渭河流域地下水的水化学特征及形成机制.pdf

第 14 卷 第 2 期 2016年 4月 南水北调与 水利科技 South 2to2North Water Transfers and Water Science 2. 中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司, 重庆 400023; 3. 长安大学 环境科学与工程学院, 西安 710054 摘要 在对渭河流域 407 组地下水的水化学数据及 139 组含水层岩土样数据分析的基础上, 运用图解法、 数理统计 法、 Gibbs 半对数法及 PHREEQC 模拟等方法对渭河流域地下水的水化学特征及形成机制进行了研究, 取得了一些 新的认识。根据地下水系统划分原则, 将整个渭河流域的地下水系统划分为 5个二级地下水系统 陇西黄土高原子 系统、 陇东黄土高原子系统、 陕北黄土高原子系统、 关中盆地子系统以及秦岭北麓子系统。渭河流域水化学类型主 要是以 HCO32Ca、 HCO32Na 为主, 北部和中部还分布有 HCO3 SO42Na、 HCO3 SO4 Cl2Na、 SO4 Cl HCO32 Na 及 Cl SO42Na 型水, 大部分地区地下水中的 TDS 为小于 1 g/L 的淡水。地下水化学成分的形成主要受含水层 矿物的溶解/ 沉淀、 蒸发浓缩及阳离子交换作用的影响。 关键词 渭河流域; 地下水; 水化学特征; 形成机制; 溶解/ 沉淀; 蒸发浓缩; 离子交换 中图分类号 P641 文献标志码 A 文章编号 167221683 201602 20152 207 Chemical characteristics and ation mechanism of groundwater in Wei River Basin SUN Yi 2bo1, LIU Peng2fei2, WANG Wen 2ke3, LIU Shu2lin1 1. Chongqing Geological prospecting Bureau of N anj iang H ydrogeological 2. Chongqing Survey, Designand Research Institute Co. , Ltd. of CREEG, Chongqing 400023, China; 3. School of Environmental Science and Engineering, Changcan University, Xican 710054, China Abstract Based on analysing 407 hydro2chemical data and 139 aquifer rock soil samples date of groundwater from Wei River Ba 2 sin, China, the graphical , mathematical statistics, Gibbs semi 2logarithm diagram and phreeqc simulation were ap2 plied to study the chemical characteristics and ation mechanism of groundwater. According to the principle of division of the groundwater system, the study area was divided into five secondary groundwater system, namely, Longxi Loess Plateau subsys2 tem, Longdong Loess Plateau subsystem, Shanbei Loess Plateau subsystem, Guanzhong basin Loess Plateau subsystem and Qin2 gling Mountains subsystem. The hydro2chemical types of the groundwater in the Wei River Basin were mainly HCO3 Ca