新乡市地下水化学特征及演化规律

第３３卷第１期　２０１１年１月　人民黄河　Ｖｏ１．３３．Ｎｏ．１　ＹＥＬＬ０Ｗ　ＲＩＶＥＲ　Ｊａｎ．，２０１１　【水资源】　新乡市地下水化学特征及演化规律　武亚遵　，万军伟　，潘国营　，马玉银　（１．中国地质大学环境学院，湖北武汉４３００７４；２．河南理工大学资源环境学院，河南焦作４５４０００；　３．云南省煤田地质局昆明工程勘察公司，云南昆明６５００５１）　摘要：以位于太行山前冲洪积、冲积平原的新乡市为研究对象，分雨、旱两季对地下水进行取样分析。综合运用描述性　统计、离子比例系数和Ｐｉｐｅｒ三线图示法，研究了地下水化学的时空变异特征与演化规律。结果表明：季节变化对地下水　化学空间变异性影响较小；风化溶滤、阳离子交换、人为因素和蒸发浓缩是控制研究区地下水质演变的主要水化学过程；　地下水化学类型变化较为复杂，主要从ＨＣＯ３一Ｃａ・Ｍｇ型向ｓ０４・Ｃｌ—Ｃａ・Ｍｇ・Ｎａ型和ＨＣＯ３・ＳＯ４一Ｎａ・Ｍｇ型演化。　关键词：水化学；冲洪积平原；冲积平原；地下水；新乡市　文献标识码ｉＡ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００．１３７９．２０１１．０１．０２９　中图分类号ｉ　Ｐ６４１．３　地下水是我国许多大中城市的供水水源，尤其在北方干旱　天然条件下研究区地下水自北向南运移，即自山前剥蚀丘　陵岗地向冲洪积、冲积平原运移。２０世纪８０年代后，共产主义　渠北岸自西向东先后兴建了几个大型傍河型水源地，随着地下　水开采量的不断增加，冲洪积平原区地下水位不断下降，并形　成了轴向平行于河渠走向的水位降落漏斗，改变了浅层地下水　天然的运移模式　，来自山前冲洪积斜地上的地下水仍自北向　南渗流，而南部冲积平原区地下水则改为由南向北渗流。　半干旱地区，赋存于第四系冲洪积物中的地下水是重要的、甚　至唯一的水源…。近年来，随着人口不断增长、城市化进程加　快和经济建设的高速发展，生产与生活用水量急剧增大，加之　开采过程中缺乏统一管理，使许多地区发生了地下水超采现　象，并诱发了地面沉降、海水入侵和水质恶化等现象　。地下　水在自然系统的循环过程中，与周围的环境进行着极其复杂的　物质、能量和信息交换，水化学特征在时空尺度上也不断地变　化。因此，研究地下水化学的时空变异特征与演化规律，可以　更好地揭示地下水与环境相互作用的机制，为环境资源管理提　２采样及测试方法　为了，揭示影响和控制地下水水质演化的水一岩（土）作用、　供科学依据　Ｊ。　新乡市水资源严重短缺，人均水资源量不足全国平均水平　的七分之一　，地下水是其居民生活和工农业生产用水的主要　供水水源。在人类活动的干扰下，地下水系统的水动力条件和　化学环境发生了深刻变化，破坏了原有地下水系统的流场和水　阳离子交换等水化学过程，在研究区中部冲洪积倾斜平原和南　部黄河冲积平原区布置了２６个取样点（见图１）。　化学场，并形成了局部水化学异常区，部分地区甚至出现了盐　渍化现象。　１水文地质概况　新乡市位于太行山南麓、黄河中下游冲积平原的北缘，地　形西高东低、北高南低。北部地面高程为１３０～２１０　ｍ，南部地　面高程为６９～７３　ｍ。近山前为剥蚀丘陵岗地，中部为冲洪积倾　斜平原（包括微倾斜地和交接洼地），南部为黄河冲积平原。多　年平均降水量为５７３．