奎河與沿岸地下水水化學特征及形成作用分析

佟 浩，楊鳳根，李汝君

(河海大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210098)

奎河與沿岸地下水水化學特征及形成作用分析

佟 浩，楊鳳根，李汝君

(河海大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210098)

了解地表水與沿岸地下水的水化學特征及其形成作用,對保護地下水資源和對其合理開發利用具有十分重要的意義。在系統采集奎河河水與沿岸地下水的基礎上,采用描述性統計、主要陰陽離子Piper三線圖等方法對水樣的水化學特征及其形成作用進行了分析。結果表明：①從空間角度來說,位于奎河不同斷面上的沿岸地下水的水化學類型及其離子濃度特征具有各自的特點,不同斷面處的奎河河水也顯現出不同的特性；從時間角度來說,即使在同一斷面處的奎河河水以及沿岸地下水,其豐水期和枯水期離子濃度特征也有所差異。①不同斷面處影響地下水水化學類型形成的優勢作用并不相同,表現為徐村斷面處受溶濾作用影響較大,黃橋閘較其他兩斷面處受蒸發濃縮作用影響較強,石橋斷面處陽離子交替吸附作用顯著,臨近奎河河水的地下水受混合作用影響明顯,而人類活動對各個斷面處的地下水都有著不同程度的影響。③奎河河水的水化學形成優勢機制是蒸發濃縮作用,并且河水對河床中碳酸鹽礦物的溶解也極大地影響著河水中離子組成特征的形成。同時,設閘蓄水、采引灌溉等人類活動也對奎河河水的水化學演化產生著巨大的影響。

奎河；河水；地下水；水化學特征；主要陰陽離子Piper三線圖；水化學演化

地下水是水資源的重要組成部分,是農業灌溉、工業生產和城市供水的重要水源之一。然而隨著我國經濟的迅猛發展,許多不恰當的人類活動致使我國大部分地下水遭受了不同程度的污染,造成了巨大的損失。地下水水化學研究是水文地質學的重要研究內容之一,開展地下水水化學特征及其形成作用的研究,對保護地下水資源及其合理開發利用具有十分重要的意義。王曉曦等[1]對灤河下游河水與沿岸地下水的水化學類型及其形成作用進行了研究；宋曉明等[2]對利比亞WadiBay地區的地下水水化學特征及成因進行了研究；張樂中等[3]對庫計水源地地下水水化學特征進行了研究；還有其他許多學者[4-15]均對不同地區的地下水水化學特征進行了深入的研究。目前,關于徐州市境內奎河河水及其沿岸地下水水化學的研究仍為空白,鑒于此,筆者在系統采集奎河河水與沿岸地下水的基礎上,運用描述性統計、主要陰陽離子Piper三線圖等方法對其水化學特征及其形成作用進行分析,旨在為進一步研究水循環機制,保護及合理開發利用地下水資源,制定環境保護措施等提供借鑒和依據。

1 研究區水文地質條件

1.1 地下水類型及其含水層特征

研究區地下水按含水介質可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水,按埋藏類型可分為潛水、弱承壓水或承壓水。松散巖類孔隙水的巖性是:上部以亞砂土或粉砂為主,夾亞黏土；下部以含鈣質結核亞黏土或亞黏土、黏土為主,夾砂、礫層或薄層亞砂土。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的含水巖組主要為奧陶系賈汪組—寒武系崮山組裂隙巖溶含水層,并隱伏在松散層之下,其巖性以白云巖、灰巖或白云質灰巖等為主。

1.2 地下水補徑排特征

a.裂隙巖溶地下水。裂隙巖溶地下水的主要補給來源是大氣降水的入滲和上覆孔隙水的下滲補給,其次是地表水體的滲漏以及來自區外的側向徑流補給。

b.下更新統及上第三系孔隙水。天然條件下為側向徑流補給,由于含水層埋藏較深,補給源較遠,因而水平徑流十分緩慢。排泄途徑為人工開采。

c.中上更新統孔隙水。由于埋藏條件和所處地貌部位等不同,區內中上更新統孔隙含水層的補徑排條件差異較大。該地區中上更新統孔隙水的主要排泄途徑為人工開采。

d.全新統孔隙水。全新統孔隙水的主要補給源為大氣降水的入滲,其次為農業灌溉水回滲。

2 研究區監測斷面及監測井布設

研究區位于江蘇省徐州市銅山縣三堡鎮黃橋閘—石橋—徐村一帶。本文選取黃橋閘(HQZ)、石橋(SQ)、徐村(XC)3個地方,在垂直奎河流向方向上分別設置監測斷面,并在監測斷面上布置地下水監測井。監測井位置距離奎河由近及遠依次為10 m,20m,50m,100m,200m,500m。監測斷面及監測井布置如圖1所示。

