贺兰山西麓典型干旱区

贺兰山西麓典型干旱区 绿洲地下水水化学特征与演变规律

姜　凌^[1]

作者简介:姜凌（1977－），女，新疆乌鲁木齐人，副教授（工学博士研究生），主要从事水文地球化学和环境化学的教学与科研工作。

（长安大学环境科学与工程学院，西安710054）

联系方式:陕西西安雁塔路126号长安大学雁塔校区环工学院化工系，邮编:710054.

E－mail:tojling@chd.edu.cn，Tel:13384992667

【摘　要】针对地下水资源过量开采而出现的绿洲水文生态问题，以贺兰山西麓具有典型特征的内蒙古腰坝绿洲为研究对象，分开采期、非开采期对地下水进行系统取样分析，综合运用描述性统计、相关性分析、离子比例系数和Piper三角图示法，全面系统地研究了地下水水化学的时空变异特征与演变规律，研究结果表明:（1）季节变化对潜水和承压水水化学空间变异性影响较小。且潜水水文化学性质受外界因素干扰较大，承压水受外界因素干扰较少。（2）蒸发浓缩、阳离子交换和人为混合是控制研究区潜水水质演变的主要水文化学过程。（3）潜水子系统TDS较高，水化学类型变化也较复杂，主要从HCO₃·SO₄·Cl－Na·Mg·Ca型，向Cl·SO₄·HCO₃－Mg·Na、Cl·SO₄－Na·Mg型演化。承压水水化学类型也比较单一，主要为低矿化度的HCO₃－Na·Mg·Ca型为主。

【关键词】干旱区绿洲，地下水，水化学类型，时空变异，演变规律

Hydrochemical Characteristics and Evolution Laws of Groundwater in Typical Oasis of Arid Areas in the West Foot of Helan Mountain

Jiang Ling

（School of Environmental Science and Engineering，Chang’an University，Xi’an 710054，China）

【Abstract】We took the Yaoba oasis of Alxa area in the west foot of Helan mountain as the typical study case.The groundwater samples are analyzed scientifically and systemically.The descriptive statistics，the correlation analysis，the ratio coefficient of the main ions and the piper diagram were applied to gain better understanding of the spatial and the temporal variation of the hydrochemistry characteristics and the evolution laws of groundwater.The results showed that:（1）Hydrochemical spatial variability of unconfined and confined aquifer is almostnotaffected by seasonal variation.And the interference of external factors to hydrochemical character of unconfined aquifer is more obvious than confined aquifer.（2）The following main hydrochemical processes are inferred to influence the water quality of the unconfined groundwater system:the evaporative condensation，the ion－exchange reactions，and the mixing of the surface water with high salinity.（3）There are high TDS contents and complicated hydrochemical types in unconfined aquifer，whose hydrochemical types evolve from HCO₃·SO₄·Cl－Na·Mg·Ca to Cl·SO₄·HCO₃－Mg·Na，Cl·SO₄－Na·Mg.The hydrochemical types of confined aquifer are simple，which mainly are HCO₃－Na·Mg·Ca with low－mineralization.

【Key words】arid region oasis，groundwater，hydrochemical type，evolution characteristic，evolution law

引　言

地下水水化学研究是地下水资源质量评价的重要内容，它对流域地下水资源利用和管理及与其有关的生态环境的保护与建设都具有重要的意义。地下水是水资源的重要组成部分，在自然系统的循环过程中，与其接触的岩石圈、生物圈和大气圈进行着极其复杂的物质、能量和信息交换，水文化学特征在时空尺度上都发生不断地变化。因此，通过对地下水水化学的时空变异特征与演变规律的研究，可以更好地揭示地下水与环境的相互作用机制，为环境资源管理提供科学依据^［1］。