and HCO3 Na, in northern and central there were also distributed water types of HCO3 SO42Na、 HCO3 SO4 Cl 2Na、 SO4 Cl HCO32Na and Cl SO42Na. The groundwater TDS of most areas were less than 1 g/L of fresh water. The ation of the chemical compositions of groundwater were impacted by aquifer mineral dissolution/ precipitation, evaporation concentration and cation exchange. Key wordsWei River Basin; groundwater; water chemical characteristics; ation mechanism; dissolution/ precipitation; evapo2 ration concentration; cation exchange 152 水文地质与工程地质 渭河流域位于我国西北地区东部, 主要包括陕 西、 甘肃、 宁夏三省, 流域面积约 1315 万 km2, 该区 域内蕴藏着丰富的石油、 煤炭、 天然气等自然资源, 是我国新兴的能源化工基地。但是近年来, 随着经 济的发展和能源的开发, 城镇人口的不断增长, 该区 域对地下水资源的需求量日益增大, 从而加剧了水 资源的供需矛盾。严重制约当地人民生活水平的提 高和经济社会的发展。因此, 开展渭河流域地下水 的水化学特征及形成机制研究, 为推动西北地区的 新农村建设和饮水安全工程的实施提高有力的理论 依据。 1 研究区概况 研究区属大陆 性气候, 多年平 均气温介 于 6 e 13 e 之间, 年降水量介于 304 816 mm 之 间, 年平均蒸发量为 1 000 2 000 mm, 无霜期 120 220 d, 多年平均降水量650 mm。渭河的各支 流水系较多, 其中, 南岸的河流数量多于北岸, 较大 支流多集中在渭河北岸, 水系呈树枝状分布, 泾河与 北洛河分别是渭河的第一、 第二大支流。研究区整 体地形趋势为西高东低, 地形自西向东逐渐变缓, 河 谷逐渐变宽。地貌类型主要有山地、 黄土丘陵、 黄土 阶地和河谷冲积平原。 2 渭河流域地下水系统划分 根据同一个地下水系统内部的地下水补给源相 同, 水力之间具有密切联系, 且具有相同时空演变规 律的原则[ 1]。确定地下水系统划分的主要依据是以 地下水之间是否存在水力联系或者以水力联系之间 的强弱作为标准来划分。由于渭河流域面积较大、 地 层岩性多样、 地质构造较复杂、 地下水的水循环条件 不同、 含水层介质分布不同、 水动力特征差异大等特 点, 因此, 本文在充分考虑渭河流域地质背景的基础 上, 将该区域的地下水系统划分为以下 5 个二级地 下水系统, 即陇西黄土高原子系统 、 陇东黄土高 原子系统 、 陕北黄土高原子系统 、 关中盆地 子系统 以及秦岭北麓子系统 见图 1 [ 2] 。 陇西黄土高原子系统 该地下水系统位于 渭河的上游, 东面以六盘山地表分水岭为界, 西、 南、 北以渭河流域的边界线为界。该系统的主要含水层 为渭河干支流河谷的冲洪积砂、 砾石层, 地下水的主 要补给来源为大气降水的入渗, 地下水主要向渭河 及河谷两侧的沟谷中排泄。 陇东黄土高原子系统 该地下水系统位于 渭河的中游, 北面以渭河流域的边界为界, 南面以北 图 1 渭河流域地下水系统分区 Fig. 1 The partition map of Wei River Basin groundwater sy stem 山为界, 东以子午岭为界, 西与陇西黄土高原子系统 为邻。该系统的主要含水层为呈带状分布在泾河河 谷中及山前冲洪积扇区的洪积砂及冲积砂层。地下 水主要接受大气降水的入渗及河水的侧向补给, 最 终以泉点的形式排泄于陕西省彬县的水帘洞。 陕北黄土高原子系统 该子系统属于渭河 支流洛河流域, 北、 东以渭河流域的边界为界, 南以 北山为界, 西与陇东黄土高原子系统为邻。