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卫宁平原地下水水化学特征及成因浅析*

2022-12-23贾丹

科技与创新 2022年24期
关键词:水化学溶解性阴离子

贾丹

(宁夏回族自治区水文环境地质调查院,宁夏 银川 750021)

1 研究区概况

卫宁平原位于宁夏回族自治区中北部,介于卫宁北山与香山—烟筒山—牛首山之间,西邻腾格里沙漠。卫宁平原西高东低,南北高中间低,分布在黄河两岸,呈带状伸展,海拔高度在1 150~1 460 m之间。该区地处西北内陆温带干旱区,属大陆性气候,冬长夏短,干旱少雨,日照充足。区内平均气温为9.7℃,多年平均为23.3℃。多年平均降水量173.6 mm,一般集中在6—9月这4个月,占全年降水量的78%;多年平均蒸发量1 477.53 mm,多集中于3—9月,占全年蒸发量的81%。卫宁平原主要河流为黄河及其支流清水河,是典型的灌溉农业区。

卫宁平原浅层地下水主要为第四系松散岩类孔隙水,地下水补给主要接受渠系渗漏及田间灌溉入渗补给,其次是大气降水入渗补给与两侧山区、丘陵台地侧向径流补给。平原区含水层岩性以砂砾石为主,包气带地层颗粒较粗,给地下水的入渗创造了良好的条件,便于地下水入渗补给。地下水主要通过各排水沟流向黄河;由于卫宁平原长期灌溉,使得地下水位埋藏较浅,水位埋深多在3~5 m。包气带岩性松散,垂向蒸发排泄也是地下水排泄的主要方式之一,其次是人工开采。

2 数据采集

2021年3 月至4月,项目组成员组织人员在卫宁平原采集95组水样,并分批次按时送往宁夏回族自治区地矿局实验室进行分析,采样过程经过严格质量把控。测试内容包括钙、镁、钾、钠、pH值、溶解性总固体、硬度、重碳酸盐、碳酸盐、氢氧化物、氯化物、亚硝酸盐、硝酸盐、硫酸盐。主要测定仪器有电感耦合等离子体发射光谱仪(DDYS-014)、紫外可见分光光度计(DDYS-009)、滴定管,具体采样点分布情况如图1所示。

图1 研究区采样点分布图

3 研究方法与结果分析

3.1 水化学类型特征

利用舒卡列夫分类法得出卫宁平原水化学类型比较简单,不同地下水化学类型分布区,水化学特征也不尽相同,整体沿山区和黄河两岸呈条带状分布规律,水化学类型主要以H C O3·S O4·C l-C a型水和HCO3·SO4-Ca为主。溶解性总固体质量浓度整体上小于3 g/L,整体平原区特征变化分为东西向和南北向。东西向黄河两岸溶解性总固体质量浓度均小于1 g/L,仅靠近山区部分区域溶解性总固体质量浓度在1~3 g/L,南北向两岸溶解性总固体质量浓度大部分在1~3 g/L。

3.2 参数统计分析

地下水水化学参数统计特征值如表1所示。由表1[1]看出,地下水离子质量浓度由大到小排序为ρ(HCO3-)>ρ(SO42-)>ρ(Ca2+)>ρ(Cl-)>ρ(K++Na+)>ρ(Mg2+)[2],阴离子质量浓度由大到小排序为ρ(HCO3-)>ρ(SO42-)>ρ(Cl-),HCO3-的质量浓度是Cl-的2.2倍,最大质量浓度为677.83 mg/L,最小质量浓度为97.99 mg/L,地下水阴离子类型以HCO3-为主。阳离子质量浓度由大到小排序为ρ(Ca2+)>ρ(K++Na+)>ρ(Mg2+),Ca2+的质量浓度是Mg2+的2.34倍,最大质量浓度为608.00 mg/L,最小质量浓度为17.60 mg/L,地下水阳离子以Ca2+为主。阴离子SO42-和Cl-的变异系数较大,变异系数达到了1.17和0.87。阳离子K+、Na+和Ca2+的变异系数较大,变异系数达到了1.24、0.88、0.79。

