西部生态环境脆弱区地下水水化学特征分析

仵拔云 卞惠瑛 彭捷 向茂西 李文莉

摘要：为了评价榆神矿区和神府矿区地下水水化学特征与演化规律，在研究区采集了53组地下水样品并进行检测，通过计算阴阳离子贡献率、不同离子的相关系数、Na+与Cl-毫克当量比值，绘制不同含水层地下水Piper三线图、Gibbs分布图，分析了地下水离子特征和水化学特征。分析发现，研究区地下水均为弱碱性水;受蒸发作用影响，溶解度较小的Ca“相继析出，是地下水离子贡献率最高的阳离子;马兰黄土地下水的TDS含量最低，冲洪积含水层地下水TDS含量最高;总硬度从风沙滩地向黄土区逐渐增高;Ca2+、S02-与TDS呈极高相关性;地下水化学特征主要受水一岩作用控制，风沙滩地區地下水以HCO，类水为主，黄土梁峁区为HC03.S04类水。

关键词：地下水;水化学特征;含水层;离子贡献率;榆神府矿区

中图分类号：X523

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.01. 015

榆神矿区和神府矿区（简称榆神府矿区）是我国重要的煤炭开采区和能源基地，地处鄂尔多斯盆地中北部，毛乌素沙地和陕北黄土高原接壤地带，东西横跨榆林市榆阳区、神木县和府谷县，区内侏罗系煤层资源丰富，赋存稳定。20世纪80年代以来，区内煤矿、洗煤厂、火力发电厂等能源工厂迅速发展，在推动当地社会经济发展的同时，带来了如地表水、地下水、土壤质量下降等诸多环境地质问题，是我国西部生态脆弱区。

马雄德等[1-2]研究发现，榆神府矿区水体和湿地面积在1990-2011年呈持续下降趋势，煤炭开采引起水资源量减少、水体污染严重、水环境恶化等问题;范立民等[3-6]研究表明，西部生态脆弱矿区煤、水矛盾突出，煤炭开发的水资源保护问题突出：蒋泽泉[7]研究发现，神府矿区地下水因煤炭开采遭到一定程度污染，煤炭集中开采区污染更明显：武强等[8]研究了神府东胜矿区水环境问题，提出了采煤对水环境污染的防控措施：孙恺等[9]通过分析1981年和2012年神府矿区地下水数据发现，神府矿区地下水水质变差，且水质超标点分布与工矿企业污染源分布具有较好的对应关系。在陕北风沙滩地区，浅层地下水“三氮”、铁和锰超标严重[10]，在预防和保护陕北能源化工基地水资源方面，贺帅军等[11]运用DRASTIC指标叠加法建立了潜水易污性评价指标体系：张茂省等[12]对地下水含水系统进行划分，利用经验公式和数值计算法，将陕北能源化工基地采煤区划分为非导水区、无水导水区、贫水导水区和富水导水区，提出了“保水采煤”“水煤共采”“含水层再造”的煤炭近、中、远期开发对策。大柳塔地区有4座设计生产能力达到1 000万t/a的煤矿，徐友宁等[13-14]研究发现，煤炭开采对当地水资源影响较严重，河流底泥受到了重金属元素的累积污染。笔者通过对榆神府矿区内采集到的不同含水层地下水样品进行水质分析，从pH值、TDS、总硬度、主要阴阳离子等方面对区内地下水水化学参数和分布特征进行分析。

1 研究区概况

榆神府矿区属中温带半干旱大陆性季风气候区，榆阳区、神木县和府谷县多年（2001-2014年）平均降水量分别为420.40、418.52、418.81 mm。区内河流属黄河水系，主要有乌兰木伦河、椁牛川、窟野河、秃尾河、榆溪河、孤山川等河流，红碱淖是区内最大湖泊，水面面积32.16 km2（2013年），平均深度6.68 m，最大深度20.00 m，总蓄水量4亿～5亿m。

地下水赋存类型有新生界松散岩类孑L隙及孑L隙裂隙水、中生界碎屑岩类裂隙水。第四系全新统风积砂含水层广泛分布，厚度变化大：冲积层含水层主要分布于河谷和支沟、漫滩和阶地区，富水性中等;萨拉乌苏组含水层主要分布于风沙滩地和黄土涧地，以粉细砂、中粗砂夹粉质黏土为主，富水性由弱到强不等;黄土弱含水层不连续分布，富水性弱;红土弱含水层（隔水层）全区均有分布，但厚度变化大，富水性弱;碎屑岩类风化裂隙潜水含水层富水性受地貌、上覆含水层、风化程度和岩性制约，研究区中西部富水性弱：白垩系洛河组裂隙承压含水层分布于榆神府矿区西北部，岩性为胶结疏松的中粒砂岩，孔隙裂隙发育，富水性分布不均：侏罗系安定组裂隙承压含水层裂隙不发育，富水性较弱：侏罗系直罗组裂隙承压含水层厚8.9～190.50m，大型交错层理发育，已风化，垂直裂隙发育，有泉出露：延安组裂隙承压含水层是各主采煤层的直接充水含水层，岩性以灰白色中细粒砂岩为主，局部存在砂质泥岩，榆神矿区裂隙不发育，在垂向上，随深度增加，富水性变弱，神府矿区富水性较强：烧变岩含水层厚度11～30 m，岩层破碎，透水性好，补给来源充分，富水性强。