腰坝绿洲地处内蒙古西部，是典型的干旱区，荒漠绿洲景观明显。该区地表水资源极为贫乏，属无流区，地下水是当地的主要水资源，也是维系当地人民生产和生活的最重要的因素。然而随着水文情势的改变和人类活动的干扰，地下水系统的水动力条件和化学环境发生了深刻的变化，破坏了原有地下水系统的流场和水化学场，水化学特征发生相应的变化，并形成了局部水化学异常区，地下水盐化作用日益明显，不仅减少了可利用水资源量，而且加剧了利用含盐量高的地下水灌溉所引起的土地盐碱化。因此，对这一地区地下水水化学特征及其演化规律进行研究有助于深入了解绿洲地下水水质的变化趋势，从更高层次上认识地下水环境问题。这不仅为当地地下水资源合理开发利用提供理论依据，而且对我国广大干旱区绿洲地下水资源合理开发利用和保护具有重要的理论指导意义和实用价值。

1.水文地质条件

一系列SN向及NW向、EW向断裂构造的切割，使贺兰山西侧形成了多个构造台地与沉积盆地相间分布的格局。研究区所处的腰坝盆地，西接巴彦达莱盆地，以北及以东分别为淖尔套台地和（贺兰）山前台地，其南以断层为界也是山前台地的一部分（图1）。边界完全受断裂控制的腰坝盆地基底由第三系组成，盆地中心第四系厚度达200多m，边缘约130余m，沉积物由下更新统（Q₁）至全新统（Q₄）的多个冲洪积扇组成，通过冲洪积扇的沉积韵律分析，发现本区第四纪以来气候是一个由湿变干的过程，冲洪积扇的规模逐渐退缩变小，因而，在剖面上沉积物呈现由下至上、平面上由上游至下游颗粒逐渐变细的特征。

腰坝绿洲位于沉积盆地西南段，冲洪积扇的中、下部地区，地理坐标为东经105°34′～105°39′，北纬38°25′～38°36′，总面积约60km²，呈南北长度较大、东西宽度较小的长条形，沉积物组合具有多层结构。由此，可把第四系含水地层划分为两个含水组:

上部第一含水组，含水层岩性为中细沙，粉细沙及细沙，含水沙层夹黏土相对隔水层，主要组成潜水和层间潜水含水层。其中，层间潜水分布于研究区中部大部分地区，含水组上部一般有1～3层黏土相对隔水层，但分布不稳定，厚度较小（1.5～1.7m）不易形成区域稳定的承压水顶板，但对降水、灌溉水垂直入渗补给层间潜水，会有较大阻隔作用。含水组底板黏土层，埋深35～51m，高程1265～1268m，厚度5～18m，岩性较稳定。

第二含水组岩性变化较大，从中细沙、中粗沙直至卵砾石层。含水层累计厚度3058～5405m，砂层赋存承压水，顶板埋深为49.47～7028m，高程1240～1260m，底板埋深137.70～206.58m，高程1089.42～1145.3m。

研究区地下水在天然条件下（未开采前）横向受东侧、南侧、北侧三边侧向补给。为已知水位、水头，变流量进水的二类混合边界，垂直方向有洪水入渗补给，范围主要分布在防洪坝以东单一潜水区和西南及西北地区上层为潜水下层为承压水区。研究区102m深度内地下水开采层还受下层第四系承压水顶托越流补给，水头差为1.23m，产生越流补给范围主要在研究区中部及西部。天然条件下研究区地下水从东北、东、东南向西径流，汇入陶苏湖区。开发地下水后形成降落漏斗，地下水以径流方式汇入漏斗中心。开采期，补给主要来自导水条件好的东部（防洪坝以东的冲洪积扇顶）和北部。非开采期，漏斗基本依靠来自北部的地下水径流得以恢复，东部尤其是东南部恢复最慢，表明东部在开采期的补给主要消耗了储存资源。来自西部、西南部的径流补给非常有限。

