白浪河流域地下水化學(xué)特征及其控制因素

吳振，王松濤

(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濰坊 261021)

白浪河流域內(nèi)地下水可分為淡水和鹵水兩種類(lèi)型，人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)主要聚集在淡水區(qū)。研究白浪河流域平原區(qū)地下水化學(xué)特征及其形成影響因素，對(duì)于正確理解流域地下水資源，保障供水安全具有重要意義。畢延鳳等[1]研究表明，白浪河流域淡水區(qū)和鹵水區(qū)的分界線為泊子鄉(xiāng)-大官莊村一線，以南為淡水區(qū)，以北為咸水-鹵水區(qū)，淡水區(qū)地下水總?cè)芙夤腆w(total dissolved solids，TDS)質(zhì)量濃度一般小于3000 mg/L，水質(zhì)較好，鹵水區(qū)地下水TDS質(zhì)量濃度(ρ(TDS))一般大于20 000 mg/L，最高可達(dá)100 000 mg/L以上。白浪河流域北部海岸帶的地下鹵水資源較為豐富，其ρ(TDS)可達(dá)海水的2～6倍。鹵水中主要離子成分是Na+和Cl-，其次還含有K+、Br-、B3+、Mg2+、I-、Sr2+、Li+等[2]。

根據(jù)一般水文地質(zhì)規(guī)律，平原區(qū)地下淡水主要來(lái)源于濰坊南部山區(qū)的補(bǔ)給，關(guān)于白浪河流域北部地下鹵水的來(lái)源，主要有兩種觀點(diǎn)：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為歷史時(shí)期三次海侵和海退，遺留的古海水蒸發(fā)濃縮形成鹵水，原因是該區(qū)具備海水蒸發(fā)濃縮的三個(gè)條件，即蒸發(fā)量大于補(bǔ)給量、海水補(bǔ)給、鹵水儲(chǔ)存的封閉場(chǎng)所[3-6]，且萊州灣南岸的鹵水賦存于三次海侵形成的三個(gè)松散砂層含水層中，這也從鹵水賦存空間角度側(cè)面印證了這一觀點(diǎn)；第二種觀點(diǎn)認(rèn)為鹵水中的鹽分與溶解蒸發(fā)鹽有關(guān)，確定蒸發(fā)鹽的主要鹽源為海洋鹽分[7-9]，即隨著地下水的流動(dòng)，地層中的易溶鹽溶解，地下水的水化學(xué)成分雖然呈現(xiàn)為鹵水的特征，但是鹵水中的水分子已經(jīng)不是原來(lái)的海水了，已經(jīng)被新的地下水所驅(qū)替。研究人員使用水化學(xué)和同位素分析的方法，發(fā)現(xiàn)鹵水分布區(qū)地下水的氘氧同位素值為負(fù)值，且位于大氣降水線附近，說(shuō)明鹵水區(qū)的地下水來(lái)源于大氣降水。因?yàn)槿绻u水是由海水蒸發(fā)濃縮形成，則鹵水的同位素值應(yīng)為正值且位于蒸發(fā)線上，萊州灣南岸的鹵水的氘氧同位素特征并不符合這一條件。

綜上所述，對(duì)于萊州灣南岸地下水鹵水的形成已有一些研究，兩種觀點(diǎn)分別從地層和水化學(xué)同位素?cái)?shù)據(jù)角度給出了解釋?zhuān)菍?duì)于白浪河流域地下水化學(xué)成分的演化機(jī)理尚不清楚。本文以已有研究為基礎(chǔ)，從地質(zhì)演化角度出發(fā)，通過(guò)水化學(xué)分析，進(jìn)一步分析了全流域地下水水化學(xué)演化規(guī)律及影響因素。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于白浪河流域，地下水類(lèi)型為松散巖類(lèi)孔隙水，含水層巖性以沖積、沖洪積砂礫石為主，夾黏土、粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂。含水層厚度分布不均，從南到北由薄變厚，顆粒由粗變細(xì)，含水層由單層變?yōu)槎鄬印５叵滤飨驗(yàn)橛赡舷虮盵10]，地下水埋深總體上為南深北淺。

