石羊河流域地下水化學(xué)環(huán)境演化特征研究-

1、¹國家科委特別資助項目、中國科學(xué)院重點基金助項目收稿日期1998-04-01石羊河流域地下水化學(xué)環(huán)境演化特征研究¹史基安趙興東王琪師育新李春圓(中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所蘭州730000摘要作者在系統(tǒng)研究石羊河流域地下水化學(xué)類型和演化特征的基礎(chǔ)上,應(yīng)用地球化學(xué)計算機模擬方法,模擬了研究區(qū)地下水中各元素存在的形式,方解石、白云石等礦物的飽和指數(shù),進而判斷了水巖作用的方向和程度,揭示了石羊河流域地下水化學(xué)環(huán)境演化機制。關(guān)鍵詞地下水化學(xué)環(huán)境地球化學(xué)模擬水巖作用第一作者簡介史基安男40歲研究員沉積學(xué)我國西北地區(qū)降雨稀少,年內(nèi)分配不均,干旱時段明顯,沙漠廣布,土地干旱、鹽漬化、風(fēng)沙化現(xiàn)

2、象十分突出。區(qū)域生態(tài)環(huán)境十分脆弱,這些地段的地下水資源顯得尤為重要。由于一個流域可以看作一個生態(tài)系統(tǒng),其中大氣降水地表水地下水之間可以相互轉(zhuǎn)化,水量和水質(zhì)聯(lián)系密切,并且它們直接控制著區(qū)域水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng),故以流域為生態(tài)單位對其水資源與環(huán)境進行研究已成為必然趨勢。1區(qū)域水文地質(zhì)條件石羊河流域位于甘肅河西走廊東段,發(fā)源于祁連山冷龍嶺冰川,尾水消失于騰格里沙漠,武威盆地和民勤盆地是石羊河流域中的兩個主要盆地。祁連山是近代強烈上升區(qū),在山前大斷裂的控制下,形成了山前凹陷帶,武威盆地即處于此凹陷帶之中。盆地內(nèi)堆積了巨厚的第四系松散沉積物(最厚處達1000米以上,為地下水的儲存提供了良好的場所。根據(jù)水文

3、地質(zhì)特點,盆地又可分為斷層臺階帶和盆地兩部分。斷層臺階帶位于盆地南部,處于山前洪積扇的頂部,第四系厚度在50米以下,含水層由砂礫卵石堆積物組成,地下水流通暢,富水性較差,是本流域地下水補給區(qū)。盆地部分為地下水富集帶。由于由南向北含水層顆粒逐漸變細,地下水流速逐漸變慢,地下水位升高,并且隨著第四系基底的抬高,含水層埋深逐漸變淺,使地下水于武威盆地中部溢出,成為石羊大河的補給源。民勤盆地相鄰武威盆地,是遠離祁連山的走廊北盆地。盆地內(nèi)發(fā)育巨厚的第四系松散沉積物(300400m ,含水層以砂、粉砂為主,被亞粘土層或亞砂土層分割成數(shù)層(1015層,同時其南部也分布砂礫石,形成一復(fù)雜的含水體系。祁連山區(qū)基

4、巖裂隙水是本流域地下水的主要補給源,多來自大氣降水、冰雪融水及山地沼澤水的入滲。大氣降水時空分布受地形高度的控制(本區(qū)地勢每升高500m 降雨量增加120mm 。山區(qū)地下水、地表水主要通過山區(qū)河流排泄,進而成為武威盆地平原區(qū)地下水的主要補給源。武威盆地地下水一部分消耗于開采、蒸發(fā),一部分則通過地表地下徑流進入民勤盆地。民勤盆地地下水主要來源于上游補給。該盆地的地下水主要消耗于蒸發(fā)、開采。2地下水水化學(xué)特征及分布規(guī)律石羊河水從冰川源頭流入沙漠腹地,流域范圍幾乎包括了濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)到半干旱區(qū)、干旱區(qū)的各個地帶。這種垂直氣候條件的分異決定了該流域地下水的水化學(xué)水平和垂直分帶性以及水化學(xué)特征。2.1

