海原县山前地下水化学特征分析

刘伟坡，沙 娜，程旭学，王文祥，王雨山，李海学，张梦南

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051）

地下水化学组分是地下水长期与周围介质不断发生水岩相互作用的产物，地下水溶液的化学成分沿地下径流方向不断发生变化［1-2］，在地下水的补给、径流和排泄区形成特有的地下水化学类型，地下水化学组分是地下水循环演化规律和地下水流系统特征的集中反映［3］，因此开展地下水化学特征研究对水资源合理开发利用、水资源管理及生态保护具有重要意义［4］。宁夏海原县地处西北内陆干旱区，水资源短缺、水质差，严重制约着地方经济发展［5-7］，同时，受地下水过度开采和工农业发展等人类活动影响，地下水天然水动力条件和补径排条件发生了改变，引发了一系列环境地质问题。海原县松散岩类孔隙水是农业种植和居民生活的主要供水水源，因此对海原县地下水化学空间分布特征进行研究，揭示人类活动影响下的地下水循环演化规律，以期为海原县地下水可持续开发利用及水资源保护提供依据。

1 研究区水文地质概况

研究区地下水以第四系松散岩类孔隙水为主，主要分布于南、西华山北部山前古洪积扇、西安州及干盐池断陷盆地，受地形地貌、气候等影响，地层岩性以黏砂土与粗砂、砂砾石互层结构为主，含水层厚度30～100 m，富水性空间差异较大，自山前至盆地中心，富水性为300～2 000 m3／d（见图1）。地下水化学特征空间差异大，山前倾斜平原地下径流强度大，地下水循环快、水-岩作用强烈，地下水溶解性总固体含量小，一般小于0．5 g／L；从山前倾斜平原到低平原区，地下径流强度变弱，以溶滤、阳离子交替吸附作用为主，水-岩作用时间长，矿物溶解充分，地下水中可溶性化学组分明显增多，地下水溶解性总固体含量增大，为0．5～2．0 g／L；至地下水排泄区、盆地中心，地下水埋藏深度小，一般小于10 m，或直接以泉的形式溢出形成地表径流，蒸发-浓缩作用强烈，地下水溶解性总固体含量大，为 2．0～4．0 g／L。 新近系、古近系地层岩性以砂质泥岩、细砂岩、泥岩互层结构为主，泥质含量高，胶结致密，孔隙裂隙发育程度低，且埋藏深度大，地下径流迟缓、可更新能力差，地下水溶解性总固体含量为1．5～3．0 g／L。南、西华山地层主要由前震旦系海原群变质岩和志留系-泥盆系砾岩、砂岩组成，受区内多期构造演化、气候、大气降水等因素影响，岩石风化破碎，裂隙发育程度空间差异大，富水性分布极不均匀，为地下水主要补给区，且常以泉的形式在山前地带出露，泉水流量为 0．5～6．0 L／s，水质较好，溶解性总固体含量小于1．0 g／L。

图1 研究区水文地质图

2 研究内容及方法

为查明研究区地下水化学特征及空间变异规律，根据研究区地下水补径排条件，沿地下水流向选取典型取样剖面6条，采样深度浅（＜50 m）、中（50～100 m）、深（100～200 m）相结合，共采集地下水化学样品70组、氢氧同位素样品70组、泉水5组进行分析。地下水、泉水样品由甘肃省地质工程实验室采用离子色谱法进行水质全分析测试，测试仪器设备为Dionex ICS-2500离子色谱仪，测量分析范围为 0．001～1．000 mg／L；同位素样品由中国地质调查局水文地质环境地质调查中心实验室分析测试，所用仪器设备为气体质谱仪（MAT252），测量精度 δ18O 为±0．02%、δD为±0．10%。

综合应用水化学、同位素、线性拟合等方法，利用AqQA软件绘制研究区地下水化学Piper三线图，以了解地下水化学特征及空间变异规律［8-10］；利用地下水氢氧同位素空间分布规律，揭示研究区地下水补给来源及补给区［11-12］；应用Origin8．0软件绘制研究区地下水化学Gibbs分布图、离子比例系数图，并进行线性拟合［13］。在综合分析前人已有地质及水文地质研究成果的基础上，揭示研究区地下水化学特征、循环演化规律及主要形成作用。

