西部生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)地下水水化學(xué)特征分析

仵拔云 卞惠瑛 彭捷 向茂西 李文莉

摘要：為了評價(jià)榆神礦區(qū)和神府礦區(qū)地下水水化學(xué)特征與演化規(guī)律，在研究區(qū)采集了53組地下水樣品并進(jìn)行檢測，通過計(jì)算陰陽離子貢獻(xiàn)率、不同離子的相關(guān)系數(shù)、Na+與Cl-毫克當(dāng)量比值，繪制不同含水層地下水Piper三線圖、Gibbs分布圖，分析了地下水離子特征和水化學(xué)特征。分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地下水均為弱堿性水;受蒸發(fā)作用影響，溶解度較小的Ca“相繼析出，是地下水離子貢獻(xiàn)率最高的陽離子;馬蘭黃土地下水的TDS含量最低，沖洪積含水層地下水TDS含量最高;總硬度從風(fēng)沙灘地向黃土區(qū)逐漸增高;Ca2+、S02-與TDS呈極高相關(guān)性;地下水化學(xué)特征主要受水一巖作用控制，風(fēng)沙灘地區(qū)地下水以HCO，類水為主，黃土梁峁區(qū)為HC03.S04類水。

關(guān)鍵詞：地下水;水化學(xué)特征;含水層;離子貢獻(xiàn)率;榆神府礦區(qū)

中圖分類號：X523

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.01. 015

榆神礦區(qū)和神府礦區(qū)（簡稱榆神府礦區(qū)）是我國重要的煤炭開采區(qū)和能源基地，地處鄂爾多斯盆地中北部，毛烏素沙地和陜北黃土高原接壤地帶，東西橫跨榆林市榆陽區(qū)、神木縣和府谷縣，區(qū)內(nèi)侏羅系煤層資源豐富，賦存穩(wěn)定。20世紀(jì)80年代以來，區(qū)內(nèi)煤礦、洗煤廠、火力發(fā)電廠等能源工廠迅速發(fā)展，在推動(dòng)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，帶來了如地表水、地下水、土壤質(zhì)量下降等諸多環(huán)境地質(zhì)問題，是我國西部生態(tài)脆弱區(qū)。

馬雄德等[1-2]研究發(fā)現(xiàn)，榆神府礦區(qū)水體和濕地面積在1990-2011年呈持續(xù)下降趨勢，煤炭開采引起水資源量減少、水體污染嚴(yán)重、水環(huán)境惡化等問題;范立民等[3-6]研究表明，西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤、水矛盾突出，煤炭開發(fā)的水資源保護(hù)問題突出：蔣澤泉[7]研究發(fā)現(xiàn)，神府礦區(qū)地下水因煤炭開采遭到一定程度污染，煤炭集中開采區(qū)污染更明顯：武強(qiáng)等[8]研究了神府東勝礦區(qū)水環(huán)境問題，提出了采煤對水環(huán)境污染的防控措施：孫愷等[9]通過分析1981年和2012年神府礦區(qū)地下水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，神府礦區(qū)地下水水質(zhì)變差，且水質(zhì)超標(biāo)點(diǎn)分布與工礦企業(yè)污染源分布具有較好的對應(yīng)關(guān)系。在陜北風(fēng)沙灘地區(qū)，淺層地下水“三氮”、鐵和錳超標(biāo)嚴(yán)重[10]，在預(yù)防和保護(hù)陜北能源化工基地水資源方面，賀帥軍等[11]運(yùn)用DRASTIC指標(biāo)疊加法建立了潛水易污性評價(jià)指標(biāo)體系：張茂省等[12]對地下水含水系統(tǒng)進(jìn)行劃分，利用經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值計(jì)算法，將陜北能源化工基地采煤區(qū)劃分為非導(dǎo)水區(qū)、無水導(dǎo)水區(qū)、貧水導(dǎo)水區(qū)和富水導(dǎo)水區(qū)，提出了“保水采煤”“水煤共采”“含水層再造”的煤炭近、中、遠(yuǎn)期開發(fā)對策。大柳塔地區(qū)有4座設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到1 000萬t/a的煤礦，徐友寧等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)，煤炭開采對當(dāng)?shù)厮Y源影響較嚴(yán)重，河流底泥受到了重金屬元素的累積污染。筆者通過對榆神府礦區(qū)內(nèi)采集到的不同含水層地下水樣品進(jìn)行水質(zhì)分析，從pH值、TDS、總硬度、主要陰陽離子等方面對區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)參數(shù)和分布特征進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況

