衛寧平原地下水水化學特征及成因淺析＊

賈丹

（寧夏回族自治區水文環境地質調查院，寧夏 銀川 750021）

1 研究區概況

衛寧平原位于寧夏回族自治區中北部，介于衛寧北山與香山—煙筒山—牛首山之間，西鄰騰格里沙漠。衛寧平原西高東低，南北高中間低，分布在黃河兩岸，呈帶狀伸展，海拔高度在1 150～1 460 m之間。該區地處西北內陸溫帶干旱區，屬大陸性氣候，冬長夏短，干旱少雨，日照充足。區內平均氣溫為9.7℃，多年平均為23.3℃。多年平均降水量173.6 mm，一般集中在6—9月這4個月，占全年降水量的78%；多年平均蒸發量1 477.53 mm，多集中于3—9月，占全年蒸發量的81%。衛寧平原主要河流為黃河及其支流清水河，是典型的灌溉農業區。

衛寧平原淺層地下水主要為第四系松散巖類孔隙水，地下水補給主要接受渠系滲漏及田間灌溉入滲補給，其次是大氣降水入滲補給與兩側山區、丘陵臺地側向徑流補給。平原區含水層巖性以砂礫石為主，包氣帶地層顆粒較粗，給地下水的入滲創造了良好的條件，便于地下水入滲補給。地下水主要通過各排水溝流向黃河；由于衛寧平原長期灌溉，使得地下水位埋藏較淺，水位埋深多在3～5 m。包氣帶巖性松散，垂向蒸發排泄也是地下水排泄的主要方式之一，其次是人工開采。

2 數據采集

2021年3 月至4月，項目組成員組織人員在衛寧平原采集95組水樣，并分批次按時送往寧夏回族自治區地礦局實驗室進行分析，采樣過程經過嚴格質量把控。測試內容包括鈣、鎂、鉀、鈉、pH值、溶解性總固體、硬度、重碳酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物、氯化物、亞硝酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽。主要測定儀器有電感耦合等離子體發射光譜儀（DDYS-014）、紫外可見分光光度計（DDYS-009）、滴定管，具體采樣點分布情況如圖1所示。

圖1 研究區采樣點分布圖

3 研究方法與結果分析

3.1 水化學類型特征

利用舒卡列夫分類法得出衛寧平原水化學類型比較簡單，不同地下水化學類型分布區，水化學特征也不盡相同，整體沿山區和黃河兩岸呈條帶狀分布規律，水化學類型主要以H C O3·S O4·C l-C a型水和HCO3·SO4-Ca為主。溶解性總固體質量濃度整體上小于3 g/L，整體平原區特征變化分為東西向和南北向。東西向黃河兩岸溶解性總固體質量濃度均小于1 g/L，僅靠近山區部分區域溶解性總固體質量濃度在1～3 g/L，南北向兩岸溶解性總固體質量濃度大部分在1～3 g/L。

3.2 參數統計分析

地下水水化學參數統計特征值如表1所示。由表1[1]看出，地下水離子質量濃度由大到小排序為ρ（HCO3-）>ρ（SO42-）>ρ（Ca2+）>ρ（Cl-）>ρ（K++Na+）>ρ（Mg2+）[2]，陰離子質量濃度由大到小排序為ρ（HCO3-）>ρ（SO42-）>ρ（Cl-），HCO3-的質量濃度是Cl-的2.2倍，最大質量濃度為677.83 mg/L，最小質量濃度為97.99 mg/L，地下水陰離子類型以HCO3-為主。陽離子質量濃度由大到小排序為ρ（Ca2+）>ρ（K++Na+）>ρ（Mg2+），Ca2+的質量濃度是Mg2+的2.34倍，最大質量濃度為608.00 mg/L，最小質量濃度為17.60 mg/L，地下水陽離子以Ca2+為主。陰離子SO42-和Cl-的變異系數較大，變異系數達到了1.17和0.87。陽離子K+、Na+和Ca2+的變異系數較大，變異系數達到了1.24、0.88、0.79。

