羅山自然保護區地下水化學特征研究

吳 璽，程旭學，馬岳昆，李 戍

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

羅山自然保護區地下水化學特征研究

吳 璽，程旭學，馬岳昆，李 戍

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

羅山自然保護區是寧夏中部的水源涵養林區。通過對羅山地下水進行取樣分析、綜合運用描述性分析、因子分析的方法，對地下水化學成分的統計特征及其在空間上的變化規律進行了分析研究。結果表明:①羅山淺層地下水中HCO3－和絕對含量較高，為地下水中的主要離子。以羅山為中心，向四周輻射，地下水化學類型特征及演變規律;地下水中的 Mg2+、Na+、Cl－、、NO3－和 TDS的相關程度很高，主要是來自沉積砂巖、板巖中的長石、石英和絹云母;區內硫酸根離子、氯離子和水的總硬度普遍超標，咸水區對人體有害的氟化物含量超標，部分微咸水區的氟化物含量超標，淡水區未出現超標現象。

地下水化學特征;TDS;地下水化學類型;因子分析

羅山國家級自然保護區是寧夏三大天然次生林區之一，位于寧夏中部生態干旱帶和經濟貧困帶，地理坐標為北緯37°11＇～ 37°25＇，東經 106°4＇～ 106°24＇，區域海拔高度 1 560～ 2 624.5 m，年均降雨量不到 400 mm［1］，總面積 33 710 hm2(圖1)。它是重要的水源涵養中心，并且處在明顯的生態過渡帶上，生態系統脆弱。因此本文對羅山自然保護區地下水的化學特征進行分析，并討論其成因，達到合理利用該區域地下水資源的目的。

1 水文地質概況

羅山山勢陡峭，近山前地區多為貧水區，單井涌水量小于50 m3/d，水位埋深大于100 m，靠山前埋深更大，一般多大于150 m;洪積扇中段水位埋深大于70 m，含水層厚度在20～35 m之間，單井涌水量一般小于500 m3/d;洪積扇前緣地下水位埋深50～70 m，含水層厚20～40 m，單井涌水量500～1 000 m3/d［2］。根據實地水文地質勘察，地下水主要賦存在羅山西麓北段的第四系斷陷帶內，含水層主要為第四系更新統砂礫石、礫石層，其次為全新統砂礫石層，單井涌水量可達5 900 m3/d。斷陷帶之外的其它地區，第四系堆積物比較薄，賦水性差，單井涌水量一般小于500 m3/d，甚至為不連續的含水體，水量小，開發利用比較困難。地下水補給源缺乏，地下水的補給來源主要是山區基巖裂隙水的側向徑流補給，其次是大氣降水入滲補給(圖2)。

圖1 羅山自然保護區地理位置圖

圖2 羅山地區綜合地質及水文地質剖面圖

2取樣與測試方法

2.1取樣層位

本文借助全國地質調查項目“寧夏中南部嚴重缺水地區1:5萬水文地質調查”，對羅山地區的地下水形成演化特征進行研究。研究區水化學分析取樣8組，這8組水樣都是泉水，來源于奧陶系砂巖、板巖，取樣層位如圖3所示。

圖3 羅山水樣取水層位

2.2水樣測試

樣品水化學測試由甘肅省地礦局水文地質工程地質勘察院實驗室完成。根據《地下水質檢測方法》DZ/T0064－93，pH值指標由pH酸度計測定完成;ICP發射光譜測定K+、Na+、Ca2+和 Mg2+陽離子成分;離子色譜測定、Cl－、NO3－陰離子成分;HCO3－、采用容量法，結果分別以HCO3－、表示。堿度采用容量法，用鹽酸滴定，結果以CaCO3表示。

3 討論與分析

3.1 常規離子與 TDS的關系

8組水樣水化學成分測試結果如表1所示。根據調查分析的結果，羅山丘陵區地下水大致分為5種基本類型(圖5、圖6)。

表1 羅山水樣水質分析表

從圖4和圖5中可以得出，各常量離子的濃度都低于500 mg/L，其 中和濃度的均值最高，K+和濃度的均值偏低，可以大概判斷出 Mg2+、Na+、Cl－、、對 TDS的貢獻較大。

分析羅山地區所取水樣各常量離子與礦化度(圖4)關系［3－6］，可以明顯得出，隨著礦化度的增大，從淡水區過渡到微咸水區時，Na+、Cl－、的含量迅速增加，Mg2+的增加很緩慢，、、K+基本維持不變，而則在減少，地下水朝著硫酸鹽類型水演化;從微咸水區過渡到咸水區時，Ca2+、Mg2+、Na+、Cl－、的含量迅速增加，K+、的增加很緩慢，基本維持不變，地下水朝著硫酸鈉和氯化鈉鹽類型水演化。