2 采样与检测

根据野外调查资料，在研究区采集了39组井水、14组泉水，共53组样品。其中：风积砂含水层地下水6组，冲洪积含水层地下水5组，萨拉乌苏组含水层地下水8组，马兰黄土含水层地下水3组，红黏土含水层地下水2组，基岩裂隙含水层地下水4组，砂岩含水层地下水18组，砂质泥岩含水层地下水3组，烧变岩含水层地下水4组。

样品装瓶前，使用所采样品反复冲洗试样瓶3次以上。每一个采样点取4件样品，1件原样，另外3件样品分别添加硝酸、氢氧化钠、乙酸锌溶液，并密封试样瓶，24 h内送达实验室并进行检测。样品检测由国土资源部西安矿产资源监督检测中心和国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室共同完成，样品采集工作严格按照上述实验室要求完成。

3 结果分析与讨论

3.1 水化学参数特征

检测样品中，pH值为7.67～ 8.72，呈弱碱性，见表1。其中：马兰黄土含水层地下水pH最大值为8.72，平均值为8.58;砂质泥岩含水层地下水pH最大值为8.63，最小为8.10，平均值达8.39;萨拉乌苏组含水层地下水和冲洪积含水层地下水pH平均值分别为7.99、7.88。

通过离子分析发现，阴离子中，HC03在各含水层含量为211.80～ 364.50 mg/L，S02-在各含水层含量为14.46～ 289.17 mg/L，Cl-在各含水层含量为11.96～117.73 mg/L;阳离子中，各特征离子含量相对较低，Na+在各含水层含量为17.72～ 87.13 mg/L，Ca2+在各含水层含量为45.88～ 146.50 mg/L，Mg2+在各含水层含量为14.32～ 57.08 mg/L。

根据不同含水层地下水的离子贡献率（见图1）分析发现，在阴离子方面，冲洪积含水层地下水中SO 2-贡献率最大，占32%，HC03占31%;其他含水层地下水中贡献率最大的均是HC03，贡献率超过43%，马兰黄土含水层地下水中HC03的贡献率甚至达到了71%，而SO2-贡献率仅为20/0。这是马兰黄土含水层地下水pH值高、冲洪积含水层地下水pH值低的原因。在阳离子贡献率方面，基岩裂隙水中Ca2+的贡献率为9%，略低于Na+ + K+的12010;其他含水层中，Ca2+的贡献率最大，为13%～ 18%。原因是，研究区蒸发量大于降水量，溶解度较小的Ca2+相继沉积析出，其次为Na+ +K+.Mg2+的贡献率基本相同。

在空间分布上，Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO2-、HC03含量呈现由西南向东北逐渐增高的趋势，这与样品来源的含水层分布有关：研究区西南部的样品主要来源于萨拉乌苏组含水层和砂质泥岩含水层，而东部样品主要来源于基岩裂隙水和砂岩含水层，裂隙发育，径流时间比西南部含水层的长，在融滤作用下表现出离子含量逐步增加的態势。

3.2 TDS分布特征

研究区潜水TDS含量为0.155～ 1.490 g/L，最小值位于神木孙家岔镇四门沟砂岩含水层，最大值位于大柳塔镇丁家梁村北侧冲洪积含水层，总的变化趋势是以秃尾河上游东侧和窟野河上游西侧为中心，向周围递增。微咸水（TDS含量为1～3 g/L）主要分布在店塔镇北侧乌兰木伦河和科技椁牛川汇合处，大柳塔东北侧以及窟野河上游东侧、孤山川上游西侧的大部分地区，其余地区均为淡水（TDS含量小于1g/L）。不同含水层TDS含量有所不同，冲洪积含水层地下水TDS平均值达0.938 g/L，马兰黄土含水层地下水TDS平均值仅为0.204 g/L，见表2。

3.3 硬度分布特征

研究区潜水总硬度为126.61～844.00 mg/L，大保当镇清水沟村萨拉乌苏组含水层地下水总硬度最小，三道沟镇口子村砂岩含水层总硬度最大：空间上总硬度分布总趋势为由秃尾河上游的风沙滩地向东北和西南方向递增。软水（总硬度<150 mg/L）分布在秃尾河上游的风沙滩地，并在西南方向的风沙滩地和沙盖黄土梁峁区过渡为微硬水。东北方向，沙盖黄土梁峁区到黄土梁峁区从软水、微硬水逐渐变为硬水、极硬水。在沙盖黄土梁峁区店塔镇北侧、大保当镇东北侧以及黄土丘陵区潜水以极硬水（>450 mg/L）为主（见图2）。

