唐山沿海地區(qū)地下水化學特征及演化趨勢分析

1、.精品論文，值得推薦唐山沿海地區(qū)地下水化學特征及演化趨勢分析 摘要：在廣泛收集唐山沿海地區(qū)地表水、淺層地下水和深層地下水水化學分析資料的基礎上，研究了區(qū)內地下水化學類型分布規(guī)律、水化學形成的主要作用和演化趨勢。結果表明：唐山沿海地區(qū)地下水化學類型具有一定的水平分帶規(guī)律性。由于區(qū)內地下水持續(xù)大量開采，造成區(qū)內淺層地下水咸化和深層地下水硬度增大。同時，對區(qū)內深層地下水進行反向水文地球化學反應路徑模擬，模擬結果表明: 在模擬水流路徑上，深層地下水主要發(fā)生方解石、白云石、巖鹽、螢石溶解反應和石膏沉淀反應，同時伴隨著陽離子交換作用，使得Na+和Cl-含量明顯增加，Ca2+和SO42-含量減少，水化學類型

2、將由HCO3-Na型向HCO3·Cl-Na型轉變。 關鍵詞：水化學；主離子；地球化學模擬 Analysis of Water Chemistry Characteristics and Evolution Trends of Groundwater in Tangshan Costal Areas TIAN Xi-zhao1,2，SHAN Qiang2，SONG Li-zhen2 (1.HebEi Institute of Environmental Geology Exploration，Shijiazhuang 050021，China; 2.College of Environ

3、mental Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China) Abstract: On the basis of water chemistry data of surface water,shallow and deep groundwater in Tangshan costal areas,the paper discussed the distribution of water chemistry types,the main causes of water chemistry a

4、nd its evolution trends.The results showed that the water chemistry types in Tangshan costal areas presented some horizontal zoning regularity.The continuous and excessive exploitation of groundwater in this area caused the salinization of shallow groundwater and the increase in hardness of deep gro

5、undwater.Besides,results from an inverse hydrologic geochemistry reaction-path modeling of the deep groundwater in this area indicated that the deep groundwater mainly experienced the processes including the dissolution of calcites,dolomites,halites and fluorites,the precipitation of gypsums,and the

6、 cation exchange,during which the concentrations of Na+ and Cl- increased while those of Ca2+ and SO2-4 decreased and the water chemistry type turned from HCO3-Na to HCO3·Cl-Na. Key words: water chemistry;major ion;geochemistry modeling 唐山沿海地區(qū)主要包括樂亭縣、灤南縣、豐南區(qū)、唐?？h的一部分區(qū)域。在區(qū)內大規(guī)模區(qū)域開發(fā)的背景下，對水資源的需求量越來越

7、大。持續(xù)大量的開采地下水，將可能造成一系列的環(huán)境地質問題。對于地面沉降、海（咸）水入侵、濕地退化等環(huán)境地質問題的研究已經比較深入，而對于地下水化學特征變化的研究還相對滯后?；诖耍疚脑谏钊敕治鎏粕窖睾５貐^(qū)地下水水化學特征的分布規(guī)律的基礎上，對地下水化學特征的形成及演化過程和趨勢進行定量的研究。 1 研究區(qū)水文地質概況 1.1 區(qū)域水文地質分區(qū) 根據成因類型，唐山市平原區(qū)劃分為山前沖洪積傾斜平原和濱海平原兩大水文地質區(qū)1。沖洪積傾斜平原水文地質區(qū)分布于平原區(qū)北部，由規(guī)模大小不等的沖洪積扇組成。濱海平原水文地質區(qū)主要為河流沖積及海湖積而形成，分布于平原區(qū)南部，是本文的主要研究對象。該區(qū)內含水層顆

8、粒較細，一般由細砂或粉砂組成。在垂直方向上，由于咸水體的存在，在地下具有雙層結構或三層結構1。 1.2 區(qū)域含水組的劃分 唐山市第四系含水層可劃分為4個含水組，即、含水組，分別相當于Q4、Q3、Q2和Q1的地層2。按水文地質條件和目前開采現狀，將這4個含水組概化為淺層地下水和深層地下水（表1）。區(qū)內主要開采層集中分布在第含水組和第含水組，大部分開采井深度為200300 m，利用深層淡水。 1.3 地下水的補給、徑流和排泄 唐山沿海地區(qū)淺層地下水主要接受大氣降水、地表水體入滲和地下水的側向徑流補給。淺層淡水，主要消耗于人工開采及蒸發(fā)和以越流的方式補給深層地下水；淺層咸水的主要排泄方式為潛水蒸發(fā)及

