對(duì)地下水水資源的保護(hù)與可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用具有重要的實(shí)際價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于關(guān)中盆地中部，渭河北岸，地勢(shì)開(kāi)闊平坦，西北高東南低。區(qū)內(nèi)灌渠密布，清河于研究區(qū)北部自西向東橫貫全區(qū)，地表水資源較豐富。地形地貌由北至南依次劃分為山前沖洪積平原、一級(jí)沖洪積平原、二級(jí)沖洪積平原、渭河三級(jí)階地及涇河一級(jí)階地。新生代以來(lái)，區(qū)內(nèi)沉積了厚層的沖積、沖洪積及沖湖積相松散堆積物。全區(qū)均被第四系地層覆蓋，地層巖性主要為粉質(zhì)粘土、粉土、砂、砂礫卵石層及黃土，是地下水賦存、運(yùn)移的良好空間。由北至南，靠近渭河，含水層巖性顆粒逐漸變粗，由山前沖洪積平原的粉細(xì)砂為主，變?yōu)闆芎右患?jí)階地的中粗砂為主，富水性逐漸變好。地下水徑流方向與地形傾向一致，由西北流向東南，最終排泄于渭河。

3 水化學(xué)特征

3.1 水化學(xué)類(lèi)型

沿地下水徑流方向，區(qū)內(nèi)水化學(xué)類(lèi)型和離子濃度特征具有一定的分帶性，依據(jù)舒卡列夫分類(lèi)，將本區(qū)地下水分為HCO3-Na·Mg型、HCO3·SO4-Na·Mg型、HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型及SO4·Cl-Na·Mg型四種類(lèi)型水(圖1)。

HCO3-Na·Mg型水，大部分布于研究區(qū)東北部，北至閻良城區(qū)，西、南至清河一帶，面積49.36 km2。此區(qū)域?yàn)l臨黃土臺(tái)塬與石川河，接受黃土臺(tái)塬地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，同時(shí)石川河河水、清河河水與地下水交換作用積極；少部分布于渭河三級(jí)階地，面積7.60 km2，同樣受河渠水入滲稀釋作用影響。該類(lèi)型地下水化學(xué)作用以溶濾作用、混合作用為主，形成低礦化的HCO3-Na·Mg型水，TDS含量839～1 887 mg/L。

HCO3·SO4-Na·Mg型水，分別分布于清河北岸東北部官劉村-洪家堡-新躍村以北區(qū)域；清河南岸櫟陽(yáng)鎮(zhèn)至東廟村一帶及一級(jí)沖洪積平原西南部與渭河三級(jí)階地接壤地段三部分區(qū)域，總面積45.99 km2。該類(lèi)型水分布區(qū)域，大部分位于南一干渠、南二干渠及五支渠附近，同時(shí)，研究區(qū)東北部與西南部分別與石川河、涇河相鄰，河渠水滲漏與灌溉水入滲對(duì)地下水起著稀釋作用，形成礦化度較低的HCO3·SO4-Na·Mg型水，TDS含量967～3 208 mg/L。

HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水，沿地下水徑流方向，廣泛分布于研究區(qū)從西北到東南大部分中間區(qū)域，面積317.15 km2。此區(qū)域地形平坦，地下水埋藏淺，水力坡度小，徑流緩慢，在溶濾作用與濃縮作用控制下，形成礦化度較高的水，TDS含量730～5 213 mg/L。

SO4·Cl-Na·Mg型水，分布于清河中部北至大程、南至油坊楊，東起陂西鎮(zhèn)，西至徐楊村一帶，總面積8.83 km2。此區(qū)域水位埋藏淺，部分區(qū)域小于5 m，地下水蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈，碳酸鹽析出，形成高礦化的水，TDS含量3 921～4 716 mg/L。