圖1 監測斷面及監測井布設

3 研究內容與方法

3.1 樣品采集

分別于2011年2月、4月、6月、8月、10月、12月共計6個時間段,在3個不同斷面的監測水井中各取1.5L地下水水樣,同時采集相同量的河水水樣。樣品采集過程中,先用預采樣品對采樣瓶進行3次以上的沖洗,然后再將樣品存放到聚乙烯瓶中,密封待測。

3.2 樣品測試

樣品水化學分析在相關實驗室完成。對于采集的樣品,用ICAP6300型全譜直讀等離子光譜儀和ICP-Optima7300DV型全譜直讀等離子體發射光譜儀檢測鉀、鈉、鈣、鎂等陽離子濃度；用地質工程實驗室全自動電位滴定儀檢測重碳酸根離子的濃度；用離子色譜儀ICS-2000和全自動電位滴定儀檢測氯離子和硫酸根離子的濃度。

3.3 數據分析

運用SPSS軟件對水化學成分進行統計并作描述性分析。運用AqQA軟件繪制主要陰陽離子Piper三線圖,分析不同水體的化學組成特征,辨別其控制端元。最后結合研究區相關資料,揭示促使研究區不同斷面處奎河河水與沿岸地下水水化學特征形成的主要影響作用。

4 結果與討論

4.1 水化學類型及組成成分統計特征

研究區降雨主要集中在每年5—8月,故將6次采樣中的2月、4月、10月、12月劃分為枯水期,6月和8月劃為豐水期。3個監測斷面豐水期、枯水期地下水水化學成分統計特征值見表1,奎河河水水化學成分見表2。

a.徐村斷面。①?枯水期時,徐村斷面處地下水水化學類型主要為重碳酸-鈣型(重碳酸根離子摩爾分數為25.1,鈣離子摩爾分數為30.6)。枯水期時,地下水中離子的濃度整體表現為鈣離子＞鎂離子＞鈉離子+鉀離子,重碳酸根離子＞氯離子＞硫酸根離子。鈣離子為優勢陽離子,其濃度最大值為14.57mol/L,最小值為9.58 mol/L。重碳酸根離子為優勢陰離子,其濃度最大值為11.9mol/L,最小值為7.6 mol/L。①豐水期時徐村斷面處地下水水化學類型主要為重碳酸-鈉、重碳酸-鎂型(重碳酸根離子摩爾分數為25.6,鈣離子摩爾分數為25.7)。豐水期時,地下水中離子濃度整體表現為鎂離子＞鈉離子+鉀離子＞鈣離子,重碳酸根離子＞氯離子＞硫酸根離子。鈉離子和鎂離子為優勢陽離子,濃度最大值分別為6.89mol/L和6.48mol/L,最小值分別為1.72mol/L和3.02mol/L。重碳酸根離子為優勢陰離子,其濃度最大值為11.57 mol/L,最小值為8.2mol/L。

b.石橋斷面。①枯水期時,石橋斷面處地下水水化學類型主要為重碳酸-鈣型(重碳酸根離子摩爾分數為26.6,鈣離子摩爾分數為28.7)。枯水期時地下水中離子的濃度整體表現為鈣離子＞鎂離子＞鈉離子+鉀離子,重碳酸根離子＞硫酸根離子≈氯離子。鈣離子為優勢陽離子,其濃度最大值為17.17mol/L,最小值為7.21mol/L。重碳酸根離子為優勢陰離子,其濃度最大值為11.6mol/L,最小值為7.2mol/L。①豐水期時,石橋斷面處地下水水化學類型主要為重碳酸-鎂鈉型(重碳酸根離子摩爾分數為41.3,鎂離子和鈉離子摩爾分數之和為31.1)。豐水期時地下水中離子的濃度整體表現為鎂離子＞鈉離子+鉀離子＞鈣離子,重碳酸根離子＞氯離子＞硫酸根離子。鎂離子和鈉離子為優勢陽離子,其濃度最大值分別為6.79mol/L和5.85mol/L,最小值分別為1.78mol/L和1.16mol/L。重碳酸根離子為優勢陰離子,其濃度最大值為13.1mol/L,最小值為4.3mol/L。