表1 地下水水化学参数统计特征值(单位:mg/L)

以上数据说明离子含量在空间差异上较大,得出地下水易受周围环境影响,从主要阴阳离子可以看出来源主要是盐岩和硫酸盐,都是易溶解岩,可以推测一方面受地理位置影响,是否靠近含盐岩和硫酸盐山区,地下水与山区围岩发生溶虑作用;另一方面四五月份之前不是灌溉期,宁夏又是蒸发量较严重区,地下水水位下降,地下沉积了很多蒸发岩,四五月份开始农田灌溉,不同区域灌溉时间有差异,造成有的地方蒸发岩与灌溉期黄河水发生溶解,有些地区延后,所以造成此种情况。按溶解性总固体质量浓度可将地下水划分为淡水(<1 g/L)、微咸水(1~3 g/L)、咸水(3~10 g/L)。研究区淡水占60%,微咸水占39%,咸水占1%。pH均值在7.53,整体呈弱碱性环境,但pH变异系数较大,说明空间差异上较大,推测还是与地理位置和黄河灌溉有关。

3.3 相关性分析

离子之间的相关性可用来推断离子的来源相异性和一致性[3],水化学元素相关性系数矩阵如表2所示。由表2可看出卫宁平原地下水离子相关性特征,Cl-和SO42-显著相关性最高,相关系数达到了0.904,说明来源一致[4];其次是Na+与Cl-、SO42-相关性较高,相关系数分别为0.788、0.711,这说明地下水中部分组分来自于盐岩和硫酸盐的溶解;最后是TDS与Cl-、SO42-、Na+、Mg2+相关性较高,相关系数分别为0.928、0.924、0.748、0.725,这表明在富含盐岩和硫酸盐的地区,这些离子贡献率最大。

表2 水化学元素相关性系数矩阵

3.4 Piper三线图分析

地下水Piper三线图如图2所示,利用水化学Piper三线图[5]可用来分析地下水主离子类型。由图2看出,阳离子三角图中,调查点靠近Ca2+端,说明地下水中阳离子Ca2+含量较高;阴离子三角图中,调查点更靠近HCO3-、SO42-端,说明地下水中阴离子HCO3-、SO42-含量较高,由此得出地下水为中偏低矿化水,这和前面提到的水化学类型特征和参数统计结果相一致。

图2 地下水Piper三线图

4 水化学特征成因浅析

水化学特征主要受气候、地形、地质构造、地层岩性、沉积环境、补给循环条件及人类活动等因素的综合影响。卫宁平原地下水在接受周边山区、台地与沙漠地下水补给以及人为引黄灌溉的影响下,向黄河排泄的循环过程中,与围岩发生溶虑和蒸发岩溶解作用,在以上综合因素影响下,形成卫宁平原现有水化学特征。

5 结语

地下水阴离子主离子为HCO3-和SO42-,阳离子主离子为Ca2+,溶解性总固体质量浓度小于3 g/L,研究区整体水质占比为淡水占60%,微咸水占39%,咸水占1%,pH均值在7.53,整体呈弱碱性环境。

根据相关性分析,Cl-和SO42-显著相关性最高,相关系数达到了0.904,其次是Na+与Cl-、SO42-相关性较高,相关系数分别为0.788、0.711,说明有相同的来源,来自于盐岩和硫酸盐的溶解,推测该段时期地下水可能有蒸发岩溶解反应发生。阴离子SO42-的变异系数较大,阳离子K++Na+的变异系数较大,说明离子含量在空间分布上差异较大。

卫宁平原水化学特征形成一方面受地形、岩性和气候的影响,另一方面受人为引黄灌溉的影响,向黄河排泄循环过程中,与围岩发生溶虑和蒸发岩溶解作用。

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