卫宁北山山前地下水特征分析及水质评价

张天文，李学军，强　杨，孟　杰

(1.宁夏矿产地质调查院，宁夏银川750021； 2.重庆邮电大学移通学院，重庆合川401520)

卫宁北山山前地下水特征分析及水质评价

张天文1，李学军1，强杨2，孟杰1

(1.宁夏矿产地质调查院，宁夏银川750021； 2.重庆邮电大学移通学院，重庆合川401520)

摘要：以卫宁北山石空段地下水为研究对象，结合中宁平原盆地已有的地质、水文地质资料,介绍了山前地下水水文地质、赋存、补给径流排泄特征、水化学特征和地下水变化动态。地下水受构造地貌控制由山前流向黄河，补给来源主要为大气降水，水岩相互作用从A1—A5点以溶滤、A6—A7混合作用为主，逐渐演变成A8—A10的以浓缩-蒸发为主。水质测试表明:地下水由山前至滨河由苦咸水转化为淡水(微咸水)，水化学类型由Cl·SO4-Na(Cl·SO4-Na)型转为HCO3·SO4-Ca·Na型，平原区水质属于较差类别。受人类活动影响，主要污染物为氨氮等。

关键词：地下水特征；地下水水质；卫宁北山；宁夏中宁

0引言

中宁县地处宁夏回族自治区中部西侧，黄河穿县而过，城镇建设主要分布于黄河冲积平原两侧。近年来，随着宁厦自治区人民政府沿黄经济带建设工程的不断推进，黄河两岸生态环境保护显得尤为重要。中宁县石空镇位于黄河北岸，为沿黄经济带重要的枢纽，同时也是宁夏重点发展的工业园区之一。随着中宁石空镇工业园区的建设与开发，地下水安全问题不容忽视，局部地区地下水可能已经存在污染问题。对石空镇新寺沟—黄河一线进行水文地质调查及水质检测，目的是在了解地下水特征的基础上，为当地地下水的开发保护及污染防治提供基础水文地质及水质资料，为区域供水安全、生态环境决策提供安全科学依据。

1研究区概况

中宁平原深居内陆，属温带大陆性气候，冬季严寒，夏季酷热，风大沙多；气温年、日差较大，年均温度9.5 ℃，昼夜温差10～15 ℃。全年日照时数2 000～3 000h，是我国日照资源最丰富的地区之一；年均降水量202.1 mm，6—8月的降水量占全年降水量的61%；年蒸发量1 947.1 mm，是年均降水量的9.6倍。无霜期短而多变，并有干旱冰雹、霜冻等灾害性天气。植被稀疏，覆盖率很低，多旱生灌木和沙生、盐生植被。黄河中宁河段的主要水域功能为农灌和工业用水。研究区范围自新寺沟至黄河一线。新寺沟系卫宁北山一山间沟谷，呈近北西—南东向延伸，呈“U”型，东西两侧为低山，两侧山体高程1 280～1 300 m，汛期形成地表洪流经平原区流向黄河，下游为山间冲积平原及黄河冲积平原。

1.2　地质及水文地质特征

卫宁北山主要地层系由泥盆系中宁组—石炭系丑牛沟组一系列钙质粉砂岩，中厚—厚层细粒长石、石英砂岩，厚层灰岩、泥岩构成，岩体内构造裂隙较发育。地下水水位较深；山前丘陵区地层主要以古近系—新近系泥岩-粉砂质泥岩、泥质砂岩-粉砂岩互层组成，地下水主要赋存于粉砂岩中，沉积颗粒自两侧山前向新寺沟中间部位逐渐变细，古近系—新近系出露面积不大；黄河冲洪积平原为研究区A8—A10，自第四纪以来持续下降，堆积了厚达100余m的松散沉积物，主要由卵砾石、砂质土及黏土组成。