表1 地下水水化學成分統計特征值mol/L

c.黃橋閘斷面。①枯水期時,黃橋閘斷面處地下水水化學類型主要為重碳酸-鈣型(重碳酸根離子摩爾分數為25.6,鈣離子摩爾分數為25.7)。地下水中離子濃度整體表現為鈣離子＞鎂離子＞鈉離子+鉀離子,重碳酸根離子＞硫酸根離子≈氯離子。鈣離子為優勢陽離子,其濃度最大值達到12.36mol/L,最小值為7.49mol/L。重碳酸根離子為優勢陰離子,其濃度最大值為14.6mol/L,最小值為4.6mol/L。①豐水期時,黃橋閘斷面處地下水水化學類型主要為重碳酸鈉型(重碳酸根離子摩爾分數為34.0,鈉離子摩爾分數為25.1)。地下水中離子濃度整體表現為鈉離子+鉀離子＞鎂離子＞鈣離子,重碳酸根離子＞氯離子＞硫酸根離子。鈉離子為優勢陽離子,其濃度最大值達到45.05mol/L,最小值為2.13mol/L。重碳酸根離子為優勢陰離子,其濃度最大值為26.5mol/L,最小值為8.7mol/L。

表2 奎河河水水化學成分mol/L

圖2 奎河河水及沿岸地下水主要陰陽離子Piper三線圖

枯水期時,徐村斷面處奎河河水的水化學類型為重碳酸鈣、鎂型(其中鈣離子摩爾分數為28.5,鎂離子摩爾分數為31.7)；而在石橋和黃橋閘兩斷面處均表現為重碳酸鈣型水(重碳酸根離子摩爾分數分別為25.2和25.1,鈣離子摩爾分數分別為38.9和26.7)。徐村斷面處的河水中陽離子濃度呈現出鎂離子＞鈣離子＞鈉離子+鉀離子的特征,而石橋和黃橋閘兩斷面處則為鈣離子＞鈉離子+鉀離子＞鎂離子。陰離子濃度方面,在3個斷面處所取河水均呈現出重碳酸根離子濃度最高,硫酸根離子和氯離子濃度相仿的特征。重碳酸根離子濃度最高為6.5 mol/L,最低為5.4mol/L。豐水期時,3個斷面處所取奎河河水的水化學類型頗為一致,均為重碳酸鈣鎂型(其中鈣離子和鎂離子摩爾分數之和分別為徐村28.3,石橋29.3,黃橋閘28.6；重碳酸根離子摩爾分數分別為徐村34.7,石橋32.4,黃橋閘31.9),水中離子濃度整體表現為鈣離子＞鈉離子+鉀離子＞鎂離子,重碳酸根離子＞硫酸根離子≈氯離子。優勢陰陽離子分別為重碳酸根離子和鈣離子,前者最高、最低濃度分別為6.2mol/L和5.8mol/L,后者濃度最大、最小值分別為3.49mol/L和2.97mol/L。

4.2 基于主要陰陽離子Piper三線圖的水化學分析

通過對主要陰陽離子Piper三線圖進行分析,可以得知水體的主離子組成變化以及不同水體的化學組成特征,進而辨別出其控制端元。

圖2為奎河河水及沿岸地下水的主要陰陽離子Piper三線圖。分析圖2(a)可知:陽離子方面,枯水期時3個斷面處地下水水樣分布較為集中,離子來源較為相同,其主控陽離子為鈣離子。豐水期時,徐村和石橋2個斷面處水樣水化學特征相似,離子來源頗為相同,與枯水期相比,2個斷面處鎂離子和鈉離子濃度增加顯著,成為主控陽離子。此外豐水期黃橋閘斷面處所取水樣中的鎂離子和鈉離子濃度較枯水期也明顯增加,與徐村和石橋兩斷面有所不同的是,鈉離子濃度高于鎂離子。陰離子方面,無論豐水期還是枯水期,3個斷面處所取地下水水樣分布十分集中,由此可知其離子來源頗為一致。主控陰離子為重碳酸根離子,水樣中所含硫酸根離子和氯離子濃度相仿。

