白華,楊會(huì)峰,孟瑞芳,徐步云,閆曉雪

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,石家莊,050061;2)河北滄州平原區(qū)地下水與地面沉降國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,石家莊,050061;3) 中國(guó)地質(zhì)大學(xué),武漢,430074; 4) 中國(guó)地質(zhì)大學(xué),北京,100083

內(nèi)容提要：為揭示保定平原地下水水化學(xué)特征及演化規(guī)律,本文以保定平原為研究對(duì)象,對(duì)216組地下水樣水化學(xué)特征進(jìn)行了分析。綜合運(yùn)用Piper三線圖、Gibbs圖、相關(guān)離子分析等方法,研究了保定平原區(qū)深淺層地下水化學(xué)組成及水化學(xué)類(lèi)型空間分布特征,識(shí)別了水化學(xué)形成機(jī)制與控制作用,在此基礎(chǔ)上分析了水化學(xué)演化的成因。結(jié)果表明:沿地下水徑流方向,淺層地下水與深層地下水主要離子含量呈現(xiàn)明顯的遞變規(guī)律,含量逐漸升高,K+、Ca2+逐漸降低,地下水優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子Ca2+主導(dǎo)地位逐漸被Na+代替,優(yōu)勢(shì)陰離子HC主導(dǎo)地位逐漸向Cl-過(guò)渡。地下水化學(xué)特征主要受水巖作用、陽(yáng)離子交替吸附作用以及人類(lèi)活動(dòng)共同影響,水巖作用以碳酸鹽巖和鋁硅酸鹽巖共同溶濾作用為主;淺層地下水受人類(lèi)活動(dòng)影響較大,影響離子主要為N,集中分布于補(bǔ)給區(qū),除了與農(nóng)業(yè)活動(dòng)相關(guān)外,主要與山前平原巖性顆粒粗,具有較強(qiáng)的滲透性有關(guān)。

保定平原區(qū)位于京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略區(qū)的核心,也是主要糧食生產(chǎn)區(qū)之一;同時(shí),本區(qū)也是我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用程度高、水資源緊缺、水資源供需矛盾突出的地區(qū)之一(Sheng Lili,2016)。地下水是保定平原主要供水水源,占總供水量中83%。隨著農(nóng)業(yè)和工業(yè)的快速發(fā)展,淺層地下水長(zhǎng)期過(guò)度開(kāi)采,導(dǎo)致地下水水位下降(張福洋等,2017;靳博文等,2022;趙瑞科,2018),再加上人類(lèi)活動(dòng)影響,破壞了水化學(xué)場(chǎng)的原始平衡,進(jìn)一步加劇了區(qū)域地下水供水安全(許益青等,2010;李謹(jǐn)丞等,2022;曹文庚等,2020;郭小嬌等,2022,郭永海等,2002;曹穎,2017;王仕琴等,2021)。地下水化學(xué)研究對(duì)于解釋地下水水文地球化學(xué)演化過(guò)程及規(guī)律具有重要意義,有助于科學(xué)規(guī)劃保定平原區(qū)地下水安全和水資源保護(hù)。

地下水不僅是一種資源,還是生態(tài)系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境的重要組成部分,在干旱、半干旱地區(qū),地下水通常是重要的供水水源,具有不可替代的作用(Liu Jiutan et al.,2018)。研究地下水化學(xué)特征及演化,對(duì)地下水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)健康發(fā)展具有重要意義。地下水化學(xué)成分是地下水與環(huán)境(自然地理、地質(zhì)背景以及人類(lèi)活動(dòng))長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物(Aksoy,2017; Mao Xumei,2021),反映了該地區(qū)地下水歷史演變(Solangi,2019; Ahmed,2020; Zhi Chuanshun,2021)。地下水在形成和運(yùn)移過(guò)程中與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生各種物理和化學(xué)相互作用,包括溶解、沉淀、吸附等作用。其化學(xué)成分的構(gòu)成和濃度分布直接影響水質(zhì),進(jìn)而影響供水安全、區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量(袁利娟等,2021;劉德玉等,2022;田遼西等,2023)。

地下水化學(xué)特征可以反映區(qū)域地下水循環(huán)和水化學(xué)演化(薛東青,2022;袁利,2022)。通過(guò)分析保定平原216組地下水水樣全分析、微量測(cè)試數(shù)據(jù),分析保定平原地下水化學(xué)特征和演化規(guī)律,揭示地下水在補(bǔ)給、徑流和排泄過(guò)程中的演化規(guī)律;確定地下水的化學(xué)成分、形成作用及控制因素。