从含水层分析发现，冲洪积含水层地下水总硬度平均值最高，达559.44 mg/L，其次为砂岩、基岩裂隙含水层的，砂质泥岩和马兰黄土含水层地下水总硬度平均值均为162.00 mg/L，见表3。

3.5 水化学类型分布特征

绘制不同含水层地下水Piper三线图，见图3。可以看出.Ca2+、Mg2+离子含量超过Na++K+离子含量，由于研究区地层中含有碳酸盐类沉积物和石膏沉积物，因此在溶滤作用和阳离子交替吸附作用下，将Ca2+、Mg2+离子溶解或置换到地下水中;冲洪积和砂岩含水层地下水分布在4区，显示强酸大于弱酸;风积砂、萨拉乌苏组、马兰黄土、烧变岩含水层地下水集中分布在5区，碳酸盐硬度大于50%，水化学性质以碱土金属和弱酸为主：风积砂和基岩裂隙水由于水的停留时间或者径流途径不同，因此分布范围有一定变化。潜水水化学类型分区见图4。研究区第四系潜水总体上循环交替积极，风沙滩地分布的地区基本为HCO，类水，黄土梁峁分布地区为HCO3.SO4类水。在榆溪河和秃尾河流域，从西北的风沙滩地到东南的沙盖黄土梁峁区，地下水径流通畅，以溶滤作用为主，多以HCO3-Ca（ Ca.Mg）型低矿化度水为主，推测该区域地下水化学形成以溶滤作用为主：窟野河以东，从沙盖黄土梁峁区到黄土梁峁区，含水介质岩性以粉质黏土及粉土为主，透水性差，径流变缓，水化学类型过渡为HC03.S04-Ca.Mg（ Mg.Na）型，局部出现了HCO3.Cl型及HCO3.Cl.SO4型高矿化度水，Cl-的主要来源为工业及生活污水，说明很可能受到人为污染。

3.6 水化学类型形成机制

为了进一步探讨榆神府矿区水化学形成机制，将研究区采样点按不同含水层分类的水化学数据导人Gibbs模型，Gibbs[16]以Na+/（Na++Ca2+）、Cl-/（Cl-+HC03）为横坐标，TDS的对数为纵坐标，绘制了对数坐标图，可以直观反映出“大气降水”“水一岩作用”和“蒸发作用”对水的主要成分控制作用。

各含水层地下水Gibbs分布见图5。Na+/（Na++Ca2+）大部分比值落在Gibbs图中部，远离大气降水控制端，接近蒸发一岩化过渡控制端，其中有一组冲洪积含水层地下水和基岩裂隙水地下水的Na+/（Na++Ca2+）落在Gibbs范围之外，而这两个采样点位于神木孙家岔镇，可能受到人为干扰。Cl-/（Cl- +HC03）较小，除了1组冲洪积含水层地下水落在Gibbs范围之外，其他点均在水一岩控制端，且Cl-/（Cl- +HC03）随TDS含量的增大稍微增大。

由此可知，研究区地下水水化学特征主要受水一岩作用控制。区内萨拉乌苏组地下水主要接受降水补给，其他含水层地下水接受降水补给和其他含水层地下水的侧向补给，且各含水层裂隙发育，在水岩交互作用下，离子浓度相对较高，对水化学类型的形成有较大影响。

γNa/γC1系数是分析地下水Na+富集程度的一个重要参数[17]，可以识别干旱半干旱地区盐化机理，原因是在原始状态下.Na+和Cl-主要来源于岩盐溶解，其比值在y=x直线左右[18]。研究区地下水中Na+和Cl-的毫克当量比值见图6，绝大部分样品位于y=x直线上方，仅有个别点位于y=x直线下方，说明研究区地下水的离子特征基本没有受到外部影响，主要是地层中石英、长石的溶解形成的。有部分样品落在原点附近，说明受到连续的溶解作用，且离子交换作用不明显，而偏离y=x直线的地下水其受离子交换作用影响显著。

4 结论

研究区地下水均为弱碱性水，马兰黄土含水层地下水平均pH值最大（8.58），其HC03的贡献率达到了71%;冲洪积含水层地下水平均pH值最小（7.88），其SO2-和HC03的贡献率相当，分别为32%和31%。榆神府矿区不同含水层地下水中阴离子SO2-、HC03含量最高，阳离子Ca2+的贡献率最大，且各参数之间呈正相关性，Na+、Mg2+、K+、Ca2+具有相同的物质来源。研究区地下水TDS含量以秃尾河上游东侧和窟野河上游西侧为中心，向周围递增：秃尾河上游的风沙滩地总硬度最低，并向东北和西南方向递增;沙盖黄土梁峁区、黄土丘陵区地下水总硬度普遍大于450 mg/L。研究區地下水水化学特征主要受水一岩作用控制，砂岩、基岩裂隙水的溶解作用、离子交换作用显著，基本上没有受到外界人为活动干扰。东部地下水化学类型以HC03.SO4-Ca.Mg（ Mg.Na）为主，西部地下水化学类型以HC03-Ca（Ca.Mg）为主。

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