洮兒河沖積扇含水層水化學成分探析

金 哲 ，董小輝 ，張 銳，趙萬憲 ，樸粉善

（1.吉林省水文水資源局延邊分局，吉林 延邊 133000；2.白城市水資源管理辦公室，吉林 白城 137000；3.吉林省水文水資源局白城分局，吉林 白城 137000）

1 含水層水化學成分分布特征

含水層水化學成分的分布，在不同構造地貌單元和不同含水層中，有各自不同的變化規律，本文僅對洮兒河沖積扇卵礫石層潛水的水化學進行研究。

洮兒河沖積扇卵礫石層潛水水化學分布特征如下：洮兒河沖積扇以西為基巖風化裂隙潛水，水化學類型為低礦化（0.2～0.3 g/L）的重碳酸鈣鎂水，pH 值為 7.2～7.6。

洮兒河沖積扇卵礫石層潛水，由扇頂至前緣，水化學類型為HCO3—Ca，礦化度為0.15～0.2 g/L，硬度 6.45～9.06德國度（以下同），pH 值為 7.7。前緣溢出帶為HCO3—CaNa型水，礦化度略有升高，但仍小于0.5 g/L，pH值為7.2～8.2，硬度為7.8～17.3。

水化學變化規律是由扇頂至前緣溢出帶礦化度為0.17～0.38 g/L（各段平均值）。水化學類型為HCO3—CaMg—HCO3—Ca—HCO3—CaNa，硬 度由軟水變弱硬—中硬水，pH值變化不大，形成作用由溶濾為主變為以蒸發為主，水質有好變劣的趨勢。

2 含水層水化學成分的形成原因

不同類型的水化學成分是在長期地質歷史過程中，各種因素綜合作用下形成的。

洮兒河沖洪積扇為一山前扇形地，扇形地后緣是德龍崗夷平面，組成地層為：1）二迭系（P），主要巖性為灰緣色、黃綠色淺變質砂巖，板巖夾灰透鏡體和火山碎屑巖。2）侏羅系（J），巖性以灰色、灰黑色砂巖、泥巖、頁巖為主夾礫巖和中性、酸性火山巖和火山碎屑巖等。

降雨經基巖風化裂隙，淋溶入滲形成風化潛水，補給洮兒河或直接補給扇形地潛水和洮兒河水，二者構成扇形地潛水的主要水化學成分。由前述分布規律知，水中陰離子以HCO3-為主，占統計水樣的92.45%，其它CL增高，呈HCO3，CL或CL水；陽離子Ca2+含量較高，水中主要離子平均含量見表1。

由表1可見，pH=7.6～7.9呈弱堿性。上述分析資料表明碳酸鹽平衡在地下水中起控制作用，它的平衡狀態決定了水的基本性質，天然水中碳酸鹽的平衡是在一定水文地球化學環境中進行的，下面首先闡述水文地質條件，然后分析其物理化學平衡條件。

表1 水中主要離子平均含量

地下水中各種離子成分是水溶解礦物鹽分的產物，因此各種離子含量隨著水中含鹽量的增加有規律地變化。見圖1。

圖1 洮兒河沖洪積扇潛水中Ca，Mg，Na+K與礦化度關系曲線

其中：KSO——CaCO3的標準溶度積；[Ca2+]和[CO32-]——分別為Ca2+和CO32-的克分子濃度。

又根據水溶液中碳酸平衡時3種碳酸的比例關系可知：

其中：?0，?2——CO2和CO32-的比例系數；CT——水中碳酸總量；[CO2]（水）和[CO32-]分別為CO2和CO32-在水中的克分子濃度。

據上式可計算平衡時Ca2+的濃度，即文中所用的 Ca2+飽。

當溫度為25℃一個大氣壓條件下，PCO2=10-2.7=2×10-3大氣壓，KH=10-1.5=0.0316，溶度積取標準值KSO=4.8×10-9，pH 平均值為 7.7，查表得 ?0=0.04282，?2=2.245×10-3。即：

Ca飽=1.4486×10-3×40.08×103=58.05 mg/L

對照圖1，在Ca2+—礦化度曲線上，Ca2+＜60 mg/L時，Ca2+未達飽和，處于積累過程，承受礦化度增加，濃度升高，當 Ca2+＞60 mg/L，Ca2+＞Ca2+飽，水中開始產生方解石沉淀，抵制了Ca2+在水中的遷移速度，積累降低，曲線發生彎曲。

以上用沖積扇潛水的pH平均值和CaCO3的標準溶度積計算出的Ca2+的飽和濃度，這是一般情況下的一個范值。不同的pH條件下，飽和狀態往往不同。根據上述CaCO3溶解沉淀平衡原理，對各水樣點計算其活度積，即可反映出pH對CaCO3溶解平衡的控制作用，活度積KSO=?2a↓Ca2+。式中：a2Ca2+為 Ca2+的活度，a2Ca2+=fCa2+[Ca2+]，fCa2+是Ca2+的活度系數。將此計算結果KSO′和Ca2+與pH做出關系曲線見圖2。

圖2 洮兒河沖洪積扇潛水中Ca2+，KSO′與pH關系曲線圖

由圖2可見：1）大多數水樣點的活度積KSO′小于 CaCO3s標準濃度積（2.8×10-3～4.8×10-3），說明該區地下水中Ca2+多處于未飽和狀態，Ca2+將不斷積累，向沉淀平衡發展。

2）CaCo3的平衡狀態由Ca2+的濃度和 pH值共同控制，并且在不同pH值條件下，二者的影響程度不同。當pH≤7.7時，CaCO3平衡主要受pH值控制，因為pH值低，CO32-在總碳酸中占的比例少，即使Ca2+濃度較大，也不易產生CaCO3沉淀，故Ca2+活動能力強，易遷移。當pH≥7.8時，CO32-在總碳酸中的比例逐漸增加，因此在pH增高條件下，CaCO3的平衡狀態主要取決于Ca2+濃度，濃度較大時，即可發生CaCO3沉淀，這就限制了Ca2+的活動性。

3 結語

綜上所述，洮兒河沖積扇開采含水層大部分為徑流條件良好，水交替強烈地段，溶濾作用是地下水化學形成的主要作用，形成了該區的低礦化重碳酸鹽水（CaMg，Ca，CaNa），CaCO3的溶解沉淀平衡是控制該區水化學成分的重要因素。由圖2和計算結果知，Ca2+與pH和礦化度均有一定的相關性，Na+，Mg2+處于積累過程，其含量變化與pH關系不大，主要隨礦化度變化。