分析圖2(b)可知:陽離子方面,除枯水期在徐村和石橋2個斷面處所取奎河河水樣外,其他各河水樣分布頗為集中,由此可推斷這些水樣中的離子來源較為一致,其主控陽離子為鈣離子。而枯水期于徐村和石橋2個斷面處所取水樣中鈉離子濃度均很低,但兩者鈣鎂離子濃度有所不同,徐村斷面處河水中鎂離子濃度較大,為其主控陽離子；而石橋斷面處河水中濃度最大的為鈣離子,其主控陽離子為鈣離子。陰離子方面,同地下水水化學特征較為相似,無論豐水期還是枯水期,河水樣分布十分集中,離子來源頗為一致。主控陰離子為重碳酸根離子,河水樣中所含氯離子和硫酸根離子濃度相仿。

5 水化學類型形成作用分析

5.1 溶濾作用

溶濾作用是指水溶液在向地下滲透過程中,與巖土發生相互作用,使巖土中的一部分物質轉入到地下水中的過程。溶濾作用的結果是使巖土失去了一部分可溶物質,而地下水則補充了新的組分。

研究區3個斷面處奎河河水及其沿岸地下水中鈣離子和重碳酸根離子濃度一直很高。由研究區水文地質條件可知,該地區含水巖組中有大量碳酸鹽巖,其巖性主要為白云巖、灰巖、白云質灰巖,由此推斷研究區河水和地下水水化學特征的形成受碳酸鹽溶解的影響較大。同時,當大氣降水發生變化時(豐水期和枯水期),相應的地下水中離子組成摩爾分數也會隨之發生很大改變,這種變化特征的產生與大氣降水在向地下水入滲過程中發生溶濾作用,從而令入滲水將巖土中的部分物質帶入到地下水中這一作用有著密切的聯系,這進一步說明了該研究區河水和地下水水化學類型的形成受溶濾作用的影響很大。

5.2 蒸發濃縮作用

蒸發濃縮作用是指水體由于受蒸發影響,水分流失而鹽分留存下來,從而使水溶液逐漸濃縮的過程。通常來講,地表水與埋藏較淺的地下水受蒸發濃縮作用的影響較大。由研究區水文地質條件可知,黃橋閘斷面處奎河附近的地下水主要為潛水,埋藏較淺,徐村和石橋2個斷面處的地下水具有一定的承壓性,埋藏相對較深,故黃橋閘斷面處的地下水受蒸發濃縮作用的影響較大,徐村和石橋兩斷面處則較小。蒸發濃縮作用的影響下,水體礦化度會不斷增大,易溶鹽類濃度會不斷升高,黃橋閘斷面處氯離子的濃度較其他2個斷面處高,進一步佐證了其受蒸發濃縮作用影響較大的事實。

5.3 陽離子交替吸附作用

巖土顆粒表面帶有負電荷,可以吸附水溶液中的陽離子。在一定條件下,這些顆粒吸附地下水中的某些陽離子,而將其原來吸附的部分陽離子轉化為地下水中的組分,該作用即為陽離子交替吸附作用。典型的陽離子交換反應方程式為:

綜合分析3個斷面處所取河水與地下水水樣可知,即使在溶濾作用不很強烈的枯水期,石橋和黃橋閘斷面處的地下水也含有較高濃度的鈉離子,究其原因,乃是土壤顆粒與地下水發生離子交換——土壤顆粒在吸附地下水中鈣鎂離子的同時,也將原來吸附的鈉離子轉移到地下水中,從而使得水體中鈉離子濃度增高。

5.4 混合作用

兩種不同化學成分的水相匯合,形成與原來兩者化學成分均不相同的水體,這稱為混合作用。研究區范圍內,奎河河水與其沿岸淺層地下水有著密切的水力聯系。徐村和石橋斷面處,豐水期時奎河河水補給附近地下水；枯水期時地下水適量補給河水。黃橋閘斷面處因農業用水的需要而設置了節制閘,抬高了河水位,使得該地區主要為河水補給地下水。河水與地下水密切的水力聯系,使得研究區地下水循環十分活躍,形成了低礦化度型水。

