銀川平原淺層地下水礦化特征及形成機制

孫玉芳, 孟旭晨, 金曉媚, 李洪波

(1. 中國地質大學(北京) 水資源與環境學院, 北京 100083;2. 寧夏回族自治區水文環境地質調查院, 寧夏 銀川 750026)

0 引 言

淺層地下水的礦化受氣候、地貌、水文地質、構造、巖土性質及風化程度等因素的影響往往具有空間差異性[1-2]。開展淺層地下水化學研究不僅對探明其礦化程度和水化學組分來源有重要意義,而且對合理開發利用地下水具有實際意義[3-5]。銀川平原淺層地下水埋藏淺、礦化度高、水質復雜的特性,已成為制約當地生態環境保護、農業產業布局、水資源合理開發利用的重要因素。開展銀川平原淺層地下水化學演化規律研究,對維持和改善銀川綠洲生態系統具有重要參考意義。銀川平原水化學特征研究成果豐富[6-10],柳鳳霞[7]根據1991—2016年銀川地區水質監測資料,表明銀川地區20年間地下水化學組分未發生明顯變化,為偏堿性硬水。范廣群[8]研究了銀川不同水體的水化學參數,表明地表水與地下水存在密切的水力聯系。張兆迪[9]對地下水環境綜合指標與地下水化學類型進行了分析,探討銀川平原地下水的水化學特征及其形成環境。荊秀艷[10]研究銀北平原淺層地下水水化學特征,發現從山前至平原,陰離子由西南向東北依次呈現HCO3型→HCO3·SO4型→HCO3·SO4·Cl型、HCO3·Cl型。周文生[11]對銀川平原河東地區水化學研究指出淺層地下水自南向北水質變差,溶解性總固體(TDS)升高,水化學類型由HCO3·SO4-Ca·Na型向Cl·SO4-Na·Mg型過渡。前人的研究主要集中于銀川平原局部地下水的水化學特征上,缺乏對銀川平原地下水演化規律的研究,單純的針對淺層地下水化學演化研究更加少見。本文以銀川平原淺層地下水為研究對象,通過對多期混合樣本水化學特征的定量分析,結合區域水文地質條件,探討銀川平原淺層地下水水文地球化學的形成機制和空間演化特征。

1 研究區概況

銀川平原位于西北干旱半干旱區,多年平均降水量180 mm左右,多年平均蒸發量1 700 mm左右。銀川平原被圍陷在南部的牛首山、西部的賀蘭山及東部的鄂爾多斯臺地之間,是一個近于南北向的梭形平原,堆積了厚達千米的第四系,在地貌上自西向東構成了山前洪積傾斜平原-沖洪積傾斜平原-沖湖積平原的地貌格局,這種地貌特點決定了銀川平原水文地質條件東西方向上的水平分帶性[10](圖1),其西部山前洪積傾斜平原區為單一潛水區,向東沖洪積傾斜平原和沖湖積平原均為多層結構區。銀川平原水文地質結構完整、水流系統和含水系統相對獨立、水循環開放[9]。根據含水介質、地下水動力及水循環特征,銀川平原可劃分為強勁流—溶濾區、緩慢徑流—蒸發濃縮區、排泄—蒸發濃縮混合區3個水文地球化學作用帶[11, 24]。強勁流—溶濾區主要位于賀蘭山前洪積傾斜平原及平原南部的青銅峽至永寧縣一帶,賀蘭山前洪積傾斜平原水力坡度1/1 000,徑流較快,方向由西向東,青銅峽至永寧縣水力坡度1/500～1/2 000,地下水由南西流向北東;緩慢徑流—蒸發濃縮區位于永寧至賀蘭縣沖洪積平原及沖湖積平原區,水力坡度1/2 000～1/4 000,地下水流向轉為南北向;排泄—蒸發濃縮混合區主要位于賀蘭縣至石嘴山地區,水力坡度1/4 000～1/10 000,地下水流向為南東-北西向,其中以西大灘一帶徑流條件最差,地下水處于非常滯緩狀態。地下水補給來源主要為大氣降水、洪水散失、灌溉及渠系滲漏、地下水徑流及黃河水補給,排泄以蒸發為主,其次為向排水溝排泄,少量人工開采,平原東部存在向黃河排泄。

2 樣品和研究方法

2.1 數據來源

2.2 研究方法

運用IBM SPSS Statistics 19軟件對樣品離子組分濃度進行描述性統計和相關分析,利用Surfer 13和ArcGIS 10.2繪制TDS分區圖及陰陽離子分區圖,應用Origin軟件繪制Gibbs′圖和離子相關圖,應用Grapher 13繪制Piper三線圖,探討銀川平原淺層地下水水文地球化學的形成演化機制。