圖4 各常量離子與礦化度關系圖

圖5 羅山地下水化學類型三線圖

3.2 水化學類型特征

羅山地區淺層地下水由于受地貌、巖性等因素的控制，其水化學類型由羅山向四周溝谷，具有明顯的規律性。羅山山區主要為硫酸重碳酸鹽類，羅山西部溝谷為硫酸重碳酸鹽類夾雜部分重碳酸鹽類，羅山北部則以重碳酸鹽類為主(圖6)。從圖6中可以看出，在羅山地區，以羅山為中心，向四周輻射，地下水類型演變規律為:SO4ClHNaMg型→HCO3CaNa型→CaNaMg型→SO4Cl－NaMg型→CaNa 型［7－9］。

該區地下水礦化度以大羅山中心最低，羅山附近溝谷的礦化程度逐漸加重，在小羅山東部礦化度最高，陽離子順隨礦化度的變化漸被堿土金屬離子置換，因而鈉離子含量很高，分布極為普遍，在各類型水中占據首位。地下水水質以吳家梁、大斷頭梁、蘆花臺所圍成的圈為界，圈內地下水水質好，礦化度＜1 g/L，圈外地下水礦化度為1～3 g/L，水質略差，王戶臺以北地區地下水礦化度逐漸增大，為3～10 g/L，水質差(圖7)。

圖6 羅山水化學類型分區圖

圖7 羅山地下水礦化度分區圖

3.3 水化學組分形成機制

對8組水樣的9項指標進行因子分析［10－12］，分別得到各地下水化學組分之間的相關系數矩陣(表2)，相關系數矩陣的特征值和累計方差貢獻率(表3)，方差極大旋轉法因子載荷矩陣(表4)。

表2 羅山水化學成分相關系數

表3 相關矩陣的特征值和方差累計貢獻率

表4 方差極大旋轉因子載荷矩陣

通過因子分析得到了4個因子，其累計方差貢獻率達到99.48%，即這4個因子可以反映總體水化學樣本99.48%的水化學信息量，且單因子的方差貢獻率大小也反映了因子對水化學成分影響程度大?。?3］。

(1)第一因子 F1的方差貢獻率為 71.331%，主要由Mg2+、Na+、K+、Cl－、和 TDS 構成，Cl－、、與 Mg2+、Na+相關程度較高，Mg2+、Na+、Cl－、、NO3－和TDS的相關程度很高，一方面反映出巖石礦物溶解的影響，由于沉積砂巖、板巖礦物成分主要為長石、石英和絹云母，使水中Mg2+、Na+含量增大，另一方面由于夾雜著黑色頁巖，其滲透性差，造成地下水徑流不暢，使水中離子組分含量升高，導致地下水中TDS較高。

(2)第二因子 F2的方差貢獻率為 18.716%，主要由Ca2+和 K+構成，Ca2+與 K+相關程度較高，Ca2+和 TDS的相關程度不高，表明石膏粉砂巖、石膏質泥巖及部分石膏受到大氣降水滲透溶濾作用和地下水徑流作用的影響，使得水中Ca2+的濃度升高，但由于石膏的溶解度較低，因此不能對TDS的增大產生積極的作用，而風成黃土經過溶濾作用，增大了地下水中的K+濃度，礦化度普遍降低。

(3)第三因子 F3的方差貢獻率為 7.719%，主要由HCO3

－和K+構成，一方面反映出重碳酸鹽礦物溶解的影響，另一方面隨著地下水徑流，從源到匯的過程中，越來越多空氣中的CO2溶解到地下水中，而 K+含量升高則反應出地下水中離子的聚集。

(4)第四因子F4的方差貢獻率為 1.715%，主要由 K+構成，K+僅與TDS呈中等相關關系，這表明在該地區巖石礦物與環境的作用下，所釋放出的K+只有中等程度。

4 結論

(1)羅山淺層地下水中HCO3－和SO42－平均濃度為239.975 mg/L和 214.725 mg/L，兩值均較大，變異系數較小，反映了它們在地下水中的絕對含量較高，為地下水中的主要離子。

(2)在羅山地區，以羅山為中心，向四周輻射，地下水類型演變規律為:SO4ClHCO3－NaMg型→HCO3SO4－CaNa型→SO4－CaNaMg型→SO4Cl－NaMg型→SO4－CaNa型。

(3)地下水中的 Mg2+、Na+、Cl－、、NO3－和TDS的相關程度很高，這些離子主要是來自沉積砂巖、板巖中的長石、石英和絹云母，地下水的礦化度高低主要是由這些離子來控制的。

(4)根據 GB5749－2006《生活飲用水衛生標準》的內容，區內還有個明顯的水化學特征是硫酸根離子、氯離子和水的總硬度普遍超標，咸水區對人體有害的氟化物含量已超標，部分微咸水區的氟化物含量超標，淡水區未出現超標現象。

［1］仇智虎，胡學玲.羅山自然保護區發展對策［J］.寧夏農林科技.2008(4):68～69.

