过度开采对地下水水化学特征的影响研究

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(太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024)

过度开采对地下水水化学特征的影响研究

吕路，杨军耀

(太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024)

为探究过度开采对地下水水化学特征的影响，通过对比分析研究区1997年和2010年的地下水水位与水质资料，研究了过度开采条件下地下水水位与水化学特征的动态规律及两者之间的联系。研究结果表明：1997年和2010年研究区地下水水位与水化学特征的空间变化规律具有很高的一致性，表现为地下水水位降幅较大的区域对应的镁离子、硫酸盐含量增幅也相对较大，地下水水化学特征受地下水水位变化的影响较大。空间叠加分析结果表明：镁离子、硫酸盐与地下水水位变化较大的区域空间重合率分别为72.2%，53.1%。过度开采通过改变地下水补径排条件及饱和带、非饱和带的水环境变化对地下水水化学特征产生影响，因此对于地下水不可盲目、过度开采。

地下水；过度开采；水化学特征；演化规律；空间分析

1 研究背景

地下水是我国北方许多城市的重要供水水源，在人类生活和生产中发挥着重要作用。人类长期对地下水的过度开采，引发了地下水水量减少和水质恶化等水环境问题[1]，同时，还伴随地面沉降、土壤盐渍化、海水入侵等一系列环境地质问题[2-5]，因此，研究过度开采对地下水水环境的影响十分必要。目前，关于地下水过度开采条件下，地下水水质的演化机理及其影响因素分析成为研究重点，主要采用的研究方法和内容包括对地下水水位、水质的监测资料进行统计对比分析,同位素分析,水文地球化学模拟及灰色模型等，研究成果为区域地下水环境的保护与治理工作提供了科学指导[6-11]。

本文通过对比分析研究区1997年和2010年地下水水位和水化学动态特征，发现研究区地下水水位与水化学变化规律在空间上具有很好的一致性，过度开采引发地下水水化学特征变化的现象十分明显，同时对过度开采条件下研究区地下水水化学类型的演化规律进行了分析。

图1 研究区水文地质图Fig.1 Hydrogeological map of the study area

2 研究区概况

2.1 水文地质条件

本文重点对松散岩类孔隙水进行讨论。研究区松散岩类孔隙水主要赋存于吕梁山以南、峨嵋台地以北的沉降带第四系、黄河、汾河河漫滩及山前倾斜平原中。根据地下水的赋存条件和水力特征，可划分为浅层潜水-微承压水、中层承压水和深层承压水。研究区水文地质图见图1。

天然条件下，地下水接受大气降水入渗、山前侧向径流、灌溉回归入渗补给，在黄河岸边还接受侧向渗漏补给。地下水排泄以人工开采为主，其次是向下游径流排泄，河漫滩局部存在蒸发排泄。自1997年以来，受地下水过度开采的影响，研究区地下水水位与水化学特征发生了较大变化，具体讨论如下。

2.2 地下水水位动态特征

地下水是研究区工业、农业用水的主要水源之一，随着城市需水量的不断增大，自1997年开始长期过度开采地下水，导致地下水水位逐年下降。研究区1997年和2010年的地下水水位动态特征统计结果见表1和图2。

由表1可知，相比1997年,2010年研究区地下水水位平均下降了12.2 m。其中，水位下降点占所有采样点比例为81.8%，最大降幅为102.19 m，分布于北部山前倾斜平原的柳壕村北；水位上升点占所有采样点比例为18.2%，最大升幅为7.53 m，分布于黄河河漫滩的清涧湾。其中，除柳壕村以外，研究区在黄河阶地区形成了以苗圃为中心的水位降幅较大区，苗圃中心水位降幅16.42 m，1997—2010年年均降幅1.26 m；在汾河河漫滩及阶地区形成了以黄村渔场为中心的水位降幅较大区，中心水位下降为16.85 m，年平均下降1.30 m。

表1 研究区1997年和2010年地下水水位统计结果Table 1 Statistical results of groundwater levelin 1997 and 2010 in the study area

图2为研究区1997年和2010年地下水水位等值线图。从图2(a)可以看出，受过度开采影响，研究区在汾河三级阶地形成了以赵家庄—东庄为中心的地下水水位降落漏斗，至2010年降落漏斗范围不断扩大，向南延伸至汾河河漫滩的黄村渔场附近，向西延伸至黄河河漫滩及阶地的苗圃附近。降落漏斗改变了地下水原有的补径排特征，山前洪积扇地下水的流向发生变化，汾河河漫滩的地下水由径流排泄变为向北部降落漏斗补给。

