银川平原地下水水化学特征及演变研究

刘海燕，马玉学，赵志鹏，赵银鑫

（1.宁夏回族自治区基础地质调查院，宁夏 银川 750021；2.宁夏回族自治区水文环境地质调查院，宁夏银川 750021）

地下水是维持生态环境平衡的制约因素[1]，地下水中的化学成分是地下水与地下岩石圈、地表环境及人类活动长期相互作用的产物，研究地下水水化学特征对水资源的利用方式、水资源管理及生态环境保护与建设具有重要的指导作用[2]。孙从建等[3]、赵楠芳等[4]综合运用描述性统计、Piper 三线图、Gibbs 图及离子比例系数等方法对地下水水化学特征进行了分析，揭示了地下水化学组分的质量浓度变化，探讨了地下水水化学特征形成的原因。郭子杨[5]等采用水化学与氢氧稳定同位素技术，探讨了水化学和氢氧同位素在水文过程的指示作用。相关研究表明[6-7]，2016 年，银川平原水体呈现碱性，水化学类型主要以HCO3-Na，HCO3-Ca·Mg 型为主，离子组成主要与岩石风化和蒸发结晶相关。银川平原西侧补给区承压水中阴离子以HCO3-为主，阳离子以Mg2+和Ca2+为主，在断裂带附近，阴离子以Cl-和SO42-为主，阳离子以Na+为主，且断裂带贯通潜水层及承压含水层是影响该地区地下水水质的重要因素之一[8]。柳凤霞等[9]研究了1991—2016 年银川地区的地下水水质资料，发现该地区的地下水化学组分及水质受到水文地质因素、蒸发浓缩作用、岩石风化作用、补水成分和人类活动的综合影响。

银川平原位于宁夏北部，南北长165 km，东西宽42～60 km，面积7 088.53 km2。其地形为一个盆地式平原，主要由黄河冲积和贺兰山洪积形成，平原整体上呈北北东向延展的梭形，海拔1 100～1 200 m。银川平原属黄河流域，黄河从平原的东部流过，由南而北纵贯全区，黄河以西，地形总的趋势是西高东低，南高北低，地势自西南向东北倾斜。研究区按照地貌形态、成因，分为台地、平原（山前洪积斜平原、冲洪积平原及冲湖积平原）和沙地地貌。根据地层结构特点，研究人员将银川平原第四系含水层在平面上划分为单一潜水区和多层结构区，多层结构区分布于广大冲湖积平原和冲洪积平原，按370 m 勘探深度自上而下可划分为第一含水岩组（潜水）、第二含水岩组（第一承压水）、第三含水岩组（第二承压水）和第四含水岩组（第三承压水）4 个含水岩组，本次研究不包含第四含水岩组（第三承压水）。受自然条件的变化和人类活动的影响，银川平原水化学类型趋于复杂化，本文采用水化学统计、Piper 图、Gibbs 图及离子相关关系等方法对银川平原水化学类型特征与演变规律进行研究，这有助于更好地了解银川平原地下水化学成分，对维持银川平原生态环境与社会经济协调发展具有重要的科学意义。

1 地下水水化学特征统计

本次共获取银川平原地下水水样228 组，其中潜水水样95 组，第一承压水水样76 组，第二承压水水样57 组（图1），水化学样品分析指标包括：K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，HCO3-，CO32-，TDS（总溶解性固体物质）的质量浓度。通过对地下水有关水化学指标进行描述性统计分析，可以了解地下水中各化学成分的富集、变化规律[10]。银川平原地下水水化学参数描述性统计特征值如表1 所示。