白浪河沖洪積扇的軸部及外圍、河流兩側(cè)第四系孔隙水最為發(fā)育，含水層顆粒粗，孔隙率大，富水性強(qiáng)，單井涌水量一般1000～3000 m3/d，強(qiáng)富水地段可達(dá)5000 m3/d，ρ(TDS)一般小于1000 mg/L。水位埋深一般11～25 m，局部因強(qiáng)烈開(kāi)采，水位埋深可超過(guò)50 m。白浪河流域北部為鹵水區(qū)，ρ(TDS)一般大于10 000 mg/L，水位埋深一般小于10 m，該區(qū)域含水層巖性以粉細(xì)砂夾黏土層為主，富水性一般小于1000 m3/d。

白浪河流域北部為沖積、海積平原區(qū)，分布著廣泛的鹵水資源[11-12]，鹵水賦存于海岸帶的海陸交互相沉積層中，形成于晚更新世至全新世。根據(jù)前人鉆孔資料，自晚更新世以來(lái)，濰坊北部海岸帶發(fā)生過(guò)三次地殼升降運(yùn)動(dòng)，并形成三次海侵-海退，從而形成了三個(gè)海相地層[5,13]。鹵水含水層的厚度由陸地向海洋方向有變厚的趨勢(shì)。鹵水濃度具有分帶性，一般在近岸和遠(yuǎn)岸出現(xiàn)低濃度帶，在中間出現(xiàn)高濃度帶，局部地段出現(xiàn)高濃度區(qū)，呈長(zhǎng)條狀或不規(guī)則狀分布[13]。

2 樣品數(shù)據(jù)和研究方法

表1 地下水樣品數(shù)據(jù)表Table 1 Table of groundwater sample data

在水質(zhì)樣品測(cè)試完成后，利用了Gibbs圖、Piper三線圖及無(wú)機(jī)離子示蹤劑的方法，研究了萊州灣南岸平原區(qū)地下水的水化學(xué)特征及控制因素。Gibbs圖主要用于分析地下水化學(xué)成分的來(lái)源。Piper三線圖主要分析地下水的水化學(xué)類(lèi)型及其變化。無(wú)機(jī)離子示蹤劑主要用于分析不同無(wú)機(jī)離子之間的相互作用。

3 結(jié)果與討論

3.1 TDS變化

圖1為白浪河流域從出山口至海岸帶地下水的ρ(TDS)變化曲線，其中橫坐標(biāo)為與出山口的距離。從圖1中可以看出，地下水的ρ(TDS)隨著距離增大呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在淡水區(qū)，地下水的ρ(TDS)一般小于3000 mg/L，平均值為1 098.1 mg/L；在鹵水區(qū)，地下水的ρ(TDS)一般大于80 000 mg/L，平均值為115 669.3 mg/L。從圖中可以看出，ρ(TDS)的變化非常劇烈，升高很明顯。這種劇烈變化與內(nèi)陸盆地地下水咸化不同，內(nèi)陸盆地的地下水咸化會(huì)有由低到高漸變的過(guò)程，只有在鹽湖區(qū)，才會(huì)有劇烈升高。而白浪河流域北部平原地下水的ρ(TDS)在很短的流動(dòng)路徑上即有非常劇烈的升高。所以，根據(jù)其ρ(TDS)的不同，可以將研究剖面分為淡水區(qū)和鹵水區(qū)分別討論。

圖1 出山口至海岸帶地下水TDS變化曲線Fig. 1 TDS change curve of groundwater from mountain to coastal zone

