牛兆軒，蔣小偉，胡云壯

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

地下水化學(xué)空間分布規(guī)律蘊(yùn)含了地下水循環(huán)過(guò)程的重要信息，是水流的“化石”[1]。各種補(bǔ)給來(lái)源的地下水在進(jìn)入含水層后，受物源沉積環(huán)境和地質(zhì)地貌影響[2]，在流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生一系列水巖相互作用，地下水的化學(xué)組分不斷地發(fā)生變化，水化學(xué)空間分布可以呈現(xiàn)一定的分帶性[3-5]，蘊(yùn)含了地下水循環(huán)條件的信息。因此，分析地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律可以揭示地下水與環(huán)境的相互影響機(jī)制，為地下水資源保護(hù)和可持續(xù)開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)[6-9]。

灤河三角洲地區(qū)位于環(huán)渤海灣經(jīng)濟(jì)圈，經(jīng)濟(jì)、交通發(fā)達(dá)，地下水是該區(qū)的主要供水水源，占總供水量的60%以上[10]。前人對(duì)該區(qū)淺層地下水的水化學(xué)現(xiàn)狀及演化規(guī)律開(kāi)展了研究，認(rèn)為淺層地下水水化學(xué)類型從山前到濱海地區(qū)由HCO3—Ca型逐漸過(guò)渡到Cl—Na型，水化學(xué)變化主要受溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用及四次海侵控制，淺層地下水存在大片的咸水區(qū)或者受到人為污染區(qū)[11-13]，但對(duì)深層地下水的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。目前，位于中深部第Ⅲ含水層組的地下水水質(zhì)良好，是農(nóng)村供水的主要開(kāi)采層。

本文以該含水層組為例，探討山前沖洪積平原到濱海平原深層地下水的水化學(xué)演化規(guī)律及成因。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

灤河三角洲位于河北省的東北部，包括唐山市平原區(qū)和秦皇島市南部的部分轄區(qū)，面積9 200 km2(圖1)。屬于暖溫帶濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)性氣候區(qū)，年平均氣溫12.5 ℃，多年平均降水量625 mm，多年平均蒸發(fā)量1 650 mm[14-15]。

圖1 取樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of the sampling points

灤河三角洲北依燕山，南臨渤海，主要地貌單元有沖洪積平原、濱海平原、海岸帶。地勢(shì)由北向南傾斜，地形較為平坦，地面坡降約為0.2‰～1.2‰。區(qū)內(nèi)主要河流有灤河以及獨(dú)流入海的沿海諸河。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水主要為第四系孔隙水。依據(jù)第四系的沉積物巖性特征和水文地質(zhì)條件，在垂向上將第四系的松散堆積物自上而下共劃分為四個(gè)含水層組(圖2)。第Ⅰ含水層組，底界埋深為10～30 m，位于地表及淺部地段，可以直接接受大氣降水、河水補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄，水循環(huán)條件好，為垂直強(qiáng)烈循環(huán)交替帶；第Ⅱ含水層組，底界埋深為40～200 m，可以間接接受大氣降水補(bǔ)給，水循環(huán)條件較好，為較強(qiáng)烈循環(huán)交替帶；第Ⅲ含水層組，底界埋深為 60～420 m，其地下水具承壓性，徑流條件較差，為較差循環(huán)帶；第Ⅳ含水層組，底界埋深為350～550 m，其地下水具承壓性，徑流條件差，為弱循環(huán)帶[16]。本文主要研究第Ⅲ含水層組的孔隙水。

第Ⅲ含水層組屬半封閉盆地型承壓水，地下水主要接受山前邊緣隱伏巖溶水的頂托補(bǔ)給、山前主要沖洪積扇側(cè)向徑流以及在開(kāi)采條件下的越流補(bǔ)給，排泄方式包括人工開(kāi)采和向下游側(cè)向排泄。地下水總體流向由北向南，水力坡度約1‰～2‰。上游沖洪積平原區(qū)的含水層巖性主要為中砂、粗砂、礫卵石，單層厚度較大，一般為10～20 m，富水性強(qiáng)徑流條件較好；下游濱海平原區(qū)含水層為河流沖積與海(湖)積組成，顆粒較細(xì)，含水層主要巖性為細(xì)砂、粉砂，局部為中細(xì)砂，徑流條件較差，地下水徑流緩慢。

2 樣品采集和測(cè)試

為了揭示控制地下水水化學(xué)演化的主要水巖相互作用過(guò)程，2017年7—8月，避開(kāi)人類開(kāi)采強(qiáng)烈的唐山市區(qū)附近，沿兩條水文地質(zhì)剖面從沖洪積平原到濱海平原采集了第Ⅲ含水層組的17組地下水樣(圖1)。在取樣過(guò)程中，取樣瓶均用樣品原液進(jìn)行3次以上清洗，并在取樣前先抽水?dāng)?shù)分鐘，待水管中滯留的水完全排干，保證所取水樣能代表含水層中水體的真實(shí)水化學(xué)特征。

