灤河三角洲地區深層地下水化學演化規律及成因分析

牛兆軒，蔣小偉，胡云壯

(1.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083；2.中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170)

地下水化學空間分布規律蘊含了地下水循環過程的重要信息，是水流的“化石”[1]。各種補給來源的地下水在進入含水層后，受物源沉積環境和地質地貌影響[2]，在流動過程中發生一系列水巖相互作用，地下水的化學組分不斷地發生變化，水化學空間分布可以呈現一定的分帶性[3-5]，蘊含了地下水循環條件的信息。因此，分析地下水化學特征及演化規律可以揭示地下水與環境的相互影響機制，為地下水資源保護和可持續開發提供科學依據[6-9]。

灤河三角洲地區位于環渤海灣經濟圈，經濟、交通發達，地下水是該區的主要供水水源，占總供水量的60%以上[10]。前人對該區淺層地下水的水化學現狀及演化規律開展了研究，認為淺層地下水水化學類型從山前到濱海地區由HCO3—Ca型逐漸過渡到Cl—Na型，水化學變化主要受溶濾作用、蒸發濃縮作用及四次海侵控制，淺層地下水存在大片的咸水區或者受到人為污染區[11-13]，但對深層地下水的研究尚未見報道。目前，位于中深部第Ⅲ含水層組的地下水水質良好，是農村供水的主要開采層。

本文以該含水層組為例，探討山前沖洪積平原到濱海平原深層地下水的水化學演化規律及成因。

1 研究區概況

1.1 自然概況

灤河三角洲位于河北省的東北部，包括唐山市平原區和秦皇島市南部的部分轄區，面積9 200 km2(圖1)。屬于暖溫帶濕潤-半濕潤大陸季風性氣候區，年平均氣溫12.5 ℃，多年平均降水量625 mm，多年平均蒸發量1 650 mm[14-15]。

圖1 取樣點位置圖Fig.1 Location of the sampling points

灤河三角洲北依燕山，南臨渤海，主要地貌單元有沖洪積平原、濱海平原、海岸帶。地勢由北向南傾斜，地形較為平坦，地面坡降約為0.2‰～1.2‰。區內主要河流有灤河以及獨流入海的沿海諸河。

1.2 水文地質條件

研究區地下水主要為第四系孔隙水。依據第四系的沉積物巖性特征和水文地質條件，在垂向上將第四系的松散堆積物自上而下共劃分為四個含水層組(圖2)。第Ⅰ含水層組，底界埋深為10～30 m，位于地表及淺部地段，可以直接接受大氣降水、河水補給和蒸發排泄，水循環條件好，為垂直強烈循環交替帶；第Ⅱ含水層組，底界埋深為40～200 m，可以間接接受大氣降水補給，水循環條件較好，為較強烈循環交替帶；第Ⅲ含水層組，底界埋深為 60～420 m，其地下水具承壓性，徑流條件較差，為較差循環帶；第Ⅳ含水層組，底界埋深為350～550 m，其地下水具承壓性，徑流條件差，為弱循環帶[16]。本文主要研究第Ⅲ含水層組的孔隙水。

第Ⅲ含水層組屬半封閉盆地型承壓水，地下水主要接受山前邊緣隱伏巖溶水的頂托補給、山前主要沖洪積扇側向徑流以及在開采條件下的越流補給，排泄方式包括人工開采和向下游側向排泄。地下水總體流向由北向南，水力坡度約1‰～2‰。上游沖洪積平原區的含水層巖性主要為中砂、粗砂、礫卵石，單層厚度較大，一般為10～20 m，富水性強徑流條件較好；下游濱海平原區含水層為河流沖積與海(湖)積組成，顆粒較細，含水層主要巖性為細砂、粉砂，局部為中細砂，徑流條件較差，地下水徑流緩慢。

2 樣品采集和測試

為了揭示控制地下水水化學演化的主要水巖相互作用過程，2017年7—8月，避開人類開采強烈的唐山市區附近，沿兩條水文地質剖面從沖洪積平原到濱海平原采集了第Ⅲ含水層組的17組地下水樣(圖1)。在取樣過程中，取樣瓶均用樣品原液進行3次以上清洗，并在取樣前先抽水數分鐘，待水管中滯留的水完全排干，保證所取水樣能代表含水層中水體的真實水化學特征。

