平原区浅层地下水水化学特征及成因分析

平原区浅层地下水水化学特征及成因分析

赫晓磊

河北省唐山水文勘测研究中心

摘要:A地区平原地下水资源是干旱、半干旱地区的重要水源。本文通过分析该地区地下水水化学特征，揭示其水化学演化成因。结果表明，A地区地下水水化学类型主要分为SO4·Cl-Na·Mg、HCO3·SO4-Na·Mg、SO4-Na、HCO3-Mg·NaCa四种类型，且地下水水化学组分主要受蒸发浓缩和岩石风化的双重影响。研究表明，该地区地下水发生了阳离子交换作用，潜水与承压水之间存在一定的水力联系。本研究为A地区地下水资源合理开发利用提供了科学依据。

关键词：地下水；水化学特征；成因分析；离子比值法；A地区平原

1研究区概况

A地区平原是一个完整的水文地质单元，属中温带半干旱气候，夏短冬长、干旱少雨，降水多集中在6—9月，该期间降水量占全年总降水量的60%~70%。研究区地下水为第四系松散岩类孔隙水，在宁南地区属于富水性较高的储水构造，且研究区地势较为平坦，具有比较有利的地下水赋存空间。

地下水源自A地区平原两侧山区、丘陵、冲洪积平原区地下水侧向径流补给、地表水入渗补给、大气降水入渗补给和平原区灌溉用水入渗补给等，地下水排泄方式包括直接向地表水泄流、蒸发及人工排泄。根据地下水水力性质和埋藏条件可将A地区平原地下水自上而下划分为潜水、第一承压水、第二承压水。

2材料与方法

2.1样品采集

在A地区平原上游共布设48个地下水调查样点，其中：潜水样点24个，承压水样点24个，采用现场抽水+水质测试的方法获得地下水样品。在A地区流域干流、支流共布置11个地表水调查样点，采集样品后将其储存于聚乙烯瓶中，滴加硝酸和氢氧化钠保护剂，密封后避光冷藏保存。

2.2研究方法

采用SPSS软件对地下水各化学组分浓度进行描述性统计分析，采用Piper三线图法分析地下水水化学类型，采用Surfer20绘制水化学类型分布图，采用Gibbs图解法、离子比值法、氯碱指数法对研究区地下水水化学特征及成因进行分析。

3结果与讨论

3.1水化学指标统计

地下水水样监测指标统计结果如下：潜水pH值变化范围为7.18~9.21，平均值为7.53；承压水pH变化范围为7.13~8.04，平均值为7.60。两种地下水均呈弱碱性。潜水TDS含量变化范围为204.00~18432.00mg/L，平均值为3068.58mg/L；承压水TDS含量变化范围为510.00~15312.94mg/L，平均值为3760.74mg/L。潜水和承压水中离子均以Na+、SO42-、Cl为主，潜水中SO42-、Cl-、Na+、TDS含量的变异系数在1.07~1.29范围内，属于强变异性，表明离子含量的空间分布极不均匀；潜水中K+、Ca2+、Mg2+的变异系数在0.59~0.79范围内，属中等变异性，表明这3种离子的空间分布有一定的起伏变化；潜水中HCO3-的变异系数小于0.4，表明其空间分布变化不大。根据TDS含量将地下水划分为淡水（TDS），研究区内淡水约占34.78%，微咸水约占42.60%，咸水占22.62%，微咸水占比最大。

3.2地下水水化学类型

对比分析潜水和承压水的水化学类型分布情况，发现在黑城村以北SO4·Cl-Na·Mg型水重合的面积较大，原因是潜水和第一承压水之间的隔水层分布连续，使潜水与承压含水层之间有一定的水力联系，阴离子以SO42-为主，阳离子以Na+为主。为进一步说明地下水水化学类型及各离子相对含量，绘制地下水水化学Piper三线图，直观展示地下水水化学特征（见图2）。