４　ｍｍ，７—９月降水量约占全年总降水量　的７０％左右。多年平均蒸发能力为１　９２８．１　ｍｍ，５＿＿６月蒸发　最强烈。地表水属海河水系，天然河流有东、西孟姜女河和卫　河，人工河流有共产主义渠和人民胜利渠。　图１研究区地下水取样点位置　分别于２００５年７月（雨季）和２００６年２月（旱季）取样进　收稿日期：２０１０—０３－０８　研究区处于新华夏系与东西构造带的交接部位，构造运动　复杂，形迹以断裂为主，多为隐伏构造。绝大部分地区被第四　系地层所覆盖，受地形、地貌的影响，第四系沉积物厚度变化较　大，从西北太行山前到东南部冲积平原呈递增趋势，是孔隙水　的主要赋存空间。　・基金项目：河南省科技攻关项目（３２４２２０１０４）。　作者简介：武亚遵（１９８１－－），男，河南鲁山人，博士研究生。研究方向为水文地　质、环境地质。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕｙａｚｕｎ＠１６３．ｅｏｍ　７０・　人民黄河行有关水化学参数测试，项目包括Ｎａ　、Ｃａ“、Ｍｇ“、ＨＣＯｆ、　ｃｌ一、ＳＯ　一、ｐＨ值和总溶解固体（ＴＤＳ）。ｐＨ值通过便携式ｐＨ　计在现场进行分析，样品的其他监测项目在日本千叶大学实验　２０１１年第１期　学类型空间变异性影响较小。在旱季和雨季，冲洪积平原地下　水中阴、阳离子质量浓度最大的均为ＨＣＯ；和Ｃａ“；冲积平原　地下水中阴、阳离子质量浓度最大的均为ＨＣＯ３和Ｎａ　。②冲　洪积平原地下水化学参数的变异系数大都比冲积平原大，表明　冲洪积平原地下水化学性质在空间上变异性大，受地形地貌、　室进行，其中：Ｎａ　、Ｃａ“、Ｍｇ２　、Ｃ１一和ｓ０　一等参数采用离子色　谱仪进行测定，相对误差为５％；ＨＣＯｆ采用稀硫酸一甲基橙滴　定方法测定；ＴＤＳ为各项离子质量浓度的总和。　水文气象条件和人类活动等因素的影响较大、③不同季节、不　同地貌单元地下水中ＨＣＯｆ的变异系数都相对较小，而其平均　值和标准差都较大，表明其在地下水中的绝对含量较大且具有　相对稳定性，是地下水的主要阴离子。冲洪积平原地下水中　３研究方法与结果分析　首先对研究区地下水进行科学、系统的取样，测定有关水　Ｎａ　、ＳＯｉ、ＣＩ一的变异系数较大，表明其在地下水中的含量变　化学参数，然后利用水化学软件，综合运用描述性统计、离子比　例系数和Ｐｉｐｅｒ三角图示法，全面系统地研究地下水化学的时　化较大，是随环境及人为因素变化的敏感因子，是决定冲洪积　空变异特征与演变规律，揭示控制地下水质量演变的主要水化　平原地下水盐化作用的主要变量。而冲积平原地下水化学参　学过程。　数的变异系数均较小，表明该区地下水盐化作用相对较微弱。　３．１地下水化学参数　④雨季大量降水入渗补给地下水，在一定程度上稀释了地下水　中各离子的浓度，因此雨季水质一般好于旱季。同时冲积平原　２００５年７月和２００６年２月不同地貌单元地下水化学参数　统计特征值分别见表１和表２（各离子与ＴＤＳ的最小值、最大　区受外界人为因素干扰较少，其地下水水质一般要好于冲洪积　平原区。　值、平均值单位为ｍｇ／Ｌ）。分析结果表明：①季节变化对水化　表１　２００５年７月地下水化学参数的统计特征值　３．２离子比例系数分析　解的指示因子，可以反映出离子来自硅酸盐矿物的分解或土壤　控制地下水演化的水化学因素是多方面的，应用水中各离　盐分的溶解　。