非含水層水質咸化的“井水咸化”現象分析

孫國春,卞學洛

(1.北京市地質勘察技術院,北京 102218;2.天津市東麗區地下水資源管理中心,天津 300300)

由于與上覆咸水相鄰的第四系深層淡水咸化污染調查的復雜性,天津至今未立項開展專題研究。經長期調查分析,認為能使咸、淡水保持數十萬年高濃度差的粘土隔層,雖未經高圍壓的作用,但由于堿化也具有半透膜特性。開采相鄰含水層的地下水可使上覆咸水淡化越流,最終加快地表水的入滲。

東麗區大部分與咸水相鄰第Ⅱ含水組井的水質惡化,并非含水層水質的變化所致,也基本未發現有咸水底界下移的趨勢。為此在鑿井時改進封井隔水方法[1],并改變對上覆大陸鹽漬化咸水區電測曲線的判度,在包括部分原確定的咸化污染區內,大幅增加第Ⅱ含水組地下水的開采比例,多年水質基本未發生變化。由于開采Ⅱ組地下水引起地層變形比值最低,近五年東麗區年均地面沉降量要比其他環城三區少近 10.4 mm[2]。由于與前人的結論相左,為此,將多年調查資料進行整理分析,擬澄清井水咸化與含水層咸化污染的區分,希望能使地下水開發利用更為科學合理。

1 中更新世及以上地層地下水現狀

東麗區 60m以淺地層系大約 0.13 Ma以來的晚更新世與全新世地層,為陸相與海相交互沉積,其下為洪泛平原與淺水湖泊沉積環境,并夾有不同厚度的沼澤相沉積物,由不同質地的粘性土分隔為不同化學類型、不同濃度的海侵及大陸鹽漬化咸水層。含水層巖性以粉砂、粉細砂、細砂為主,受構造影響,咸水底界深在 40～180 m之間。咸水濃度垂向分布呈上、下部位低,中部高;或上部高,下部低,TDS在 2.1～26.7 g/L之間。京山鐵路以北咸水 TDS偏高,為 ＞10g/L的鹽水;京山鐵路以南較低,TDS一般為 ＜10g/L的咸水;總硬度(CaCO3)為 670～6 168mg/L,均為極硬水(＞600 mg/L),以 Cl— Na型水為主 ,并有少量 Cl? SO4— Na? Mg、Cl? SO4—Na和 Cl—Na?Mg型水。咸水層地板起伏較大,其靜水位埋深由淺至深為 1.2～19m。

第Ⅱ含水組層底約在 150～210 m左右,大體相當約 0.78Ma以來的中更新世早期沉積,巖性以粉細砂、細砂為主。Ⅱ組地下水北部、東部的 TDS在 0.6～1.0 g/L之間,為淡水,以 HCO3—Na型水為主。中南、西南部受地熱異常、斷裂等地質構造的影響,TDS在 1.0～1.6 g/L,為微咸水。絕大多數為極軟水,總硬度(CaCO3)＜75mg/L;在南、西南部分布有少量軟水(＜150 mg/L);主要為 HCO3?Cl—Na和 Cl?HCO3—Na型水,靜水位埋深 20～43m之間。

2 井水咸化分類

2.1 因淤積井深變淺水質惡化

由于多數Ⅱ組水井是多段含水層取水,各含水層水質均有差異,而且早期一些水井成井工藝差,含沙量偏高,淤積較快。

2003年在“華明新市鎮”在約 1 km2范圍內先后開鑿第Ⅱ含水組水井四眼,對該組各含水層的水質、水位有了較詳細的了解。在大量開采一段時間后個別水井深度發生變化,引起水質發生變化,(見表 1)。

表1 華明新市鎮取水井深變后水質變化情況 mg/L

新立街東揚場村及四合莊村兩眼取用Ⅱ組地下水的水井,均因掉泵造成水井淤積,覆蓋了下部水質較優的取水段,使井水惡化。上、下部位取水層水質的差異可在圖 1中兩眼井自然電位(JDHZ)曲線電位差看出。近期在四合莊水井東約 300m和 800m處各開鑿同組取水層水井,其水質與原井成井初期基本相同,(見表2 )。

圖1 井水 TDS增高與水井取水段變化示意圖

表2 因井深變化使Ⅱ組井水質變化部分井統計表

2.2 含水層供水比例變化引起水質變化

取用兩個或以上含水層的水井,水位下降均是下部含水層水位降幅大,(見圖 2),造成下部含水層的供水比例變小。如上部含水層水質差,則井水水質變劣;上部含水層水質較好,則井水水質變優。

華明新市鎮4號水井開采一年后水質略有惡化,其原因為各取水段水位下降不同所至。表 1中155m井淤積后上部含水層的水位在 24m左右,而同深的 4號井兩個取水段的水位在 28m(見表3 )。3號井 2006年 11月的水位,下部取水段的水位應降至 30 m以下。由于兩個取水段水位下降不同,造成上部水質較差取水段的供水比例增加。使井水水質變差。

