崔 迪， 董紹勤， 李政葵， 馮海波， 劉曉波

(1.包頭市國土資源局，內(nèi)蒙古 包頭市014010;2.內(nèi)蒙古大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特市010021;3.招金有色礦業(yè)有限公司，山東省 招遠(yuǎn)市265400)

地下水流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜多元的物理化學(xué)演變過程，在徑流過程中，地下水不斷與周圍介質(zhì)發(fā)生著水巖相互作用，使地下水的化學(xué)成分不斷發(fā)生變化.通過研究地下水化學(xué)成分及其在時(shí)間和空間上的演變，可以探尋地下水的賦存環(huán)境、徑流途徑及物質(zhì)能量交換等重要信息，從而揭示地下水的水化學(xué)特征和演化規(guī)律［1-3］. 很多學(xué)者都從各自的角度對(duì)不同地區(qū)的地下水水化學(xué)和演化機(jī)理進(jìn)行了分析和論證，取得了很多重要成果和進(jìn)展［4-7］. 其中，李向全等［8］通過應(yīng)用水化學(xué)統(tǒng)計(jì)方法及水文地球化學(xué)模擬技術(shù)研究了太原盆地地下水水化學(xué)類型及其空間分布特征，分析了該盆地地下水水化學(xué)組分的形成演化機(jī)制.任增平等［9］對(duì)達(dá)拉特旗平原區(qū)地下水水化學(xué)平面分布特征及其形成機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的研究.郭占榮等［10］研究了三屯河流域平原地下水系統(tǒng)中主要離子、TDS 和水化學(xué)類型空間分布特征及其時(shí)間上的演化規(guī)律［1］.

近年來，偃師市城市化的迅速發(fā)展，對(duì)水資源的需求量急劇上升，使得地下水被過度的開采，從而導(dǎo)致了一定的環(huán)境地質(zhì)問題，對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤目沙掷m(xù)利用帶來了威脅. 以往對(duì)于偃師市地下水的研究?jī)?nèi)容較少，主要是針對(duì)地下水的質(zhì)量現(xiàn)狀和監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行一定的分析和探討［11-12］，對(duì)整個(gè)地下水系統(tǒng)的空間分布特征和演化規(guī)律沒有一個(gè)充分的理解和認(rèn)識(shí).因此，研究地下水水化學(xué)特征及其演化機(jī)制，對(duì)于探討偃師市地下水資源的合理開發(fā)和利用具有重要的意義.

1 自然地理

偃師市位于河南省中西部，洛陽盆地東側(cè);區(qū)內(nèi)主要河流為伊河、洛河以及其它

季節(jié)性河流. 整個(gè)區(qū)域地下水分布不均，北部丘陵地區(qū)孔隙發(fā)育，巖性滲透性能較差;中部平原區(qū)地形坡度較小，地下水埋深淺，富水性強(qiáng);南部主要為中低山，侵蝕切割強(qiáng)烈，水資源匱乏. 偃師市地處暖溫帶地區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候. 據(jù)偃師市氣象局資料，多年平均氣溫14.2 ℃，多年平均降水量524.1 mm，降水多集中在7、8、9 三個(gè)月，占年降水量的一半，多年平均蒸發(fā)量1451.7 mm(見圖1).

圖1 偃師市平均氣象要素Fig.1 Average meteorological elements in Yanshi City

2 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

偃師市地處嵩山北坡，地形南北高中間低，域內(nèi)地貌類型復(fù)雜多樣. 北部及西部邙山丘陵區(qū)主要為黃土臺(tái)塬，孔隙發(fā)育強(qiáng)烈，普遍存在黃土孔隙、孔洞、裂隙等;整個(gè)丘陵地形坡度較大，地下水的補(bǔ)給、儲(chǔ)存能力較差. 南部萬安山一線為中低山，山體主要由太古宇、元古界變質(zhì)巖、巖漿巖及古生界碳酸鹽巖組成;山頂及山脊平緩，溝谷發(fā)育，背斜軸部縱張斷裂，抗風(fēng)化能力差，由于強(qiáng)烈的剝蝕作用，山體破碎，水資源貧乏. 中部地區(qū)南北分別為山前傾斜平原和河谷平原. 山前傾斜平原由南向北傾斜，南部較陡，組成物質(zhì)為中、上更新統(tǒng)洪積含礫黃土狀粉質(zhì)粘土(北部)、含礫粉質(zhì)粘土(南部)及卵礫石層，上更新統(tǒng)洪積層覆蓋于洪積傾斜平原的中前部，前緣多有地下水溢出帶. 河谷平原分布于洛河、伊河沿岸一帶，主要為第四系沖積、洪積及湖積物，下伏以卵石層為主的含水層、厚度較大，結(jié)構(gòu)疏松，分選磨園及滲透性能較好，埋藏有豐富的孔隙潛水.