1 保定平原區(qū)概況

保定平原位于河北平原中部,屬太行山東麓北段山前傾斜平原地勢(shì)整體向東和東北向傾斜。本區(qū)地處北溫帶,屬大陸型半干旱季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,多年平均降水量543.5 mm,多年平均蒸發(fā)量1728 mm,約為降水量的3.2倍。降水空間分配不均,受西部大行山脈的影響,山前迎風(fēng)坡降水量大于東部平原,北部平原降水量大于南部平原。全區(qū)河流皆屬海河流域的大清河水系,河網(wǎng)呈扇形以南、中、北三支水系匯入平原區(qū)東部的白洋淀,河流流量受季節(jié)影響較大,水資源豐度和干旱程度上表現(xiàn)出較大的時(shí)空變異性。

保定平原區(qū)出露地層以第四系地層為主,呈現(xiàn)出自西向東逐漸加厚、由單層向多層轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。厚度一般在200～600 m,山前平原巖性主要為砂卵礫石,中東部平原主要為砂層和黏性土。根據(jù)地貌成因類(lèi)型及地表形態(tài),將保定平原劃分為山前沖洪積平原、中部洪積平原、東部沖湖積平原3個(gè)地貌單元,分別對(duì)應(yīng)地下水補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)(田文法等?)(圖1)。本區(qū)地下水主要賦存在第四系松散孔隙含水層中,除山前沖洪積扇中上部無(wú)穩(wěn)定隔水層以外,其余廣大地區(qū)各統(tǒng)地層中上部黏性土均較發(fā)育,厚度6～25 m,構(gòu)成較穩(wěn)定的相對(duì)隔水層,而中下部含水層富集且顆粒粗大,構(gòu)成較獨(dú)立的次級(jí)含水系統(tǒng)。通常把含水層分為4個(gè)含水組,分別對(duì)應(yīng)第四系地層的Qh、Qp3、Qp2、Qp1。第Ⅰ+Ⅱ含水組之間水力聯(lián)系密切,可視為統(tǒng)一含水系統(tǒng),即淺部含水組,層底埋深20～212 m;其補(bǔ)給區(qū)含水層巖性以礫卵石、砂礫石,中粗砂為主,厚度20～60 m,孔隙相對(duì)較大,富水性強(qiáng);排泄區(qū)含水層巖性多以細(xì)砂及粉細(xì)砂為主,厚度多小于40 m,富水性低于補(bǔ)給區(qū)。第Ⅲ+Ⅳ含水組屬深部含水組,其中第Ⅲ含水組為工作區(qū)城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水主要開(kāi)采段,第Ⅳ含水組因水文地質(zhì)條件差,開(kāi)采前景不大。第Ⅲ含水組層底埋深50～419.4 m;其補(bǔ)給區(qū)含水層巖性以礫卵石、砂礫石、粗砂及中砂為主,逐漸過(guò)渡到以中細(xì)砂為主,厚度一般40～100 m,排泄區(qū)含水層巖性以細(xì)砂為主,厚度一般60～80 m(張福洋等,2017;圖2)。地下水徑流方向與各水系流向大體一致,從西、北、南 3 個(gè)方向匯集于白洋淀,但是由于地下水超采以及人類(lèi)活動(dòng)影響已導(dǎo)致地下水動(dòng)力場(chǎng)、地下水化學(xué)場(chǎng)發(fā)生了變化。

圖1 保定平原區(qū)地下水樣品采集點(diǎn)分布圖

圖2 保定平原區(qū)A—A’水文地質(zhì)剖面

2 采樣與方法

在保定平原自補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)采集地下水樣品216組,其中淺層185組,深層31組,并依據(jù)其所處的補(bǔ)徑排分區(qū),將其分為6種類(lèi)型。采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。研究區(qū)地下水主要賦存在第四系松散巖類(lèi)孔隙水中,淺部含水層采樣井深度50～120 mm,深部含水層采樣井深度150～350 m。每次采樣都要求抽水30 min以上,此外,在采取樣品前,用水樣點(diǎn)地下水沖洗聚乙烯取樣瓶2～3次,灌裝滿(mǎn)后加入1∶1的硝酸溶液,使樣品pH<2后立即密封,水樣用 2.5 L高密度聚乙烯瓶?jī)?chǔ)存,低溫保存并送實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,確保樣品質(zhì)量。

3 地下水化學(xué)組分演化特征

3.1 水化學(xué)成分組成(表1)

表1 保定平原區(qū)地下水水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)

3.1.1淺層地下水

TDS是反映水質(zhì)的綜合指標(biāo)。淺層地下水ρ(TDS)變化范圍較大,變化范圍為189.9～3492 mg/L,平均值為602.44 mg/L,變異系數(shù)為0.8,由補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū),ρ(TDS)分布具有較好的分帶性,呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)。在補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)淺層地下水ρ(TDS)基本小于1 g/L,屬于淡水,只是在山前零星地區(qū)含量大于1000 mg/L。微咸水主要分布在地下水排泄區(qū)的高陽(yáng)、白洋淀和雄縣東北部一帶(圖3)。