圖1 研究區(qū)水化學(xué)類(lèi)型圖

3.2 水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

由表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，研究區(qū)地下水陽(yáng)離子中，K++Na+占優(yōu)勢(shì)，濃度值145.94 mg/L～1 008.73 mg/L，為Mg2+的2.53倍，Ca2+的5.65倍；陰離子中HCO3-占優(yōu)勢(shì)，濃度值為428～1 263 mg/L，為SO42-的1.34倍，Cl-的2.14倍。Ca2+濃度平均值為79.78 mg/L，毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)小于25%，不參與水化學(xué)類(lèi)型命名。各離子中除K+外，其余離子變異系數(shù)相對(duì)較小，反映了它們?cè)诘叵滤泻康南鄬?duì)穩(wěn)定性，而K+雖然變異系數(shù)相對(duì)較大，反映出其空間分布不均勻，對(duì)環(huán)境因素變化較為敏感，但其濃度平均值很小，對(duì)水化學(xué)特征影響不大。HCO3-、Na+為地下水中主要的陰陽(yáng)離子，表現(xiàn)為兩種離子的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差較大。SO42-、Cl-的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差較大，變異系數(shù)也高于HCO3-、Na+，說(shuō)明它們?cè)诘叵滤胁粌H絕對(duì)含量較大，相對(duì)含量空間上也存在差別，是決定地下水鹽化作用的主要變量。

圖2 研究區(qū)主要離子Piper三線(xiàn)圖

由Piper三線(xiàn)圖(圖2)可知，地下水陽(yáng)離子組分分布在Na+-Mg2+線(xiàn)上，且偏向Na+端。陰離子組分分布較為分散，微偏向HCO3-端。以上表明，Na+、HCO3-是區(qū)內(nèi)地下水的主要離子，水化學(xué)特征的控制因素。區(qū)內(nèi)地層廣泛分布有石英、長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽，白云石、方解石等碳酸鹽巖，鋁硅酸鹽、碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解，是Na+、HCO3-的主要來(lái)源。沿地下水徑流方向，地下水水化學(xué)類(lèi)型發(fā)生著演化。由上游低礦化的HCO3-Na·Mg、HCO3·SO4-Na·Mg型水，演化為下游礦化度較高的HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水。

3.3 水化學(xué)參數(shù)間相關(guān)性分析

表2為研究區(qū)水化學(xué)參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)矩陣。從整個(gè)研究區(qū)看，Na+、Mg2+、SO42-、Cl-與TDS之間具有良好的相關(guān)性，說(shuō)明它們之間可能有相同的物質(zhì)來(lái)源。四種離子與TDS的回歸方程見(jiàn)式(1)：

ρTDS=3.60ρNa++648.72 R2=0.569

ρTDS=8.97ρMg2++657.76 R2=0.501

ρTDS=4.61ρCl-+518.93 R2=0.839

ρTDS=2.67ρSO42-+646.42 R2=0.871

(1)

式中：ρTDS、ρNa+、ρMg2+、ρCl-、ρSO42-依次為T(mén)DS、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-的質(zhì)量濃度(mg/L)；

R2為相關(guān)系數(shù)，無(wú)量綱。

式(1)表明，Na+、Mg2+、Cl-、SO42-與TDS濃度間的相關(guān)系數(shù)均大于0.7，為研究區(qū)地下水中的主要成分，Cl-、SO42-與TDS濃度間的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，說(shuō)明Cl-、SO42-濃度的空間分布對(duì)TDS濃度分布起著決定性作用。此外，Na+與Cl-、SO42-，Mg2+與Cl-、SO42-，Cl-與SO42-之間也存在較好的相關(guān)性，而Ca2+與HCO3-相關(guān)系數(shù)較低(R=0.015)。研究區(qū)地層中常見(jiàn)的礦物為石英、長(zhǎng)石、云母等硅鋁酸鹽，局部地區(qū)含有方解石、白云石等碳酸鹽礦物，同時(shí)鹽巖等蒸發(fā)巖對(duì)淺層水的水化學(xué)組分同樣具有重要的影響。據(jù)此可初步推測(cè)石英、長(zhǎng)石等硅鋁酸鹽，方解石、白云石等碳酸鹽礦物以及鹽巖的風(fēng)化溶解是區(qū)域水體的主要離子來(lái)源。