地貌单元上，总体趋势为北高南低；主要地貌形态有中山、低山丘陵、山间洼地及冲洪积平原，地形复杂，海拔高程均在1 000 m以上。卫宁北山为宁南弧形地貌结构性的北缘界山，横亘在卫宁平原之北，山体走向西东，长50 km，最高峰土窑峰1 687 m。地形地势特征反映了构造的轮廓，第四纪以来，由于地壳上升，地形切割强烈，“V”形沟发育，山陡谷深。低山丘陵主要分布于卫宁北山与卫宁平原过渡带上。卫宁平原呈东西向展布，主要由黄河冲积平原和山麓冲积扇组成。黄河冲积平原地形平坦开阔，第四纪以来持续下降，堆积了厚达100余m的松散沉积物(韩强强，2012)，由于人类活动改变了原有的地貌景观，农田成片，沟渠纵横，形成了独具特色的灌区地貌景观。

地势及地貌特征决定了地表及地下水的主要流向。

2采样及测试

2.1　野外调查及取样

野外调查采样区位于黄河石空镇北岸，在以往水文地质基础资料的基础上，分别在2012年4月和7月进行了野外调查及取样。共采样10组。其中，样品A1、A2、A3、A4、A5为丘陵区水文钻孔，A6、A7为冲积扇区钻孔，A8、A9、A10为下游平原区农村自用井。采样点分布见图1。

图1　研究区样点分布图Fig.1　Map showing distribution of sample locationin the study area

2.2　测试方法

3地下水水化学特征

3.1　地下水类型及分布规律

根据地下水赋存条件及含水层岩性特征，将研究区内的地下水划分为第四系松散岩类孔隙水和红层孔隙裂隙水两大类型。

3.1.1第四系松散岩类孔隙水第四系松散岩类孔隙水主要分布在新寺沟下游沟床及黄河冲积平原区。

新寺沟下游沟床至山口，第四系主要由冲洪积及零星黄土组成。厚度一般为3～10 m。局部地段不含水，地下水位埋深由灰场下游向出山口递减。

据区域资料，黄河冲积平原区第四系厚度变化区间3.80～48.00 m，主要由砂砾石，砾砂夹砂黏土组成，含水层厚度约为22.11 m，单孔涌水量379.30 m3/d,富水性较强。

3.1.2古近系—新近系碎屑岩类风化孔隙裂隙水古近系—新近系碎屑岩类风化孔隙裂隙水即红层空隙裂隙水，分布在包兰铁路线以北，新寺沟两岸，以古近系清水营组(E3q)和新近系红柳沟组(N1h)的含砾砂岩、粗砂岩为主。地层上部以含砾砂岩、粗砂岩为主。

3.2　地下水补径排条件

研究区根据地形、地貌、成因分为山区和平原区。

山区地下水主要的补给来源有大气降水，山洪下渗补给。径流方向受地表形态影响较大，水流方向系由西北山区流向新寺沟，新寺沟沿地势由高向低，即由西北向东南流。排泄方式主要有陆面蒸发，植被吸收及边界排泄。

图2　研究区水文地质剖面图Fig.2　Hydrogeologic profile of the study area

平原区地下水补给来源较多，主要有大气降水，灌溉入渗，山区侧向补给，山洪入渗补给。平原区为引黄灌区，平均每公顷用水量约大于3 000 m3/a，因此渠道及田间的灌溉入渗成为其主要的地下水补给来源。平原区径流条件较为简单，总体由出山口流向黄河。排泄方式有人工开采，陆面蒸发，植物蒸腾及向黄河的地下径流。

3.3　地下水动态

根据多年资料，研究区内地下水水位埋深年际变化介于1.20～19.99 m之间。地下水流向总体趋势是由北向南，地下水水位埋深由卫宁北山山前向黄河一线渐浅。在红土丘陵地区地下水水位在10.81～19.99 m之间，平原区地下水水位埋深在6 m之内。

