海原盆地地下水咸化特征和控制因素

王雨山，李 戍，李海學(xué)，程旭學(xué)，劉偉坡，張夢南

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

在干旱半干旱區(qū)，地下水是生產(chǎn)和生活的重要甚至是唯一水源[1]，在社會經(jīng)濟發(fā)展中具有重要地位。然而，由于各種天然及人為因素影響，地下水咸化十分普遍，給水資源的開發(fā)利用帶來極大不便[2]。研究地下水咸化作用和控制因素，對合理規(guī)劃、管理和利用地下水資源具有重要意義。長期以來，學(xué)者們對不同地區(qū)的地下水鹽分來源和咸化機制開展了較多研究。Tweed等[3]通過分析澳大利亞艾爾湖盆地地下水化學(xué)和同位素特征，認(rèn)為蒸騰是導(dǎo)致地下水咸化的主因。Cary等[4]在巴西沿海城市Recife地區(qū)研究得出淺層地下水咸化源于古海水混合和蒸發(fā)濃縮。Sun等[5]對敦煌盆地地下水的研究表明，溶濾、蒸發(fā)和蒸騰主導(dǎo)了地下水咸化過程。徐彥澤等[6]以滄州市淺層地下水為例，揭示了地下水鹽分來源和影響咸化的地質(zhì)環(huán)境因素。研究表明，地下水咸化是一個受多因素影響的復(fù)雜過程，其主要作用包括蒸發(fā)、蒸騰、溶濾、污水回灌、咸水入侵和含水層越流等。很多地區(qū)地下水咸化一般是上述幾個因素共同作用的結(jié)果，準(zhǔn)確區(qū)分地下水咸化的物質(zhì)來源及主要作用過程仍然是一個較復(fù)雜的難題[7]。

海原盆地位于西北內(nèi)陸，地下水是當(dāng)?shù)匚ㄒ坏娘嬘盟矗嘞趟植迹湎袒卣髟诟珊祬^(qū)具有一定的典型性。近年來，由于長期開采地下水，水位不斷下降，部分地區(qū)地下水有咸化趨勢，引起了有關(guān)部門的重視。為研究新階段地下咸淡水的分布特征及咸化成因，2016—2018年基本查明了海原盆地邊界條件、含水層巖性、結(jié)構(gòu)以及地下水水質(zhì)特征。本文用水化學(xué)和氫氧穩(wěn)定同位素特征，揭示地下水的補給來源和不同水文地質(zhì)單元的咸化作用，并探討了溶濾和蒸發(fā)對地下水鹽分的貢獻(xiàn)比率。在此基礎(chǔ)上，提出了地下水合理利用和保護建議。

1 研究區(qū)概況

海原盆地位于寧夏回族自治區(qū)西部，為寧南旋卷構(gòu)造控制下的走滑拉分盆地[8]，其西南和北部邊界分別為西華山—南華山東北麓斷裂和鴨兒澗-鄭旗斷裂。盆地西南部為西華山、南華山基巖山地，其余部位均與相對隆升的黃土丘陵相接。多年平均降雨量397 mm，年均蒸發(fā)量1 973 mm，地表水不發(fā)育，水資源較為貧乏。

第四系含水層以更新統(tǒng)沖洪積砂礫石、細(xì)砂為主要含水介質(zhì)，中間包含多層粉黏透鏡體。含水層厚度200～500 m，總體規(guī)律為在山前地帶厚度較大，至盆地中部因古近系、新近系隆起厚度變小。地下水埋深由山前的大于200 m降至盆地北部的小于50 m，因近年來過度開采，地下水類型已由潛水-承壓水變?yōu)閱我粷撍５叵滤飨蚩傮w為南西至北東，在山前接受大氣降雨入滲補給，由山前至遠(yuǎn)離山前方向徑流，在系統(tǒng)北東邊界處遇斷裂阻水以泉的形式排泄。

根據(jù)地下水所處地貌部位、包氣帶巖性、循環(huán)條件及流場特征，將盆地分為三個水文地質(zhì)單元(圖1)：(1)地下水補給區(qū)，位于西華山和南華山洪積扇部位，包氣帶顆粒較粗，利于接受大氣降雨補給；(2)地下水徑流區(qū)，位于洪積扇前緣，地勢較為平坦，地下水徑流通暢；(3)地下水滯留-排泄區(qū)，位于盆地北部，受構(gòu)造運動影響第四系基底相對抬升，水力梯度變小，為地下水滯留區(qū)和排泄區(qū)。

