榮慧峰,殷文靜,楊學(xué)亮,朱旭輝,李 演

(1.石家莊經(jīng)濟學(xué)院,河北 石家莊 050031;2.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院,河北石家莊 050031)

滄州市廣泛開采利用淺層淡水和深層淡水,由于開采不合理,引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問題。淡水資源的短缺已成為制約滄州市經(jīng)濟發(fā)展的一個瓶頸,為了緩解淡水資源短缺的危機,改善生態(tài)環(huán)境,咸水資源作為新水源應(yīng)該也必須得到重視。開發(fā)利用地下咸水是一項變“廢”為寶、減輕危害、增加水資源、改善環(huán)境最為有效的措施之一。除肅寧、河間、任丘部分地帶分布有全淡水區(qū)外,大部分地區(qū)廣泛分布著咸水,資源豐富。

1 區(qū)域概況

滄州市位于河北省東部,東臨渤海,南與山東省及衡水市交界,北接天津市、廊坊市,西與保定市相連。地理坐標(biāo)為東經(jīng) 115°42′～ 117°51′,北 緯 37°28′～ 38°57′,東西長 187 km,南北寬 165 km,總面積14056 km2。本區(qū)屬半干旱地區(qū),主要為暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候,四季分明,季間溫差變化顯著。降水特點為年內(nèi)分布不均,年際變化大。滄州市地勢平坦,河流眾多。東部濱海地區(qū)地勢平坦,土地鹽堿化非常嚴(yán)重。

滄州市第四系松散堆積物厚度約為 380～550m,多為陸相堆積及海陸交互相堆積,海興一帶有火山巖堆積,現(xiàn)由老至新簡述如下:

下更新統(tǒng)(Q1):底界深度 380～550 m,為一套棕紅、黃棕色夾灰綠色粘土、亞粘土、亞砂土,其間夾有銹黃色細(xì)砂、粉細(xì)砂;中更新統(tǒng)(Q2):底界埋深 250～420m,分上下兩段:下段(Q21)底界為 250～420 m,為黃棕、灰綠色粘土、亞粘土、中細(xì)砂層。上段(Q22)底界為 170～350 m,為棕黃、灰綠色亞粘土、中細(xì)砂層;上更新統(tǒng)(Q3):底界 120～220m,為灰黃、灰、灰綠及少量淺棕黃色亞粘土、亞砂土、粉細(xì)砂層;全新統(tǒng)(Q4):底界 20～30m,巖性為灰黃、黃灰、灰褐色亞粘土夾細(xì)粉砂層,有 1～2層淤泥質(zhì)亞粘土或泥炭,為海陸交互相沉積。

2 咸水分布特征

滄州市咸水的分布特點是分布廣,厚度大。無論水平分布還是垂直分布均屬河北平原之最,咸水幾乎覆蓋全區(qū)。咸水體由沿海到內(nèi)地逐漸變薄,呈一楔形體置于淺層淡水與深層淡水之間,并在青縣東北部和狼坨子附近出現(xiàn)全咸區(qū)。

水平分布:本區(qū)咸水從平面上看,就其分布特點可分三大區(qū),西部地區(qū)包括任丘、肅寧及河間西部,以淡水為多,微咸水、半咸水呈孤島狀分布在淡水體之上,大于5g/L的咸水很少;中部的東光、吳橋、南皮、鹽山南部、獻縣、泊頭、河間東部、青縣、滄縣等廣大地區(qū),微咸水和半咸水分布甚廣,沿古河道河間帶呈北北東向條帶狀分布,大于 5g/L的咸水零星分布;青縣—滄州—鹽山一線以東地區(qū)廣泛分布著大于 5g/L咸水和鹽水,甚至在岐口附近有鹵水分布。在咸水體上部漂浮有薄層凸鏡體狀微咸水、半咸水。淺層咸水由于受淺層淡水的切割影響,子牙河以西地區(qū)東西方向水平連續(xù)性較差,其余地區(qū)連續(xù)性較好,而深層咸水的分布連續(xù)性相對比較好。

垂直分布:本區(qū)咸水體在垂向分布上規(guī)律大致為:河間、肅寧一帶存有封閉性咸水,咸水底界一般為 30～60 m左右;從河間東部一直到沿海地區(qū)具有連續(xù)性,西側(cè)咸水底界一般為 50m左右,延伸到滄州附近 100 m左右,再延伸到東部海興咸水底界可達 300 m,詳見圖 1:滄州市咸水分布縱斷剖面示意圖。

