白浪河流域地下水化學特征及其控制因素

吳振，王松濤

(山東省第四地質礦產勘查院 山東省地礦局海岸帶地質環境保護重點實驗室， 山東 濰坊 261021)

白浪河流域內地下水可分為淡水和鹵水兩種類型，人類生產活動主要聚集在淡水區。研究白浪河流域平原區地下水化學特征及其形成影響因素，對于正確理解流域地下水資源，保障供水安全具有重要意義。畢延鳳等[1]研究表明，白浪河流域淡水區和鹵水區的分界線為泊子鄉-大官莊村一線，以南為淡水區，以北為咸水-鹵水區，淡水區地下水總溶解固體(total dissolved solids，TDS)質量濃度一般小于3000 mg/L，水質較好，鹵水區地下水TDS質量濃度(ρ(TDS))一般大于20 000 mg/L，最高可達100 000 mg/L以上。白浪河流域北部海岸帶的地下鹵水資源較為豐富，其ρ(TDS)可達海水的2～6倍。鹵水中主要離子成分是Na+和Cl-，其次還含有K+、Br-、B3+、Mg2+、I-、Sr2+、Li+等[2]。

根據一般水文地質規律，平原區地下淡水主要來源于濰坊南部山區的補給，關于白浪河流域北部地下鹵水的來源，主要有兩種觀點：第一種觀點認為歷史時期三次海侵和海退，遺留的古海水蒸發濃縮形成鹵水，原因是該區具備海水蒸發濃縮的三個條件，即蒸發量大于補給量、海水補給、鹵水儲存的封閉場所[3-6]，且萊州灣南岸的鹵水賦存于三次海侵形成的三個松散砂層含水層中，這也從鹵水賦存空間角度側面印證了這一觀點；第二種觀點認為鹵水中的鹽分與溶解蒸發鹽有關，確定蒸發鹽的主要鹽源為海洋鹽分[7-9]，即隨著地下水的流動，地層中的易溶鹽溶解，地下水的水化學成分雖然呈現為鹵水的特征，但是鹵水中的水分子已經不是原來的海水了，已經被新的地下水所驅替。研究人員使用水化學和同位素分析的方法，發現鹵水分布區地下水的氘氧同位素值為負值，且位于大氣降水線附近，說明鹵水區的地下水來源于大氣降水。因為如果鹵水是由海水蒸發濃縮形成，則鹵水的同位素值應為正值且位于蒸發線上，萊州灣南岸的鹵水的氘氧同位素特征并不符合這一條件。

綜上所述，對于萊州灣南岸地下水鹵水的形成已有一些研究，兩種觀點分別從地層和水化學同位素數據角度給出了解釋，但是對于白浪河流域地下水化學成分的演化機理尚不清楚。本文以已有研究為基礎，從地質演化角度出發，通過水化學分析，進一步分析了全流域地下水水化學演化規律及影響因素。

1 研究區概況

研究區位于白浪河流域，地下水類型為松散巖類孔隙水，含水層巖性以沖積、沖洪積砂礫石為主，夾黏土、粉砂質黏土、黏土質粉砂。含水層厚度分布不均，從南到北由薄變厚，顆粒由粗變細，含水層由單層變為多層。地下水流向為由南向北[10]，地下水埋深總體上為南深北淺。

白浪河沖洪積扇的軸部及外圍、河流兩側第四系孔隙水最為發育，含水層顆粒粗，孔隙率大，富水性強，單井涌水量一般1000～3000 m3/d，強富水地段可達5000 m3/d，ρ(TDS)一般小于1000 mg/L。水位埋深一般11～25 m，局部因強烈開采，水位埋深可超過50 m。白浪河流域北部為鹵水區，ρ(TDS)一般大于10 000 mg/L，水位埋深一般小于10 m，該區域含水層巖性以粉細砂夾黏土層為主，富水性一般小于1000 m3/d。

白浪河流域北部為沖積、海積平原區，分布著廣泛的鹵水資源[11-12]，鹵水賦存于海岸帶的海陸交互相沉積層中，形成于晚更新世至全新世。根據前人鉆孔資料，自晚更新世以來，濰坊北部海岸帶發生過三次地殼升降運動，并形成三次海侵-海退，從而形成了三個海相地層[5,13]。鹵水含水層的厚度由陸地向海洋方向有變厚的趨勢。鹵水濃度具有分帶性，一般在近岸和遠岸出現低濃度帶，在中間出現高濃度帶，局部地段出現高濃度區，呈長條狀或不規則狀分布[13]。