表1 银川平原地下水水化学参数描述性统计特征值mg/L

图1 银川平原水样点分布图

由表1 可知：银川平原的潜水中阴离子主要为Cl-，SO42-，其质量浓度相差不大，HCO3-的质量浓度相对较低；阳离子以Na+为主，Mg2+，Ca2+次之，K+的质量浓度相对较低；pH 的变化范围为6.87～8.78，均值为7.67，属偏碱性水；TDS 质量浓度为214～28 164 mg/L，均值为2 806.08 mg/L。潜水中指标Na+，Mg2+，NH3-N，TFe，Cl-，SO42-，CO32-，NO3-N，NO2-N，TDS，COD（化学需氧量），总硬度，永久硬度，Pb，Mn 的变异系数大于100%，说明其质量浓度在空间存在较强的变异性；其余指标的变异系数大多介于40%～100%，属于中等变异。第一承压水中阴离子主要为Cl-，SO42-，二者质量浓度相差较小，HCO3-的质量浓度相对较低；阳离子主要以Na+为主，Mg2+，Ca2+次之，K+的质量浓度相对较低；pH 的变化范围为7.01～8.93，均值为8.09，属偏碱性水；TDS 变化范围是196～33 724 mg/L，均值为1 962.45 mg/L。第一承压水中指标K+，Na+，Ca2+，Mg2+，NH3-N，TFe，Cl-，SO42-，CO32-，NO3-N，NO2-N，TDS，总硬度，永久硬度，As，Pb，Cd，Mn 的变异系数大于100%，说明其质量浓度在空间同样存在较强的变异性；其余指标的变异系数大多介于40%～100%，属于中等变异。第二承压水中阴离子主要为Cl-，SO42-，其质量浓度相差不大，HCO3-的质量浓度相对较低；阳离子主要以Na+为主，Mg2+，Ca2+次之，K+的质量浓度相对较低；pH 的变化范围为7.25～8.88，均值为8.08，属偏碱性水；TDS 的变化范围为178～19 338 mg/L，均值是2 749 mg/L。第二承压水中指标K+，Na+，Ca2+，Mg2+，NH3-N，TFe，Cl-，SO42-，CO32-，NO3-N，NO2-N，TDS，总硬度，永久硬度，As，Mn 的变异系数大于100%，说明其质量浓度在空间也存在较强的变异性；其余指标的变异系数大多介于40%～100%，属于中等变异。

银川平原潜水中主要离子质量浓度、总硬度与TDS 的相关性分析矩阵如表2 所示，TDS 与各个离子质量浓度均呈现正相关，且Na+，Mg2+，Cl-，SO42-，总硬度与TDS 的相关性较为显著，其相关系数分别达到0.990，0.952，0.973，0.961，0.951。第一承压水中主要离子质量浓度、总硬度与TDS 的相关性分析矩阵如表3 所示，TDS 与各个离子的相关性均呈现正相关，且相关度较高，其中Na+，Mg2+，Cl-，SO42-，总硬度与TDS 的相关性较为显著，其相关系数分别达到0.988，0.964，0.987，0.986，0.963。第二承压水中主要离子、总硬度与TDS 的相关性分析矩阵如表4 所示，TDS 与各个离子的相关性均呈现正相关，且相关度较高，其中Na+，Cl-，SO42-与TDS 的相关性较为显著，其相关系数分别达到0.992，0.990，0.994。由此可知，影响TDS 的主要离子为Na+，Cl-，SO42-，其质量浓度大小和空间分布对TDS 有着重要的影响作用。

表2 潜水中主要离子质量浓度、总硬度与TDS的相关性分析

表3 第一承压水中主要离子质量浓度、总硬度与TDS的相关性分析

2 地下水水化学类型

银川平原潜水中阴离子以HCO3-，SO42-，Cl-为主，阳离子主要为Na+，Mg2+，Ca2+。银川平原北部地区水化学类型主要为Cl·SO4-Na·Mg 型，银川平原南部的水化学类型较为复杂，主要为HCO3·SO4-Ca·Mg 型和Cl·SO4-Na 型（图2）。

图2 银川平原潜水及承压水Piper图

银川平原第一承压水中阴离子主要为HCO3-，Cl-，SO42-，阳离子则以Na+为主。银川平原北部水化学类型以Cl·SO4-Na 型和HCO3·Cl-Na 型为主，南部的水化学类型较为复杂，主要存在HCO3-Ca·Mg 型和HCO·3Cl-Na·Mg 型。