2.野外设计与测试方法

2.1　野外设计与取样方案

为了揭示影响和控制地下水水质演化和水－岩（土）作用及阳离子交换等水文化学过程，首先在野外沿地下水流方向建立了水文化学剖面，共打16眼观测井，间距2km左右，在同一观测点有1眼潜水井和一眼承压水井，即8眼潜水井和8眼承压水井，长期监测地下水水位、水质动态变化。在研究区共布置了39个取样点（包括水文化学剖面上的16眼观测井）（图1），分别在2005年的非开采期（3月）和开采期（7月）取样，并作有关水化学参数测试。

1.观测井采样点；2.含水层厚度等值线；3.第三系顶板高程等值线；4.隔水边界；5.补给边界；6.排泄边界；7.冲沟；8.腰坝盆地地下水系统及分区编号；9、10相邻地下水系统及分区编号
图1　腰坝第四纪盆地孔隙水贮存系统及采样点分布图
Fig.1　Pore water storage system in quaternary basin and the sampling locations of Yaoba Basin

2.2　测试项目及测试方法

测试项目包括:八大离子Na^＋、K^＋、Ca^2＋、Mg^2＋、HCO₃^－、Cl^－、SO₄²－、CO₃²＋，pH值和总溶解固体（TDS）。样品测试工作在长安大学环工学院实验中心进行，其中Na^＋、K^＋测试方法为火焰原子吸收分光光度法（GFU－202）；Cl^－、SO₄²－测试方法为离子色谱法（HLC－601）；Ca^2＋、Mg^2＋测试方法为EDTA滴定法；HCO₃^－、CO₃²＋测试方法为酸碱滴定法；pH值测试方法为电位法；总溶解固体（TDS）为计算值等于八大离子质量浓度（ρ_B）的总和。

3.研究方法与结果分析

首先对研究区地下水进行科学、系统取样，分析测试有关水文化学参数，再利用国际著名的水文化学软件（AquaChem40），综合运用描述性统计、相关性分析、离子比例系数和Piper三角图示法，全面系统地研究地下水水化学的时空变异特征与演变规律，揭示控制地下水质量演变的主要水化学过程。

3.1　描述性统计分析

对2005年开采期和非开采期潜水和承压水水样的有关水化学参数，进行统计特征值分析（表1、表2），除pH值之外，其余水文化学参数的质量浓度ρ_B单位均为mg/L。

表1　开采期潜水及承压水水化学参数的统计特征值　　　ρ_B/（mg/L）

Table 1　Statistics eigenvalue of hydrochemical parameters of unconfined and confined aquifer during the exploitation period　　　　　ρ_B/（mg/L）

表2　非开采期潜水及承压水水化学参数的统计特征值　　　　ρ_B/（mg/L）

Table 2　Statistics eigenvalue of hydrochemical parameters of unconfined and confined aquiferduring the non－exp loitation period　　　　　　ρ_B/（mg/L）

续表

表1、表2分析结果表明:

（1）2005年不论是开采期还是非开采期，潜水和承压水主要离子成分基本相同，即在开采期和非开采期潜水中质量浓度最大的阴、阳离子均为Cl^－和Na^＋离子，承压水中质量浓度最大的阴、阳离子均为HCO₃^－和Na^＋离子，表明季节变化对水化学空间变异性影响较小。

（2）潜水水化学参数的变异系数都较承压水大，表明潜水的水文化学性质在空间上变异性大，受含水层介质、地形地貌、水文气象条件和人类活动等因素的影响较大，承压水受外界因素干扰较少。

（3）潜水中的Ca^2＋、Mg^2＋、HCO^3－的变异系数相对较小，反映他们在潜水中含量的相对稳定性；Na^＋、Cl^－、SO₄²－的变异系数较大，反映它们在潜水中的含量变化较大，表明它们是随环境因素而变化的敏感因子，决定潜水盐化作用的主要变量。而承压水水化学参数的变异系数均较小，反映它们在水体中的含量变化较小，受外界因素干扰较少，同时也说明承压水的盐化作用非常微弱。