榆神府礦區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，榆陽區(qū)、神木縣和府谷縣多年（2001-2014年）平均降水量分別為420.40、418.52、418.81 mm。區(qū)內(nèi)河流屬黃河水系，主要有烏蘭木倫河、槨牛川、窟野河、禿尾河、榆溪河、孤山川等河流，紅堿淖是區(qū)內(nèi)最大湖泊，水面面積32.16 km2（2013年），平均深度6.68 m，最大深度20.00 m，總蓄水量4億～5億m。

地下水賦存類型有新生界松散巖類孑L隙及孑L隙裂隙水、中生界碎屑巖類裂隙水。第四系全新統(tǒng)風(fēng)積砂含水層廣泛分布，厚度變化大：沖積層含水層主要分布于河谷和支溝、漫灘和階地區(qū)，富水性中等;薩拉烏蘇組含水層主要分布于風(fēng)沙灘地和黃土澗地，以粉細(xì)砂、中粗砂夾粉質(zhì)黏土為主，富水性由弱到強(qiáng)不等;黃土弱含水層不連續(xù)分布，富水性弱;紅土弱含水層（隔水層）全區(qū)均有分布，但厚度變化大，富水性弱;碎屑巖類風(fēng)化裂隙潛水含水層富水性受地貌、上覆含水層、風(fēng)化程度和巖性制約，研究區(qū)中西部富水性弱：白堊系洛河組裂隙承壓含水層分布于榆神府礦區(qū)西北部，巖性為膠結(jié)疏松的中粒砂巖，孔隙裂隙發(fā)育，富水性分布不均：侏羅系安定組裂隙承壓含水層裂隙不發(fā)育，富水性較弱：侏羅系直羅組裂隙承壓含水層厚8.9～190.50m，大型交錯(cuò)層理發(fā)育，已風(fēng)化，垂直裂隙發(fā)育，有泉出露：延安組裂隙承壓含水層是各主采煤層的直接充水含水層，巖性以灰白色中細(xì)粒砂巖為主，局部存在砂質(zhì)泥巖，榆神礦區(qū)裂隙不發(fā)育，在垂向上，隨深度增加，富水性變?nèi)?，神府礦區(qū)富水性較強(qiáng)：燒變巖含水層厚度11～30 m，巖層破碎，透水性好，補(bǔ)給來源充分，富水性強(qiáng)。

2 采樣與檢測

根據(jù)野外調(diào)查資料，在研究區(qū)采集了39組井水、14組泉水，共53組樣品。其中：風(fēng)積砂含水層地下水6組，沖洪積含水層地下水5組，薩拉烏蘇組含水層地下水8組，馬蘭黃土含水層地下水3組，紅黏土含水層地下水2組，基巖裂隙含水層地下水4組，砂巖含水層地下水18組，砂質(zhì)泥巖含水層地下水3組，燒變巖含水層地下水4組。

樣品裝瓶前，使用所采樣品反復(fù)沖洗試樣瓶3次以上。每一個(gè)采樣點(diǎn)取4件樣品，1件原樣，另外3件樣品分別添加硝酸、氫氧化鈉、乙酸鋅溶液，并密封試樣瓶，24 h內(nèi)送達(dá)實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)行檢測。樣品檢測由國土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心和國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同完成，樣品采集工作嚴(yán)格按照上述實(shí)驗(yàn)室要求完成。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 水化學(xué)參數(shù)特征

檢測樣品中，pH值為7.67～ 8.72，呈弱堿性，見表1。其中：馬蘭黃土含水層地下水pH最大值為8.72，平均值為8.58;砂質(zhì)泥巖含水層地下水pH最大值為8.63，最小為8.10，平均值達(dá)8.39;薩拉烏蘇組含水層地下水和沖洪積含水層地下水pH平均值分別為7.99、7.88。

通過離子分析發(fā)現(xiàn)，陰離子中，HC03在各含水層含量為211.80～ 364.50 mg/L，S02-在各含水層含量為14.46～ 289.17 mg/L，Cl-在各含水層含量為11.96～117.73 mg/L;陽離子中，各特征離子含量相對較低，Na+在各含水層含量為17.72～ 87.13 mg/L，Ca2+在各含水層含量為45.88～ 146.50 mg/L，Mg2+在各含水層含量為14.32～ 57.08 mg/L。