2 樣品數據和研究方法

表1 地下水樣品數據表Table 1 Table of groundwater sample data

在水質樣品測試完成后，利用了Gibbs圖、Piper三線圖及無機離子示蹤劑的方法，研究了萊州灣南岸平原區地下水的水化學特征及控制因素。Gibbs圖主要用于分析地下水化學成分的來源。Piper三線圖主要分析地下水的水化學類型及其變化。無機離子示蹤劑主要用于分析不同無機離子之間的相互作用。

3 結果與討論

3.1 TDS變化

圖1為白浪河流域從出山口至海岸帶地下水的ρ(TDS)變化曲線，其中橫坐標為與出山口的距離。從圖1中可以看出，地下水的ρ(TDS)隨著距離增大呈現升高趨勢，在淡水區，地下水的ρ(TDS)一般小于3000 mg/L，平均值為1 098.1 mg/L；在鹵水區，地下水的ρ(TDS)一般大于80 000 mg/L，平均值為115 669.3 mg/L。從圖中可以看出，ρ(TDS)的變化非常劇烈，升高很明顯。這種劇烈變化與內陸盆地地下水咸化不同，內陸盆地的地下水咸化會有由低到高漸變的過程，只有在鹽湖區，才會有劇烈升高。而白浪河流域北部平原地下水的ρ(TDS)在很短的流動路徑上即有非常劇烈的升高。所以，根據其ρ(TDS)的不同，可以將研究剖面分為淡水區和鹵水區分別討論。

圖1 出山口至海岸帶地下水TDS變化曲線Fig. 1 TDS change curve of groundwater from mountain to coastal zone

3.2 水化學成分

地下水的水化學成分是由地下水的經歷所決定的，主要有地下水的補給來源、地下水流動路徑、氣候條件以及水巖相互作用等，同時地下水的水化學成分也受人類活動的影響，可以利用Piper三線圖揭示地下水的水化學特征及其演化規律[14-18]。圖2為白浪河流域地下水的Piper三線圖，從圖中可以看出，淡水區地下水化學成分的演化為沿著圖中的箭頭由上到下，由弱酸區演化到強酸區，水化學類型則由HCO3-Ca·Mg型、HCO3- Mg·Ca型為主逐漸變為SO4·HCO3- Mg·Ca型、SO4·HCO3- Mg型、HCO3·SO4-Mg·Na型為主。鹵水則主要分布在強酸區，水化學類型以SO4-Na型、Cl-Na型為主。從Piper三線圖上可以看出，在淡水區，地下水中鈉的毫克當量百分數一直處于升高的趨勢，說明淡水區地下水在流動過程中溶解了含鈉的礦物。

圖2 白浪河流域地下水樣點Piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater sample in Bailang River catchment

3.3 蒸發濃縮

Gibbs模型可以反映大氣降水、水巖相互作用和蒸發濃縮作用等對水化學成分的影響，該模型以ρ(TDS)表示縱坐標，以c(Na+)/c(Na++Ca2+)、c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)為橫坐標，樣品在Gibbs圖中的分布位置可以反映地下水化學特征的主要影響因素[19]。當ρ(TDS)值較低且c(Na+)/c(Na++Ca2+)或c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)>0.5時，表明地下水化學組分主要受大氣降水作用影響；當樣品ρ(TDS)值分布中等且c(Na+)/c(Na++Ca2+)或c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)<0.5時，表明地下水化學組分主要受水巖作用影響；當ρ(TDS)值較高且c(Na+)/c(Na++Ca2+)或c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)比值接近1時，表明該地下水化學成分主要受蒸發作用影響[20-22]。

從圖3可以看出，白浪河流域淡水區地下水樣點都落在了水巖相互作用區，表明淡水區地下水水化學成分的形成主要是水巖相互作用。鹵水區的地下水樣品落在了蒸發濃縮區，表明鹵水區地下水化學成分的形成是由于蒸發濃縮作用。不同于內陸盆地的蒸發濃縮作用，地下水咸化的直接原因是蒸發濃縮；鹵水區地層中的鹽分主要來源于三次海侵剩余海水的蒸發濃縮，在地下水流動過程中，溶解了海水蒸發濃縮而析出的鹽分，在Gibbs圖上，水化學成分表現蒸發濃縮的特征。