3.2　相关性分析

相关性分析可揭示地下水水化学参数的相似相异性及来源的一致性和差异性。分别计算开采期和非开采期研究区潜水、承压水的Pearson相关系数（表3、表4）。

表3　开采期、非开采期潜水水化学参数相关系数矩阵

Table 3　Correlation coefficient matrices of hydrochemical parameters of unconfined aquifer in the study area during the exploitation and non－exp loitation period

续表

表4　开采期、非开采期承压水水化学参数相关系数矩阵

Table 4　Correlation coefficient matrices of hydrochemical parameters of confined aquifer in the studyarea during the exploitation and non－exploitation period

从表3、表4可以看出:

（1）开采期和非开采期潜水中Na^＋、Cl^－与总溶解固体（TDS）呈显著的相关性，相关系数都在09以上，而HCO₃^－与TDS、Ca^2＋、Mg^2＋之间呈负相关关系，且Ca^2＋、Mg^2＋与Na^＋之间相关性较差。出现这种现象的原因是:腰坝绿洲为潜水的径流区和排泄区，蒸发浓缩起主导作用。地下水从贺兰山前的补给区向腰坝绿洲流动过程中，地下水的Na^＋含量和TDS逐渐增高，pH值随之增大。当pH＞7.4和TDS＞600 mg/L时，Ca^2＋与HCO₃^－生成碳酸钙，发生沉淀:

随着碱度升高，促进白云石的生成，发生沉淀:

Mg^2＋＋2HCO₃^－＋CaCO₃→CaMg（CO₃）₂＋CO₂＋H₂ O

由于Ca^2＋被除去，Mg^2＋/Ca^2＋的比率升高，当达到6以上时，碳酸钙就会转化成白云石:

2CaCO₃＋Mg^2＋→CaMg（CO₃）₂＋Ca^2＋

当缺少碱度时，就会发生白云石化作用，钙被释放出来，并以石膏的形式沉淀下来:

Ca^2＋＋2H₂O＋SO₄²－→CaSO₄·2H₂O

同时，水中的Na^＋与土壤中的Ca^2＋、Mg^2＋进行离子交换，导致Na^＋在土壤中的积累:

2Na^＋（水）＋Ca^2＋（土）→Ca^2＋（水）＋2 Na^＋（土）

2Na^＋（水）＋Mg^2＋（土）→Mg^2＋（水）＋2 Na^＋（土）

（2）承压水中Ca^2＋、Mg^2＋与HCO₃^－呈正相关，且相关系数较高。Na^＋、Ca^2＋、Mg^2＋、HCO₃^－与TDS之间的相关性也较高，而且Na^＋、Ca^2＋、Mg^2＋、HCO₃^－是承压水的主要组分。这是由于在开采期和非开采期承压水的TDS平均值都较低，分别为522.17mg/L和53483mg/L，都小于600mg/L，难以生成方解石（CaC0₃）和白云石［CaMg（CO₃）₂］的沉淀。

3.3　离子比例系数分析

在地下水的化学成分中，各种组分之间的含量比例系数，常常被用来研究某些水文地球化学问题。γ_Na·γ_Cl系数称为地下水的成因系数，是表征地下水中钠离子富集程度的一个水文地球化学参数。标准海水的γ_Na·γ_Cl系数平均值为085，低矿化度水具有较高的γ_Na·γ_Cl系数（γ_Na·γ_Cl＞085），高矿化度水具有较低的γ_Na·γ_Cl系数（γ_Na·γ_Cl＜085）。

图3　潜水［Na^＋］vs［Cl^－］

Fig.3　［Na^＋］vs［Cl^－］in Unconfined Aquifer

　图4　2003年丰水期潜水［Na/CI］VS TDS

Fig.4　［Na^＋/Cl^－］vs TDS in Unconfined Aquifer

※单位:meq/L为毫克当量浓度。

从图3可以看出，潜水水样分析点大部分位于比例系数直线1∶1以上，说明［Na^＋］毫克当量浓度基本上均大于［Cl^－］浓度，即γ_Na/γ_Cl系数大于1，地下水在径流过程中不断通过水解和酸作用使岩石矿物风化溶解，使Na^＋从长石中释放出来，从而使［Na^＋］浓度大于［Cl^－］浓度。