5、水化學(xué)水平分帶南部分布HCO 3Ca 或HCO 3Ca M g 型水。如上所述此區(qū)為地下水補給區(qū),其來源為大氣降水,同時本區(qū)含水層礫卵石為主,地下水流暢通,地第16卷第2期1998年6月沉積學(xué)報ACT A SED IM EN T O L OG ICA SI NI CA Jun.1998下水處于積極循環(huán)狀態(tài),水巖作用時間短,因而水化 學(xué)類型表現(xiàn)為低礦化度的重碳酸鹽型地下水。圖1石羊河流域水化學(xué)分區(qū)圖Fig .1Dis tribution of w ater chem istry types in the Sh iyang river b as in中部逐漸過渡為HCO 3SO 4Ca M g 型

6、或HCO 3SO 4Ca M g Na 型水;盆地北部(石羊河以西,洪水河兩岸及重興一帶斷續(xù)分布著SO 4HCO 3Ca M g 型水,盆地最北端蔡旗一帶出現(xiàn)SO 4Ca M g 型水。在石羊河兩側(cè)發(fā)育有一條重碳酸鹽硫酸鹽帶,系河水入滲地下而成的淡化帶。長城遺址以南,分布SO 4HCO 3型水;從蘇武山北麓到中渠鄉(xiāng)以北,分布SO 4Cl Na M g 型水;在盆地東北部即流域的最下游(西硝池、馬王廟湖及梭梭門一線,東、西堿湖分布Cl SO 4Na,Cl Na(鹵水型水。民勤盆地水化學(xué)特征較為復(fù)雜。皆因含水層顆粒變細,地下徑流遲緩,水位抬高,含水層埋深變淺,加之區(qū)內(nèi)氣候干燥,造成地下水的強烈蒸發(fā)

7、使礦化度急劇升高,同時由于含水層的復(fù)雜性使水化學(xué)類型表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。2.2水化學(xué)垂直分帶在世界很多地區(qū)的地下水調(diào)查研究中已發(fā)現(xiàn):補給區(qū)內(nèi),淺層地下水中的溶解總固體量要比同一系統(tǒng)中較深處地下水中的少一些(上淡下咸。排泄區(qū)內(nèi),深處地下水中溶解的固體量要比淺層地下水中少(上咸下淡。我們稱這種現(xiàn)象為水化學(xué)垂直分帶現(xiàn)象。這雖是一種較普遍的現(xiàn)象,但不同的區(qū)域其成因是由不同的因素造成的。在武威盆地南部的地下水補給區(qū),由于含水層比較薄,加之徑流條件好,地下水處于積極交替狀態(tài),這種現(xiàn)象不明顯。在民勤盆地的地下水排泄區(qū),卻存在著明顯的地下水層狀分異(大部分地區(qū)上咸下淡。關(guān)于其成因有不同的說法,筆者認為主要是

8、由地下水的蒸發(fā)濃縮作用造成的,在下面的水化學(xué)模擬結(jié)果將證明這一點。3地下水地球化學(xué)的計算機模擬地下水在不停地同含水層中各種礦物、氣體進行著物質(zhì)交換,其內(nèi)部也在不斷發(fā)生各種絡(luò)合反應(yīng),而且在礦化度較高的情況下,離子的濃度與其表現(xiàn)出的活度也會有較大差距。因此要正確判斷水巖作用的方向和程度,需要計算出各元素在水中的存在狀態(tài),及其游離態(tài)離子的活度1。筆者利用地球化學(xué)計算機模擬的方法,在充分考慮溶液中離子強度、礦物的溶解沉淀平衡、各種絡(luò)合反應(yīng)的影響的前提下,模擬出了本區(qū)地下水中各元素的存在形式、各種礦物的飽和指數(shù),進而判斷了水巖作用方向和程度。由于各種化學(xué)反應(yīng)都向平衡方向進行,即達到自由能最低的狀態(tài),據(jù)此