圖2 縱3水文地質剖面Fig.2 The third longitudinal hydrogeological profile

編號徑流距離/kmCa2+Mg2+K+Na+Cl-SO2-4NO-3CO2-3HCO-3TDS/(mg·L-1)縱2-01 3039.595.571.0737.589.3141.142.720.00178.43315.41 縱2-023747.4115.940.7892.8338.4053.633.791.73304.74559.24 縱2-034748.5810.370.7277.3157.9768.440.004.19241.21508.80 縱2-045541.9410.430.5077.4534.1154.642.971.11230.19453.34 縱2-055840.766.730.4878.4729.1350.890.907.33202.78417.47 縱2-066335.998.680.64107.11116.4846.320.0011.73208.74535.70 縱3-01 1331.997.860.5912.643.516.100.643.57142.85209.75 縱3-022027.258.060.7213.038.563.170.660.00149.85211.28 縱3-032932.4311.760.9320.482.235.910.554.19171.66250.16 縱3-043542.9911.511.3339.653.3132.900.892.59236.32326.09 縱3-05 4049.2014.430.5935.664.6227.110.0012.46231.11375.19 縱3-064348.5412.020.5341.255.6529.510.000.00275.84413.34 縱3-074751.5315.720.5949.1910.0636.490.155.13269.87438.74 縱3-085536.666.500.5881.7246.3431.252.780.00200.36406.19 縱3-096022.224.140.5696.3038.5925.340.760.00219.15407.05 縱3-106223.208.730.78108.3856.7115.420.325.42238.08457.04 縱3-116821.338.291.15159.60110.5410.755.595.67274.29597.20

3 結果與討論

3.1 水化學類型

圖3 灤河三角洲地區深層地下水水化學Piper圖Fig.3 Piper diagram showing the deep groundwater samples in the Luanhe River delta

3.2 描述性統計分析

對上下游水樣分別統計水化學組分特征值，結果見表2。

表2 地下水水化學參數的統計特征值

3.3 主要離子沿徑流方向演化分析

圖4 各主要離子沿徑流距離變化關系圖Fig.4 Evolution of the main ions along the groundwater flow distance

Cl-和Na+從上游到下游表現出沿流動路徑增大的現象，并且在下游的增長速度明顯大于在上游的增長速度(圖4a、b)。Cl-是一種惰性示蹤劑，來源為鹽巖溶解或受到海水影響。除了鹽巖溶解或者海水混入，離子交換也可能造成Na+增多。

(1)

3.4 水巖相互作用過程分析

地下水化學組分之間的比例系數可以揭示地下水的成因或演化過程[4,12]。為了證實前文推測的各種水巖相互作用過程，利用離子之間的比例關系分別分析上下游地下水的演化規律。

圖5 離子比值關系圖Fig.5 Relationships among the selected ions of the water samples

由于海水中Mg2+總比Ca2+大得多，其γ(Mg2+)/γ(Ca2+)約為5.5，因此可以由γ(Mg2+)/γ(Ca2+)判斷下游地區是否受到了海水的混合[4]。統計表明，上游地下水的γ(Mg)/γ(Ca)平均值為0.47，下游地下水的γ(Mg2+)/γ(Ca2+)平均值下降到0.43，表明下游地下水并未混入海水。因此，推測鹽巖溶解是下游地區Cl-和Na+的重要來源。

由于Na+的增加可能同時受到鹽巖溶解和離子交換的控制，為了分析下游地區是否發生了明顯的離子交換作用，繪制了Na+-Cl-和Ca2++Mg2+的關系圖(圖5c)。Na+-Cl-和Ca2++Mg2+之間存在明顯的負相關關系，并且γ(Na+-Cl-)/ γ(Ca2++ Mg2+)接近-1，表明上游富含Ca2+、Mg2+地下水流到下游黏性土比例增加、顆粒較細吸附大量Na+時，水中的Ca2+、Mg2+置換介質中吸附的Na+，其反應式為：

(2)

(3)

反應的結果使水中Na+增加而Ca2+、Mg2+減少，地下水中Na+百分含量將逐漸增加，最終成為Na型水。

3.5 基于質量平衡模擬研究水巖相互作用

本區域上游地區主要發生方解石、白云石、芒硝和巖鹽的溶解作用，下游地區主要發生陽離子交替吸附、脫硫酸和巖鹽的溶解作用。因此，通過建立質量平衡(Mass Balance)模型[18,22](表3)定量分析水化學過程。

表3 兩剖面的質量平衡計算

注：最上游點為沿徑流方向最上游水點、中游點為上下游地區分界水點(47 km)、最下游點為沿徑流方向最下游水點。

經計算兩條剖面上下游的質量平衡模型，得到了兩條剖面上下游各礦物溶解沉淀量及各地下水化學反應量，結果見表4。

表4 礦物溶解-化學反應過程量計算結果

由求解結果可見，上游地區，縱2剖面上每升地下水在向中游運動過程中，通過溶解0.05 mmol的方解石、0.40 mmol的白云石、0.17 mmol的CO2、0.98 mmol的巖鹽和0.57 mmol的芒硝形成中游的地下水化學組分；縱3剖面上每升地下水在向中游運動過程中，通過溶解0.33 mmol的方解石、0.65 mmol的白云石、0.45 mmol的CO2、0.25 mmol的巖鹽和0.63 mmol的芒硝形成中游的地下水化學組分。

4 結論