2.3 地下水水化学特征

2.3.1 水化学成分变化

利用统计分析软件对研究区1997年的33个监测水样和2010年的30个监测水样进行统计分析，各指标的均值统计结果见表2。

由表2可以看出，相比1997年,2010年研究区地下水水化学成分的主要变化为：①pH值和总硬度增大，地下水环境一直处于偏碱性状态；②镁离子含量增大了17.0%，钾+钠和钙离子含量分别减少了27.1%和38.7%；③硫酸盐含量增大了38.8%，氯化物减小，重碳酸盐基本保持不变；④氨氮和亚硝酸盐氮分别增大了364.2%和726.7%，硝酸盐明显减小；⑤重金属中，铁、锰、锌均减小，铁和汞在2010年均未检出，锰和锌2010年均值仅为1997年的18.6%和1.8%。

图2 研究区1997年和2010年地下水水位等值线Fig.2 Contours of groundwater level in the studyarea in 1997 and 2010

表2 1997年和2010年地下水水化学成分变化统计结果Table 2 Statistical results of the chemical compositionof groundwater in 1997 and 2010

注：表中数值除pH值无单位外，其他数值均表示各物质浓度，其单位为mg/L;TDS表示总溶解固体;表中变化比例为2010年相对1997年

2.3.2 水化学类型变化

研究区1997年和2010年的地下水水化学类型分布见图3。由图3可看出：相比1997年,2010年研究区地下水中Mg型水、HCO3SO4型水和ClSO4型水明显增多，而Ca型水减少至消失，Na型水相对减少。

图3 研究区1997年和2010年地下水化学类型分布对比Fig.3 Distribution of chemical composition in groundwater in the study area in 1997 and 2010

由图3还可见，地下水水化学类型变化较大的区域主要分布在山前洪积扇和山前倾斜平原、黄河河漫滩及阶地、汾河三级阶地的东部、汾河河漫滩及二级阶地的西部，而汾河三级阶地中部和汾河南黄土塬区地下水水化学类型变化较小，各区地下水水化学类型变化特征见表3。

表3 地下水水化学类型分布特征Table 3 Distribution characteristics of chemicaltypes of groundwater

由表3可以看出，受地下水水位降落漏斗的影响，地下水流向的改变造成了地下水补给区Mg型水、SO4型水明显增多，水流路径上由补给区至排泄区地下水水化学类型的变化趋势十分接近。

3 地下水水位变化对水化学特征的影响

3.1 空间动态规律

对研究区1997年和2010年的镁离子、硫酸盐及地下水水位的变化进行研究，1997年与2010年的地下水水位、镁离子及硫酸盐含量差值(mg/L)等值线见图4。

由图4可以看出：研究区镁离子、硫酸盐含量变化较大的区域,相应的地下水水位变化幅度也较大。其中，镁离子含量增幅较大的区域为山前洪积扇、黄河河漫滩、汾河漫滩及阶地的东部，地下水水位降幅较大的3个区域分别为以苗圃为中心的黄河河漫滩、以黄村渔场为中心的汾河河漫滩及阶地和以柳壕村北为中心的山前倾斜平原区。对比1997年和2010年硫酸盐含量的变化可知，2010年硫酸盐含量除市区有所下降外，东部、西部和北部的硫酸根含量均有不同程度升高，其中，黄村附近地下水中硫酸根含量剧增，增幅超过了500 mg/L，另一个高值区域为山前洪积扇东北部，硫酸盐的增减变化与地下水水位下降的区域也基本吻合。

黄村水样点1997—2010年地下水水位、镁离子、硫酸盐变化趋势如图5所示。由图5可以看出，随着地下水水位的下降，镁离子、硫酸盐含量不断增大。由于1997—2010年，黄村附近地下水水位降幅为局部最大点，受黄河渗漏、汾河渗漏及北部地下水径流补给，导致镁离子、硫酸盐含量在黄村附近富集，含量不断升高。

图4 1997年和2010年地下水水位差值、镁离子含量差值及硫酸盐含量差值等值线Fig.4 Contours of changes of groundwater level，magnesium ion content and sulfate content in 1997 and 2010

图5 1997—2010年黄村水样点地下水水位、镁离子、硫酸盐含量变化趋势Fig.5 Change trend of groundwater level，contents of magnesium ion and sulfate in Huangcun from 1997 to 2010

3.2 空间叠加分析

分别将镁离子增幅30 mg/L、硫酸盐增幅50 mg/L以上区域叠加至地下水位差值等值线图中，与地下水位降幅10 m以上区域进行空间叠加分析(见图6)。由图6可以看出，镁离子、硫酸盐增幅较大的区域与地下水位降幅较大的区域在空间分布上重合性很高。镁离子增幅30 mg/L以上区域与地下水位降幅10 m以上区域相交面积为17.31 km2，重合率为72.2%(以占镁离子增幅30 mg/L以上区域面积的比例计算)，硫酸盐增幅50 mg/L以上区域与地下水位降幅10 m以上区域相交面积27.85 km2，重合率为53.1%(以占硫酸盐增幅50 mg/L以上区域面积的比例计算)。空间叠加分析结果也表明了地下水位变化对研究区地下水化学类型的影响十分显著。