圖2 縱3水文地質(zhì)剖面Fig.2 The third longitudinal hydrogeological profile

編號(hào)徑流距離/kmCa2+Mg2+K+Na+Cl-SO2-4NO-3CO2-3HCO-3TDS/(mg·L-1)縱2-01 3039.595.571.0737.589.3141.142.720.00178.43315.41 縱2-023747.4115.940.7892.8338.4053.633.791.73304.74559.24 縱2-034748.5810.370.7277.3157.9768.440.004.19241.21508.80 縱2-045541.9410.430.5077.4534.1154.642.971.11230.19453.34 縱2-055840.766.730.4878.4729.1350.890.907.33202.78417.47 縱2-066335.998.680.64107.11116.4846.320.0011.73208.74535.70 縱3-01 1331.997.860.5912.643.516.100.643.57142.85209.75 縱3-022027.258.060.7213.038.563.170.660.00149.85211.28 縱3-032932.4311.760.9320.482.235.910.554.19171.66250.16 縱3-043542.9911.511.3339.653.3132.900.892.59236.32326.09 縱3-05 4049.2014.430.5935.664.6227.110.0012.46231.11375.19 縱3-064348.5412.020.5341.255.6529.510.000.00275.84413.34 縱3-074751.5315.720.5949.1910.0636.490.155.13269.87438.74 縱3-085536.666.500.5881.7246.3431.252.780.00200.36406.19 縱3-096022.224.140.5696.3038.5925.340.760.00219.15407.05 縱3-106223.208.730.78108.3856.7115.420.325.42238.08457.04 縱3-116821.338.291.15159.60110.5410.755.595.67274.29597.20

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)類型

圖3 灤河三角洲地區(qū)深層地下水水化學(xué)Piper圖Fig.3 Piper diagram showing the deep groundwater samples in the Luanhe River delta

3.2 描述性統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)上下游水樣分別統(tǒng)計(jì)水化學(xué)組分特征值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 地下水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值

3.3 主要離子沿徑流方向演化分析

圖4 各主要離子沿徑流距離變化關(guān)系圖Fig.4 Evolution of the main ions along the groundwater flow distance

Cl-和Na+從上游到下游表現(xiàn)出沿流動(dòng)路徑增大的現(xiàn)象，并且在下游的增長(zhǎng)速度明顯大于在上游的增長(zhǎng)速度(圖4a、b)。Cl-是一種惰性示蹤劑，來(lái)源為鹽巖溶解或受到海水影響。除了鹽巖溶解或者海水混入，離子交換也可能造成Na+增多。

(1)

3.4 水巖相互作用過(guò)程分析

地下水化學(xué)組分之間的比例系數(shù)可以揭示地下水的成因或演化過(guò)程[4,12]。為了證實(shí)前文推測(cè)的各種水巖相互作用過(guò)程，利用離子之間的比例關(guān)系分別分析上下游地下水的演化規(guī)律。

圖5 離子比值關(guān)系圖Fig.5 Relationships among the selected ions of the water samples

由于海水中Mg2+總比Ca2+大得多，其γ(Mg2+)/γ(Ca2+)約為5.5，因此可以由γ(Mg2+)/γ(Ca2+)判斷下游地區(qū)是否受到了海水的混合[4]。統(tǒng)計(jì)表明，上游地下水的γ(Mg)/γ(Ca)平均值為0.47，下游地下水的γ(Mg2+)/γ(Ca2+)平均值下降到0.43，表明下游地下水并未混入海水。因此，推測(cè)鹽巖溶解是下游地區(qū)Cl-和Na+的重要來(lái)源。

由于Na+的增加可能同時(shí)受到鹽巖溶解和離子交換的控制，為了分析下游地區(qū)是否發(fā)生了明顯的離子交換作用，繪制了Na+-Cl-和Ca2++Mg2+的關(guān)系圖(圖5c)。Na+-Cl-和Ca2++Mg2+之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且γ(Na+-Cl-)/ γ(Ca2++ Mg2+)接近-1，表明上游富含Ca2+、Mg2+地下水流到下游黏性土比例增加、顆粒較細(xì)吸附大量Na+時(shí)，水中的Ca2+、Mg2+置換介質(zhì)中吸附的Na+，其反應(yīng)式為：

(2)

(3)

反應(yīng)的結(jié)果使水中Na+增加而Ca2+、Mg2+減少，地下水中Na+百分含量將逐漸增加，最終成為Na型水。

3.5 基于質(zhì)量平衡模擬研究水巖相互作用

本區(qū)域上游地區(qū)主要發(fā)生方解石、白云石、芒硝和巖鹽的溶解作用，下游地區(qū)主要發(fā)生陽(yáng)離子交替吸附、脫硫酸和巖鹽的溶解作用。因此，通過(guò)建立質(zhì)量平衡(Mass Balance)模型[18,22](表3)定量分析水化學(xué)過(guò)程。

表3 兩剖面的質(zhì)量平衡計(jì)算

注：最上游點(diǎn)為沿徑流方向最上游水點(diǎn)、中游點(diǎn)為上下游地區(qū)分界水點(diǎn)(47 km)、最下游點(diǎn)為沿徑流方向最下游水點(diǎn)。

經(jīng)計(jì)算兩條剖面上下游的質(zhì)量平衡模型，得到了兩條剖面上下游各礦物溶解沉淀量及各地下水化學(xué)反應(yīng)量，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 礦物溶解-化學(xué)反應(yīng)過(guò)程量計(jì)算結(jié)果

由求解結(jié)果可見(jiàn)，上游地區(qū)，縱2剖面上每升地下水在向中游運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)溶解0.05 mmol的方解石、0.40 mmol的白云石、0.17 mmol的CO2、0.98 mmol的巖鹽和0.57 mmol的芒硝形成中游的地下水化學(xué)組分；縱3剖面上每升地下水在向中游運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)溶解0.33 mmol的方解石、0.65 mmol的白云石、0.45 mmol的CO2、0.25 mmol的巖鹽和0.63 mmol的芒硝形成中游的地下水化學(xué)組分。

4 結(jié)論