［2］張占強，楊雪霞.羅山自然保護區水資源現狀與可持續利用途徑［J］.安徽農學通報，2008:14(11)75 ～77.

［3］于艷青，余秋生，等.寧夏南部清水河平原地下水水化學同位素特征演化研究［J］.勘察科學技術，2005(2):42～44.

［4］李向全，侯新偉，等.太原盆地地下水系統水化學特征及形成演化機制［J］.現代地質，2009，23(1):1 ～8.

［5］李文鵬，郝愛兵.中國西北內陸干旱盆地地下水形成演化模式及其意義［J］.水文地質工程地質，1999(4):28～32.

［6］王嵩嶸.安徽省淺層地下水水化學特征探討［J］.江淮水利科技，2008(3)33～34.

［7］沈玲玲，李曉，韋玉婷.四川溫江金馬地區地下水化學特征研究［J］.廣東微量元素科學，2006.13(9)56 ～60.

［8］劉文忠，王立勇，陳興國，等.大慶市地下水化學特征［J］，黑龍江水專學報，2009，36(1):113 ～115.

［9］陳生華，王世杰，肖德安，等，典型喀斯特表層巖溶帶地下水化學特征——以貴州清鎮王家寨喀斯特小流域為例［J］.生態環境學報，201019(9):2130～2135.

［10］孫斌，邢立亭，濟南市區附近地下水化學特征研究［J］.中國農村水利水電，2010(11):33～37.

［11］張偉敬，孫曉明，柳富田等，曹妃甸地區地下水水化學特征及影響因素的R型因子分析［J］.安全與環境工程，201017(1):1～5.

［12］龍文華.通遼地區淺層地下水化學特征演化研究［D］.中國地質大學(北京)博士學位論文，2010:55～57.

［13］桂和榮.皖北礦區地下水水文地球化學特征及判別模式研究［D］.中國科學技術大學博士學位論文，2005:51～61.

Chemical characteristics of groundwater Luoshan Nature Reserve

WU Xi，CHENG Xu － xue，MA Yue － kun，LIShu
(Geological Survey Center of hydrogeological environment，Bureau of China Geological Survey，Baoding 071051，Hebei)

Roshan is a nature reserve at the water conservation forests in the center of Ningxia，water quality，it solves the problem of drinking water nearby villages. Through our investigation the area and its surrounding areas，the groundwater’s TDS outside Luoshan nature reserves is generally higher than 1g/L，and high levels of fluoride ion，poor water quality. In order to identify the forming causes of Roshan and chemical characteristics of groundwater and rational utilization of groundwater resources，take the Luoshan Natural reserve for an example，sampling analysis of the groundwater this area，the article comprehensively applies the descriptive analysis，factor analysis，and totally and systematic studies the chemical characteristics of groundwater in Luoshan.The following conclusions:①the average concentration contained inandof Luoshan shallow groundwater respectively is 239.975 mg/L and 214.725 mg/L，two values are larger，the coefficient of variation is smaller which reflecting their absolute content in groundwater higher and is the major ions in groundwater. ②In the Luoshan district and taking regard as the center radiation to the surrounding，the evolution of groundwater type is:Cl－HCO3－Na Mg type→Ca Na type→Ca Na Mg type→Cl－Na Mg type→Ca Na type.③The Mg2+，Na+，Cl－，，and TDS is high degree of correlation，these ions are mainly from the deposition of sandstone，feldspar of slate，quartz and sericite，The groundwater salinity is mainly composed of high and low these ions to control.④ According to GB5749－2006"Drinking water health standards"content，there is a significant area of the water chemistry is characterized by sulfate，chloride and total hardness of water generally exceeded，water district harmful levels of fluoride has been exceeded，part of the brackish water zone of excessive fluoride，freshwater phenomenon does not appear excessive.

Chemical characteristics of groundwater;TDS;Chemical type of groundwater and factors analysis

P641.12

A

1004－1184(2012)01－0023－04

2011－09－20

吳璽(1984－)，男，河南商丘人，助理工程師，主要從事水文地質調查工作。