卫宁平原地下水水化学特征及成因浅析＊

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。