山区地下水动态受季节影响变化明显，夏秋季接受降水入渗补给较大，水位上升；冬春季节水位下降。丘陵区水位枯丰2季变幅为0.23～1.41 m，平均0.58 m。

黄河冲积平原区田间渗漏对地下水动态影响较大，4—6月是西北地区气候上的旱季，也是一般地下水的枯水季节。但在引黄灌区却不同，第二年4月底开始放水灌溉，水位迅速上升，直到9月停灌，地下水水位有所下降，至11月下旬冬灌，水位上升后至冬灌结束又下降，来年4月又上升。因此,该区地下水的枯水季节(1—4月)和丰水季节(5—12月)与灌溉周期相吻合(张学英等，2007)。根据2次观测结果，引黄灌溉平原区地下水枯丰水位变幅为0.31～1.85 m，平均变幅在1.4 m左右。

3.4　地下水水化学特征

从地下水水化学类型综合表可以看出(表1)，地下水矿化度在0.47～2.04 g/L之间。矿化度最高点出现在A4点，即红土丘陵下游最后一点，造成此处矿化度偏高的原因除地貌与水文条件外，主要是古近系红土地层中高盐分所致；最低点出现在沟谷出山口的A6点处，主要是由于该地位于沟口洪积扇上，地层以中—细砂为主且地下水径流条件较好，加之跃进渠下渗补给，矿化度最低。

总体而言，丘陵区的地下水矿化较平原区高，范围在1.16～2.04 g/L之间,平均1.66 g/L；A6—A7地下水矿化度稍高，平均0.50 g/L；A8—A10的平原地区矿化度较低，小于1 g/L,属于淡水，可以直接饮用；滨河地区因为黄河水顶托，排泄不畅，地下水矿化度有所上升，2点均大于1 g/L，属于微咸水。

表1　研究区地下水水化学组分

表2　各离子及矿化度之间相关性结果

注：“*”、“**”、“***”分别表示通过0.05、0.01、0.001显著性检验

图3　研究区地下水Piper图Fig.3　Piper diagrams of groundwater in the study area

研究区地下水的氟主要来源于含氟量较高的矿物，通过降水的溶滤和入渗作用，使得F-在地下水中有一定的富集。研究区F-体积质量在范围在0.56～3.8 mg/L之间。在A1—A5点均大于2 mg/L，平原区小于0.8 mg/L，可见F-主要来源于丘陵区的溶滤下渗过程。

4地下水水质分析与评价

4.1　水质分析

丘陵区因为地下水受到下伏古近系红层影响，氟、硝酸盐、亚硝酸盐、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物等单项指标均超过《地下水质量标准》中Ⅲ类指标，水质极差，无评价意义，因此不予评价。按照《地下水质量标准》(GB/T 14848—93)中规定的Ⅲ类标准对研究区内平原区(饮水区)进行地下水水质单因子评价。选取指标有：pH值、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、挥发性酚类、砷、汞、铬(6价)、总硬度、铅、氟、铁、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化物等。

平原区5组水样结果表明,该地区地下水水质受多种因素影响，符合Ⅳ类标准有2点，其他3点为符合Ⅴ类标准(表3)。在超标水样中, 超标率最高的项目为总硬度，其次为氨氮和硫酸盐及高锰酸钾指数,最低的为氟和溶解性总固体。在单组水样中, 超标项目最多的为A9点、超标项目为4 项,氨氮、硫酸盐、总硬度及溶解性总固体均超标。

表3　地下水水质超标项目表

4.2　水质评价

综合来看, 平原区地下水水质较差,部分地下水水质超过地下水环境质量标准的Ⅴ类标准。就超标的项目分析, 主要集中在氨氮、硫酸盐和总硬度3个参数, 氨氮超标主要是平原区农耕生产农药化肥(农家肥)使用引起；硫酸盐和总硬度项目超标原因与原生地质背景有关。从超标项目性质来说, 超标的多个项目经过水质处理均可达到Ⅲ类水质标准, 水质经过处理后, 研究区地下水均可满足生产用水要求(李春梅等，2010；汪美华等，2012)。

