青海黄鼠湾—何家庄河谷区地下水水化学特征

2022-12-19石永莲张健健李成英权国苍李威刘晓航

科学技术与工程 2022年31期

石永莲，张健健，李成英，权国苍，李威，刘晓航

(1.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，西宁 810000； 2.青海省水文地质及地热地质重点实验室，西宁 810000； 3.青海省西宁市湟中区水利局，西宁 810000)

地下水是水循环的重要组成部分，有着维持生态平衡等的作用[1-2]。因地下水流动速度缓慢、自我调节周期漫长的特点，导致地下水一旦污染将很难治理[3]。随着社会经济发展，中国面临严峻的地下水污染问题。因此，开展地下水调查、查明地下水的水化学特征，不仅是资源质量评价与管理的内容，也对环境风险管理、保护人类身体健康、水资源开发利用及环境治理具有重要意义[4-6]。

随着人类逐渐重视生态环境，地下水的水化学特征受到中外学者的广泛关注，也成为了研究的热点。近些年，在数理统计、Piper三线图、Gibbs图、离子比例法等[4-6]传统的地质学分析方法的应用下，取得了丰硕的成果。随着遥感[7-8]、建模[9]等新技术的涌现，新技术逐步应用于地下水的水化学特征的研究，使得地下水的水化学研究领域产生新活力。

纵观中外学者的研究成果，含水介质、大气降水量及岩层分布等自然条件是影响地下水水化学特征最直接、最重要的因素之一。鲁重生等[10]研究兴隆县水环境对地下水的影响的结果表明，地下水组分主要受淋滤过程及水岩作用影响。杜青辉等[11]和Chotpantarat[12]从水岩作用、离子交换等角度研究了不同矿物类型分布对地下水水化学变化的影响。随着城镇化率的不断提高，城市建设用地面积扩大，土地利用类型对地下水水化学特征产生了影响。Wen等[13]研究表明济南温泉区随着耕地面积增加，地下水补给将随之较少，进而影响地下水水化学。郭芳等[14]研究表明土地类型对岩溶地下水水化学影响显著，施肥和生活垃圾排放已经影响了部分泉水水化学。

黄鼠湾—何家庄河谷区内分布有工业园区，该工业园区是青海省重点建设项目之一。近年来随着园区发展，也对地下水造成了影响，影响着当地居民的生活和社会经济发展。目前，该地区地下水化学特征研究较少，且针对该园区的地下水化学特征及成因研究尚未出现。鉴于此，现依托相关的环境调查项目，针对黄鼠湾—何家庄河谷区开展地下水水化学特征研究，为地下水的防治和优化管理提供基础与依据。

1 材料与分析方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省西宁市湟中区黄鼠湾—何家庄河谷内。研究区内以工业活动为主，人类活动较为频繁[15]。河谷区内分布有工业园、农田与村庄。河谷区域由南向北展布，面积214 km2。研究区两侧为侵蚀剥蚀低山丘陵，中间为侵蚀堆积河谷平原，地貌呈现出两山夹河谷的态势。研究区地势南高北低。南部低山丘陵为最高点，海拔2 782 m，北部河谷为区内最低点，海拔2 394 m。区域内有河流由南向北展布。研究区内河流在上游至坡东与坡西一带为地下水径流区，坡东与坡西至下游一带开始泄出，最终汇入湟水河。研究区属于干旱-半干旱大陆性气候，以多风、少雨、日温差大、降水量小、蒸发量大为特征。降水量在年际间分配差异较大，平水、枯水、丰水年交替出现。研究区底层有前第四纪地层和第四纪地层，主要有古近系西宁组、新近系临夏组、晚更新统风积层、全新统冲积、冲洪积层、回填土等。

根据地下水的水力性质、地层岩性、赋存条件，研究区的地下水类型可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙水、基岩裂隙水等。松散岩类孔隙水分布于河谷内，碎屑岩类孔隙水分布于研究区中下游两侧丘陵地带，含水层岩性为古近系砂岩、砂砾岩、泥质砂岩，水质较差，矿化度大于1 g/L。碳酸岩基岩裂隙水主要分布于研究区上游,含水岩组主要为克素儿组、湟源群青石坡组、花石山群北门峡组白云岩、结晶灰岩。研究区内硅酸盐零星分布。基岩裂隙水分布于河谷上游，地下水水化学类型为HCO3Ca型，矿化度小于0.5 g/L。

