汉中盆地不同径流条件下地下水水化学特征研究

韩朝辉，朱一龙，王郅睿，丁廉超，田 辉，赵 超，赵立磊，赵 浩，李新斌，龚文强，王 凡

(中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710100)

地下水化学组成是水文地球化学循环的重要组成部分，与周围环境关系密切，通常利用地下水化学组分来示踪地下水循环途经，反映地下水流特征，从而对地下水资源变化趋势及合理开发进行科学判断[1-3]。水化学特征也可以反映气候变化、岩石风化、土地利用及人类活动等对流域水环境的影响[4]。汉中盆地位于汉江流域上游，也是南水北调中线工程的重要水源涵养地，盆地内水系众多，汉江自西向东穿盆地而过，此外还发育众多汉江的一级支流。汉江南北两岸宽窄不一，北岸较为宽阔，地下水径流距离长，南岸则较为狭窄，径流距离短。本次研究选取了汉江南北两岸以及其两条支流褒河和文川河对不同径流条件下地下水的水化学特征变化进行研究，以期对汉中盆地地下水的水化学特征有所了解，为进一步优化水资源开发利用及管理提供依据。

1 研究区概况

汉中盆地在大地构造上位于勉略带勉略区段中东部，受控于勉略构造带和阳平关-宁陕断裂带，为一个新生代断陷盆地。盆地北部为秦岭山系，山势陡峭，切割较深，相对高差一般在500～1 000 m，属中山区，森林覆盖率高，常绿针阔叶林均较发育；南部为大巴山系，相对高差500 m，属低山-丘陵区。四季分明，温暖湿润，垂直气候差异大，为典型亚热带内陆季风气候。多年平均气温为14.3℃，年均降雨量为712 mm[5],主要分布在5-9月。

盆地内水系较为发育，长江流域最大的支流汉江自西向东穿过盆地，汉江支流众多，发育有漾家河、褒河、文川河、湑水河、溢水河等支流。研究区含水层类型主要分为松散岩类孔隙潜水、松散岩类孔隙承压水和基岩裂隙水三种(图1)。

潜水广泛分布于全区，含水层主要为全新统、上更新统冲洪积和中下更新统冲湖积砂卵(砾)石组成，汉江支流水系沿岸则主要由中细、中粗砂等组成，厚度约55～75 m。从盆地边缘至中部富水性不断增强，水位由深变浅；

承压水广泛埋藏于各地貌单元底部的第四系中、下更新统冲湖积含砾中粗砂和中细砂中，层间夹3～5层粘性土，含水层厚度34.10～46.10 m。以接受山区基岩裂隙水、裂隙溶洞水的补给为主，至盆地中部汉江各级阶地底部，中、下更新统冲积湖积层的承压水与潜水存在着相互补给的关系。据调查资料显示，研究区第四系含水岩层(组)集中分布于150 m深度以内，潜水含水层一般埋深65～80 m深度以上，隔水层厚度一般5 m，以下为承压水层，200 m深度承压水含水岩层减少并呈薄层分布。

图1 汉中盆地水文地质简图

基岩裂隙水主要分布于北秦岭山前洪积扇群、阶地后缘或沟谷中，基岩岩性多为片岩、砂岩和碳酸盐岩、少量花岗岩侵入岩，在裂隙较发育地段，地下水常以泉水形式出露。

2 材料与方法

2.1 采样点分布

本次研究共在汉中盆地段内汉江干流南岸和北岸及其支流文川河和褒河上共采集了31件潜水地下水样品，所采集的样品全部为井水，样品沿汉中盆地段内汉江及两条支流的上、中、下游均有分布，采样点分布见图2。

2.2 样品采集与分析

2.2.1 样品采集与储存

样品采集容器为5 L的聚乙烯塑料桶，先将样品桶清洗干净并干燥，取样时用水样清洗样桶2～3次，再装入水样，盖上瓶盖后用封口膜将瓶口封紧以保证水样不会外漏。样品采集后放入冷藏运输箱，在3日内将样品送至中陕核工业集团综合分析测试有限公司实验室进行分析。