表1 地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值 mg/L

表2 水化學(xué)參數(shù)相關(guān)性系數(shù)矩陣

4 水化學(xué)形成作用

地下水體的物質(zhì)來(lái)源及其演化特征可借由地下水中各離子含量的比值進(jìn)行分析[4]。利用Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)與TDS的關(guān)系來(lái)劃分出三種主要控制因素下天然水體的特征區(qū)域[5]，繪出Gibbs圖(圖3)。從圖3可以看出，研究區(qū)河水樣分布于蒸發(fā)-沉淀作用區(qū)，表明蒸發(fā)濃縮作用是控制河水水化學(xué)特征的主要作用。地下水樣在Na+/(Na++Ca2+)-TDS圖中分布于蒸發(fā)-沉淀作用區(qū)，而在Cl-/(Cl-+HCO3-)-TDS圖中除大部分布于蒸發(fā)-沉淀作用區(qū)，少部分布于巖石控制區(qū)，表明地下水水化學(xué)特征主要受蒸發(fā)濃縮作用控制，同時(shí)受巖石溶濾作用影響。

圖3 研究區(qū)水化學(xué)Gibbs圖

4.1 溶濾作用

通過(guò)γ(Mg2++Ca2+)-γ(HCO3-+SO42-)散點(diǎn)圖可以推斷研究區(qū)地下水體中Mg2+、Ca2+的主要來(lái)源[6-7]。如圖4所示，地下水點(diǎn)絕大部分落在γ(Mg2++Ca2+)/γ(HCO3-+SO42-)=1的關(guān)系線(xiàn)下方，表明硅鋁酸鹽、碳酸鹽礦物的溶解是該區(qū)淺層地下水形成的主要溶濾作用，同時(shí)可能存在硫酸鹽礦物的溶解。γ(Na++K+)-γCl-的相互關(guān)系可以反映出離子是否存在硅鋁酸鹽礦物溶解來(lái)源[8]。由圖5可以看出，地下水點(diǎn)均位于γ(Na++K+)/γCl-=1的關(guān)系線(xiàn)上方，說(shuō)明地下水中的Na+和K+不僅來(lái)源于鹽巖的溶解，同時(shí)普遍受到硅鋁酸鹽礦物溶解的影響。

圖4 γ(Ca+Mg)-γ(HCO3+SO4)散點(diǎn)圖 圖5 γ(Na+K)-γCl散點(diǎn)圖

由圖6可以看出，地下水點(diǎn)均位于γCa2+/γMg2+=1的關(guān)系線(xiàn)下方，表明地下水中Mg2+比Ca2+濃度高，研究區(qū)沉積物非粘土礦物中富含白云石，白云石的大量溶解使得Mg2+濃度相對(duì)較高[9]。由圖7可以看出，地下水點(diǎn)大部分位于γ(SO42-+Cl-)/γHCO3-=1的關(guān)系線(xiàn)下方，少部分位于關(guān)系線(xiàn)上方。表明地下水化學(xué)組分中來(lái)源于碳酸鹽巖溶解的量大于蒸發(fā)鹽巖溶解的量[10]。

由圖8可以看出，在TDS<3 000 mg/L范圍內(nèi)，γNa+/γCl-隨TDS濃度增加呈略微上升趨勢(shì)，說(shuō)明在低礦化水中，隨地下水徑流時(shí)間與距離變長(zhǎng)，風(fēng)化溶解的Na+濃度逐漸增加。而在TDS>3 000 mg/L范圍內(nèi)，γNa+/γCl-隨TDS濃度增加呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明Na+在地下水的遷移過(guò)程中，可以與巖土介質(zhì)產(chǎn)生陽(yáng)離子交換吸附反應(yīng)，從溶液中析出。并且在高礦化條件下，HCO3-與SO42-發(fā)生濃縮沉淀，使Cl-富集，Na+的增加會(huì)落后于Cl-，γNa+/γCl-數(shù)值出現(xiàn)下降[11]。

圖6 γCa-γMg散點(diǎn)圖 圖7 γ(SO4+Cl)-γHCO3散點(diǎn)圖

4.2 蒸發(fā)濃縮作用

研究區(qū)一級(jí)、二級(jí)沖洪積平原地形平坦，含水層巖性為細(xì)砂、粉砂層，地下水徑流緩慢，且地下水主要接受地表水灌溉及大氣降水入滲，水位埋藏較淺，一般小于15 m，個(gè)別區(qū)域小于5 m。區(qū)域內(nèi)地下水蒸發(fā)較強(qiáng)，濃縮作用明顯，地下水經(jīng)溶濾作用而形成的水化學(xué)成分逐漸濃縮，礦化度不斷增高，形成HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水，TDS含量730～5 213 mg/L。在地下水埋深小于5 m區(qū)域，蒸發(fā)濃縮作用更為明顯，形成TDS含量3 921～4 716 mg/L的SO4·Cl-Na·Mg型水。