从图２可以看出，冲洪积平原地下水水样分析　子含量的比值特征是分析地下水演化的有效手段之一，各种组　点位于或接近１：１平衡线，说明地下水化学成分主要是含岩　分之间的含量比例系数常常被用来研究某些水化学问题　Ｊ。　盐地层经风化一溶滤作用而形成；冲积平原地下水水样分析点　，，　／ｙ　。系数称为地下水的成因系数，是表征地下水中钠离子富　大部分落在１：１平衡线的上方，说明Ｎａ　的毫克当量浓度均　集程度的一个水化学参数。标准海水的　／　。系数平均值为　大于Ｃｌ一的毫克当量浓度，即　／　。系数大于ｌ，地下水在流动　０．８５，低矿化度水具有较高的　／Ｙ　。系数（＞０．８５），高矿化度　过程中不断通过水解和酸化作用使岩石矿物风化溶解，使Ｎａ　水具有较低的　Ｎ　／ｙｃｌ系数（＜０．８５）。　从长石中释放出来，从而使Ｎａ　浓度大于ｃｌ一的浓度　Ｊ。由图　２００６年２月地下水Ｎａ　与Ｃ１一的关系、Ｃａ２　＋Ｍｇ“与　３可以看出，无论是冲洪积平原还是冲积平原，地下水水样分析　ＨＣＯ；＋ＳＯｌ一的关系分别见图２、图３（图中，圆点代表冲洪积　点均位于或接近１：１平衡线，表明地下水主要来源于大气降水，　平原地下水，方点代表冲积平原地下水）。Ｎａ　离子是矿物分　主要离子Ｃａ２　、Ｍｇｚ　、ＨＣＯ３－来源于碳酸岩盐的风化、溶解。　・７】・　人民黄河２０１１年第１期　杂。冲洪积平原微倾斜地区，地下水接受大气降水、岩溶泉水　∞　加　ｍ　５　０　人渗补给，地下水径流条件较好，在含水层中停留时间短，含水　层中易溶组分如Ｃ１一、ｓ　一、Ｎａ　、Ｋ　等不断被淋滤并被地下径　流带走，Ｃａ“、ＨＣＯｆ占绝对优势，形成低矿化度的ＨＣＯ３一　Ｃａ・Ｍｇ型地下水；冲洪积平原交接洼地区，地下水埋藏较浅，且　Ｃｌ一／ｆｍｅｑ‘¨　地表存在大量的废水和废渣等污染源，地下水在接受补给或径　图２　２，００６年２月Ｎａ　与ｃｌ一的关系　流过程中不断与外界环境进行各种物理化学作用，水质较差，　水化学类型有ＨＣＯ　・ＳＯ　・ＣＩ—Ｃａ・Ｍｇ・Ｎａ型、ＳＯ　・Ｃ１一　Ｃａ・Ｍｇ・Ｎａ型等；南部黄河冲积平原区地势低洼，地下埋藏　－　浅，水位埋深小于４．０　ｍ，地下水开采强度小，排泄以蒸发为主，　叠　Ｈｃｏ；，ｓｇ一／（ｍｅｑ。Ｌ１　圈３　２００６年２月ｃａ　＋Ｍｇ　与ＨＣＯ３－＋ｓ０ｊ一的关系　３．３不同地貌地下水化学特征　采用国际上通用的水化学分类方法，首先计算主要阳离子　（Ｎａ　、Ｍｇ“、Ｃａ　）和阴离子（ｃｌ一、ＳＯ　一、ＨＣＯ；）的毫克当量百　分数，使毫克当量百分数大于１０的离子参与水化学类型的分　类，然后利用Ｇｗ—ｃｈａｒｔ软件绘出不同时段、不同地貌单元的水　化学类型图。　地下水水化学特征由地下岩性、径流速度、补给条件、排泄　条件、地球化学反应特征、人类活动等因素决定，通常情况下，　地下水中的ＨＣＯ；、ＳＯｉ一、Ｃ１一和ＴＤＳ从补给区到排泄区呈现出　增加的趋势　Ｊ。依据研究区不同时段资料分别绘出２００５年７　月、２００６年２月地下水Ｐｉｐｅｒ图（见图４、图５）。　ｃａ２＋　Ｎａｔ＋Ｋ’ｃ０；＿＋ＨｃＯ　ＣＩ－　图４　２００５年７月地下水化学类型　ｃ　Ｎａ＇＋Ｋ’ｃｏ２￣，．ｃｇ　ＣＩ一　图５　２１１Ｏ６年２月地下水化学类型　从图中可以看出：①研究区内地下水化学类型变化较为复　・７２・　在长期蒸发浓缩作用下，地下水中ＴＤＳ较高，水化学类型多为　ＨＣＯ　・ＳＯ　一Ｎａ・Ｍｇ型。