地下水水化學特征及演變研究綜述

郎旭娟 李方紅 韓思航 劉昭

(1.河北地質大學水資源與環境學院，河北 石家莊 050031；2.河北省水資源可持續利用與產業結構優化協同創新中心，河北 石家莊 050031；3.河北省水資源可持續利用與開發重點實驗室，河北 石家莊 050031；4.河北省水文學及水資源重點學科，河北 石家莊 050031)

緒言

在可以被人類利用的水資源中,地下水占據最主要的比例和地位。地球表面3/4 的面積被水覆蓋,水圈的質量約有1.44×1018t,約占地球總質量的1/4000；但是其中可以被人類利用的淡水資源占比不到3%,而在這3%的淡水資源中約69%是不能被人類直接利用的冰川積雪,剩余的能被人類直接利用的液態水資源中地下水占比97%以上。因此,地下水資源對人類生產生活、社會經濟發展起著重要的、不可替代的作用。但是由于地下水埋藏在地表以下,參與水文循環周期相對地表水來說較長,因此當地下水受到污染后很難恢復。而且隨著經濟的飛速發展和人們生活水平的提高,地下水資源消耗越來越大,地下水水位迅速下降,導致出現了地面沉降、地裂縫、地面塌陷等地質災害,地下水污染問題也越來越嚴重,對人們生產生活、國家經濟發展造成很大影響[1,2]。因此,地下水污染治理的研究課題越來越多,地下水水量及水質評價是工程規劃必不可少的工作之一,而這些問題的研究都離不開對地下水水化學特征的分析與研究[3]。

1 研究現狀

對于地下水水化學特征及演變規律方向的研究在國外起步較早,研究方法及手段比較成熟,這些對我國的地下水水化學特征及演變規律研究起到了很大的借鑒和啟發作用。其中,應用較為廣泛的方法有水動力學、水化學方法(包括水化學類型法、礦物飽和指數法、地球化學反應路徑模擬等)、同位素手段,這些技術方法廣泛應用在地下水系統研究和水文地球化學演化等領域,并且都取得了良好效果。

Reed 等利用礦物飽和指數方法來判斷地熱系統中熱液與礦物之間的化學平衡[4]。Lloyd 和Heathcote在《天然無機水化學與地下水的關系》 一書中介紹了與地下水水化學相關的基本概念及水化學參數[5]。Surveys 編寫的“PHREEQC 用戶指南” 介紹了很多地下水水化學計算研究的方法,為地下水徑流路徑演化及反向演化模擬提供了很好的借鑒研究思路[6]。Fisher 對美國德克薩斯州奇瓦瓦沙漠地下水化學演變特征進行了研究,利用離子相關性、礦物飽和法及地球化學模擬等方法對該區土壤、土壤滲濾液、非飽和水帶和3 個主要含水層中的地下水進行水化學類型分析并得出該區地下水水化學演變規律[7]。Arnórsson 等從取樣、分析和數據解釋3 個方面論述了水化學及同位素方法在地熱資源勘探開發中的應用[8]。Subyani 利用飽和指數方法及同位素法對沙特阿拉伯等地區地下水補給問題進行了研究,認為該區地下水補給來源主要為大氣降水,地下水回灌量中11%來自大氣降水[9]。Kebede 等利用地球化學和環境同位素手段對埃塞俄比亞尼羅河上游流域地下水補給、徑流及水化學循環演化進行了分析研究,認為塔納格拉本湖和耶爾圖盧韋勒火山線帶為該區地下水循環和水化學演化的主要區域[10]。Pilla 等利用同位素技術對意大利倫巴第西南部地區多層含水層地下水起源以及水動力條件進行了研究,得出該區潛水含水層是由局部滲透和溪流及灌溉渠道補給[11]。Bailly-Comte 利用了地下水動力原理分析了Coulazou 喀斯特地區河流與河流附近巖溶含水層之間的水動力作用及巖溶泉與河床之間的水動力交互關系[12]。將二氧化碳進行地質儲存以緩解溫室氣體效應的研究是地下水研究的熱點課題,Wilkin 等利用PHREEQC 軟件對二氧化碳氣體溶解對含水層地下水中各礦物反映的影響進行了分析[13]。

地下水的水化學成分是在長期的地質歷史時期內通過水文循環形成的,因此其水化學成分的形成、演變過程必然會受到以前的氣候、構造、地質、水文地質條件等各種環境變化的影響。同時,氣候變化、地殼活動及人類活動也會對地下水的水化學成分產生較大影響導致其發生變化。Chen 等通過對加拿大溫尼伯地區105a 的氣候記錄數據和監測井水位之間相關性進行分析,認為降水和年平均氣溫均與地下水位有較強相關性,該區氣溫上升可能會減少凈補給從而影響地下水水位[14]。Drew 和H?tzl 系統地分析了人類活動對土壤、自然景觀等造成的影響以及對巖溶水的污染[15]。Jalali 通過水化學法對伊朗哈馬丹西部區域地下水質量和地質特征進行分析評價,并通過水化學類型法分析出該區地下水中NO3-的含量與農業灌溉及生活污水的排放密切相關,地下水的水化學特征明顯受控于自然地球化學過程和人類活動[16]。