3.2 水化學(xué)成分

地下水的水化學(xué)成分是由地下水的經(jīng)歷所決定的，主要有地下水的補(bǔ)給來(lái)源、地下水流動(dòng)路徑、氣候條件以及水巖相互作用等，同時(shí)地下水的水化學(xué)成分也受人類(lèi)活動(dòng)的影響，可以利用Piper三線圖揭示地下水的水化學(xué)特征及其演化規(guī)律[14-18]。圖2為白浪河流域地下水的Piper三線圖，從圖中可以看出，淡水區(qū)地下水化學(xué)成分的演化為沿著圖中的箭頭由上到下，由弱酸區(qū)演化到強(qiáng)酸區(qū)，水化學(xué)類(lèi)型則由HCO3-Ca·Mg型、HCO3- Mg·Ca型為主逐漸變?yōu)镾O4·HCO3- Mg·Ca型、SO4·HCO3- Mg型、HCO3·SO4-Mg·Na型為主。鹵水則主要分布在強(qiáng)酸區(qū)，水化學(xué)類(lèi)型以SO4-Na型、Cl-Na型為主。從Piper三線圖上可以看出，在淡水區(qū)，地下水中鈉的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)一直處于升高的趨勢(shì)，說(shuō)明淡水區(qū)地下水在流動(dòng)過(guò)程中溶解了含鈉的礦物。

圖2 白浪河流域地下水樣點(diǎn)Piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater sample in Bailang River catchment

3.3 蒸發(fā)濃縮

Gibbs模型可以反映大氣降水、水巖相互作用和蒸發(fā)濃縮作用等對(duì)水化學(xué)成分的影響，該模型以ρ(TDS)表示縱坐標(biāo)，以c(Na+)/c(Na++Ca2+)、c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)為橫坐標(biāo)，樣品在Gibbs圖中的分布位置可以反映地下水化學(xué)特征的主要影響因素[19]。當(dāng)ρ(TDS)值較低且c(Na+)/c(Na++Ca2+)或c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)>0.5時(shí)，表明地下水化學(xué)組分主要受大氣降水作用影響；當(dāng)樣品ρ(TDS)值分布中等且c(Na+)/c(Na++Ca2+)或c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)<0.5時(shí)，表明地下水化學(xué)組分主要受水巖作用影響；當(dāng)ρ(TDS)值較高且c(Na+)/c(Na++Ca2+)或c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)比值接近1時(shí)，表明該地下水化學(xué)成分主要受蒸發(fā)作用影響[20-22]。

從圖3可以看出，白浪河流域淡水區(qū)地下水樣點(diǎn)都落在了水巖相互作用區(qū)，表明淡水區(qū)地下水水化學(xué)成分的形成主要是水巖相互作用。鹵水區(qū)的地下水樣品落在了蒸發(fā)濃縮區(qū)，表明鹵水區(qū)地下水化學(xué)成分的形成是由于蒸發(fā)濃縮作用。不同于內(nèi)陸盆地的蒸發(fā)濃縮作用，地下水咸化的直接原因是蒸發(fā)濃縮；鹵水區(qū)地層中的鹽分主要來(lái)源于三次海侵剩余海水的蒸發(fā)濃縮，在地下水流動(dòng)過(guò)程中，溶解了海水蒸發(fā)濃縮而析出的鹽分，在Gibbs圖上，水化學(xué)成分表現(xiàn)蒸發(fā)濃縮的特征。

圖3 白浪河流域地下水樣品Gibbs圖Fig.3 Gibbs map of groundwater samples in Bailang River catchment

3.4 離子關(guān)系

注：1 meq/L=電荷數(shù)×103 mol/L。圖4 鹵水區(qū)陽(yáng)離子與Cl-的關(guān)系Fig.4 Relationship between cations and Cl- in the coastal zone

濰坊市海岸帶經(jīng)歷了三次海侵和海退，沉積了大量的鹽分。首先確定海水蒸發(fā)析出的礦物，再反演地下水在徑流過(guò)程中對(duì)礦物的溶解。海水蒸發(fā)試驗(yàn)給出了礦物沉淀的基本順序，即首先沉淀難溶礦物，再沉淀易溶礦物[25]，具體過(guò)程是：蒸發(fā)開(kāi)始后，首先沉淀CaCO3；當(dāng)海水蒸發(fā)掉80%以后(此時(shí)碳酸鹽都已沉淀)，石膏(CaSO4)開(kāi)始沉淀；當(dāng)海水蒸發(fā)掉90%后(此時(shí)海水中的大多數(shù)Ca2+已隨石膏沉淀)，石鹽(NaCl)開(kāi)始沉淀；當(dāng)海水蒸發(fā)掉95%后，MgCl2、MgSO4、KCl和K2SO4開(kāi)始沉淀。