由图2可以看出，地下水中TDS含量<1000mg>的水样阴离子均靠近SO42-和HCO3-端元，远离Cl端元，阴离子以HCO3-为主，总体表现为弱酸性特征，阳离子以Na+、Mg2+为主，Ca2+次之，主要表现为碱金属离子，多数水样中碱金属离子的毫克当量百分数大于30%，水化学类型主要为SO4-HCO3-Na-Mg（Ca）型；地下水中TDS含量在1000~3000mg/L范围内的水样中阴离子以SO42-和HCO3-为主，阳离子在Na+、Mg2+、Ca2+端元均有分布，以碱土金属离子为主，多数水样中碱土金属离子的毫克当量百分数大于50%，水化学类型比较复杂，主要有SO4-HCO3-Ca-Mg（Na）型、SO4-Na-Mg（Ca）型；地下水中TDS含量>3000mg/L的水样中阴离子聚集在SO42-端元，以强酸为主，阳离子聚集在Mg2+、Ca2+端元，以碱土金属离子为主，表现出多数水样中碱土金属离子的毫克当量百分数大于50%的特征。在对采集的11个地表水水样进行水化学分析发现，70%的水样TDS含量大于3000mg/L，水质总体较差，大部分水样阴离子以SO42-为主，阳离子以Na+为主，水化学类型主要为SO4-Na型。

3.3水化学特征成因分析

3.3.1地下水主要控制因素

通过Gibbs图可以定性判断地下水水化学组分的主要控制过程以及控制类型，Gibbs图将地下水水化学组分的控制类型划分为降水控制型、岩石风化型、蒸发浓缩型（见图3）。

图3地下水Gibbs图

研究区潜水、承压水Na+（/Na++Ca2+）比值在0.5~1.0范围内，Cl-（/Cl-+HCO3-）比值在0~1范围内，偏离降水控制型区域，均分布在Gibbs图的中部偏上位置，表明研究区水化学组分主要受蒸发浓缩和岩石风化的双重影响，而大气降水对研究区水化学组分几乎没有影响，这一现象与研究区半干旱气候、降雨少、蒸发作用强烈有关，同时考虑到潜水与承压水存在紧密的水力联系，潜水受到蒸发作用的同时承压水也受到蒸发作用。

3.3.2主要离子比值

图4地下水离子比值图

从图4（a）可以看出，研究区潜水和承压水大部分样点位于y=x上方，少量潜水样点位于y=x下方，说明地下水中Na+和K+主要源自岩盐的溶解，而少量潜水中的Na+和K+源自硅酸盐的溶解。此外，γ（Na++K+）/γCl比值大于1，说明研究区地下水发生阳离子交换作用，使Na++K+质量浓度高于Cl质量浓度。同样，γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-）比值大于1时地下水中Ca2+和Mg2+主要受碳酸盐溶解的影响，比值小于1时主要受硅酸盐或者蒸发岩溶解的影响。

从图4（b）可以看出，地下水γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3-+SO42-）比值远远小于1，说明地下水中Ca2+和Mg2+含量远小于HCO3-和SO42-含量，碳酸盐溶解时容易产生较多的Ca2+和Mg2+，表明研究区地下水主导的水岩作用是蒸发岩溶解。γ（Na++K+-Cl-）/γ（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）比值可以用来判断研究区是否发生阳离子交换作用，若γ（Na++K+-Cl-）/γ（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）散点图的拟合直线斜率接近-1，则说明地下水环境中发生明显的阳离子交换作用，随着Na+含量增加，Ca2+、Mg2+含量减少或HCO3-、SO42-含量增加。由图4（c）可知，潜水、承压水样点基本位于y=-x拟合直线上或两侧，拟合直线斜率接近-1，说明研究区地下水发生了阳离子交换作用，地下水中Ca2+和Mg2+置换出岩土吸附的Na+，导致Na+含量增加，可以看到潜水样点在拟合直线上分布较为集中，这也说明阳离子交换作用是影响研究区潜水水化学组分的重要因素。

5结束语

A地区平原地下水的水化学特征和成因分析显示，该地区地下水水化学组分主要受蒸发浓缩和岩石风化的双重影响，且发生了阳离子交换作用。研究区潜水和承压水之间存在一定的水力联系，进一步揭示了地下水演化的复杂性。本研究为A地区地下水资源的合理开发利用提供了科学依据，并为类似地区的地下水资源管理提供了参考。未来的研究可以进一步深入探讨地下水动态变化及其对区域生态环境的影响，为区域水资源可持续利用提供更全面的支持。

参考文献

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