4.3 陽(yáng)離子交替吸附作用

陽(yáng)離子交替吸附作用對(duì)高濃度TDS地下水的形成具有重要意義。研究區(qū)Ca2+和Mg2+主要來(lái)源于硅鋁酸鹽、白云石和石膏的溶解，但能被石鹽溶解產(chǎn)生的部分Na+所取代，而HCO3-、SO42-和Cl-主要來(lái)源于白云石、石膏和巖鹽的溶解。用γ(Na+-Cl-)表征相對(duì)鹽巖溶解，Na+含量增減情況，用γ(HCO3-+SO42--Mg2+-Ca2+)表征相對(duì)于硅鋁酸鹽、白云石與石膏的溶解，Mg2+與Ca2+含量增減情況。若存在陽(yáng)離子交替吸附作用，則γ(Na+-Cl-)/γ(HCO3-+SO42--Mg2+-Ca2+)的值應(yīng)接近1.0。由圖9可以看出，地下水樣離子比值接近于1.0，表明陽(yáng)離子交替吸附作用在各區(qū)域均有不同程度的發(fā)生。同時(shí)，由水樣數(shù)據(jù)計(jì)算得出地下水的鈉吸附比(SAR)沿地下水徑流方向不斷增大，說(shuō)明陽(yáng)離子交替吸附作用逐漸增強(qiáng)，而研究區(qū)范圍內(nèi)沿地下水徑流方向基本呈現(xiàn)Ca2+含量不斷降低，Na+含量不斷升高、Mg2+含量基本不變的趨勢(shì)，這也說(shuō)明了陽(yáng)離子交替吸附作用的存在[11]。

圖8 (Cl/TDS)-TDS散點(diǎn)圖 圖9γ(Na-Cl)-γ(HCO3+SO4-Mg-Ca)散點(diǎn)圖

4.4 混合作用

研究區(qū)南部為涇河、渭河，東部為石川河，河水水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Na·Mg型，沿河地帶河水與地下水交替補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)西南部分布有涇惠灌渠南一、南二干渠，渠水對(duì)地下水有入滲補(bǔ)給作用。研究區(qū)地下水水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型，而在沿河渠地段，地下水經(jīng)混合作用，形成HCO3-Na·Mg型水，TDS含量較低，介于839～1 887 mg/L。

4.5 人類(lèi)活動(dòng)影響

近年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)自然的改造能力大幅提高，對(duì)地下水環(huán)境的影響越發(fā)明顯。一方面，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物，使地下水的有害元素濃度提高，影響范圍不斷擴(kuò)大。經(jīng)本次調(diào)查，研究區(qū)地下水中Cr6+超標(biāo)區(qū)域面積較上世紀(jì)90年代有所擴(kuò)大，地下水礦化度亦有所提高。另一方面，人為大規(guī)模開(kāi)采地下水，使地下水流場(chǎng)發(fā)生變化，從而使水化學(xué)成分也發(fā)生變化。研究區(qū)下游臨潼中部人為開(kāi)采地下水強(qiáng)度較大，存在超采問(wèn)題，在區(qū)外張卜、任留一帶形成地下水位降落漏斗，使地下水中鹽分向此區(qū)域聚集，形成礦化度較高的水。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)由補(bǔ)給區(qū)到徑流排泄區(qū)，地下水水化學(xué)類(lèi)型由HCO3-Na·Mg型過(guò)渡到HCO3·SO4-Na·Mg型，再近一步演化為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(xué)類(lèi)型演化為高礦化的SO4·Cl-Na·Mg型水。

(2)研究區(qū)總?cè)芙庑怨腆w及各離子濃度含量較高，離子濃度整體表現(xiàn)為K++Na+>Mg2+>Ca2+，HCO3->SO42->Cl-。Na+、Mg2+、SO42-、Cl-與TDS之間具有良好的相關(guān)性。

(3)區(qū)內(nèi)地下水的水化學(xué)成因主要為溶濾作用和蒸發(fā)濃縮作用，在地下水徑流途中發(fā)生著比較明顯的陽(yáng)離子交替吸附作用，而在河渠水附近則發(fā)生混合作用。