9、對地下水進行模擬有兩條途徑:化學(xué)平衡法和自由能最低法,筆者選取第一種方法。3.1利用飽和指數(shù)判斷礦物沉淀與溶解飽和指數(shù)是確定水與礦物處于何種狀態(tài)的參數(shù),以符號“SI ”表示。SI=IAP/K IAP:指定礦物對應(yīng)離子的活度積。K :指定礦物的沉淀溶解平衡常數(shù)。從武威盆地、民勤盆地的方解石、白云石飽和指數(shù)變化狀況可以看出:武威盆地南部山前補給區(qū)方解石飽和指數(shù)說明在此區(qū)域方解石處于不飽和狀態(tài),方解石不斷溶解,輸入地下水,此區(qū)為方解石溶解區(qū)。武威盆地中北部146沉積學(xué)報第16卷方解石飽和指數(shù)大部分在1.01.2之間,方解石已處于飽和狀態(tài),不再溶解,此區(qū)為方解石飽和區(qū)。由于紅崖山水庫向地下水的滲透作用

10、,在紅崖山水庫附近形成了一方解石不飽和區(qū)。民勤盆地除個別小區(qū)外方解石飽和指數(shù)均在1.2以上,處于過飽和狀態(tài)。因該區(qū)位于石羊河流域的下游,地下水已經(jīng)過了充分的水巖作用。飽和了方解石等常見礦物。另外該區(qū)的強烈蒸發(fā)濃縮作用也使方解石飽和指數(shù)上升達到過飽和狀態(tài)。白云石與方解石相似,且規(guī)律性比方解石強。3.2利用飽和指數(shù)判斷地下水的成因從方解石飽和指數(shù)季節(jié)變化圖(圖2和白云石飽和指數(shù)季節(jié)變化圖(圖3可以發(fā)現(xiàn) :圖2方解石飽和指數(shù)季節(jié)變化圖Fig.2Seasonal ch ang es of calcite saturaion in dex四月份武威盆地的大部分井點,四月、八月份民勤盆地全部井點方解石和白

11、云石同時達到了過飽和狀態(tài),可以認為是由蒸發(fā)濃縮作用造成的。因為方解石與白云石在沉積地層中是普遍存在的,它們與地下水作用的化學(xué)反應(yīng)方程式如下:CaCO 3Ca 2+CO 2-3M gCa(CO 32M g 2+Ca 2+2CO 2-3由于它們?nèi)芙膺^程中都產(chǎn)生Ca 2+,這兩種礦物的溶解是相互制約的,如果一種礦物達到過飽和(在通常情況下是可能的,由于同離子效應(yīng),另一種礦物在沒有外界因素作用的條件下,幾乎不可能達到過飽和,即兩種礦物不能同時達到過飽和。筆者認為能使兩種礦物同時達到飽和的外界因素有兩種 :圖3白云石飽和指數(shù)季節(jié)變化圖Fig .3Seas on al chan ges of dolomi

12、tes s aturation in dex(1石膏的溶解石膏溶解的方程式如下:CaSO 4Ca 2+SO 42-石膏在溶解過程中會產(chǎn)生Ca 2+,如果足量的石膏在水中溶解,就有可能使方解石和白云石同時達到飽和。但石膏或硬石膏自然界不多,在水中很少超過微量的程度。在很多淺層帶內(nèi),這些礦物就從未存在過,或者即便存在,也被前期地下水流動所帶走2。因此這種因素影響一般不占主導(dǎo)地位。(2蒸發(fā)濃縮作用地下水在蒸發(fā)濃縮作用下,其組分的濃度將急劇上升,從而使水中各礦物達到熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)k k 過飽和。由于干旱、半干旱地區(qū)蒸發(fā)強度大,特別是埋深淺的地下水,這種因素普遍存在。武威盆地和民勤盆地的蒸發(fā)量均大于降