圖1 取樣點分布示意圖Fig.1 Locations of the water samples

2 研究方法

2016年10月枯水期采集水樣69組，包括基巖山區(qū)泉水7組、排泄區(qū)泉水4組和地下水58組，用于水化學(xué)常量組分和氫氧穩(wěn)定同位素測試。采樣時現(xiàn)場測試pH等參數(shù)，樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后置于聚乙烯瓶中。陽離子樣品用HNO3酸化至pH值小于2后保存，陰離子樣品原樣低溫保存，氫氧同位素采集于50 mL聚乙烯瓶內(nèi)密封保存。

3 結(jié)果和分析

3.1 地下水咸化特征

溶解性總固體(TDS)是地下水中各離子質(zhì)量濃度的總體反映[9]，用來指示地下水咸化特征。研究區(qū)地下水TDS值198.2～6 436.4 mg/L，69.6%的樣品大于1 000 mg/L，具有干旱內(nèi)陸盆地地下水水質(zhì)特征。不同水文地質(zhì)單元地下水TDS分布呈現(xiàn)出差異性(表1)，基巖區(qū)泉水TDS值198.2～506.3 mg/L，均值310.2 mg/L，均為淡水。補給區(qū)地下水TDS值381.7～598.1 mg/L，均值482.1 mg/L。徑流區(qū)地下水TDS值580.2～3 360.5 mg/L，均值1 852.7 mg/L。滯留-排泄區(qū)地下水TDS值865.5～6 436.4 mg/L，均值2 587.4 mg/L。沿著地下水流向，地下水TDS呈增加趨勢，咸化明顯。根據(jù)農(nóng)村飲用水標(biāo)準(zhǔn)，適宜飲用(TDS低于1 500 mg/L)的地下水主要分布在基巖區(qū)、補給區(qū)和海原縣城以北的徑流區(qū)。目前基巖泉水利用較少，可在適宜地區(qū)建成分散式供水水源。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile of the study area

表1 地下水主要化學(xué)組分和氫氧穩(wěn)定同位素統(tǒng)計Table 1 Average hydrochemistry composstions and hydrogen and oxygen isotopes of the water samples

圖3 地下水樣品Piper三線圖Fig.3 Piper diagrams of the groundwater samples

3.2 氫氧同位素特征

根據(jù)測試結(jié)果(表1)，基巖區(qū)泉水δD值和δ18O 值分別為-78.91‰～-68.97‰、-11.26‰～-10.23‰，地下水δD值和為δ18O 值分別為-90.25‰～-67.32‰、-12.95‰～-9.10‰。可以看出，地下水氫氧同位素組分變異較大，這可能是由于地下水樣品取自不同水文地質(zhì)單元，具有各自的補給和循環(huán)過程。由于缺少降雨同位素數(shù)據(jù)，地區(qū)大氣降雨線采用位于研究區(qū)以北300 km的銀川降雨線，δD=7.28δ18O+5.76[10]，從δD—δ18O關(guān)系圖(圖4)可以看出，所有樣品均分布在全球降雨線兩側(cè)、地區(qū)降雨線之下。基巖區(qū)泉水、補給區(qū)和徑流區(qū)地下水基本沿地區(qū)降雨線分布，表明受蒸發(fā)影響較小。滯留-排泄區(qū)部分地下水樣品偏離地區(qū)降雨線，重同位素顯著富集，表明該區(qū)地下水經(jīng)歷了蒸發(fā)作用。