表1 地下水水化學參數統計特征值（單位：mg/L）

以上數據說明離子含量在空間差異上較大，得出地下水易受周圍環境影響，從主要陰陽離子可以看出來源主要是鹽巖和硫酸鹽，都是易溶解巖，可以推測一方面受地理位置影響，是否靠近含鹽巖和硫酸鹽山區，地下水與山區圍巖發生溶慮作用；另一方面四五月份之前不是灌溉期，寧夏又是蒸發量較嚴重區，地下水水位下降，地下沉積了很多蒸發巖，四五月份開始農田灌溉，不同區域灌溉時間有差異，造成有的地方蒸發巖與灌溉期黃河水發生溶解，有些地區延后，所以造成此種情況。按溶解性總固體質量濃度可將地下水劃分為淡水（＜1 g/L）、微咸水（1～3 g/L）、咸水（3～10 g/L）。研究區淡水占60%，微咸水占39%，咸水占1%。pH均值在7.53，整體呈弱堿性環境，但pH變異系數較大，說明空間差異上較大，推測還是與地理位置和黃河灌溉有關。

3.3 相關性分析

離子之間的相關性可用來推斷離子的來源相異性和一致性[3]，水化學元素相關性系數矩陣如表2所示。由表2可看出衛寧平原地下水離子相關性特征，Cl-和SO42-顯著相關性最高，相關系數達到了0.904，說明來源一致[4]；其次是Na+與Cl-、SO42-相關性較高，相關系數分別為0.788、0.711，這說明地下水中部分組分來自于鹽巖和硫酸鹽的溶解；最后是TDS與Cl-、SO42-、Na+、Mg2+相關性較高，相關系數分別為0.928、0.924、0.748、0.725，這表明在富含鹽巖和硫酸鹽的地區，這些離子貢獻率最大。

表2 水化學元素相關性系數矩陣

3.4 Piper三線圖分析

地下水Piper三線圖如圖2所示，利用水化學Piper三線圖[5]可用來分析地下水主離子類型。由圖2看出，陽離子三角圖中，調查點靠近Ca2+端，說明地下水中陽離子Ca2+含量較高；陰離子三角圖中，調查點更靠近HCO3-、SO42-端，說明地下水中陰離子HCO3-、SO42-含量較高，由此得出地下水為中偏低礦化水，這和前面提到的水化學類型特征和參數統計結果相一致。

圖2 地下水Piper三線圖

4 水化學特征成因淺析

水化學特征主要受氣候、地形、地質構造、地層巖性、沉積環境、補給循環條件及人類活動等因素的綜合影響。衛寧平原地下水在接受周邊山區、臺地與沙漠地下水補給以及人為引黃灌溉的影響下，向黃河排泄的循環過程中，與圍巖發生溶慮和蒸發巖溶解作用，在以上綜合因素影響下，形成衛寧平原現有水化學特征。

5 結語

地下水陰離子主離子為HCO3-和SO42-，陽離子主離子為Ca2+，溶解性總固體質量濃度小于3 g/L，研究區整體水質占比為淡水占60%，微咸水占39%，咸水占1%，pH均值在7.53，整體呈弱堿性環境。

根據相關性分析，Cl-和SO42-顯著相關性最高，相關系數達到了0.904，其次是Na+與Cl-、SO42-相關性較高，相關系數分別為0.788、0.711，說明有相同的來源，來自于鹽巖和硫酸鹽的溶解，推測該段時期地下水可能有蒸發巖溶解反應發生。陰離子SO42-的變異系數較大，陽離子K++Na+的變異系數較大，說明離子含量在空間分布上差異較大。

衛寧平原水化學特征形成一方面受地形、巖性和氣候的影響，另一方面受人為引黃灌溉的影響，向黃河排泄循環過程中，與圍巖發生溶慮和蒸發巖溶解作用。