咸水體底板埋深受基底構(gòu)造與海相層的多寡所制約,一般在構(gòu)造接觸部位、海相層多的部位,底板較深。所以咸水體底板埋深由西向東并非呈斜線直下,而是呈階梯狀逐步增大。

圖1 滄州市咸水分布縱斷剖面示意圖

3 咸水成因分析

滄州市第四系咸水的形成,是河北平原第四紀(jì)時期的古氣候條件、古地理地質(zhì)環(huán)境及海侵活動等各種因素綜合作用的結(jié)果。滄州有史以來共經(jīng)歷了渤海海進,海興海進,黃驊海進,青縣海進,滄西海進,獻縣海進,滄東海進。滄州以渤海為中心向內(nèi)陸擴展,其中獻縣海進深入內(nèi)地最遠,由于海侵與海潮的影響,海水的大量鹽分停留在松散沉積層之中,同時海退以后殘留的海水保存在含水層內(nèi),致使地層易溶鹽含量增高,因此直接影響到地下水的化學(xué)成分。本區(qū)咸水的分布與海相層緊密相關(guān),海相層密集部位咸水體發(fā)育,海侵范圍內(nèi)必定有咸水分布。

3.1 從咸水入侵分析咸水成因

3.1.1 氯離子分布

地下水氯離子含量是研究咸水形成的主要指標(biāo)之一。本區(qū)氯離子的分布有一定的規(guī)律性,深層咸水平面上自西向東水化學(xué)類型由硫酸?氯化物型→氯化物?硫酸鹽型→氯化物型轉(zhuǎn)變。淺層咸水氯離子含量總的趨勢是由西向東逐步增大,詳見圖 2:地下水礦化度與離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線圖。

圖2 地下水礦化度與離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線圖

從圖中還可說明影響地下水礦化度的最靈敏的水化學(xué)成分是 Cl-,其次為 Na+。據(jù) Cl-分布特點分析,本區(qū)淺層咸水東部沿?？纱_認(rèn)為以海相為主,蒸發(fā)濃縮使之更加礦化,而內(nèi)陸則以蒸發(fā)濃縮大陸鹽化相為主。

3.1.2 土層易溶鹽的分布

本區(qū)土層易溶鹽含量的水平分布由西向東逐步增大,開始由 0.05%以下到沿海高達 2.25%,尤其南運河以東的廣大地區(qū),多次受到海進的影響,土層易溶鹽含量增高,因而形成了大片的鹽堿地。在南運河以西地區(qū),土層易溶鹽含量垂向變化是自上而下由小→大→小變化,而運東地區(qū)則是由大→小的變化。所以土層易溶鹽分布亦是海進影響的結(jié)果。土層易溶鹽垂向分布的另一特點就是晚更新世的地層含鹽量高,這完全是由于晚更新世氣候干燥,氣溫較高,強烈蒸發(fā)濃縮的結(jié)果。從土層易溶鹽的分布特點,可以確認(rèn)咸水的形成主要是受到海進的影響,同時大陸鹽化作用也是咸水形成的主導(dǎo)因素。

3.1.3 地下水碘含量

碘含量也可作為判斷海相成因或與海相成因有關(guān)的地下水的一種方法。海相層中易溶性碘含量較高,一般為 0.1～0.5 ppm,且以海相淤泥層中含量最高,而陸相堆積物中碘含量比較低,為 0～0.1 ppm,以湖相、湖沼相淤泥質(zhì)土含量相對較高。滄州東部地區(qū)湖積海積平原碘含量較高,以沿海一帶為最高,西部碘含量一般較低,這表明地下水與海相起源密切相關(guān),受到海相沉積影響。

3.1.4 咸化系數(shù)和鈉氯系數(shù)

咸化系數(shù)〔Cl-/(HCO3-+CO3

2-)〕與鈉氯系數(shù)〔rNa+/rCl-〕為地下水主要化學(xué)成分相互之間的比例關(guān)系。它們是概略表征地下水成因類型的兩個特征系數(shù)。

(1)咸化系數(shù)分析:咸化系數(shù)是作為鑒別地下水是否受到海水入侵的標(biāo)志。淡水的咸化系數(shù)小于 1,咸水的咸化系數(shù)大于 1,微咸水的咸化系數(shù)一般為 1-2,近海地區(qū)的咸化系數(shù)高。本區(qū)咸化系數(shù)的分布規(guī)律是:由沿海到內(nèi)陸逐步減小,大致以南運河為界,東部咸化系數(shù)大于 3,而西部小于 3,由此可以認(rèn)為,本區(qū)咸水運東受到多次海進影響,主要以海相為主,運西則以大陸鹽化相為主。