该系统 的地下水主要接受大气降水及河流入渗的补给, 自 西北向东部流动, 最终排泄于洛河中。 关中盆地子系统 该子系统位于汾渭断陷西 段, 该区域渭河河漫滩低地及山前洪积层地下水资源 较丰富,主要含水层为冲洪积的粗砂砾石层, 含水层 平均厚度约 60 m。地下水主要接受大气降水的补 给, 主要以蒸发、 泉及人工开采的方式的形式排泄。 秦岭北麓子系统 该子系统内地层主要为 太古代的变质岩系及火山岩, 地下水类型主要为风 化裂隙水, 富水性较差。大气降水的入渗是地下水 的主要补给源, 该类型地下水主要以地表径流的方 式流入关中盆地。 3 样品采集及分析测试 本文以中国地质调查局项目/ 地方病严重区地 下水勘查与供水安全示范0子课题/ 渭河流域典型地 方病区生态地球化学编图与饮水安全研究0为依托, 开展渭河流域地下水的水化学特征及形成机制的研 究, 课题组分别在 2011 年 10 月、 2012 年 7 月及 2013 年 5 月对研究区先后进行三次采样, 共采集水 样 407组, 土样 139 组 见图 2 。 本次研究中, 在野外采集每个不同水样点时用 GPS 全球定位系统进行实时定点, 记录当地的地面 153 孙一博等 渭河流域地下水的水化学特征及形成机制 水文地质与工程地质 图 2 渭河流域采样点分布 Fig. 2 T he distribution of groundwater samples in the Wei River Basin 高程及地理坐标, 并分别利用便携式 pH 计、 温度计 及电导仪在现场测定 pH 值、 水温及电导率 EC , 其它水化学指标将送至中国建筑材料工业地质勘查 中心陕西测试研究所进行测试。其中 K、 Na采 用火焰原子吸收分光光度法 WFX2110B 进行测 试; Ca2、 Mg2采 用 EDTA 滴定 法进 行 测试; SO42-、 Cl-、 NO3-、 NO2-、 F - 、 I-采用离子色谱法 HLC2601 进行测试; HCO3-、 CO32-采用酸碱滴 定法进行测试; Al、 As、 Cr、 Se、 Mn、 H g 等微量元素 采用等离子体质谱仪 ICP2MS 进行测定。 4 研究区地下水水化学特征 4. 1 水化学类型分布特征 本文参照舒卡列夫水化学类型分类法对整个渭 河流域地下水水化学类型进行分区 图 3 。整体来 看, 研究区的水化学类型主要以 HCO32Ca、 HCO32 Na 为主, 而在北部和中部还分布有 HCO3 SO42 Na、 SO4 Cl HCO32Na 及 Cl SO42Na 型水。其 中陇西黄土高原子系统及秦岭北麓子系统中的水化 学类型相对简单, 是以重碳酸型水为主, 主要有 HCO32Ca、 HCO32Na 型水。由于该区域是地下水 的主要补给形成区, 水质相对较好, 故水化学类型相 对简单。而陇东黄土高原子系统和陕北黄土高原子 系统总体上自北向南水化学类型由复杂逐渐变为简 单, 地下水水化学类型变化规律为 SO4 Cl2Na y HCO3SO4Cl2Na yHCO32Ca 型水, 主要与第三系 含水层介质的矿物成分有关。关中盆地子系统属渭 河流域地下水的排泄区, 地下水化学类型渭河以南及 渭北泾河以西较为单一, 泾河以东水化学类型复杂。 并且水化学类型自西向东逐渐由单一变得复杂, 依次 为HCO32Ca yHCO32Na yHCO3SO4Cl2Na ySO4 Cl2NaMg yCl SO42Na Mg 型水, 具明显的分 带性。且从盆地边缘至中心水化学类型逐渐变得复 杂, 变化规律为 HCO32Ca HCO32Na yHCO3SO42 NaySO4 Cl HCO32NayCl SO42Na Mg 型水, 水化学类型呈明显的水平分带性规律。 图 3 渭河流域地下水水化学类型分布 Fig. 3 The hydrochemistry type distribution of groundwater in the Wei River Basin 4. 2 TDS 分布特征 从图 4中可以看出, 研究区大部分地区的地下 水中 T DS 为小于 1 g/ L 的淡水。研究区 1 g/ L 0 , 而整个研究区的地下水相对于萤石和 石膏均处于非饱和状态 SI萤石 0、 SI石膏 0 。