圖4 地下水氫氧同位素圖Fig.4 Plots of δD- δ18O of the water samples

4 討論

4.1 地下水補給來源

揭示地下水補給來源是查明其咸化機制的基礎(chǔ)，為此根據(jù)氫氧穩(wěn)定同位素特征的指示作用分析研究區(qū)地下水可能的補給來源。圖4顯示，大部分地下水樣品沿著地區(qū)降雨線分布，表明以大氣降雨為主要補給來源。進一步，利用中國大氣降雨同位素的高程效應(yīng)估算地下水補給高程[11]：δD=-0.02h-27，δ18O=-0.003h-4.3(h為高程)。考慮到含水層和地下水可能存在18O交換，用其估算高程存在誤差，而含水層中氫元素一般含量較低[12]，因此利用δD估算，得出補給區(qū)高程2 016～3 162 m，平均2 490 m。結(jié)合研究區(qū)地形特征可知，地下水補給區(qū)主要位于西華山、南華山基巖山區(qū)和山前沖洪積扇。基巖山區(qū)泉水來自前寒武變質(zhì)巖裂隙含水層，基巖地下水具有就近補給、就近排泄的淺循環(huán)特征，泉水同位素特征在一定程度上反映了地區(qū)降雨同位素特征。從圖4可以看出，大部分補給區(qū)樣品和泉水分布具有一致性，與兩區(qū)地下水化學(xué)特征也具有相似性，因此認(rèn)為盆地地下水除受大氣降雨補給外，還接受基巖地下水側(cè)向補給，即基巖裂隙水通過淺部導(dǎo)水的西華山-南華山東北麓斷裂補給盆地地下水。另外發(fā)現(xiàn)，部分地下水樣品分布在地區(qū)降雨線左下側(cè)，δ18O值和δD值顯示出貧化特征，這些樣品均取自深井，這表明深層地下水可能并非來自現(xiàn)代降雨補給[13]。通過分析可知，海原盆地第四系地下水補給來源主要為大氣降雨和基巖地下水側(cè)向徑流。

4.2 溶濾作用

圖6 Na+與Cl-(a)、非巖鹽來源陽離子與關(guān)系Fig.6 Plots of Na+ vs.Cl- and non-halite sources cations vs.

圖7 TDS與方解石飽和指數(shù)(a)、白云石飽和指數(shù)(b)、巖鹽飽和指數(shù)與Cl-(c)、石膏飽和指數(shù)與關(guān)系Fig.7 Plots of SI of calcite vs.TDS,SI of dolomite vs.TDS,SI of halite vs.Cl-and SI of gypsum vs.

4.3 蒸發(fā)作用

在干旱半干旱地區(qū)，蒸發(fā)濃縮對地下水咸化有重要影響[18]。由于蒸發(fā)會導(dǎo)致地下水中重同位素的富集，在δD-δ18O關(guān)系圖中會偏離大氣降雨線[19]，偏離程度越高，蒸發(fā)作用越強。圖4顯示，海原盆地滯留-排泄區(qū)部分樣品偏離地區(qū)大氣降雨線，顯示出蒸發(fā)特征。為定量分析蒸發(fā)對地下水TDS的貢獻(xiàn)，根據(jù)地區(qū)大氣降雨線方程δD=7.28δ18O+5.76，引入了區(qū)域氘盈余dL表征樣品偏離地區(qū)降雨線的程度：

dL=δD-7.28δ18O

(1)

根據(jù)計算結(jié)果，基巖區(qū)泉水dL值3.1～5.5，接近大氣降雨氘盈余5.76，蒸發(fā)微弱。海原盆地地下水dL值-6.1～5.2，空間變化較大，滯留排泄區(qū)部分樣品dL值小于0，顯示經(jīng)歷了較強的蒸發(fā)作用。地下水TDS—dL關(guān)系圖(圖8)顯示，隨著dL的降低，TDS呈增加趨勢。地下水咸化主要受溶濾和蒸發(fā)兩種因素控制，溶濾作用導(dǎo)致地下水TDS增加，但dL值不變，蒸發(fā)作用導(dǎo)致地下水TDS增加，dL值降低。

圖8 TDS-dL關(guān)系圖Fig.8 Plot of TDS vs.dL

根據(jù)前人研究成果[20]，蒸發(fā)程度和dL存在定量關(guān)系：

(2)

式中：f——蒸發(fā)度(剩余水和初始水體積比)；

dL0——區(qū)域氘盈余初始值，研究區(qū)取5.76；

α1、α2——開放系統(tǒng)非平衡分餾條件下氣態(tài)相對液態(tài)的D、18O分餾系數(shù)；

k——地區(qū)大氣降水線斜率，取7.28；

地下水在補給區(qū)接受基巖裂隙水側(cè)向徑流補給和大氣降雨入滲補給，在徑流過程中發(fā)生溶濾作用，TDS不斷增加，由于補給區(qū)和徑流區(qū)地下水埋深較大，蒸發(fā)作用較弱。至滯留-排泄區(qū)，隨著地下水埋深降低，蒸發(fā)作用增強，此時地下水TDS受溶濾作用和蒸發(fā)濃縮共同影響。假設(shè)補給區(qū)地下水TDS為S0，至排泄區(qū)增至S1，發(fā)生蒸發(fā)后變?yōu)镾：

