基于水文地球化學的寧夏吳忠地區傍河取水可行性探討

方 磊，吳 瑞，馬小波，金 亮

(寧夏回族自治區水文環境地質勘察院，寧夏 銀川 750021)

水資源是我國西北干旱地區最重要的資源，是人類生產生活和生態的基礎[1]。寧夏銀川平原地處干旱半干旱地區，水資源尤為重要。該區的主要水質來源于黃河，黃河水不但灌溉了農田，還為寧夏沿黃城市群提供了生活供水。但直接引黃河水存在水質渾濁，含有大量的泥沙和雜質，需要花費大量的成本進行前期處理。如果可以利用傍河取水進行供水，則可以解決這一問題[2-4]。為此，本次研究在銀川平原南部傍河取水的有利地段(卵礫石地層區)—吳忠地區部署一眼大口徑進行傍河取水，通過水文地球化學分析對其可行性進行探討，服務寧夏沿黃城市群的水資源利用規劃。

1 研究區概況

研究區位于黃河東岸，吳忠市區的西北側的古城鎮一帶，見圖1。屬溫帶大陸性半干旱氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑。多年平均氣溫10.14℃，年均降水量186.18 mm，年平均蒸發量1 847.46 mm。研究區地處銀川平原南部，黃河東岸，地形平坦，地勢開闊。

研究區地下水類型為第四系松散巖類孔隙水，含水巖組主要為洪積砂卵石等粗粒沉積物，富水性強，單井涌水量一般大于3 000 m3/d，地下水水質良好，TDS小于1 g/L[5-6]。黃河是該區地下水的主補給來源，通過引黃灌溉和渠系滲漏源源不斷的補給地下水，同時黃河也是為該區域地下水的排泄基準面，控制著地下水的排泄。

2 傍河取水試驗

圖1 研究區的位置圖

圖2 QS01井結構圖及抽水試驗歷時曲線圖

本次研究以QS01抽水井為主要的研究對象，該孔(井)鉆探全孔取芯測井，鉆遇地層以卵礫石為主，見圖2。QS01成井后進行了連續七天的抽水試驗，抽水量為30 m3/d，試驗過程中使用了電導率、簡分析和氘氧同位素等手段進行了連續的監測和取樣，主要從水文地球化學分析角度對黃河水的補給量進行分析計算。

3 分析與結果

3.1 抽水試驗過程中電導率和TDS的變化

在抽水試驗過程中，QS01井水的電導率(現場哈希水質檢測儀獲取)隨著時間不斷的變化，總體呈現出不斷變小的規律，減少的平均速度為每小時0.247 μs/cm，見圖3。電導率不斷變小反映出隨著抽水的進行，地下水位下降，地下水漏斗不斷擴大，黃河水補給逐漸變大。由于黃河水電導率僅有313 μs/cm，遠小于地下水(778 μs/cm)，黃河水的補給造成QS01抽出的水電導率變小。根據該規律，可以將QS01井抽出的水看作是黃河水和地下水二元混合的結果，混合比例可以根據電導率觀測數值進行推算。本次混合比例最終推算采用的參數為：黃河水和試驗抽水的電導率采用抽水試驗結束時的觀測值分別為331 μs/cm和716 μs/cm，地下水的電導率采用抽水開始時候電導率最大觀測值778 μs/cm，見圖3。據此，計算出黃河水對試驗抽水的補給比例為13.65%，說明補給量很小。

抽水試驗過程中，對QS01井水的每天取樣一組，進行簡分析或全分析，測得TDS等主要指標。監測顯示TDS的指標都隨著時間不斷的變化，總體呈現出不斷變小的規律，與電導率的規律一致。同理，根據黃河水與地下水二元混合模型，可以通過TDS指標計算出黃河水對試驗抽水的補給比例為9.32%(見圖3)，也說明黃河補給量很小，而且與電導率計算混合比例誤差不大。

圖3 QS01的電導率、TDS的歷史曲線圖

3.2 抽水驗收過程中氘氧同位素的變化

同位素技術廣泛的應用在地下水補給來源判別中，是被公認有效的手段之一[7-8]。為了進一步對抽水過程中的黃河水的補給規律進行揭示，本次傍河抽水試驗對QS01和黃河水的氘氧(由西安地質調查中心試驗室測試)進行了連續的監測，每天取樣一組(見表1)，監測也顯示出了較好的規律性。

表1 抽水試驗氫氧同位素取樣分析結果一覽表

現將QS01和黃河水采取氫氧同位素數據在同一張圖繪制，結果為圖4。該圖明顯的反映出黃河水樣點基本都位于大氣降水線下方，僅有一個水樣離群(QY24)，出現了明顯的聚類現象；QS01抽水井中取的第一個水樣QY01數據分布在圖的最右側，顯示出抽水試驗剛開始井中抽出的水為地下水，黃河水無補給；隨著抽水試驗的進行，黃河水開始補給，QS01樣品氘氧同位素數據開始向黃河水的氘氧范圍靠近，但由于黃河水的補給有限，氘氧同位素靠近地下水，與地下水形成明顯的聚類現象，與黃河水樣呈現出顯著差異。氘氧同位素數據顯示出本次抽水試驗抽出的水主要源于地下水，而非黃河水。

氫氧同位素在水文地質方面的一個重要應用就是確定混合水的混合比例。根據圖4，可以發現本次抽水試驗呈現出很好二元混合模型規律，即QS01抽出的水是由地下水和黃河水二元混合而成，根據氘氧同位素可以對二元混合比例進行計算分析。本次二元混合計算的數據選取：黃河水取試驗最后的非離群數據，因為最后的QY24為離群數據，故取倒數第二個數據—QY21；地下水取抽水試驗最開始的取樣數據QY01，因為抽水試驗開始的時候黃河水基本無補給，抽取的水為地下水；最終的抽出的水取抽水試驗取的最后一個數據—QY22。根據以上采取的數據的δ18O通過二元混合模型計算黃河水的補給比例為12.46%，與前面電導率和TDS黃河水補給比例的計算結果基本一致。

圖4 抽水試驗水樣氘氧關系

根據氘氧同位素的連續監測分析，顯示出本次傍河取水的主要來源是地下水而非黃河水，黃河水的補給量僅為12.46%。

4 結語

通過連續七天QS01傍河取水試驗對寧夏吳忠地區黃河傍河取水可行進行初步分析。傍河取水試驗中對電導率、TDS和氘氧同位素等指標的連續監測分析，從水水文地球化學的角度對傍河取水的可行性論證。根據地下水與黃河水二元混合模型對混合比例計算顯示黃河水補給QS01的比例僅為9.32%～13.65%，說明該區黃河傍河取水的可行較差，可能與黃河水中的泥沙含量大河底淤泥滲透性差有關，有待進一步分析。