圖3 白浪河流域地下水樣品Gibbs圖Fig.3 Gibbs map of groundwater samples in Bailang River catchment

3.4 離子關系

注：1 meq/L=電荷數×103 mol/L。圖4 鹵水區陽離子與Cl-的關系Fig.4 Relationship between cations and Cl- in the coastal zone

濰坊市海岸帶經歷了三次海侵和海退，沉積了大量的鹽分。首先確定海水蒸發析出的礦物，再反演地下水在徑流過程中對礦物的溶解。海水蒸發試驗給出了礦物沉淀的基本順序，即首先沉淀難溶礦物，再沉淀易溶礦物[25]，具體過程是：蒸發開始后，首先沉淀CaCO3；當海水蒸發掉80%以后(此時碳酸鹽都已沉淀)，石膏(CaSO4)開始沉淀；當海水蒸發掉90%后(此時海水中的大多數Ca2+已隨石膏沉淀)，石鹽(NaCl)開始沉淀；當海水蒸發掉95%后，MgCl2、MgSO4、KCl和K2SO4開始沉淀。

Harvie等[26]通過理論推導出礦物溶解的難易順序，按溶解度由大到小，主要礦物由快到慢的溶解速度排序為：MgCl2、NaCl、KCl、Na2CO3、Na2SO4、CaCl2、CaSO4。利用Pitzer理論[27-30]計算鹵水樣品的飽和指數，見表2，從表中可以看出，易溶鹽的飽和指數都小于0，說明易溶鹽尚未達到飽和，地下水在流動的過程中會首先溶解易溶鹽。CaSO4的飽和指數接近于0，部分樣點大于0，表明CaSO4已經基本達到飽和，所以不會再溶解CaSO4。

圖5 鹵水區地下水樣品中c(Na++K++Mg2+)與關系圖Fig.5 Relationship between c(Na++K++Mg2+) and of groundwater samples in coastal zone

3.5 水化學成分的影響因素

從上文的分析中可以看出，淡水區的ρ(TDS)較低，鹵水區的ρ(TDS)較高，有明顯的區別。從Piper三線圖分析可以得出，淡水區地下水水化學成分的形成主要是地下水徑流過程中的溶濾作用。根據鹵水區地下水樣品的Gibbs圖，鹵水區地下水化學成分有蒸發濃縮的特征，這是由于地下水在流動過程中溶解了易溶鹽，而這些易溶鹽則是歷史時期海侵和海退遺留的古海水蒸發濃縮形成的。根據前人對鹵水區地下水同位素的研究，鹵水中的水分子未經歷過蒸發。這兩項研究看似矛盾，實則是因為所提及的時間點不同。地層中的鹽分是歷史時期海水蒸發形成；而同位素研究中的水分子未受蒸發，是指現在所取水樣中的水分子未受蒸發。從地質演化角度考慮，三次海侵距今已有一萬年左右，海侵時留下的海水形成了現在地層中的鹽分。海侵和海退結束后，陸地的地下水向海洋排泄，一萬年前留在地層中的地下水，已經被一萬年以來的地下水徑流所驅替，所以原來經受蒸發的水分子已經不復存在，現在含水層中的水是新補給的水，而地下水中的化學成分是溶濾地層中的鹽分形成的。

4 結論

(1)淡水區ρ(TDS)一般不超過3 000 mg/L，鹵水區的ρ(TDS)一般為80 000～170 000 mg/L，較淡水區的ρ(TDS)有明顯的升高，這一點不同于典型的沖洪積平原的ρ(TDS)分布規律，是由于鹵水區地下水化學成分的演化主要受控于三次海侵沉積的鹽分。

(2)淡水區地下水化學成分的演化在Piper三線圖上表征為由上到下，由弱酸區演化到強酸區，水化學類型則由重碳酸型為主逐漸變為硫酸型為主。鹵水則主要分布在強酸區，水化學類型以氯型為主。

白浪河的下游為鹵水區，鹵水是一種有效資源，未來可以進一步定量研究鹵水的可持續開發，這對當地資源開發和社會經濟發展都有一定的促進作用。