银川平原第二承压水中阴离子以Cl-，HCO3-，SO42-为主，阳离子以Na+，Mg2+为主。银川平原东部水化学类型主要为Cl·SO4-Na，Cl·SO4-Na·Mg 型，部分地 区存在着HCO3-Na，HCO3-Na·Mg·Ca，Cl·HCO3-Na 型；西部地区存在着HCO3-Na，HCO3·Cl-Na，HCO3-Ca·Mg 和HCO3-Ca·Na 型。

3 地下水水化学演变

3.1 离子来源分析

通过对银川平原的地下水离子组分来源及演化进行分析，有助于我们更好地了解区域的水文地球化学演化过程[11-12]。

3.1.1 Gibbs 图 Gibbs 图可定性地判断大气降水、蒸发浓缩作用及区域岩石风化作用对地下水的影响，从而探究离子起源[13-15]。银川平原潜水与承压水Gibbs 图如图3 所示。由图3 可知，银川平原的大多数地下水水样点分布在岩石风化带，说明该地区的大部分地下水的成分主要受岩石风化作用的影响，其余水样点均分布在蒸发浓缩带，尤其是潜水水样，说明潜水受蒸发浓缩作用的影响略大于承压水。

图3 银川平原潜水与承压水Gibbs图

银川平原部分地势较低，水位埋深较浅的地区，蒸发作用强烈，导致该地区水样的TDS 偏大。对于分布在蒸发浓缩作用区域的承压水水样，其可能是受到了上覆潜水越流补给的影响。

3.1.2 阳离子交替吸附作用 若地下水中的Na+主要来源于岩盐的溶解，则Na+的质量浓度与Cl–的质量浓度比值应该等于1。本文绘制了Na+与Cl-质量浓度的关系图，如图4 所示。该地区大部分地下水中Na+与Cl-的质量浓度的比值大于1，表明该区地下水（潜水和承压水）中的Na+可能还来源于阳离子交替吸附作用或者岩盐的风化溶解。

图4 银川平原地下水中Na+与Cl-质量浓度关系图

地下水中的Na+，Ca2+，Mg2+阳离子交换在地下水化学成分形成过程中极其重要，地下水在流动过程中，是否发生离子交换，可用Cl-碱性指数（CAI-Ⅰ和CAI-Ⅱ）来判断[16]，表示如下：

当地下水中的Na+，K+与含水层颗粒表面吸附的Ca2+，Mg2+发生离子交换时，CAI-Ⅰ与CAI-Ⅱ均小于0，当发生相反方向的离子交换时，CAI-Ⅰ与CAI-Ⅱ均大于0。由图5 可知，银川平原潜水与承压水中的大多数水样点的CAI-Ⅰ与CAI-Ⅱ均小于0，表明该区域存在着地下水中Na+，K+与含水层颗粒表面吸附的Ca2+，Mg2+的离子交换，从而使地下水中的Na+，K+质量浓度逐渐减少，Ca2+，Mg2+的质量浓度逐渐增多。

图5 银川平原地下水的CAI-Ⅰ与CAI-Ⅱ关系图

3.1.3 溶解/沉淀作用 本文用PHREEQC 地球化学模拟软件分别计算了调查区方解石、白云石、岩盐和石膏的饱和指数，并绘制了饱和指数与TDS 之间的相互关系[17]（图6），进一步分析调查区地下水水化学演化过程中的溶解/沉淀作用。由图6 可知，银川平原的潜水与承压水中白云石基本都处于饱和状态，方解石处于平衡近饱和状态，而银川平原的地下水中岩盐和石膏均处于非饱和状态，表明在该地区发生了白云石沉淀，方解石平衡及岩盐、石膏的溶解作用。

图6 地下水中各矿物饱和指数SI和TDS的关系

反应机理如下：

3.2 水化学演变分析

由表1 可知，潜水中Cl-，SO42-，TDS 平均质量浓度分别为798.27，787.59，2 806.00 mg/L，第一承压水中Cl-，SO42-，TDS 的平均质量浓度分别为554.76，541.66，1 962.45 mg/L，第二承压水中Cl-，SO42-，TDS 的平均质量浓度分别为878.11，702.80，2 749.00 mg/L。与潜水相比，第一承压水中Cl-，SO42-，TDS 的平均质量浓度较低，均为潜水的70%左右；第二承压水中Cl-，SO42-，TDS 的平均质量浓度较高，与第一承压水相比，分别为第一承压水的158.29%，129.75%，140.08%。