表 图 5 渭河流域矿物相的饱和指数与 T DS 的变化关系 Fig. 5 T he changes in relationships between mineral phase saturation index and T DS of Wei River Basin 明在研究区, 秦岭北麓子系统中发生了白云石、 方解 石、 萤石及石膏的溶解作用。其它子系统中则发生 了白云石、 方解石的沉淀及萤石、 石膏的溶解作用。 反应机理如式 1 - 式 6 所示。 CaCO3 H2O CO2vCa 2 2HCO - 3 1 CaMg CO3 2H3O 2CO2vCa2 MG2 4HCO-3 2 155 孙一博等 渭河流域地下水的水化学特征及形成机制 水文地质与工程地质 CaSo4 2H2O Ca2 2H2O 3 CaF2 Ca2 2F- 4 Ca2 CO2-3 CaCO3 5 Ca2 Mg 2 CO2-3 CaMg CO32 6 为进一步研究含水层介质中硅酸盐、 铝硅酸盐 矿物的溶解平衡过程, 本文还绘制了 Na- H - SiO2、 Ca2- H - SiO2系统矿物平衡体系图 图 6 , 将研究区所有的地下水样投在该图上。 图 6 渭河流域地下水 Na- H - SiO2a 和 Ca2- H - SiO2b 系统矿物平衡体系 Fig. 6 Activity diagram for the Na- H- SiO2 a and Ca2- H- SiO2 b sysrems of Wei River Basin 图 7 Na/ Cl-与电导率 EC 之间的散点 Fig. 7 The scatter plot between Na/ Cl-and conductivity EC 从图 6 中可以看出, 所有水点都落在高岭土稳 定区内, 无水点落在钠长石或钙蒙脱石稳定区内。 这说明研究区内含水介质中的钙长石、 钠长石、 黑云 母等矿物发生了非全等溶解, 水解为高岭土。反应 机理如式 7 - 式 9 所示[ 3]。 2NaAlSi3O8 2CO2 11H2O Al2Si2O5 OH4 2Na 4H4SiO4 2HCO-3 7 2CaAl2Si208 4CO2 6H2O Al4O10 OH 8 2Ca 2 4HCO - 3 8 4KMg3AlSiO10 OH 228CO230H2O Al4Si4O10 OH 8 4K 12Mg 2 8H4SiO4 28HCO - 3 9 由于这些原生造岩矿物在地下水中没有达到饱 和, 仍具有一定的溶解能力, 可形成次生矿物。所以 在地下水流动的过程中, 水解过程在形成了高岭土 的同时, 还产生了 K、 Na、 Ca2、 Mg2、 HCO-3等 离子。 5. 3 蒸发浓缩作用 在地下水化学成分形成的过程中, 如果蒸发作 用占主导地位, 且地下水流动的过程中, 没有矿物发 生沉淀, 则 Na/ Cl-的比值保持不变, 故 Na/ Cl- 与电导率 EC 之间的散点图应该是一条水平线, 这 条水平线就是判断蒸发浓缩作用是否存在的有效指 示器[ 4]。若地下水中的 Na主要来源于岩盐矿物 的溶解, 则 Na / Cl - 比值约等于 1, 若比值大于 1, 则表明地下水中的 Na还有一部分来自于硅酸盐 的风化作用[ 5]。从图 7中可以看出, 大约有 86 的 水样点比值大于 1, 仅有 14的水样点比值小于 1。 且 Na/ Cl-与电导率 EC 关系的趋势线是倾斜 的, 表明蒸发浓缩作用在水化学形成过程中并不占 主导作用, 而硅酸盐矿物的风化溶解作用占主导地 位, 图 8 渭河流域浅层地下水 Gibbs 图也可以进一 步证实该结论。 本次研究利用吉布斯[ 6]设计的半对数坐标图对 研究区地下水的水化学形成机制进行了研究, 在该 图中横坐标为普通的直线坐标, 表示河水中阴、 阳离 子比值 Cl - / Cl - HCO - 3 、 Na / Na Ca 2 ; 纵坐标为对数坐标形式, 代表河水中的溶解性总固 体 TDS 。目前, Gibbs 图已成为定性地判断大气 降水、 蒸发浓缩作用及区域岩石风化作用对河水化 学影响的一种重要手段[ 728]。很多研究表明, 利用 Gibbs 图解法不但可以分析河水的离子起源, 还可 以分析地下水[ 9214]。本文将渭河流域 5 个地下水子 系统的水化学数据投到 Gibbs 图上 见图 8 。 