Harvie等[26]通過(guò)理論推導(dǎo)出礦物溶解的難易順序，按溶解度由大到小，主要礦物由快到慢的溶解速度排序?yàn)椋篗gCl2、NaCl、KCl、Na2CO3、Na2SO4、CaCl2、CaSO4。利用Pitzer理論[27-30]計(jì)算鹵水樣品的飽和指數(shù)，見(jiàn)表2，從表中可以看出，易溶鹽的飽和指數(shù)都小于0，說(shuō)明易溶鹽尚未達(dá)到飽和，地下水在流動(dòng)的過(guò)程中會(huì)首先溶解易溶鹽。CaSO4的飽和指數(shù)接近于0，部分樣點(diǎn)大于0，表明CaSO4已經(jīng)基本達(dá)到飽和，所以不會(huì)再溶解CaSO4。

圖5 鹵水區(qū)地下水樣品中c(Na++K++Mg2+)與關(guān)系圖Fig.5 Relationship between c(Na++K++Mg2+) and of groundwater samples in coastal zone

3.5 水化學(xué)成分的影響因素

從上文的分析中可以看出，淡水區(qū)的ρ(TDS)較低，鹵水區(qū)的ρ(TDS)較高，有明顯的區(qū)別。從Piper三線圖分析可以得出，淡水區(qū)地下水水化學(xué)成分的形成主要是地下水徑流過(guò)程中的溶濾作用。根據(jù)鹵水區(qū)地下水樣品的Gibbs圖，鹵水區(qū)地下水化學(xué)成分有蒸發(fā)濃縮的特征，這是由于地下水在流動(dòng)過(guò)程中溶解了易溶鹽，而這些易溶鹽則是歷史時(shí)期海侵和海退遺留的古海水蒸發(fā)濃縮形成的。根據(jù)前人對(duì)鹵水區(qū)地下水同位素的研究，鹵水中的水分子未經(jīng)歷過(guò)蒸發(fā)。這兩項(xiàng)研究看似矛盾，實(shí)則是因?yàn)樗峒暗臅r(shí)間點(diǎn)不同。地層中的鹽分是歷史時(shí)期海水蒸發(fā)形成；而同位素研究中的水分子未受蒸發(fā)，是指現(xiàn)在所取水樣中的水分子未受蒸發(fā)。從地質(zhì)演化角度考慮，三次海侵距今已有一萬(wàn)年左右，海侵時(shí)留下的海水形成了現(xiàn)在地層中的鹽分。海侵和海退結(jié)束后，陸地的地下水向海洋排泄，一萬(wàn)年前留在地層中的地下水，已經(jīng)被一萬(wàn)年以來(lái)的地下水徑流所驅(qū)替，所以原來(lái)經(jīng)受蒸發(fā)的水分子已經(jīng)不復(fù)存在，現(xiàn)在含水層中的水是新補(bǔ)給的水，而地下水中的化學(xué)成分是溶濾地層中的鹽分形成的。

4 結(jié)論

(1)淡水區(qū)ρ(TDS)一般不超過(guò)3 000 mg/L，鹵水區(qū)的ρ(TDS)一般為80 000～170 000 mg/L，較淡水區(qū)的ρ(TDS)有明顯的升高，這一點(diǎn)不同于典型的沖洪積平原的ρ(TDS)分布規(guī)律，是由于鹵水區(qū)地下水化學(xué)成分的演化主要受控于三次海侵沉積的鹽分。

(2)淡水區(qū)地下水化學(xué)成分的演化在Piper三線圖上表征為由上到下，由弱酸區(qū)演化到強(qiáng)酸區(qū)，水化學(xué)類(lèi)型則由重碳酸型為主逐漸變?yōu)榱蛩嵝蜑橹鳌｛u水則主要分布在強(qiáng)酸區(qū)，水化學(xué)類(lèi)型以氯型為主。

白浪河的下游為鹵水區(qū)，鹵水是一種有效資源，未來(lái)可以進(jìn)一步定量研究鹵水的可持續(xù)開(kāi)發(fā)，這對(duì)當(dāng)?shù)刭Y源開(kāi)發(fā)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有一定的促進(jìn)作用。