3 研究区地下水化学特征

3．1 山前—鸭儿涧地下水化学特征

从南、西华山地下水补给区经低平原至北部鸭儿涧地下水集中排泄区，地下水化学类型由HCO3-Ca·Mg 渐变为 HCO3·SO4-Ca·Mg、SO4·Cl-Na·Mg·Ca、SO4·Cl-Na·Mg（见图 2），优势阴离子由渐变为，优势阳离子由 Ca2+渐变为 Na+，K+含量基本不变，符合干旱区盆地地下水水化学演化规律；南、西华山接受大气降水入渗补给后，在山前冲洪积卵砾石地段多以泉的形式就近排泄，地下水径流途径短、水循环交替快，优势阴离子为，浓度百分比达70%，优势阳离子为 Ca2+、Mg2+，浓度百分比均超过40%，水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg，以碳酸盐、硫酸盐矿物溶解为主，溶解性总固体含量为0．30～0．35 g／L；向北至海原县城—堡子梁一带为古洪积扇中部，地层主要为卵砾石层与黏土层互层，多层结构，第四系厚度300～500 m，含水层厚度60～100 m，地下水多表现为承压性质，水位埋深250～150 m，地下水化学类型主要为 HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg，优势阴离子浓度降低，百分比含量降至70%以下，浓度百分比略有增大，最高分别为 27%、14%，溶解性总固体含量为 0．37～0．50 g／L；海原县城—堡子梁一线为第三系隆起带，近东西向展布，从地下水取样剖面Ⅰ—Ⅰ′、Ⅱ—Ⅱ′地下水化学组分含量可以看出，第三系隆起带地下水中各离子含量均出现不同幅度升高，形成波峰，经过第三系隆起带后，各离子含量呈现不同幅度降低，与隆起带北部地下水各离子含量大致相等；至鸭儿涧地下水排泄区，受溶滤作用及蒸发浓缩作用影响，地下水各阴阳离子含量均呈现不同幅度增加，离子含量达到最大，地下水溶解性总固体含量达 3．0～5．0 g／L。 地下水各离子含量中，Cl-、Na+含量变化幅度最大，见图3。取样剖面Ⅰ—Ⅰ′中，地下水流经第三系隆起带后含量由 111．90 mg／L 升高至 1 194．00 mg／L，升高了近 10 倍，Cl-含量由 43．59 mg／L 升高至1 094．00 mg／L，升高了 24 倍，Na+含量由 58．91 mg／L 升高至 797．80 mg／L，升高了 12倍；取样剖面Ⅱ—Ⅱ′中，地下水流经第三系隆起带后含量由 70．67 mg／L 升高至 487．50 mg／L，升高了近 6 倍，Cl-含量由20．34 mg／L 升高至382．10 mg／L，升高了近 18 倍，Na+含量由 29．51 mg／L 升高至 256．20 mg／L，升高了近8倍。出现这一水文地质现象的主要原因是，新近系、古近系地层以粉砂岩、砂质泥岩为主，胶结程度高，孔隙、裂隙发育程度低，且含有大量盐岩和石膏层，地下水径流缓慢，地下水溶滤作用充分，以盐岩、石膏等矿物溶解作用为主，致使地下水中、Cl-、Na+含量不同幅度增大。向北至鸭儿涧，地下水以泉群形式溢出，形成地表径流，受蒸发-浓缩作用影响，地下水化学类型主要为SO4·Cl-Na·Mg，优势离子为、Cl-、Na+，其中含量最高达 1 463．00 mg／L、浓度百分比为 50%，Cl-含量最高达 928．83 mg／L、浓度百分比为 43%，Na+含量最高达 566．90 mg／L、浓度百分比为42%。

图2 山前—鸭儿涧Piper三线图

图3 地下水化学组分空间分布（剖面Ⅱ-Ⅱ′）

3．2 西安州盆地地下水化学特征

受北西向海原断裂影响，西安州盆地空间展布形态似菱形，地层岩性主要为灰色砾石、粗砂、浅灰黄色砂砾石，局部地段夹不等厚黏土层，基底为古近系-新近系砂质泥岩、粉砂岩；山前北侧及西侧第四系厚度大，最厚达230 m，向东、北第四系厚度渐薄，地下水化学作用主要受硫酸盐矿物溶解作用控制，除个别水样点外，地下水化学类型主要为SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg（见图4），表现为排泄区地下水化学特含量为 494．00 ～ 1 162．00 mg／L，Cl-含量为244．10～ 690．10 mg／L，含量为 189．30 ～ 260．90 mg／L，Na+含量为 175．20～467．80 mg／L，地下水溶解性总固体含量为 1．1～3．0 g／L。