3 結果與討論

3.1 水化學組分特征

表1 銀川平原淺層地下水及大氣降水主要離子含量統計結果

3.2 TDS與水化學類型

圖2 銀川平原淺層地下水Piper圖Fig. 2 Piper diagram of shallow groundwater in Yinchuan Plain

3.3 水化學特征的空間分帶性特征

TDS、主要陽離子和陰離子分布都具有明顯的分帶性(圖3),一定程度上與地貌和水文地質條件的分帶性相一致[13-14]。自西向東,西部山前洪積傾斜平原單一潛水區及西部沖洪積平原后緣屬于地下水強勁流—溶濾區,地下水的水力坡度大,沉積物以塊石、碎石、砂礫石為主,含水層顆粒粗,滲透性很大,地下水徑流暢通,以1/100至1/500的水力坡度流向沖積平原,溶濾強烈,故形成低礦化水[15],TDS<1 g·L-1,以HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Na型水為主。向東沖洪積平原區緩慢徑流—濃縮過渡區,地形趨于平坦,向東傾斜,沉積物以砂層夾粘質砂土與砂質粘土,地下水徑流條件較好,潛水水力坡度1/500至1/1 500,由南西西流向北東東,潛水TDS一般<1 g·L-1或1～3 g·L-1,水化學類型以HCO3·SO4-Na·Mg、HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3·Cl-Na·Ca型為主。東部沖湖積平原區屬于排泄—蒸發濃縮區,由南而北地形坡度變緩、第四系物質成分由粗變細[16],含水層孔隙度越來越小[15],透水性越來越差,地下水埋藏越來越淺,水交替作用趨于緩慢,受蒸發作用越來越強烈,TDS增大,地下水的礦化程度增大,淺層地下水礦化的分布規律與第四系地層沉積規律基本一致[16-17],TDS一般為1～3 g·L-1,局部地區達到3～6 g·L-1或>6 g·L-1,水化學類型以SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Ca型為主,北部TDS>6 g·L-1,水化學類型以Cl·SO4-Na·Mg型為主。至河漫灘單一潛水區,水文因素對淺層地下水礦化的影響增大,主要體現在地下水與地表水的相互聯系上,淺層地下水接受地表水補給時被淡化,溝谷、河流排泄地下水,則被礦化。

圖3 銀川平原淺層地下水水動力及水化學分區圖Fig. 3 Hydrodynamic and hydrochemical zoning map of shallow groundwater in Yinchuan Plain

由南向北,在平原南段的青銅峽至永寧段地形坡度為1/1 500～1/2 000,平原南部基本上為單一潛水,地下水徑流條件好,水交替、水循環能力強,含水層巖性為砂卵石和中砂,TDS一般小于1 g·L-1,多屬于HCO3·SO4-Na·Mg型水。中段永寧至賀蘭縣段地形坡度1/2 000～1/4 500,為多層結構的含水系統,淺部含水層巖性顯著變細,TDS顯著增高,水化學類型多樣化,多屬于HCO3·Cl-Na·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca、Cl·HCO3-Na·Mg、Cl·HCO3-Na·Ca型。北段賀蘭縣至石嘴山地形坡度1/4 500～1/8 000,為銀川平原地勢最低的部位,為地下水循環的排泄區,且隨著土質的變細,透水性變差,地下水徑流不利于地下水的排泄,淺層地下水的交替以徑流為主轉為以蒸發為主,易于形成地下水的滯留與礦化,使水中各離子成分濃縮,淺層地下水礦化程度高,水化學類型較為復雜,水質較差。

3.4 淺層地下水礦化成因分析

圖4 銀川平原淺層地下水Gibbs圖Fig. 4 Plot of the major ions within the Gibbs model for shallow groundwater in Yinchuan Plain

表2 水化學組分參數相關系數矩陣

水體中的離子比值可推斷離子來源[21-23]。天然狀態下,地下水中的Na+、K+主要來自大氣降水、巖鹽溶解及巖石風化。大氣降水中的Na+/Cl-與海水接近,在0.86左右[24],銀川平原絕大數淺層地下水樣的Na+/Cl-大于0.86(圖5(a)),且隨TDS增大,樣點分異性不大,可見Na+主要來源于蒸發巖(鹽巖和石膏)的溶解[19-21],更多的水樣Na+/Cl大于1(圖5(a)),且在Na++K+與Cl-的關系圖(圖5(a))中大部分樣點偏離1∶1斜線且位于斜線上方,Na++K+相對Cl-盈余,表明蒸發巖的溶解不是Na++K+的唯一來源[1],硅酸巖中納長石、鉀長石的風化對Na++K+的貢獻不可忽略[24]。

圖5 銀川平原淺層地下水主要離子散點分布圖Fig. 5 Major ions scatter diagram of shallow groundwater in Yinchuan Plain

4 結 論

(1)銀川平原淺層地下水化學特征具有明顯的東西向和南北向分帶性特征。