5.5 人類活動影響

隨著經濟的不斷發展,人類活動對地下水的影響也日益加大。本研究區內人類活動的影響主要為以下幾種類型:①由于農業用水的需要,當地農民沿河設置了多道節制閘蓄水,同時大量開采地下水；①在研究區種植各種各樣的農作物,如小麥、水稻、大棚蔬菜以及各種果樹等；③進行污水灌溉；④排放生活污水。這些人類活動對河水和地下水水化學類型的形成產生了重要的影響,如設置節制閘蓄水會導致河水水位升高,從而改變地下水的補排條件；大量開采地下水和排放生活污水不但會改變地下水的補排條件,同時也會對溶濾、混合作用產生復雜影響,從而干涉水體水化學類型的形成；各種農作物的種植以及污水灌溉極大地改變了土壤中的離子組成,進而對溶濾作用、陽離子交替吸附作用產生重大影響。總之,人類活動對水化學演化的各個過程都產生了重大的影響。

6 結 論

a.從空間角度來說,位于奎河不同斷面上的沿岸地下水的水化學類型和其離子濃度特征具有各自特點,不同斷面處的奎河河水也顯現出不同的特性；從時間角度來說,即使同一斷面處的奎河河水以及沿岸地下水,在豐水期和枯水期時其離子濃度特征也有所差異。

b.不同斷面處影響地下水水化學類型形成的優勢作用并不相同,表現為徐村斷面處受溶濾作用的影響較大,黃橋閘較其他2個斷面受蒸發濃縮作用的影響較強,石橋斷面處的陽離子交替吸附作用顯著,臨近奎河河水的地下水受混合作用的影響明顯,而人類活動對各個斷面處的地下水都有著不同程度的影響。

c.奎河河水水化學形成的優勢機制是蒸發濃縮作用,并且河水對河床中碳酸鹽礦物的溶解也極大地影響著河水中離子組成特征的形成。同時,設閘蓄水、采引灌溉等人類活動也對奎河河水的水化學演化產生了巨大的影響。

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Analysis on hydro-chem ical characteristics and formation mechanism of Kuihe River and its coastal groundwater

TONG Hao,YANG Fenggen,LIRu jun
(School ofEarth Science and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Understanding hydro-chemical characteristics and formationmechanism of surfacewater and groundwater is very important for protecting and utilizing groundwater resources rationally.Based on the sample of Kuihe river water and its coastal groundwater,methods including descriptive statistics and three lines Piper diagram ofmajor ions were used to analysis the water’s hydro-chemical characteristics and forming effect.Research results show that:(1)In the term of space,the hydro-chemistry type and its concentration in Kuihe coastal groundwater from different sections has different characteristic and so it is in Kuihe water.In the term of time,Kuihe riverwater and its coastal groundwater in one section also have different features when it is in wet season and in dry season. (2)The advantage effects caused by groundwater hydro-chemistry types from different sections are also not the same.The groundwater’s hydro-chemistry type of Xucun section is greatly influenced by leaching effect.The effect of evaporation and concentration is stronger at Huangqiaozha section than the other two sections.As to Shiqiao section,the positive ion alternately adsorption plays an important role.And human activities have more or less influence on groundwater near Kuihe River in each section.(3)The advantagemechanism formed by Kuihe river water’s hydro-chemistry type is evaporation and concentration effect.Also,the dissolution of carbonateminerals in riverbed also has greatly effects on the formation of ion composition characteristics.At the same time,human activities such as setting brake to store water and irrigation also have a huge impact on the Kuihe river water chemical evolution.

Kuihe River；river water；groundwater；hydro-chemical characteristics；three lines Piper diagram of major ions；water chemical evolution

P641

：A

：1004 6933(2015)06 0109 06

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.018

2015 01 12 編輯:彭桃英)

水利部公益性科研項目(2010535212)

佟浩(1989—),男(滿族),碩士研究生,研究方向為水文地質學。E-mail:15952044350@163.com