S=S1/f

(3)

據(jù)此得出蒸發(fā)作用對地下水TDS的貢獻(xiàn)為S(1-f)，貢獻(xiàn)比率為1-f，補給源水對地下水TDS的貢獻(xiàn)比率為S0/S，則剩余溶濾作用對地下水TDS貢獻(xiàn)比率為f-S0/S。由此，根據(jù)地下水dL值可定量計算蒸發(fā)和溶濾作用對地下水咸化的貢獻(xiàn)比率。

式(2)中的參數(shù)α1、α2和溫度、相對濕度有關(guān)[21]，取研究區(qū)多年平均相對濕度50%，地下水平均溫度12℃，求得α1=0.908,α2=0.983。補給源水包括基巖裂隙水側(cè)向徑流和大氣降雨，考慮到研究區(qū)降雨量較小且大氣降水TDS較低，本次研究中S0取基巖區(qū)泉水TDS平均值310.2 mg/L。根據(jù)式(2)計算蒸發(fā)度f以及補給水、蒸發(fā)和溶濾對地下水TDS的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明(圖9)，補給水貢獻(xiàn)比率4.8%～81.2%，蒸發(fā)作用貢獻(xiàn)比率1.7%～29.5%，溶濾作用貢獻(xiàn)比率11.9% ～85.9%。從補給區(qū)、徑流區(qū)到滯留-排泄區(qū)，補給水貢獻(xiàn)比率降低，溶濾作用和蒸發(fā)貢獻(xiàn)比率逐漸增高。在補給區(qū)，地下水TDS較低，基巖裂隙水側(cè)向徑流對地下水咸化的貢獻(xiàn)比率大于50%，溶濾和蒸發(fā)作用貢獻(xiàn)較小。在徑流區(qū)和滯留-排泄區(qū)，溶濾作用貢獻(xiàn)比率多大于50%，大部分地下水樣品蒸發(fā)作用貢獻(xiàn)小于10%，僅有滯留-排泄區(qū)的7組地下水樣品蒸發(fā)作用貢獻(xiàn)大于15%，這表明，盡管受到蒸發(fā)影響，但溶濾作用是控制海原盆地地下水咸化的首要因素。近年來，西安鎮(zhèn)和海原縣城附近出現(xiàn)地下水TDS增高現(xiàn)象，可能是由于該地區(qū)為地下水強開采區(qū)，造成了地下水流場改變，增強了對可溶鹽的溶濾作用所致。

圖9 補給水(a)、溶濾作用(b)和蒸發(fā)作用(c)對地下水咸化貢獻(xiàn)比率Fig.9 Plots of contributions of dissolution and evaporationto TDS

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)地下水TDS值198.2～6 436.4 mg/L，沿著地下水流向咸化程度增加。水化學(xué)特征具分帶規(guī)律，基巖區(qū)泉水化學(xué)類型為HCO3—Ca·Mg型，補給區(qū)為HCO3·SO4—Ca·Mg型。徑流區(qū)和滯留-排泄區(qū)多為SO4·Cl—Na·Mg型。

(2)第四系地下水補給來源主要為大氣降雨和基巖地下水側(cè)向徑流，深層地下水可能并非來自現(xiàn)代降雨補給。

(3)不同水文地質(zhì)單元溶濾作用具差異性，基巖區(qū)和補給區(qū)以碳酸鹽、硅酸鹽風(fēng)化為主，徑流區(qū)和滯留-排泄區(qū)主要為蒸發(fā)巖風(fēng)化。補給水、溶濾和蒸發(fā)作用對第四系地下水TDS的貢獻(xiàn)比率分別為4.8%～81.2%、11.9% ～85.9%、1.7%～29.5%，溶濾作用是控制海原盆地地下水咸化的首要因素。

當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門應(yīng)優(yōu)化地下水開發(fā)格局，加大對南華山基巖泉水的開發(fā)利用，作為飲用水的重要補充；在地下水集中開采區(qū)控制開采量，防止因局部流場改變造成地下水咸化；在微咸水分布區(qū)引進地下水去除硫酸鹽技術(shù)，提高微咸水利用程度。