图4 西安州Piper三线图

西安州盆地为相对封闭水文地质单元，含水层多为砂砾石与黏土互层，表现为多层结构，地下水具有径流迟缓、滞留时间长、水岩作用充分、可更新能力差等特点，同时，受硫酸盐、岩盐矿物溶解作用及阳离子交替吸附作用影响，地下水中化学成分以SO42-、Cl-、Na+为主，地下水化学类型主要为SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg，矿化度较高，表现为排泄区地下水化学特征。

3．3 干盐池盆地地下水化学特征

干盐池盆地为一相对独立水文地质单元，盆地边缘出露前寒武纪石英片岩到渐新世紫红色砂岩，受冲洪积与浅湖相交替沉积作用影响，从盆地边缘至盆地中心，含水层由单一结构渐变为多层结构，第四纪沉积地层具有很好的韵律性，地下水化学水平分带特征明显。由盆地边缘至盆地中心，地下水径流速度逐渐减小，地下水滞留时间变长，致使水岩作用不断增强，地下水化学类型由HCO3·SO4-Ca·Mg渐变为HCO3·SO4-Na·Mg、SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg（见图 5），含量逐渐减小，、Cl-、Na+含量逐渐增大。近山前地下水补给区，地下水中、Cl-、Na+含量平均值分别为 85．71、27．60、29．71 mg／L，地下水流至盆地中心、Cl-、Na+含量平均值依次增大为 765．50、601．50、410．70 mg／L，分别增加了近 8、21、13倍，其中Cl-含量增加21倍，Na+次之，增加量最小，符合干旱区盆地地下水化学演化规律。

图5 干盐池盆地Piper三线图

4 研究区地下水同位素特征

研究区地下 δD 为-9．3%～-6．6%，δO 为-1．31%～-0．98%，大部分分布于全球雨水线（GMWL）附近（见图6），表明研究区地下水主要来源于大气降水入渗补给。研究区部分水样点位于全球雨水线上方，主要原因是研究区气候干燥，降水量小，蒸发比较强烈，表明研究区地下水补给来源曾经历了较强的蒸发作用而引起δD富集。H5为研究区地下水溢出形成的泉水，由于直接暴露于大气，蒸发作用十分强烈，因此位于全球雨水线顶端。研究区深层地下水（Q1）大都位于全球雨水线下方，推测为古大气降水入渗补给，由于当时气温较现代偏低，地下水δD、δO贫乏，因此地下水δD、δO含量偏低。

图6 地下水δD—δO关系

按照中国大气降水氢氧稳定同位素的“高程效应”，δD＝-0．02ALT-27，δ18O＝-0．003ALT-4．3（ALT 为高程，单位m）［14-15］，根据研究区氢氧同位素实测数据计算，研究区地下水补给区高程为1 700～2 900 m，补给区平均高程为2 200 m。从研究区地貌类型分析，黄土丘陵区平均海拔为2 000 m左右，南、西华山海拔为2 600～3 000 m，因此研究区地下水主要补给区为南、西华山基岩山区。

5 研究区地下水化学成分形成机制

5．1 水解作用

矿物溶解作用在控制地下水主要离子成分的形成过程中起着至关重要的作用。离子含量比）值可以对硅酸盐矿物溶解作用的强弱程度进行估算。从图7（a）可以看出，研究区取样点值基本位于1∶1线下方，说明需要由硅酸岩矿物的溶解来保持离子平衡。此外，Na+作为矿物分解的指示因子，应用（Na++K+）／Cl-（离子含量比）值可以进一步确定是否存在硅铝酸盐或岩盐溶解［16-18］。 从图7（b）可以看出，研究区部分取样点（Na++K+） ／Cl-值位于（Na++K+）＝ Cl-线附近，大部分取样点（Na++K+）／Cl-值位于1∶1线上，表明研究区地下水化学成分的形成硅酸盐矿物的溶解作用占主导地位，同时可能存在碳酸盐矿物、岩盐的溶解。