圖3 保定平原區(qū)不同水體水化學(xué)指標(biāo)變化特征

3.1.2深層地下水

3.2 水化學(xué)類(lèi)型及分布

圖4 保定平原區(qū)地下水Piper三線圖

4 水化學(xué)形成作用與控制機(jī)制

4.1 蒸發(fā)濃縮作用

因此,研究區(qū)地下水化學(xué)特征主要受巖石風(fēng)化作用控制,水化學(xué)組分主要來(lái)源于溶濾作用,大氣降水不是主要控制因素。在徑流排泄過(guò)程中離子交換起到一定作用,同時(shí)排泄區(qū)也受到地下水運(yùn)移滯留時(shí)間更長(zhǎng),造成的水巖作用更加充分的影響。

4.2 溶濾作用

Gibbs圖可以揭示控制地下水水化學(xué)組分的主要自然因素為巖石風(fēng)化作用,水化學(xué)組分之間的相關(guān)性分析常用來(lái)揭示離子之間的來(lái)源關(guān)系(Gaillardet,1999;Taucare et al.,2020)。分析地下水各離子濃度的相關(guān)關(guān)系,可進(jìn)一步解釋水—巖相互作用下的水化學(xué)過(guò)程(Abhijit et al,2008)。為進(jìn)一步揭示保定平原區(qū)地下水溶濾作用過(guò)程,利用水化學(xué)離子比值來(lái)進(jìn)一步識(shí)別地下水化學(xué)離子組分來(lái)源。

圖6 保定平原區(qū)與關(guān)系

圖7 保定平原區(qū)γ(Ca2+)+γ(Mg2+) vs.γ(HC)+γ(S)比例關(guān)系

4.3 陽(yáng)離子交替吸附作用

陽(yáng)離子交替吸附作用是地下水化學(xué)形成和演變的一個(gè)重要過(guò)程(Sheng Lili et al.,2016; 蘇東,2023)?？赏ㄟ^(guò)氯堿指數(shù)(CAI-1,CAI-2)分析,其計(jì)算公式如下:

CAI-1=

CAI-2=

保定平原區(qū)Na+濃度由補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)逐漸升高,Ca2+濃度變化趨勢(shì)相反,可能是由于徑流排泄區(qū)分布的松散沉積物中富含蒙脫石和伊利石等吸附能力較強(qiáng)的礦物,具有較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力,影響著地下水鹽化或去鹽過(guò)程(Jia Hui et al.,2020),當(dāng)?shù)叵滤械腃a2+置換出含水層中的Na+時(shí),地下水中發(fā)生陽(yáng)離子交換作用,導(dǎo)致Na+含量增加,Ca2+含量減少,CAI1、CAI2均為負(fù)值;當(dāng)?shù)叵滤械腘a+置換出含水層中的Ca2+時(shí),地下水中發(fā)生逆向陽(yáng)離子交換作用,造成Na+含量減少,Ca2+含量增加,CAI1、CAI2均為正值。

保定平原區(qū)淺層地下水補(bǔ)給區(qū)62%的采樣點(diǎn)CAI1、CAI2為負(fù),徑流區(qū)81%的采樣點(diǎn)CAI1、CAI2為負(fù),排泄區(qū)幾乎所有的采樣點(diǎn)CAI1、CAI2均為負(fù)(圖8),表明在隨著徑流過(guò)程地下水中正向的陽(yáng)離子交換逐漸增強(qiáng),指示陽(yáng)離子交換作用是控制淺層地下水水化學(xué)演化的主要因素(Wang Heng et al.,2015)。深層地下水幾乎所有的采樣點(diǎn)CAI1、CAI2均為負(fù),且其CAI1、CAI2值的絕對(duì)值均高于淺層地下水,指示其陽(yáng)離子交換作用更強(qiáng)烈。尤其在排泄區(qū)漏斗區(qū),地下水開(kāi)采劇烈,改變了地下水動(dòng)力場(chǎng),增強(qiáng)了地下水對(duì)圍巖的溶濾速率,陽(yáng)離子交替作用增強(qiáng)。隨著徑流過(guò)程采樣點(diǎn)中 Ca2+、Mg2+與圍巖中 Na+、K+發(fā)生交換作用,使得斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石礦物中Na+、K+進(jìn)入水體,與上文分析隨著徑流過(guò)程水樣主要來(lái)源于硅酸鹽巖礦物的風(fēng)化溶解相一致。