3 偃師市淺層地下水化學(xué)特征及空間分布規(guī)律

3.1 淺層地下水成分統(tǒng)計(jì)分析

該次研究在偃師市共采集潛水樣品32 件，分別對(duì)鉀、鈣、鎂、鈉等主要離子和總?cè)芙夤腆w、氟化物、氮化物等濃度指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定. 通過對(duì)整個(gè)偃師市地下水成分進(jìn)行分析，可知研究區(qū)淺層地下水的總硬度在172 ～749 mg/L 之間，平均值達(dá)到358.47 mg/L;局部地區(qū)總硬度已超過現(xiàn)行生活飲用標(biāo)準(zhǔn)，主要分布在工業(yè)發(fā)展較快、人口密度大的伊洛河平原地區(qū). 其它如氟化物和氯化物的濃度分別為0.02 ～0.72 mg/L 和15.95 ～125.85 mg/L之間，平均濃度分別為0.37 mg/L 和41.05 mg/L;二者在河谷平原區(qū)伊洛河兩岸的濃度要遠(yuǎn)高出西北部邙山丘陵區(qū)和南部中低山地區(qū). 此外，硝態(tài)氮最高值為21.42 mg/L，超出3 類地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848—93)，位于伊洛河下游與鞏義市交界處(見表1).

3.2 淺層地下水化學(xué)特征

偃師市北部及西部邙山丘陵區(qū)堆積有幾米到幾十米厚的以風(fēng)成為主的黃土，其垂直節(jié)理及大孔隙發(fā)育，垂直滲透性能較強(qiáng). 該區(qū)水化學(xué)類型一般為HCO3—Ca·Mg 和SO4·HCO3—Ca·Na 型，TDS＜1 g /L.

南部中低山丘陵地區(qū)，地形坡度大，溝谷發(fā)育，切割強(qiáng)烈.該區(qū)巖層含水性較差，不利于地下水補(bǔ)給、儲(chǔ)存，有利于地表水、地下水的徑流及排泄. 水化學(xué)類型主要包括:HCO3—Ca·Na 和HCO3·SO4—Ca·Mg 型，該類型水HCO3-含量較高，優(yōu)勢(shì)離子為Ca2+和，TDS 在300 ～600 mg/L 之間.

伊洛河沖積平原區(qū)的地形相對(duì)較低，是地表水和地下水的匯集場(chǎng)所. 在洛河、伊河的漫灘區(qū)、一二級(jí)階地區(qū)，松散堆積物主要為第四系沖積、洪積及湖積物.巖性一般為粉質(zhì)粘土、粉土、砂及卵石互層的雙層結(jié)構(gòu)，表層多為粉土和粉質(zhì)粘土;由于地形坡度小，地下水位埋藏較淺，地表水及地下水徑流滯緩，有利于大氣降水入滲補(bǔ)給. 水化學(xué)類型主要包括:HCO3—Ca·Mg、HCO3·SO4—Mg 及HCO3·SO4—Ca 型，TDS ＜1 g /L. 整個(gè)平原區(qū)地下水主要由大氣降水、河流水、邊山巖溶水、裂隙水補(bǔ)給.

地下水水化學(xué)場(chǎng)特征受到多種因素的影響，包括盆地周邊基巖地下水的補(bǔ)給混合(巖溶水、裂隙水)、循環(huán)交替條件強(qiáng)弱和人類活動(dòng)污染等［13-15］.綜合分析研究區(qū)地下水的各化學(xué)指標(biāo)空間分布特點(diǎn)，可以看出其存在的一些規(guī)律:

(1)偃師市地地下水水化學(xué)場(chǎng)具有一定的分帶特性. 在沿著補(bǔ)給—徑流—排泄的方向上，地下水接受邊山巖溶水和碎屑巖裂隙水的補(bǔ)給，地下水的質(zhì)量濃度逐漸升高;從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，地下水水化學(xué)類型主要由SO4·Cl—Mg 型水向HCO3—Ca·Na、HCO3·SO4—Ca·Na 型水演化，這一演化規(guī)律反映了地下水在補(bǔ)給—徑流—排泄上的循環(huán)交替變化過程.