5结论

(1) 研究区地下水流场受到构造地貌的控制作用,地下水流向由西北向东南流, 天然水化学类型、矿化度和硬度呈现明显的水平分带性。研究区地下水划分为第四系松散岩类孔隙水和红层孔隙裂隙水两大类型。第四系松散岩类孔隙水主要分布在新寺沟下游沟床及黄河冲积平原区，红层孔隙裂隙水两大类型主要分布于山前分布的古近系地层中。地下水主要的补给来源有大气降水，山洪下渗补给等，排泄方式有人工开采、陆面蒸发、植物蒸腾及向黄河的地下径流。

(2) 地下水动态受季节影响变化明显，夏秋季接受降水入渗补给较大，水位上升；冬春季节水位下降。丘陵区水位枯丰2季变幅范围0.23～1.41 m，平均0.58 m。黄河冲积平原区受灌溉影响，4—6月为枯水季节，4—9月为枯水期，地下水水位有所下降，至11月下旬冬灌，水位上升后至冬灌结束又下降。根据观测结果，引黄灌溉平原区地下水枯丰水位变幅0.31～1.85 m，平均变幅在1.4 m左右。

(3) 地下水由山前至滨河地下水矿化度降低，苦咸水转化为淡水(微咸水)，从A1—A10, 水化学类型由Cl·SO4-Na(Cl·SO4-Na)型转为HCO3·SO4-Ca·Na型。水岩作用由溶滤作用逐减转化为混合作用，到滨河区转化为浓缩-蒸发作用。

(4) 丘陵区地下水由于地质背景因素，水质极差，山前冲洪积扇区(A7点), 水力坡度大, 径流条件好, 矿化度和硬度较低, 水质好, 是城市集中供水水源地的良好选择。平原区水质属于较差类别，受人类活动影响，主要污染物为氨氮，总硬度及硫酸盐，建议当地居民应养成良好的卫生环保习惯，不随意泼洒生活污水，厕所和牲口棚的位置合理布置，避免污染地下水。

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Characteristics of groundwater in the piedmont area of the Weiningbeishan region and water quality evaluation

ZHANG Tian-wen1, LI Xue-jun1, QIANG Yang2, MENG Jie1

(1.Ningxia Mineral Geological Survey Institute,Yinchuan 750021,Ningxia, China； 2.College of Mobile, Chongqing University of Posts and Telecommunications Hechuan 401520,Chongqing,China)

Abstract：This paper presents the hydrogeological features, occurrence, discharge of feeder, water chemical analysis and dynamic changes of groundwater from the Shikong section of Ningweibeishan region, Ningxia, combined with the previous geological, hydrogeological data for the plain basin. It is indicated that, the groundwater shows a significant control by the tectonic landform, flowing from the piedmont to the Yellow River, and is mainly sourced from atmospheric precipitation. The water rock interaction evolved gradually from leaching (sample points A1—A5), mixing effects (sample points A6—A7) to concentration-evaporation (sample points A8—A10). Water quality tests suggest that, the groundwater transformed from brackish water to fresh water (slightly saline water) from the piedmont to riverside, and the hydrochemical types vary from Cl·SO4-Na (Cl·SO4-Na) type to ·SO4-Ca·Na type. Groundwater quality in the plain area belongs to a poor level as impacted by human activities, and the main pollutants are ammonia nitrogen.

Keywords：groundwater characteristics; groundwater quality; Weiningbeishan; Zhongning, Ningxia

作者简介：张天文(1985—)，男，助理工程师，硕士，主要从事水工环及地质灾害研究工作，E-mail：ztw1311@163.com

收稿日期：2013-09-12；修回日期：2013-09-25；编辑：蒋艳

中图分类号：P641

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2015)01-0121-06

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.01.121