(2)鈉氯系數(shù)分析:鈉氯系數(shù)作為判斷海相成因或與海相成因有關(guān)的地下水的常用方法。一般海相成因的地下水鈉氯系數(shù)小于 1,淡水或微咸水鈉氯系數(shù)一般大于 1。本區(qū)的鈉氯系數(shù)分布以南運河為界,運東小于 1,運西大于 1,由此不難看出運東的地下咸水與海相成因有關(guān)。

3.2 從咸水的同位素特征分析成因

氘、氧的組成:氘(D)、氧 -18(18O)分別用 δ值表示。δ值是指樣品中某元素的穩(wěn)定同位素比值相對于標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)比值的千分偏差。即

根據(jù)計算結(jié)果將數(shù)據(jù)反映在 δD-δ18O相關(guān)圖上,詳見圖 3:δD—δ18O相關(guān)圖。由圖可知,所取水樣各點,幾乎全部落在世界雨水線(δD=8δ18O+10)的右下方。根據(jù)各點所處的部位,可概括為三種情況:一是靠近海水部位如細(xì)實線所圈部分,屬海水(δD、δ18O值接近于 0)成因咸水,這里既有深層咸水也有淺層咸水;二是沿世界雨水線向上分布(δ值偏正),處在蒸發(fā)線(斜率小于 8)附近的各點,說明以大氣降水補給為主,屬蒸發(fā)濃縮型咸水;三是沿世界雨水線向下分布(δ值偏負(fù)),位于世界雨水線與蒸發(fā)線交點附近的各點,說明以大氣降水補給為主,由于氣溫效應(yīng),地下水形成的氣溫較低。

根據(jù)丹斯加爾德平均降水 δ值與平均氣溫的關(guān)系式:δ18O=0.695 t-13.6或 δD=5.6 t-100 計算出滄州市均衡試驗場滄試 6地下水形成時的氣溫約為5.47℃-5.89℃。地下水中的氧 -18與氘均為穩(wěn)定同位素,地下水的水化學(xué)成份在其演化過程中盡管水質(zhì)不斷變化,但穩(wěn)定同位素的 δ值基本不變。從陸相淡水成份與海相成份比較來看,δD、δ18O值越小,海水成份所占比例就越大。我們對同位素測定結(jié)果與礦化度進行了初步分析:①滄州西部肅寧、任丘、河間西部等地淺層地下水以陸相淡水成份為主;在滄州中部及其東部地區(qū),淺層咸水既有海水成份又有陸相淡水成份,自西向東海水成份所占比例逐漸遞增,至馮家堡附近淺層地下水中海水成份已占主導(dǎo)地位。②第Ⅱ含水組中的咸水鹽份多來自于海相沉積和地下水溶濾作用。由于蒸發(fā)濃縮作用,礦化度比較高,但咸水形成時期的氣溫效應(yīng)、演化過程的蒸發(fā)效應(yīng),致使穩(wěn)定同位素氧也發(fā)生了變化,變化幅度比較小,淡水混入程度比較低。③從地下咸水δ18O值的變化看,蒸發(fā)強度由西向東逐漸加劇,各時期的蒸發(fā)強度也有很大區(qū)別。④沿海地區(qū)形成的咸水,海水成份比例比較高,以海水為主要來源,少有淡水混入,而且蒸發(fā)強度比較大?？傊?根據(jù)本區(qū)咸水的同位素特征,咸水的形成既有海相起源,又有大陸鹽化作用,但兩種因素在不同部位所占比例不同,綜觀全區(qū)淺層咸水東部海水成份要高于中部,而西部則以大陸鹽化作用為主。

圖3 δD—δ18 O相關(guān)圖

4 結(jié)論

根據(jù)滄州市咸水的沉積環(huán)境與咸水的同位素特征,本區(qū)咸水是由多種因素綜合作用下演變形成的。東部濱海地區(qū)的咸水以海相成因類型為主,西部內(nèi)陸地區(qū)以陸相成因類型為主,二者之間的中間地區(qū)為海陸交替過渡帶類型。淺層咸水除沿海地區(qū)外,主要受大陸鹽化作用影響為主。

古地理環(huán)境是咸水形成的基礎(chǔ),古氣候演變是咸水形成的條件,多次海侵是咸水形成的重要因素。咸水的形成與演化貫穿于整個第四紀(jì),并且構(gòu)成了由東向西逐漸尖滅的楔形咸水體。

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