(2)研究區(qū)地下水中TDS 與Mg2+、Ca2+、質(zhì)量濃度的分布規(guī)律較為趨同，主要表現(xiàn)為伊洛河平原地區(qū)濃度較高，南北兩側(cè)的丘陵地帶濃度較低. 最高值區(qū)出現(xiàn)在岳灘及伊河和洛河交匯地帶，TDS 在800 mg/L 以上，Mg2+、Ca2+、及Cl-也分別在這兩個(gè)區(qū)域達(dá)到最高值(見圖2).

(3)pH 值呈現(xiàn)西北高東南低的變化規(guī)律.偃師市北部的邙山丘陵地區(qū)地下水的pH 值大都在7.5以上，而在偏東南的河谷平原及山前傾斜平原地帶的pH 低于7.3. CODMn 呈現(xiàn)出南北低中間高的分布特征，其最高濃度為2.16 mg/L，處于伊河及洛河兩岸工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)地區(qū)(見圖2).

圖2 偃師市地下水主要水化學(xué)指標(biāo)空間分布圖(mg /L)Fig.2 Spatial distribution of the major hydrochemical indexes of groundwater in Yanshi City (mg/L)

4 研究區(qū)淺層地下水主要化學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析

為了深入分析偃師市地下水化學(xué)特征及演化機(jī)制，對(duì)其地下水主要離子濃度變化進(jìn)行相關(guān)分析.根據(jù)地下水主要離子成分的相關(guān)分析圖(見圖3)，與TDS 指標(biāo)相關(guān)性較好的陽離子成分有:Mg2+質(zhì)量濃度與TDS 的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.880 9;其次為Ca2+，相關(guān)系數(shù)為0.800 8;Na+相關(guān)性最小，為0.638 6與TDS 指標(biāo)相關(guān)性較好的陰離子成分有的質(zhì)量濃度與TDS 的相關(guān)系最好，相關(guān)系數(shù)為0.765 9;然后依次為Cl－和，相關(guān)系數(shù)分別為0.724 2 和0.622 1.相關(guān)分析都表現(xiàn)出隨這些主要離子成分濃度升高TDS 值增大的變化規(guī)律.可以發(fā)現(xiàn)，偃師市地下水在演化過程中，總?cè)芙夤腆w增加主要與Mg 、Ca 、SO4、Cl離子成分增加有關(guān).

圖3 偃師市地地下水中質(zhì)量濃度與TDS 相關(guān)分析圖Fig.3 Correlation analysis chart of and TDS of groundwater in Yanshi City

5 結(jié) 論

通過應(yīng)用水化學(xué)統(tǒng)計(jì)及離子相關(guān)分析方法，對(duì)偃師市地下水的水化學(xué)特征和整個(gè)區(qū)域演化機(jī)理進(jìn)行了分析和探討，主要得出以下結(jié)論:

(1)研究區(qū)淺層地下水的總硬度在172 ～749 mg/L 之間，平均值達(dá)到358.47 mg/L;局部地區(qū)總硬度已超過現(xiàn)行生活飲用標(biāo)準(zhǔn). 硝態(tài)氮濃度最高值為21.42 mg/L，分布在伊洛河下游與鞏義市交界處.CODMn 呈現(xiàn)出南北低中間高的分布特征，主要集中在伊河及洛河兩岸工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)地區(qū).

(2)偃師市地地下水水化學(xué)場(chǎng)具有一定的分帶特性. 在沿著補(bǔ)給—徑流—排泄的方向上，地下水接受河流水、邊山巖溶水及碎屑巖裂隙水的補(bǔ)給，地下水的水化學(xué)類型主要由SO4·Cl—Mg 型水向HCO3—Ca·Na、HCO3·SO4—Ca·Na 型水演化.

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