2.2.2 样品分析

K+、Na+、Ca2+、Mg2+采用ICAP 6300电感耦合等离子体发射光谱仪进行测定；Cl-、SO42-采用ICS-1100离子色谱仪进行测定；CO32-和HCO3-由25 ml酸式滴定管方法分析测定；溶解性总固体利用烘干法由BSA224S-CW电子天平进行测定；pH由pHS-3CpH计进行测定。

图2 采样点分布示意图

3 结果与讨论

3.1 不同径流条件下的主要离子特征

汉中盆地内汉江北岸和南岸、文川河、褒河从上游到下游各地下水样品中的主要离子特征见表1。从表1中可以看出，K+的均值和最大值在汉江北岸为最高，分别为2.39 mg/L和9.36 mg/L；Na+的均值和最大值则在汉江南岸为最高；Ca2+的最大均值为95.5 mg/L，出现在汉江支流褒河；Mg2+的最小均值为12.9 mg/L，在汉江支流文川河；Cl-和HCO3-的均值在汉江南岸和北岸变化不大，在支流褒河和文川河则明显降低，汉江支流褒河最低，其均值分别为8.94 mg/L和216.53 mg/L；SO42-的均值在汉江北岸最大，为47.55 mg/L。

图3 汉中盆地不同径流条件下地下水主要离子的空间变化特征

表1 不同径流条件下主要离子特征

3.2 不同径流条件下地下水化学组成的空间变化特征

3.2.1 主要离子的空间变化特征

根据径流路径的不同，以汉江为界，共选取了三种不同的径流路径进行研究，分别为汉江北岸、汉江南岸以及汉江北岸支流褒河和文川河，各径流条件下地下水中主要离子从上游至下游的变化特征如图3所示。从图3可以看出，不同径流路径下地下水中各主要离子的特征呈现出不同的规律：

(1)汉江北岸

从图3a可以看出，从汉江北岸上游至下游，沿着径流方向，各主要离子中除K+整体波动较为明显外，其他离子在下游均出现了较为明显的波动；从点S9至S10，除HCO3-和Ca2+的含量基本保持不变外，其他离子含量均出现了明显的降低；Ca2+和Mg2+的整体变化趋势较为一致，即从下游至中游先降低后升高，至中下游明显降低，到下游又再次升高。

(2)汉江南岸

图3b显示，汉江南岸上游至下游，各主要离子的变化特征与汉江北岸出现了明显的不同。整体上除HCO3-、Ca2+和Mg2+波动较小外，其他离子均呈现出明显的波动；K+在中上游波动上升，至中下游波动较小，且呈缓慢降低趋势；Na+、Cl-和SO42-在上游至中游先降低、后升高，在中游波动明显，至下游呈缓慢上升趋势。

(3)褒河

从图3c中可以看出，在汉中盆地内，褒河从山前至入汉江口段，地下水主要离子变化特征规律较为明显，Na+在中游略有降低，至下游再次上升，Ca2+和Mg2+的变化不显著，其他离子含量均呈现出缓慢增高的趋势。

(4)文川河

从图3d中可以看出，与褒河不同，从文川河的上游至下游，除K+和Na+在下游呈略微上升外，其他各离子的含量均呈降低趋势，其中SO42-和Cl-的下降幅度较为明显。

图4 汉中盆地不同径流条件下地下水pH和TDS的空间变化特征

3.2.2 pH及TDS空间变化特征

从表1可知，不同径流条件下地下水的pH变化范围不大，最大值为7.75，最小值为6.69，平均值为7.21；TDS介于52～638 mg/L之间，平均值为273.42 mg/L。整体为弱碱性低矿化度水。但在不同径流条件下，pH和TDS的变化特征不同。

从图4a可以看出，在汉江北岸，pH和TDS变化特征明显，TDS的变化范围为128～638 mg/L，标差高达164.65，说明其波动较为剧烈。整体变化规律为：从上游至中游，pH和TDS变化特征一致，即先降低后升高，至下游TDS突然增大，pH则是表现为先增大后降低的趋势。从图4b可以看出，在汉江南岸，pH和TDS波动较为剧烈，TDS变化范围为52～384 mg/L，pH的变化范围6.69～7.75，二者最小值均出现在汉江南岸的中上游，pH的最大值出现中游，在中下游TDS呈波动上升趋势，且最大值位于下游。从图4c可以看出，从褒河上游至下游，地下水的pH和TDS的变化规律一致，即先降低后升高。图4d显示，从文川河上游至下游，pH和TDS整体上均呈现下降趋势，pH在中上游略微上升。