研究区地下水均为河谷潜水，图1为研究区的水文地质剖面。由图1可知，研究区含水岩组为第四系冲洪积砂砾卵石层，按照泥质含量分为泥质砂砾卵石(上层)和砂砾卵石(下层)。此次研究样品取自下层砂砾卵石层含水岩组。

1.2 取样点设置

根据实际地理位置以及企业规划用地，选择在河谷从上游至下游设取样点29个，其中钻孔取样点为20个，民井取样点为9个。具体如图2、表1所示。

表1 取样点对照表Table 1 sample point comparison table

图2 取样点分布图Fig.2 Location map of sampling points

1.3 采样与分析方法

1.3.1 样品采集

为使采集的水样具有代表性，采用美国环保署(United States Environment Protection Agency，USEPA)推荐的慢速洗井技术进行采样前洗井。当抽出水各项现场水质监测参数(pH、浊度)到达稳定后进行水样采集。参考《水文地质手册》(第二版)判定标准，浊度要求：肉眼观察到排水清澈透明，pH变化幅度(连续3组监测读数)≤± 0.1。样品采集后，放于装有冰冻蓝冰的低温保温箱中，并及时送至实验室进行分析。在样品运送过程中，要确保保温箱能满足样品对低温的要求。

1.3.2 分析方法

选取pH、钾、钠、钙、镁、氯、硫酸根、硝酸根、碳酸氢根和溶解性总固体等指标进行分析。采用HORIBA多功能水质测定仪野外实地测定，钾、钠、镁、硫酸根测定采用离子色谱法，钙测定采用EDTA滴定法，碳酸根、碳酸氢根测定采用酸碱滴定法。溶解性总固体测定采用重量法。具体测定方法参考《水和废水分析方法(第4版)》[16]取监测点枯水期水质指标作为评价数据。

1.4 研究方法

本研究Spss20.0处理软件对水样各化学组分进行统计分析。用Piper三线图阐释地下水主要阴离子和阳离子浓度关系以及推断地下水水文地球化学相。用Gibbs图用来识别控制地下水化学成分形成和演化的影响因素，结合离子比值分析研究区地下水主要指标的成因及来源。

1.5 数据处理与图件制作

1.5.1 数据处理

聚类分析采用统计软件Spss20.0处理，其余数据处理采用Excel。

1.5.2 图件制作

Piper三线图采用AquaChemV.4.0绘制。聚类分析树状图Spss软件制作。Gibbs图用Origin绘制，其余图件制作采用Coreldraw12绘制。

2 地下水水化学特征

2.1 水化学特征描述性统计分析

表2为研究区各水样水化学指标值。从表2可以看出，研究区地下水水样pH平均值为7.83，范围为7.43～8.63，水质属于弱碱性-碱性。

表2 研究区地下水水样水化学指标值Table 2 Hydrochemical analysis date of the sample in study area

表3 地下水各水化学参数间的相关系数Table 3 Correlation coefficient matrix among chemical parameters of groundwater

2.2 水化学类型

表4 舒卡列夫分类水化学类型表Table 4 Hydro-chemical types of shukalev classification

图3为研究区地下水水化学类型的Piper三线图。由图3可以看出，地下水碱土金属超过碱金属，仅个别点相反；在酸度方面，地下水的酸碱强度较复杂，分布于毫克当量50%的附近，部分强酸大于弱酸，部分弱酸大于强酸，部分强弱酸碱度相等。

图3 研究区地下水水化学类型Piper三线图Fig.3 Piper trilinear graph of groundwater hydrochemistry types in study area