从图4可以看出，γ_Na/γ_Cl系数基本上随着TDS的增加呈下降的趋势，说明Na^＋与含水层中黏土矿物吸附的Ca^2＋、Mg^2＋进行离子交换，导致地下水中的Na^＋浓度减小，相反Cl^－增加，水中相应发生沉淀，使Cl^－富集，即导致γ/γ系数下降。

3.4　Piper三角图示法

研究区内水化学类型复杂多样，本文采用水文化学分析软件Aqua Chem40软件中的Piper模块绘出沿地下水流方向水文化学类型图，运用图解法分析研究区地下水水化学特征与演变规律，揭示控制地下水质量演变的主要水化学过程。

图5　开采期潜水水化学类型图

Fig.5　Hydrochemical type of unconfined aquifer during exploitation

图6　非开采期潜水水化学类型图

Fig.6　Hydrochemical type of unconfined aquifer of duringnon－exploitation period

图5～图7是根据开采、非开采潜水及承压水水化学数据所绘制的水化学类型Piper图。由图可以看出:

（1）沿地下水流方向，潜水水化学类型变化十分复杂，主要从HCO₃·SO₄·Cl－Na·Mg·Ca型过渡到Cl·SO₄·HCO₃－Mg·Na、Cl·SO₄－Na·Mg型。在补给区，地下水径流条件好，地下水在含水层中的停留时间短，水交替迅速，含水层中易溶组分如Cl^－、SO₄²－等不断被淋滤并由地下径流带走，阴离子以HCO₃^－占优势，形成低矿化度的HCO₃·SO₄－Na·Mg·Ca型地下水。径流区→排泄区过程中地下水不断与外界环境进行各种物理化学作用，蒸发浓缩起主要作用，随着pH值和TDS含量的逐渐增加，当pH值＞7.4和TDS＞600mg/L时，则产生碳酸盐的沉淀，致使水中HCO₃^－离子浓度降低，最终形成矿化度较高的Cl·SO₄·HCO₃－Mg·Na、Cl·SO₄－Na·Mg等类型水；

（2）地下水水化学类型季节变化不明显，地下水水化学成分的形成和演变主要受流经岩（土）的种类和性质以及各种物理化学作用所控制。

（3）承压水水化学类型比较单一，主要为低矿化度的HCO₃－Na·Mg·Ca型为主。

4.结　论

（1）季节变化对潜水和承压水水化学空间变异性影响较小。潜水水文化学性质空间变异性较承压水大，主要受含水层介质、地形地貌、水文气象条件和人类活动等因素的影响大，尤其Na^＋、Cl^－、SO₄²－空间变异性较大，是决定潜水盐化作用的主要变量。承压水受外界因素干扰较少。

（2）腰坝绿洲为潜水子系统的径流、排泄区，水文化学过程为溶滤、蒸发浓缩、阳离子交换和人为混合共同起作用。

（3）潜水子系统TDS较高，水化学类型变化也较复杂，主要从HCO₃·SO₄·Cl－Na·Mg·Ca型向Cl·SO₄·HCO₃－Mg·Na、Cl·SO₄－Na·Mg型演化。承压水水化学类型也比较单一，主要为低矿化度的HCO₃－Na·Mg·Ca型为主。

（中译英:姜凌，付恒阳检）

参考文献（Reference）

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［10］Christian Ekberg，Allan T.Eniren.Uncertainties in Solubility calculations［J］.Chemical Monthly.Volume 132，Number 10/oetober，2001:1171～1179

【注释】

[1]基金项目:国家科技攻关计划项目（2002BA901A43）；国家外专局和教育部项目:高等学校学科创新引智计划（B08039）