圖2 小東莊鎮不同深度地下水位動態曲線圖

表3 華明新市鎮水井不同水位、水質情況 mg/L

表3 中 5號井和 4號井的水質均劣于 3號井,從水井自然電位曲線顯示 3號井 123～166 m含水層的水質優于 173～179 m含水層的水質。水位下降時下部含水層的水位下降幅度大,造成下部含水層的供水比例減少,水質則向好的方向變化。

表 4為歡坨村第Ⅱ含水組水井不同時期水位及水質情況。歡坨村第Ⅱ含水組水位是在 1976年 1月開始觀測[4],推算 1974年 3月的水位在 5～6m。

表4 歡坨村Ⅱ組水井水位與水質變化 mg/L

位于塘沽的天津堿廠Ⅱ組水井在上世紀末靜水位埋深超過 70m,因井水咸化停用。近幾年水位上升至 30m左右,惡化的井水水質發生逆轉。

2.3 上部咸水或微咸水進入水井的影響

眾多錄象資料顯示,井管咸水段銹蝕破損處咸水進入井內(照片 1),及取用水質差異較大兩個及以上取水段井,因水位差在濾管進水孔周圍都附著有不同數量的沉淀物,透水性變差,如水質、溫度差異較大可使濾管過水孔全部堵塞,(照片 2)。

照片 1 上覆地層中咸水經井管破損處進入井內

照片 2 濾水管進水孔被過飽和沉淀物堵塞

深層淡水的咸化污染過程中有數不清的可改變地下水系統中咸化污染物濃度的化學和物理化學等反應,但反應會受到多種因素的影響。

咸水中的CO2含量高低對其溶解能力有很大的影響,當含量高時能較多地將地層中難溶的 CaSO?2H2O、CaCO3及 MgCO3溶解,在水中形成可溶性的硫酸鹽、重碳酸鹽,其中化學反應之一為：CaCO3+CO2+H2O←→Ca2++2HCO3-,是可逆反應。

表5 水中游離 CO2含量與水滴落時間關系 ppm[5]

當CO2高含量的咸水、微咸水從地層中經破漏部位或上部取水段井管進水孔流出,使CO2含量減少,溶解度降低,井內錄象中可見到在上部取水段進水孔處析出的少量沉淀物;如破損在靜水位以上,再經過曝氣,CO2含量進一步減少(見表 5);進入高于咸水溫度的井水中,溶解能力進一步降低,成為過飽和溶液向固相轉化：Ca2++2HCO-→CO2↑+H2O+CaCO3↓。漏咸水井治理前后的水溫、CO2及水質變化,(表 6)。

表6 四合莊村北機井水質分析表 mg/L

硫酸鹽、重碳酸鹽的溶解度與溫度有關,溫度高時溶解度就會降低。當上部低溫的碳酸、硫酸鹽類非飽和咸水進入溫度較高的下部淡水層時,即成為過飽和水,污染物質向固相轉化。NaCl濃度與 CaCO3、MgCO3及 CaSO?2H2O的飽和度關系密切。高 NaCl的碳酸、硫酸鹽類非飽和咸水進入水體硬度相對較高的淡水含水層,NaCl濃度將不斷降低,飽和溶解度則因 NaCl含量減少不斷降低成為過飽和溶液,向固相轉化。

季節及非連續開采的咸水、微咸水與淡水混合井及漏咸量較小的水井,非開采時段上部咸水、微咸水在水位差的作用下,進入井內析出的沉淀物堵塞了下部淡水進水孔處濾管,隨開采時間的延長,沉淀物被逐漸融解和沖出,使井水中淡水比例逐步增大。如松務儲運場 1985年成井的Ⅱ組混采井,因地下水硬度較高,而用量小,多年 Cl-在 300～400mg/L之間變化。2007年因該地施工用水量增大,使井水淡化。2008年在該井北約 300m處新鑿一眼未取用過渡帶含水層的同組井,雖歷經 23年的混采,含水層中地下水水質基本未受到影響。

表7 松務儲運貨場機井水質變化統計表 mg/L

2.4 咸化水井的部分淡水含水層未受咸水入侵

永和、胡張莊村位于塘沽農場斷裂西測,對已咸化的水井做抽水試驗時,在開泵初有一時段為淡水,與該地第Ⅱ含水組地下水本底質相差無幾。后在該地鑿井電測資料顯示,兩眼咸化水井最上部 136～144m的取水段的含水層水質并未咸化。推測該段含水層在污染源處并無分布,因水位高,下部含水層的咸化污染水無法入侵。這也顯示在附近有斷裂破碎帶,有強水動力場、及地下水的硬度極低的環境下,雖入滲咸水的水平運移速度較快,卻沒有發生上覆咸水下滲入侵。