3.3 不同径流条件下的地下水化学类型

Piper三线图可以用来分析地下水化学成分的演化规律，也是分析水化学组分的常用方法，其优点为不受人为因素的影响，在三线图中可以看出各种离子的相对含量[6-8]。将汉江北岸、汉江南岸、褒河及文川河等不同径流条件下的地下水样品中主要离子的毫克当量百分比(meq%)点投到piper三线图上(图5)，从图5可知，在阳离子图中，大部分水样点落在Ca2+端元，少量落在Mg2+端元中部，说明地下水中阳离子以Ca2+为主，其次为Mg2+；在阴离子图中，大部分水样点落在HCO3-端元，远离SO42-和Cl-端元，说明地下水中阴离子以HCO3-占优。在汉中盆地不同的径流路径下，地下水水化学类型总体差别不大，以HCO3-Ca型为主，少量HCO3-Ca·Mg型。根据舒卡列夫分类法，绘制了不同径流条件下各地下水样品的水化学类型分布图(图6)，从图中可以看出，与piper三线图结果类似，不同径流条件下，从上游至下游地下水的化学类型几乎不变，主要为HCO3-Ca型，局部地段为HCO3-Ca·Mg型，在汉江北岸的入盆地口处为HCO3·SO4-Ca·Mg型，在汉江南岸出盆地口处为HCO3·Cl-Ca型。

图5 汉中盆地不同径流条件下地下水样品主要离子的Piper三线图

图6 汉中盆地不同径流条件下地下水样品的是化学类型分布图

3.4 不同径流条件下矿物的饱和指数

饱和指数(SI)是指离子活度积(iron activity product, ICP)和溶度积常数(Ksp)比值的对数(以10为底)，用来指示溶液与固相是否处于平衡[9]。一般情况下，党SI=0时，说明矿物相对水溶液处于溶解平衡状态；当SI<0时，矿物在水溶液中不饱和；当SI>0时，矿物在水溶液中处于过饱和状态[10]。但是由于水质分析等不可避免的误差，使得SI的计算结果具有不确定性，因此实际中人为SI=±0.5时水溶液与矿物处于平衡状态[11]。使用PHREEQC水文地球化学模拟软件计算得到不同径流条件下矿物的饱和指数(SI)(图7)，从图7中可以看出，不同径流条件下各矿物的饱和指数变化不大，岩盐和CO2的饱和指数均较低，处于未饱和状态，在地下水径流过程中，还会发生这些矿物的溶解，直至达到平衡状态。大部分地下水样品的方解石和白云石的饱和指数位于-0.5～0.5之间，说明相对

图7 汉中盆地不同径流条件下矿物饱和指数图

地下水已处于平衡状态；只有个别样品的白云石饱和指数小于0.5，处于未饱和状态；在汉江南岸，有一件样品的白云石饱和指数大于0.5，处于过饱和状态，即将发生沉淀。

4 结语

(1)在汉中盆地不同径流条件下，地下水中主要离子组成特征差别不大，未有明显的变化规律。

(2)在空间上，沿着径流方向，不同径流条件下地下水中的主要离子呈现出不同的变化规律：在汉江北岸，K+整体波动较为明显，其他离子在中上游波动较小，在下游均出现了明显波动；在汉江南岸，除HCO3-、Ca2+和Mg2+波动较小外，其他离子均出现明显波动；在汉江支流褒河，除Ca2+和Mg2+的变化不显著，其他离子含量均缓慢增高；而在文川河，除K+和Na+在下游呈略微上升外，其他各离子的含量均呈降低趋势。

(3)汉中盆地不同径流条件下的地下水均为弱碱性低矿化度水，沿着径流方向，pH和TDS在汉江南、北两岸均呈现波动变化；在支流褒河，pH和TDS先降低后升高；在文川河，整体呈下降趋势。

(4)不同径流条件下，从上游至下游地下水的化学类型主要为HCO3-Ca型，局部地段为HCO3-Ca·Mg型。矿物饱和指数(SI)结果显示，不同径流条件下各矿物的饱和指数变化不大，岩盐和CO2处于未饱和状态，仍可以发生溶解，方解石和白云石已基本处于平衡状态。