图7 不同离子含量关系

5．2 阳离子交替吸附作用

黏土颗粒表面带有负电荷，地下水流经黏土层时，黏土颗粒会吸附水溶液中某些阳离子，从而将原来吸附的阳离子释放到水溶液中，发生阳离子交替吸附作用，改变地下水化学组分。阳离子交替吸附作用典型反应方程式：

地下水径流过程中，是否与围岩发生阳离子交替吸附作用，可用氯化物碱性指数CAI—1、CAI—2来确定：当CAI—1、CAI—2均大于0时，阳离子交替吸附发生正向反应，即地下水中Ca2+、Mg2+置换含水层中的Na+、K+；当 CAI—1、CAI—2 均小于 0 时，阳离子交替吸附发生逆向反应，即地下水中Na+、K+置换含水层中的 Ca2+、Mg2+［19-20］。

从图8可以看出，研究区水样点CAI—1＞0的占80．7%，CAI—2＞0 的占 98．9%，表明研究区阳离子交替吸附作用以地下水中Ca2+、Mg2+置换含水层中的Na+、K+为主，致使从补给区到排泄区，地下水中Ca2+、Mg2+含量逐渐减少，Na+含量逐渐增加。

图8 氯化物碱性指数与TDS散点图

5．3 蒸发浓缩作用

通过对世界地表水化学组分的分析，Gibbs［23］将天然水组分的控制因素划分为3个端元，即大气降水主控端元、岩石风化主控端元和蒸发-浓缩主控端元。利用TDS与Na+／（Na++Ca2+）（离子含量比）的关系图和 TDS 与 Cl-／（Cl-+HCO3-）（离子含量比）的关系图划分出3个主控端元下天然水体的特征区域。目前Gibbs图已成为定性判断大气降水、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，Gibbs图解法不但可以分析河水的离子起源，而且可以分析地下水的离子起源［21-23］。

Gibbs分布图采用半对数坐标绘制，其中横坐标为地下水 Na+／（Na++Ca2+）、Cl-／（Cl-+值，纵坐标为地下水溶解性总固体含量（TDS），为分度不均匀的对数值。从图9可以看出，研究区大部分水样点分布于图的中部及右上部，表明研究区地下水以蒸发-浓缩作用为主，从补给区经径流区至排泄区，表现出渐变的过程。在南、西华山地下水补给区，降水量丰富，裂隙发育程度高，地下水径流条件好，地下水化学演化以岩石风化和水-岩作用为主；地下水径流区，沿径流方向地下水径流条件逐渐变差，径流速度相对迟缓，受补给区岩石风化及水-岩作用影响，地下水溶解性总固体含量逐渐增大，地下水化学组分浓度增大，岩石风化作用及水-岩作用能力逐渐减弱；地下水排泄区，地下水埋藏深度达到最浅，在深切沟谷中常以侵蚀下降泉的形式出露地表，形成地表径流，地下水溶解性总固体含量区域上表现为最大，达7．8 g／L，地下水主要分布于图的右上角，地下水化学演化以蒸发-浓缩作用为主。

图9 海原县地下水Gibbs图

6 结 论

（1）海原县山前古洪积扇从山前至地下水集中排泄区，地下水溶解性总固体含量呈现逐渐增大趋势，地下水化学类型由HCO3-Ca·Mg渐变为HCO3·SO4-Ca·Mg、SO4·Cl-Na·Mg·Ca、SO4·Cl-Na·Mg，符合干旱区盆地地下水化学演化规律。

（2）西安州盆地地下水化学类型主要为SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg，表现为排泄区地下水化学特征；干盐池盆地为相对独立水文地质单元，从盆地边缘至盆地中心，地下水化学类型由HCO3·SO4-Ca·Mg 渐变为 HCO3·SO4-Na·Mg、SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg，优势阴离子由渐变为Cl-，优势阳离子由Ca2+渐变为Na+。

（3）研究区地下水化学组分硅酸盐矿物溶解占主导作用，地下水径流过程中，水中Ca2+、Mg2+置换含水层中的Na+、K+，发生阳离子交替吸附作用，至排泄区地下水化学组分主要受蒸发-浓缩作用影响。

（4）研究区地下水补给区平均高程为2 200 m，地下水主要补给区为南、西华山基岩山区。