表8 胡張莊 4隊開井 3.5分鐘水質情況表 mg/L

圖3 胡張莊村 4隊、5隊咸化水井排水時間與氯離子變化曲線

2.5 管外封井隔水部位失效導致井水質的變化

軍糧城街魏王村Ⅱ 組飲水井,1984年成井時Cl-含量為200mg/L,80年代后期井水逐漸咸化。1999年做咸化污染調查抽水試驗,在開井 3～3.5分鐘時有一段咸化程度較高的出水,其 TDS為 2.85 g/L,Cl-為 975mg/L,Cl—Na型水,而其他時段 TDS約在 1.94 g/L,為 Cl? HCO3—Na型水。

圖4 魏王村Ⅱ組咸化污染水井排水與 Cl-變化示意圖

1999年該井北部 30m處鑿井,其 175 m以上的電測曲線與 1984年的基本相同。該井當時咸水底界定為 95 m,實際應在過渡帶下部的 112 m。井管外封閉隔水部位有效長度短,封井隔水所用的又是本地的鈉粘土,而上覆的是富鈣鎂的大陸鹽漬化咸水,在入滲時發生 Ca2+→Na+交換,使封井隔水土體收縮,在水泵開停的水位差反復沖擊下受到破壞,成為咸水越流通道。雖井水受到咸化污染,但因該井在調查時尚未停止使用,入滲咸水不斷被排出,而且該地第Ⅱ含水組也沒有大的水動力場,其咸化污染程度要比永和—胡張莊咸化污染區輕。

圖 5 魏王莊咸化污染區不同時期測井曲線對照圖

該地為大陸鹽漬化咸水區,TDS相對較低。咸、淡水之間為較厚的過渡帶。因其電阻值比海侵型咸水高,沿海河斷裂帶附近有眾多咸水底界深誤判的水井,是造成中南部大部分Ⅱ組井水咸化的主要原因。

2.6 部分含水層對咸水入侵具有自凈能力

含水層中的砂粒都含有一定膠質粘土,即使看來是很潔凈的砂層膠體特征也十分明顯。當膠質粘土為鈣鎂膨潤土,雖 Ca2+交替吸附能力比 Na+大,但入滲咸水中 Na+含量增高到一定值時,粘土膠體將發生物理化學反應,出現 Na+→Ca2+或 Na+→Mg2+交換(表 9)。 因 Ca2+、Mg2+是二價,而Na+是一價,二個 Na+將置換一個 Ca2+或 Mg2+,Na+、Ca2+、Mg2+半徑分別為 0.095 nm、0.099 nm、0.065 nm,兩個Na+要比一個 Ca2+、Mg2+所需要的空間大。粘土片晶吸附陽離子成份發生變化,促使晶格的尺寸增大而膨脹,滲透率降低。當中水 Ca2+增加成為過飽和水發生沉淀,其污染程度會逐步減輕,對咸水入滲具有一定的自凈能力。

表9 溶液 Na：Ca比對土壤交換吸附的影響 mol/L[6]

新立鎮斷裂帶西側的四合莊北,兩眼同深度井相距300m,靠斷裂帶近的水井含水沙層固化程度較高砂礓石密度大,兩眼井含水層厚度相似,但單位涌水量相差近 4倍。

數十萬年來高水頭的巖溶地下水經斷裂帶入侵第四系各含水層中,在入侵過程中,首先在斷裂帶兩側成為過飽和水發生持續的沉淀,使含水層滲透系數大幅降低。當深層地下水水位下降,上覆咸水經斷裂就難以進入淡水層中。中更新世晚期仍活動的斷裂,堵塞的部位會受到破壞。

3 結論

“井水咸化”并不等同于含水層中地下水咸化。取用兩個及以上水質有差異含水層的水井井深、水位以及開采強度的不同,等使用環境的變化引起井水水質變化,與含水層的水質無關。在地下水的硬度較高的地段,含水層粘土中的Na+→Ca2+Na+→Mg2+交換,可不同程度或全部阻止的咸水入侵含水層。

在附近有裂至上、中更新統的活動斷裂帶及次生斷裂帶分布的地段,大量開采與其相鄰的地下淡水,東麗區發生較為嚴重的地下水咸化污染地段均有活動斷裂帶或分布。

選取水質監測井,應做水質監測抽水試驗如圖 4。在監測水質同時還應監測水位、水溫或井深。一些異常現象的出現是可遇不可求的,如能加大基層科研投入,就可能了解到更多的情況。

[1]卞學洛,合理選用封井粘土提高隔水效果[J].地下水.2001,23(4)：205.

[2]2004年、2005年 、2006年、2007年、2008年天津市地面沉降年報[M].天津市控制地面沉降工作辦公室.

[3]東麗區水利志[M].天津市：天津科學技術出版社,1996,61.

[4]天津市市郊地下水位年鑒(1976-1980年)[R].天津市地質局,1981.9,78～79.

[5][日]豊田環吉,吳自邁譯.工業用水及水質管理[M].中國：建筑工業出版社,1978.10,47.

[6]王遵親,祝壽泉等.中國鹽漬土[M].科學出版社 1993.12,94.