2.3 水化学类型聚类分析

为了进一步了解研究区地下水水化学类型的总体状况，采用聚类分析中的系统聚类，等间隔参数采用pearson correlation。聚类分析结果如图4所示。从聚类分析可以看出，研究区的地下水水化学类型可以分为3族，分别为第一族A1(K3、K5、K6、K8、BW5、MJ1)，第二族A2(K7、K10、K13、K14、K16、K18、BW16、BW17、MJ5、MJ7、MJ9)，第三族A3(K1)。

图4 研究区地下水水化学类型聚类树状图Fig.4 Cluster dendrogram of groundwater hydrochemical types in study area

图5为地下水聚类分析结果空间分布图。由图5可知，第一族A1，水化学类型为HCO3·Cl-Ca·Na·Mg，矿化度含量为0.81 g/L，各类水化学组分含量也相对较小，主要受到碳酸岩盐矿物溶解的影响。分布在研究区上游。

图5 研究区地下水聚类分析结果空间分布图Fig.5 The spatial distribution of cluster groups in study area

第二族A2，水化学类型为HCO3-Mg·Na·Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3-Mg·Ca，矿化度含量集中在0.43～0.79 g/L之间，各类水化学组分含量也相对较大，分布在研究区上游。

第三族A3，水化学类型为HCO3·SO4-Mg·Na·Ca、HCO3·SO4-Mg·Ca、HCO3·SO4-Na·Ca，矿化度含量集中在0.72～2.03 g/L，各类水化学组分含量最大，分布在研究区中游与下游。第一族水化学类型的水样点数为1个，占总取样点数的5.26%。第二族水化学类型的水样点数为6个，占总取样点数的31.58%，第三类水化学类型的水样点为11个，占总取样点数的64.71%。总体来看，大部分取样点的水化学类型为HCO3·SO4-Mg·Na·Ca型。

3 来源分析

3.1 Gibbs图分析

图6 研究区地下水水化学Gibbs图Fig.6 Gibbs diagram of groundwater hydrochemistry in the study area

3.2 离子比值分析

地下水的水岩相互作用导致矿物的溶解或者沉淀，而矿物的离子分量比例恒定。因此，可以用离子比值的方法判断发生反应的主要矿物，进一步对各离子的主要来源进行细致分析。

Na+主要来源于蒸发岩和硅酸盐的风化溶解，Cl-基本保持稳定[20]。γ(Na++K+)/γ(Cl-)可以帮助识别盐分来源。若γ(Na++K+)/γ(Cl-)>1，则可认定为Na+和K+的来源主要为岩盐溶解；若γ(Na++K+)/γ(Cl-)<1，则可认为Na+和K+主要来源于硅酸岩溶解[21]。从图7(a)可以看出，部分取样点γ(Na++K+)/γ(Cl-)分布在1∶1线的上方，该取样点占总取样点数的31.03%，γ(Na++K+)/γ(Cl-)<1，说明该部分取样点的Na+、Cl-来源于硅酸盐的溶解。部分样品γ(Na++K+)/γ(Cl-)比值分布于1∶1线的下方，该取样点占总取样点数的68.97%，γ(Na++K+)/γ(Cl-)>1，说明该部分取样点的Na+、Cl-来源于岩盐的溶解。但K18取样点偏离了1∶1线且分布于1∶1线下方，说明该点的Na+、K+来源于其他，推测可能受到人类活动或阳离子交换作用的影响[22]。

图7 研究区地下水水化学离子比值关系Fig.7 The relationship between the ratios of groundwater in the study area

3.3 阳离子交换作用分析

图8 研究区地下水样品中与(Na++K+-Cl-)比值图Fig.8 Relationship between and (Na+-Cl-) in groundwater samples

3.4 风化作用分析

岩石风化对地下水的作用又分为碳酸盐岩风化、硅酸盐岩风化与蒸发盐岩风化3种类型[25]为识别不同岩性对地下水溶质组成的影响，采用端元图法，做Ca2+/Na+与Mg2+/Na+关系图，如图9所示。由图9可知，研究区采样点全分布在硅酸岩和碳酸岩风化端元之间，表明碳酸岩和硅酸岩同时控制着研究区岩石风化作用，蒸发岩的控制作用很弱，可忽略。