13、雨量,尤其是冬季和春季干旱嚴重3,這種現(xiàn)象主要是由蒸發(fā)濃縮作用引起的。3.3根據(jù)模擬結(jié)果分析地下水水質(zhì)變化趨勢通過對該流域沙漠邊緣一水井多年數(shù)據(jù)的模擬分析不難發(fā)現(xiàn)以下趨勢:礦化度基本逐年增高,SO 4/HCO 3比值逐年上升,方解石白云石飽和指數(shù)逐年下降(圖4,pH 值逐年下降。筆者認為引起上述變化的原因可由下列化學(xué)方程式表示:147第2期史基安等:石羊河流域地下水化學(xué)環(huán)境演化特征研究 圖4TDS -S I CaCO 3-SI M gCa (CO 32-S O 2-4/HCO -3對比圖Fig.4Corr elation among T DS -SI 、CaC O 3-S IM gCa(C O

14、 32-S O 2-4/HC O -3Ca 2+CO 2-3CaCO 3(1HCO -3H +CO 2-3(2隨著反應(yīng)1的進行,Ca 2+濃度及CO 2-3濃度下降使方解石白云石的飽和指數(shù)降低,CO 2-3濃度的降低使反應(yīng)2向右進行釋放H +,地下水的酸性增強,pH 值下降,SO 2-4/HCO -3比值上升。4幾點認識(1石羊河流域地下水化學(xué)類型表現(xiàn)出完整的分帶性,在流域上游山區(qū)裂隙水及山前礫石帶為重碳酸鹽帶,流域中游的山前沖洪積湖積平原為硫酸鹽帶,流域下游的荒漠區(qū)及積鹽洼地為氯化物帶。(2石羊河流域上游(武威盆地和下游(民勤盆地的地下水在四月份(旱季時其中的方解石和白云石都達到過飽和狀態(tài)。

15、在八月份(雨季武威盆地地下水中方解石和白云石飽和指數(shù)均顯著降低,未達到飽和狀態(tài),而這時民勤盆地地下水中的方解石和白云石飽和指數(shù)不但沒有降低,反而明顯增高,均處于過飽和狀態(tài),由于該區(qū)即使在雨季降雨量也非常有限,而蒸發(fā)作用則更加強烈?？梢?石羊河流域地下水化學(xué)環(huán)境受蒸發(fā)濃縮作用的強烈影響,生態(tài)環(huán)境十分脆弱。(3近十年來石羊河流域地下水的過度開采,使下游地區(qū)(特別是沙漠邊緣地帶地下水化學(xué)類型由重碳酸鹽型向硫酸鹽型甚至向氯化物型演化,礦化度顯著增高,地下水水質(zhì)惡化趨勢明顯。參考文獻1郭永海,沈照里.河北平原地下水環(huán)境演化的地球化學(xué)模擬,中國科學(xué)D 輯,27(4:1997.3603651987.1781

16、803陳昌毓.甘肅干旱半干旱地區(qū)降水特征及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響.干旱區(qū)資源與環(huán)境,1995,9(1,2532Study on the Evolution Characteristics of GroundwaterChemistry Environment in the Shiyang River Basin Shi Ji'an Zhao Xingdong Wang Qi ShiYuxin Li Chuny uan(LanZhou I nstitute of Geology ,Chinese Academy of Sciences ,Lan zhou 730000AbstractBase

17、d o n the sy stematic study on the gro undw ater chem istry typer and their evolutio nal characteris-tics in the Shiyang river basin ,the author hasthe ev olution m echanism of chemical environment o f the gr oundw ater in the Shiyang river basin by the saturation index (SIobtained thro ug h chemica

18、l simula-tio n pro gram.So me cognitio ns are r eached as follow s:1.Gr oundwater chemistry ty pes o f the Shiyang river basin show the complete zonation ,i .e ,bicar -bo nate zone is m ainly distributed in the mountainous fissure w ater in the upper r each and mo untain front gr av el area;sulfate zone is in the m ountain front alluvial and fluvial plain in the middle r each;and chlo -r