根據(jù)不同含水層地下水的離子貢獻(xiàn)率（見圖1）分析發(fā)現(xiàn)，在陰離子方面，沖洪積含水層地下水中SO 2-貢獻(xiàn)率最大，占32%，HC03占31%;其他含水層地下水中貢獻(xiàn)率最大的均是HC03，貢獻(xiàn)率超過43%，馬蘭黃土含水層地下水中HC03的貢獻(xiàn)率甚至達(dá)到了71%，而SO2-貢獻(xiàn)率僅為20/0。這是馬蘭黃土含水層地下水pH值高、沖洪積含水層地下水pH值低的原因。在陽離子貢獻(xiàn)率方面，基巖裂隙水中Ca2+的貢獻(xiàn)率為9%，略低于Na+ + K+的12010;其他含水層中，Ca2+的貢獻(xiàn)率最大，為13%～ 18%。原因是，研究區(qū)蒸發(fā)量大于降水量，溶解度較小的Ca2+相繼沉積析出，其次為Na+ +K+.Mg2+的貢獻(xiàn)率基本相同。

在空間分布上，Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO2-、HC03含量呈現(xiàn)由西南向東北逐漸增高的趨勢，這與樣品來源的含水層分布有關(guān)：研究區(qū)西南部的樣品主要來源于薩拉烏蘇組含水層和砂質(zhì)泥巖含水層，而東部樣品主要來源于基巖裂隙水和砂巖含水層，裂隙發(fā)育，徑流時(shí)間比西南部含水層的長，在融濾作用下表現(xiàn)出離子含量逐步增加的態(tài)勢。

3.2 TDS分布特征

研究區(qū)潛水TDS含量為0.155～ 1.490 g/L，最小值位于神木孫家岔鎮(zhèn)四門溝砂巖含水層，最大值位于大柳塔鎮(zhèn)丁家梁村北側(cè)沖洪積含水層，總的變化趨勢是以禿尾河上游東側(cè)和窟野河上游西側(cè)為中心，向周圍遞增。微咸水（TDS含量為1～3 g/L）主要分布在店塔鎮(zhèn)北側(cè)烏蘭木倫河和科技槨牛川匯合處，大柳塔東北側(cè)以及窟野河上游東側(cè)、孤山川上游西側(cè)的大部分地區(qū)，其余地區(qū)均為淡水（TDS含量小于1g/L）。不同含水層TDS含量有所不同，沖洪積含水層地下水TDS平均值達(dá)0.938 g/L，馬蘭黃土含水層地下水TDS平均值僅為0.204 g/L，見表2。

3.3 硬度分布特征

研究區(qū)潛水總硬度為126.61～844.00 mg/L，大保當(dāng)鎮(zhèn)清水溝村薩拉烏蘇組含水層地下水總硬度最小，三道溝鎮(zhèn)口子村砂巖含水層總硬度最大：空間上總硬度分布總趨勢為由禿尾河上游的風(fēng)沙灘地向東北和西南方向遞增。軟水（總硬度<150 mg/L）分布在禿尾河上游的風(fēng)沙灘地，并在西南方向的風(fēng)沙灘地和沙蓋黃土梁峁區(qū)過渡為微硬水。東北方向，沙蓋黃土梁峁區(qū)到黃土梁峁區(qū)從軟水、微硬水逐漸變?yōu)橛菜?、極硬水。在沙蓋黃土梁峁區(qū)店塔鎮(zhèn)北側(cè)、大保當(dāng)鎮(zhèn)東北側(cè)以及黃土丘陵區(qū)潛水以極硬水（>450 mg/L）為主（見圖2）。

從含水層分析發(fā)現(xiàn)，沖洪積含水層地下水總硬度平均值最高，達(dá)559.44 mg/L，其次為砂巖、基巖裂隙含水層的，砂質(zhì)泥巖和馬蘭黃土含水層地下水總硬度平均值均為162.00 mg/L，見表3。

3.5 水化學(xué)類型分布特征

繪制不同含水層地下水Piper三線圖，見圖3。可以看出.Ca2+、Mg2+離子含量超過Na++K+離子含量，由于研究區(qū)地層中含有碳酸鹽類沉積物和石膏沉積物，因此在溶濾作用和陽離子交替吸附作用下，將Ca2+、Mg2+離子溶解或置換到地下水中;沖洪積和砂巖含水層地下水分布在4區(qū)，顯示強(qiáng)酸大于弱酸;風(fēng)積砂、薩拉烏蘇組、馬蘭黃土、燒變巖含水層地下水集中分布在5區(qū)，碳酸鹽硬度大于50%，水化學(xué)性質(zhì)以堿土金屬和弱酸為主：風(fēng)積砂和基巖裂隙水由于水的停留時(shí)間或者徑流途徑不同，因此分布范圍有一定變化。潛水水化學(xué)類型分區(qū)見圖4。研究區(qū)第四系潛水總體上循環(huán)交替積極，風(fēng)沙灘地分布的地區(qū)基本為HCO，類水，黃土梁峁分布地區(qū)為HCO3.SO4類水。在榆溪河和禿尾河流域，從西北的風(fēng)沙灘地到東南的沙蓋黃土梁峁區(qū)，地下水徑流通暢，以溶濾作用為主，多以HCO3-Ca（ Ca.Mg）型低礦化度水為主，推測該區(qū)域地下水化學(xué)形成以溶濾作用為主：窟野河以東，從沙蓋黃土梁峁區(qū)到黃土梁峁區(qū)，含水介質(zhì)巖性以粉質(zhì)黏土及粉土為主，透水性差，徑流變緩，水化學(xué)類型過渡為HC03.S04-Ca.Mg（ Mg.Na）型，局部出現(xiàn)了HCO3.Cl型及HCO3.Cl.SO4型高礦化度水，Cl-的主要來源為工業(yè)及生活污水，說明很可能受到人為污染。