由图 8可以看出, 研究区五个子系统中的大多 数水样点落在图的中部岩石风化带, 说明研究区绝 大多数的地下水的形成要受岩石风化作用的影响。 除了秦岭北麓子系统外, 其它四个子系统中有少数 水样点落在图的右上角蒸发 浓缩带, 说明这些地 下水的形成受蒸发 浓缩作用的影响, 主要是由于 这些水点主要分布于地势较低, 水位埋深较浅的地 区, 故蒸发浓缩作用比较强烈。 5. 4 阳离子交换吸附作用 地下水中的 Na、 Ca2、 Mg2阳离子交换在地下 水化学成分形成过程中极其重要, 反应机理如下式 Na 黏土 Ca2 Mg2 地下水 y z Ca2 Mg2 黏土 2Mg 地下水 地下水在流动过程中, 是否发生离子交换, 可用 氯化物碱性指数 CAI21和 CAI22 来判断[ 15]。表示 如下, 单位为 meq/ L。 CAI- 1 Cl-- Na K / Cl- CAI- 2 Cl-- Na K / SO2-4 HCO-3 CO2-3 NO-3 156 第 14 卷 总第 83 期 南水北调与水利科技 2016年 4月 水文地质与工程地质 图 8 渭河流域五个地下水子系统 Gibbs 图 Fig. 8 T he Gibbs diagram of five groundwater subsystem from Wei River Basin 图 9 渭河流域五个地下水子系统 Gibbs 图 Fig. 9 T The Gibbs diagram of five groundwater subsystem from Wei River Basin 157 孙一博等 渭河流域地下水的水化学特征及形成机制 水文地质与工程地质 当地下水中的 Ca2、 Mg2与含水层颗粒表面 吸附的 Na、 K 发生离子交换时, CAI21 和 CAI22 均大于 0, 当发生相反方向的离子交换时, CAI21 和 CAI22 均小于 0。 从图 9 中可以看出, 随着矿化度的增加, 陇西黄 土高原、 陇东黄土高原及关中盆地子系统中大多数 水样点的 CAI21 和 CAI22 都大于 0, 表明该区域存 在着地下水中的 Ca2、 Mg2与含水层颗粒表面吸 附的 Na、 K的离子交换, 从而使地下水 中的 Ca2、 Mg2含量随着矿化度的增加逐渐减少, 而 Na、 K的含量逐渐增多。 6 结论 1 渭河流域的水化学类型主要以 HCO32Ca、 HCO32Na 为主, 在北中部还分布有 HCO3 SO42 Na、 SO4 Cl HCO32Na 及 Cl SO42Na 型水。 2 渭河流域 TDS 小于 1g/ L 的淡水, 水化学 类型主要是以 HCO32Ca、 HCO32Na 为主, 分布于研 究区的大部分地区。1g/ L T DS 3 g/ L 的弱咸 水, 水化学类型以 SO42Na、 HCO3 SO42Na Ca 为 主, 主要分布研究区的北部, 环江 马莲河一带及洛 河上游, 关中盆地渭河以北泾河以东黄土台塬及冲 积平原的大部分地区。3 g/ L T DS 10 g/ L 的咸 水, 水化学类型以 Cl SO42Na 为主, 主要分布在环 江的上游, 关中盆地蒲城的卤泊滩。10g/ L T DS 50g/ L 的强咸水, 水化学类型以 SO4 Cl2Na 为 主, 主要分布关中蒲城党睦镇一带。 3 渭河流域地下水化学成分的形成主要受溶 解/ 沉淀、 蒸发浓缩及阳离子交换作用的影响。其 中, 陇西黄土高原、 陇东黄土高原及关中盆地子系统 的地下水主要受铝硅酸盐、 萤石及石膏的溶解, 碳酸 盐 方解石、 白云石 的沉淀和阳离子交换作用的影 响; 陕北黄土高原子系统的地下水主要受铝硅酸盐、 萤石、 石膏的溶解, 碳酸盐 方解石、 白云石 的沉淀 影响; 秦岭北麓子系统的地下水主要受碳酸盐 方解 石、 白云石 、 铝硅酸盐、 萤石、 石膏溶解的影响; 另外 除了秦岭北麓子系统外, 其它四个子系统在地势较 低, 水位埋深较浅的区域地下水还受蒸发浓缩作用 的影响。 参考文献References [ 1] 王大纯, 张人权, 史毅虹, 等. 水文地质学基础[ M ] . 北京 地质 出版社, 1995. 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