潜水氯化物质量浓度超标点主要位于银川平原的北部，氯化物超标面积约占银川平原面积的60%，氯化物质量浓度大于250 mg/L。氯化物仅在大武口区西北部、贺兰县东北部、西夏区全域、永宁县全域、青铜峡市北部、利通区北部达标，氯化物质量浓度小于250 mg/L。潜水硫酸盐质量浓度超标点主要分布于银川平原北部区域，超标面积约占银川平原总面积的70%，硫酸盐质量浓度大于250 mg/L。硫酸盐仅在大武口区、贺兰县东北部、西夏区西部、永宁县全域、利通区北部达标，硫酸盐质量浓度小于250 mg/L。相较于硫酸盐和氯化物的分布，TDS 的超标面积介于二者之间，但是分布区域相差不大，TDS 的超标面积大约为银川平原面积的70%，TDS质量浓度大于1 000 mg/L，超标区域与氯化物和硫酸盐的超标区域基本一致，仅在大武口区北部、贺兰县东北部、西夏区西部、永宁县全域、利通区北部地区达标，TDS 质量浓度小于1 000 mg/L。从银川平原氯化物、硫酸盐和TDS 的空间分布来看，三者具有相似性，说明TDS 与Cl-和SO42-存在密切的联系，TDS 质量浓度高的地区，其Cl-和SO42-的质量浓度也高。

与潜水不同的是，第一承压水中的Cl-和SO42-来源为潜水的越流补给。第一承压水作为银川平原的主要开采层，长期的开采已在部分地区形成降落漏斗，在水头差的作用下，潜水通过弱透水层向第一承压水进行越流补给。含有大量的Cl-和SO42-的高TDS 潜水补给到第一承压水中，使得第一承压水中Cl-和SO42-的质量浓度较高，TDS 也较高。

由图4 可知，Na+的质量浓度随着Cl-质量浓度的增加而增加，这在一定程度上说明地下水中发生了岩盐的溶解作用，使得银川平原第二承压水中Cl-的质量浓度较高。且Ca2+与SO42-之间明显呈正相关关系，即Ca2+的质量浓度随着SO42-质量浓度的增加而增加，说明了地下水中也发生了石膏的溶解反应。

4 结论

（1）研究区中Na+，Mg2+，NH3-N，TFe，Cl-，SO42-，TDS，总硬度和永久硬度等在潜水、第一承压水及第二承压水中的变异系数均大于100%，说明其质量浓度在银川平原地下水中存在较强的变异性。

（2）研究区中潜水水化学类型以Cl·SO4-Na·Mg，HCO3·SO4-Ca·Mg 型为主，第一承压水以Cl·SO4-Na，HCO3-Ca·Mg 型为主，第二承压水以Cl·SO4-Na 型为主。

（3）研究区的大部分地下水的成分主要受岩石风化作用的影响，且潜水受蒸发浓缩作用的影响略大于承压水；地下水中的Na+可能来自阳离子交替吸附作用或者岩盐的风化溶解。用PHREEQC 地球化学模拟软件分别计算调查区方解石、白云石、岩盐和石膏的饱和指数，表明在该地区发生了白云石沉淀，方解石平衡及岩盐、石膏的溶解作用。

（4）潜水中TDS 和Cl-，SO42-的空间分布具有相似性，说明TDS 与Cl-，SO42-存在密切的联系，TDS质量浓度高的地区，其Cl-，SO42-的质量浓度也较高。第一承压水受到潜水的越流补给，使得第一承压水中Cl-，SO42-的质量浓度较高，TDS 质量浓度也较高；第二承压水中发生了岩盐的溶解作用，使得其Cl-质量浓度较高，而Ca2+与SO42-之间呈明显的正相关关系，说明地下水中发生了石膏的溶解作用。