3.6 水化學(xué)類型形成機(jī)制

為了進(jìn)一步探討榆神府礦區(qū)水化學(xué)形成機(jī)制，將研究區(qū)采樣點(diǎn)按不同含水層分類的水化學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)人Gibbs模型，Gibbs[16]以Na+/（Na++Ca2+）、Cl-/（Cl-+HC03）為橫坐標(biāo)，TDS的對數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制了對數(shù)坐標(biāo)圖，可以直觀反映出“大氣降水”“水一巖作用”和“蒸發(fā)作用”對水的主要成分控制作用。

各含水層地下水Gibbs分布見圖5。Na+/（Na++Ca2+）大部分比值落在Gibbs圖中部，遠(yuǎn)離大氣降水控制端，接近蒸發(fā)一巖化過渡控制端，其中有一組沖洪積含水層地下水和基巖裂隙水地下水的Na+/（Na++Ca2+）落在Gibbs范圍之外，而這兩個(gè)采樣點(diǎn)位于神木孫家岔鎮(zhèn)，可能受到人為干擾。Cl-/（Cl- +HC03）較小，除了1組沖洪積含水層地下水落在Gibbs范圍之外，其他點(diǎn)均在水一巖控制端，且Cl-/（Cl- +HC03）隨TDS含量的增大稍微增大。

由此可知，研究區(qū)地下水水化學(xué)特征主要受水一巖作用控制。區(qū)內(nèi)薩拉烏蘇組地下水主要接受降水補(bǔ)給，其他含水層地下水接受降水補(bǔ)給和其他含水層地下水的側(cè)向補(bǔ)給，且各含水層裂隙發(fā)育，在水巖交互作用下，離子濃度相對較高，對水化學(xué)類型的形成有較大影響。

γNa/γC1系數(shù)是分析地下水Na+富集程度的一個(gè)重要參數(shù)[17]，可以識(shí)別干旱半干旱地區(qū)鹽化機(jī)理，原因是在原始狀態(tài)下.Na+和Cl-主要來源于巖鹽溶解，其比值在y=x直線左右[18]。研究區(qū)地下水中Na+和Cl-的毫克當(dāng)量比值見圖6，絕大部分樣品位于y=x直線上方，僅有個(gè)別點(diǎn)位于y=x直線下方，說明研究區(qū)地下水的離子特征基本沒有受到外部影響，主要是地層中石英、長石的溶解形成的。有部分樣品落在原點(diǎn)附近，說明受到連續(xù)的溶解作用，且離子交換作用不明顯，而偏離y=x直線的地下水其受離子交換作用影響顯著。

4 結(jié)論

研究區(qū)地下水均為弱堿性水，馬蘭黃土含水層地下水平均pH值最大（8.58），其HC03的貢獻(xiàn)率達(dá)到了71%;沖洪積含水層地下水平均pH值最小（7.88），其SO2-和HC03的貢獻(xiàn)率相當(dāng)，分別為32%和31%。榆神府礦區(qū)不同含水層地下水中陰離子SO2-、HC03含量最高，陽離子Ca2+的貢獻(xiàn)率最大，且各參數(shù)之間呈正相關(guān)性，Na+、Mg2+、K+、Ca2+具有相同的物質(zhì)來源。研究區(qū)地下水TDS含量以禿尾河上游東側(cè)和窟野河上游西側(cè)為中心，向周圍遞增：禿尾河上游的風(fēng)沙灘地總硬度最低，并向東北和西南方向遞增;沙蓋黃土梁峁區(qū)、黃土丘陵區(qū)地下水總硬度普遍大于450 mg/L。研究區(qū)地下水水化學(xué)特征主要受水一巖作用控制，砂巖、基巖裂隙水的溶解作用、離子交換作用顯著，基本上沒有受到外界人為活動(dòng)干擾。東部地下水化學(xué)類型以HC03.SO4-Ca.Mg（ Mg.Na）為主，西部地下水化學(xué)類型以HC03-Ca（Ca.Mg）為主。

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