②地下水化学类型季节变化不明　显，其成分的形成和演变主要受流经岩（土）的种类、性质以及　各种物理、化学作用控制。　４结语　（１）季节变化对研究区地下水化学空间变异性影响较小。　受地形地貌、水文气象条件和人类活动等因素的影响，冲洪积　平原地下水化学空间变异性比冲积平原大，尤其是Ｎａ　、ｓｏｌ一、　ｃｌ一的变异系数较大，是决定地下水盐化作用的主要因素。　（２）不同地貌单元地下水化学变化过程不同。冲洪积平原　地下水化学变化主要为溶滤、阳离子吸附交换且受人为因素作　用，冲积平原地下水化学变化主要为蒸发浓缩。　（３）研究区地下水化学类型变化比较复杂，主要从ＨＣＯ，一　Ｃａ・Ｍｇ型向Ｓ０　・Ｃｌ—Ｃａ・Ｍｇ・Ｎａ型和ＨＣＯ３・ＳＯ４一Ｎａ・　Ｍｇ型演化。地下水化学类型季节变化不明显，地下水化学成　分的形成和演变主要受流经岩（土）的种类、性质以及各种物理　化学作用所控制。　参考文献：　［Ｉ］孔维玮我国水资源的开发利用［Ｊ］．能源研究与利用，２００１（１）：４８－４９．　［２］倪深海，郑天柱，徐春晓．地下水超采引起的环境问题及对策［Ｊ］．水资源保　护，２００３，１９（ｏ４）：５—６．　［３］　章光新，邓伟，何岩，等中国东北松嫩平原地下水水化学特征与演变规律　［Ｊ］水科学进展，２００６，１７（１）：加一２８　［４］　王国重．新乡市水资源紧缺状况及对策［Ｊ］．水资源保护，２００２（４）：３１—３２．　［５］林云，潘国营，靳黎明，等．氢氧稳定同位索在新乡市地下水研究中的应用　［Ｊ］人民黄河，２００７，２９（１０）：５３—５４．　［６］温小虎，仵彦卿，苏建平，等．额济纳盆地地下水盐化特征及机理分析［Ｊ］．　中国沙漠，２００６，２６（５）：８３６—８４１，　［７］　沈照理．水文地球化学基础［Ｍ］．北京：地质出版社，１９８６．　ｆ　８］Ｓｔａｌｌａｒｄ　Ｒ．Ｅｄｍｏｎｄ　Ｊ．Ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｍａｚｏｎ　ｒｉｖｅｒ：Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｎ　ｄｉｓｓｏｌｖｅｄｌｏａｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ，１９８３，８８（１４）：９６７１—９６８８．　［９］Ｋａｒｒｏ　Ｅ，Ｍａｒａｎｄｉ　Ａ，Ｖａｉｋｍａｅ　Ｒ．Ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎｏｆｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｓａｌｉｎｉｔｙｉｎｔｈｅ　Ｃａｌｄａｉａｎ—　Ｖｅｎｄｉａｎ　ａｑｕｉｆｅｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｋｏｐｌｉ　Ｐｅｎｉｎｓｕｌａ，Ｎｏｒ＊ｈｅｍ　Ｅｓｔｏｎｉａ［Ｊ］．Ｈｙｄｍｇｅｏｌｏｇｙ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００４，１２（４）：４２４—４３５．　【责任编辑刘棋】