图6 镁离子、硫酸盐与地下水水位差值等值线叠加图Fig.6 Superposition of contours of the variation of magnesium ion and sulfate content and groundwater level

3.3 地下水水化学演化机理

过度开采一方面改变了研究区地下水的补给、径流、排泄关系，另一方面改变了研究区饱和带和非饱和带的水化学环境。

过度开采首先导致地下水水位降落漏斗范围不断扩大，降落漏斗附近的地下水由径流区变为排泄区，不仅接受山区、山前洪积扇的侧向径流补给,还接受黄河的侧向渗漏与汾河南部阶地的地下水补给，伴随着混合作用、溶滤作用和离子交换作用，使得地下水位降幅较大的区域镁离子、硫酸盐富集。

以黄村渔场水样点为例，1997—2010年，镁离子含量增加了156.5 mg/L，硫酸盐含量增加了500 mg/L，为研究区镁离子、硫酸盐含量增幅最大点，地下水径流途径对应的地下水化学类型演化趋势为HCO3-Mg→HCO3SO4-Mg→ClSO4-NaMg→HCO3SO4-NaMg，可见黄村渔场的地下水化学类型受地下水径流的影响较大，受地下水过量开采的影响，黄村附近地下水位降幅为局部最大点，地下水水化学类型的演化趋势与地下水位的变化趋势一致。

另一方面地下水过度开采使饱和带、非饱和带水环境发生变化。近年来,随着煤化工、冶金和发电工业生产工艺的改进，研究区空气质量好转，氮化物和硫化物含量降低，雨水的酸度减小，影响到非饱和带水-土的酸碱性，随着非饱和带水入渗补给地下水，研究区地下水pH值升高，地下水环境一直处于偏碱性状态。地下水pH值的升高，使得碳酸平衡向右进行，方解石向饱和与过饱和方向发展，导致地下水中钙离子减少，同时，白云石可能处于非饱和状态，这种非全等溶解最终使得镁离子含量相对增加，钙离子含量相对减少。

地下水水位下降，使得原本处于饱水带的地层变成了非饱和带，原本处在还原环境的地层变成了氧化环境，铁、锰、硫、氮、氧和砷是地下水环境的主要氧化还原元素，这些元素对氧化还原反应十分敏感，这些敏感元素的含量变化也反映了研究区地下水环境处于一种弱氧化环境。这也使得在强还原环境下才可能发生的脱硫酸反应不能继续发生，SO42-含量也不会减少，反而相对增加。此外，北部山区的煤矿开采，黄铁矿不断被氧化导致地下水中SO42-含量增加，再加上山前倾斜平原和山前洪积扇地下水位的下降，接受山区侧向补给的地区地下水中硫酸盐含量增高，这从2010年地下水化学类型分布图中北部地区SO4型水比例增多也可以看出。

4 结 语

研究区地下水水位与水化学类型变化的空间一致性反映了过度开采对地下水水化学的影响较大。空间叠加分析也很好地验证了镁离子、硫酸盐增幅较大的区域与地下水水位变化较大区域有很好的重合性。过度开采通过改变地下水的补径排条件及饱和带、非饱和带的水环境特征,从而对地下水水化学特征产生影响。

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(编辑：黄 玲)

Effect of Over Exploitation of Groundwater onthe Hydrochemical Characteristics of Groundwater

LÜ Lu，YANG Jun-yao
(College of Water Resource Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

In order to explore the influence of over-exploitation of groundwater on the hydrochemical characteristics of groundwater, we analyzed the dynamic changes of and relationship between groundwater level and water chemistry in the condition of over exploitation by comparing groundwater level and groundwater quality between 1997 and 2010. Results showed that when groundwater level declined, magnesium ion content and sulfate content increased correspondingly, indicating that spatial changes in groundwater level is highly consistent with that in chemical composition, which means that water chemistry is greatly affected by groundwater level. Spatial superposition results suggest that 72.2% of the changes in magnesium ion content coincided with groundwater level decline, and 53.1% of the changes in sulfate contentcoincided with groundwater level decline. Over exploitation affected groundwater chemistry through changing the discharge and recharge conditions as well as the water environment in saturated zone and non-saturated zone.

groundwater；over-exploitation；hydrochemical characteristics；evolution law；spatial analysis

2016-04-21；

：2016-05-09

吕路(1992-)，男，山西晋城人，硕士研究生，研究方向为水文学及水资源，(电话)13233626295(电子信箱)331519943@qq.com。

杨军耀(1965-)，男，山西闻喜人，副教授,硕士生导师，硕士，研究方向为水文学及水资源，(电话)13015309351(电子信箱)704381962@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160377

2017,34(9):14-18,23

P342

：A

：1001-5485(2017)09-0014-05