圖8 保定平原區(qū)地下水氯堿指數(shù)相關(guān)關(guān)系

4.4 人類(lèi)活動(dòng)影響

圖9 保定平原區(qū)比例關(guān)系

5 地下水形成環(huán)境

地下水的形成過(guò)程可以通過(guò)離子比例系數(shù)分析。γ(Na+)與γ(Cl-)之間的毫克當(dāng)量比值關(guān)系可以反映Na+的來(lái)源,當(dāng)γ(Na+)/γ(Cl-)大于1時(shí),說(shuō)明Na+主要來(lái)源于巖鹽的溶濾作用,當(dāng)γ(Na+)/γ(Cl-)小于1時(shí),說(shuō)明Na+主要來(lái)源于硅酸鹽的溶濾作用(欒風(fēng)嬌,2017);γ(Cl-)/γ(Ca2+)系數(shù)可以表征地下水動(dòng)力特征,是控制溶濾作用強(qiáng)弱的重要因素,γ(Cl-)/γ(Ca2+)毫克當(dāng)量比值越大,說(shuō)明地下水交替循環(huán)條件越差,地下水溶濾作用越弱(蔣萬(wàn)軍,2016)。

淺層地下水γ(Na+)/γ(Cl-)系數(shù)平均值在補(bǔ)給區(qū)為1.69,徑流區(qū)為3.48,排泄區(qū)為3.01;γ(Cl-)/γ(Ca2+)系數(shù)平均值在補(bǔ)給區(qū)為0.21,徑流區(qū)為0.5,排泄區(qū)為1.25;深層地下水γ(Na+)/γ(Cl-)系數(shù)平均值在補(bǔ)給區(qū)為4.06,徑流區(qū)為4.47,排泄區(qū)為6.02;γ(Cl-)/γ(Ca2+)系數(shù)平均值在補(bǔ)給區(qū)為0.11,徑流區(qū)為0.66,排泄區(qū)為1.68(圖10)。

圖10 地下水中γ(Na+)/γ(Cl-)、γ(Cl-)/γ(Ca2+)比值關(guān)系

由圖10可以看出,沿著地下水徑流方向,淺層、深層地下水呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,γ(Na+)/γ(Cl-)多數(shù)大于1,且隨著地下水徑流方向逐漸增大,說(shuō)明該區(qū)含水層介質(zhì)中除了發(fā)生鹽巖的風(fēng)化溶解,還有其它來(lái)源,如鋁硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解輸入,以及陽(yáng)離子交替吸附作用的析出,隨著徑流運(yùn)移,溶解作用更充分(尹子悅,2019),γ(Na+)/γ(Cl-)僅在淺部含水層補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)部分點(diǎn)位存在小于1的值,可能來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng)的輸入;γ(Cl-)/γ(Ca2+)系數(shù)隨著地下水徑流運(yùn)移逐漸增大,表明補(bǔ)給區(qū)水流通暢,溶濾作用強(qiáng)(郝永河,2010),隨著徑流、排泄區(qū)地形逐漸平緩、含水層顆粒變細(xì)滲透性逐漸降低,地下水徑流速度逐漸滯緩,溶濾作用強(qiáng)度減弱(吳丁丁等,2020)。γ(Cl-)/γ(Ca2+)系數(shù)在深部含水層水巖相對(duì)淺部含水層略高,說(shuō)明深部含水層經(jīng)歷的水巖作用更強(qiáng)烈,地下水滯留時(shí)間更長(zhǎng),封閉程度更高。

6 結(jié)論

(2)地下水化學(xué)特征主要受水巖作用、陽(yáng)離子交替吸附作用以及人類(lèi)活動(dòng)共同影響,在淺層地下水的徑流、排泄區(qū)也受到蒸發(fā)作用的少量影響;水巖作用以碳酸鹽巖和鋁硅酸鹽巖共同溶濾作用為主;淺層地下水補(bǔ)給區(qū)主要受農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響,這與山前平原巖性顆粒粗,具有較強(qiáng)的滲透性有關(guān),排泄區(qū)人類(lèi)活動(dòng)影響對(duì)水化學(xué)特征的影響較小,主要是由于排泄區(qū)巖性顆粒較細(xì),滲透性較差,同時(shí)污染控制治理得當(dāng)。

(3)水化學(xué)垂向差異與含水層環(huán)境相關(guān),深部含水層相比淺部含水層封閉程度更高,地下水滯留時(shí)間更長(zhǎng),水巖作用更強(qiáng)烈。

注釋/Note

? 田文法,等.1990.河北省保定地區(qū)平原農(nóng)田供水水文地質(zhì)勘察總結(jié)報(bào)告.