相比于國外,國內有關地下水水化學成分形成與演化的研究起步較晚。20 世紀80 年代前期,國內對于地下水水化學的相關研究主要集中在地下水資源評價方法領域。閻占元加深了對地下水的相關概念的認識及地下水資源的評價方法[17]。到了20 世紀90 年代初期,國內學者對地下水和地表水間的關系有了突破性認識,認識到地下水與地表水并不是獨立的,不可將二者分割研究。20 世紀90 年代后期,我國學者開始認識到從大尺度研究水循環演化及區域地下水演變特征的重要性。張宗祜院士等水文工作學者,通過對區域地下水水化學演變特征進行研究,認為地下水水化學演化已經進入一個新的階段,當今時代科學技術及人類活動已成為地下水水化學特征演變的主要控制因素,在經濟飛速發展的同時要保證水資源的可持續開發利用的重要措施就是要加強水資源管理與保護[18-20]。2002 年開始,張光輝等學者利用同位素手段對黑河流域地下水的補、徑、排的時空演變特征進行了研究,查明了地表水與相鄰地下水之間的轉化規律,認為區域地下水化學演變受到氣候變化、人類活動影響和構造控制作用的共同影響[21-24]。小尺度區域的地下水化學演變特征在近30a 來也越來越受到國內水文學者們的重視。蘇永紅等綜合地球化學和同位素技術手段對額濟納盆地中的地下水和地表水的水化學特征進行了研究,對我國西北干旱地區內陸河流域中的地下水化學演變特征研究提供理論支撐[25]。陳宗宇等學者對中國北方地下水水化學調查成果進行系統地分析統計,對西北內陸盆地、華北平原和松嫩平原近50a 來區域地下水系統的演變特征及影響因素進行研究,并在此研究成果基礎上提出了在氣候變化和人為活動共同影響下應對地下水化學演化的適應性對策[26]。王帥利用Piper 三線圖法、內梅羅指數法、離子相關性等水化學方法對石家莊衡水區地下水的水化學特征和演變過程進行了研究,對該區地下水資源的合理開發利用提供數據支撐[27]。王東勝等通過質量平衡模擬方法得出了控制石家莊地下水化學演變的主要水巖作用過程[28]。

地下水動力場的演化研究對油氣遷移聚集規律、地質災害治理具有重要的意義。樓章華等通過對松遼盆地地下水動力場特征及油氣遷移、聚集規律研究得出油氣運移與分布與水動力條件密切相關的結論[29]。李天宇等對準噶爾盆地西北緣地層中地下水化學特征與油氣保存之間關系進行研究發現礦化度低、地層封閉性差的部位容易形成稠油[30]。周新平等通過水化學法對鄂爾多斯盆地延長組地層油藏條件進行了分析[31]。李陽等針對油田的水動力條件特征對油氣藏的影響進行了討論,認為相對穩定的水動力條件比動蕩的水動力環境更有利于油氣藏的保存[32]。魏哲對黑方臺灌區地下水的水文地質條件進行分析,發現該區地質災害發生的主要誘因是地下水動力場特征空間分布不均[33]。

地下水演化過程的研究離不開對地下水化學方面的分析。近十幾年來,水化學法、同位素手段、地球化學模擬等方法在我國水化學方面的研究日漸成熟。喬曉英通過地下水系統理論為指導,對準格爾盆地南緣地下水環境演化進行了研究,探討了地下水可再生性基本理論與方法[34]。郭小娟利用地下水化學指標分析法、同位素技術等手段對天津王四井鈣華的形成進行了模擬研究[35]。李青梅等通過對博興縣地下水歷史水化學資料分析,得出了該區地下水化學成分演變主要與南部地下水降落漏斗的產生有關[36]。

2 總結與展望

對于地下水化學及演化特征的研究方法利用較為廣泛的方法有水化學指標法、水化學類型法、同位素技術及水化學模擬法等。其中,對于比較復雜的水文地質條件,利用同位素手段來研究往往能達到理想效果；進行揭示地下水化學演變規律的研究采用地球水文化學法可取得良好效果；隨著計算機技術的發展,現在地下水化學演化模擬手段也越來越多地被利用到有關地下水方面的研究中,如SWAT 模型、WEP 模型、DTVGM 模型等；同時,相關性分析等數理統計方法也可用在對地下水類型演化方面。

針對地下水化學演變,國內外都進行了大量研究。隨著氣候變化和人類活動對自然的改造影響不斷加劇,在未來的地下水演化領域,需要重視二者耦合作用對地下水化學演變的影響。