9、越流補給深層地下水。2009年區(qū)內地下水位動態(tài)監(jiān)測資料顯示，唐山市沿海地區(qū)淺層地下水水位埋深為012 m，總體分布規(guī)律為北部水位埋深較大，南部水位埋深較小，地下水自南向北流動。 JP+3深層地下水的主要補給來源為地下水側向徑流及上覆含水層的越流補給，主要消耗于人工開采1。2009年區(qū)內地下水位動態(tài)監(jiān)測資料顯示，深層地下水水位埋深為2070 m，總體分布規(guī)律為北部水位埋深較小，南部地下水集中開采水位埋深較大，并形成了區(qū)域地下水位降落漏斗。 2 研究區(qū)水化學特征 2.1 淺層地下水化學平面分布特征 唐山沿海地區(qū)淺層地下水水化學類型具有一定的水平分帶規(guī)律性，自北向南總體變化為HCO3-CaHCO3-

10、Ca·MgHCO3·SO4-Na·Mg·CaCl·HCO3-NaCl-Na，見圖1。礦化度由山前平原<0.5 g/L到濱海平原>5 g/L，濱海一帶>10 g/L，最高達30 g/L左右。 2.2 深層地下水化學平面分布特征 深層地下水水化學類型分帶規(guī)律明顯，山前平原地下水徑流條件較好，循環(huán)交換強烈，礦化度一般<0.5 g/L；至濱海平原顆粒變細，徑流條件變差，礦化度<1 g/L。區(qū)內深層地下水水化學類型自北向南總體變化趨勢為:HCO3-Ca·MgHCO3-Na&#

11、183;CaHCO3-Ca·Na HC3-Na，見圖1。 2.3 淺層地下水水質動態(tài)特征 根據多年地下水化學資料分析，唐山沿海地區(qū)淺層地下水礦化度、總硬度和主要離子成分變化十分劇烈，升降互現，其中總體趨勢為淺層地下水的咸化。以區(qū)內柏15孔為代表，見圖2。其礦化度由1981年的3 105 mg/L增長到1997年的7 634.8 mg/L，但礦化度并不是單一的直線上升，而是在起伏中呈現上升的趨勢。陰離子以氯離子上升為主，陽離子則以鉀、鈉離子上升為主3。 2.4 淺層地下水水質動態(tài)特征 唐山沿海地區(qū)分布有大面積的淺層咸水，淺層淡水資源較匱乏，多年來一直以開采深層地下水為主。據20世紀70

12、年代的水化學資料，區(qū)內大部分地區(qū)地下水陰離子以重碳酸根離子和氯離子為主，局部存在硫酸根離子和氯離子為主的地下水,陽離子以鈉離子為主2。以區(qū)內柏14孔為代表，見 總體來看，區(qū)內深層地下水礦化度、總硬度和主要離子含量有一定波動變化，變化幅度較小，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。但近年來，由于對深層地下水的不合理開采，導致礦化度和硬度呈上升趨勢。 3 地下水化學特征的成因分析 3.1 主要離子成分 表2為唐山沿海地區(qū)不同代表性水樣主要離子含量統(tǒng)計情況。從表2可以發(fā)現，區(qū)內地表水、淺層地下水和深層地下水存在迥異的水化學組成和離子比值特征，表明三者具有不同的地下水化學成因，且相互之間的水力聯系較差。 3.2 水化學吉

13、布斯分布模式 對于離子起源的自然影響因素，吉布斯（Gibbs,1970）根據世界河流、湖泊及主要海洋水TDS與Na+/(Na+Ca2+)、TDS與Cl-/(Cl-+HCO3-)關系圖能夠確定天然水化學成分的3 個主要來源：大氣降水作用、風化作用、蒸發(fā)-結晶作用4。將唐山沿海地區(qū)地表水（河水）、淺層地下水和深層地下水的水化學數據投到Gibbs圖上，見圖4。 從圖4可以看出，地表水和淺層地下水點在圖中的分布較為一致，均位于右上方的蒸發(fā)-結晶沉淀作用區(qū)，遠離大氣降水作用區(qū)，顯示地表水和淺層地下水的化學組分主要受蒸發(fā)控制。深層地下水在圖中的分布具有較大差異，在TDS與Cl-/(Cl-+HCO3-)關系

14、圖中，深層地下水位于巖石風化作用區(qū)，顯示深層地下水化學組分主要受含水層鹽分控制；而在TDSHJ1.6mm與Na+/(Na+Ca2+)關系圖中，深層地下水則主要位于大氣降水作用區(qū)和蒸發(fā)-結晶沉降作用區(qū)之間，表示其受到兩種因素的綜合作用。 3.3 離子組合比 從唐山沿海地區(qū)水樣的Ca2+/Na+與Mg2+/Na+、Ca2+/Na+與HCO3-/Na+的關系及其與硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖的Ca2+/Na+與Mg2+/Na+、Ca2+/Na+與HCO3-/Na+的關系可以看出5，該區(qū)地表水、淺層和深層地下水中化學組分主要來源于Ca2+/Na+、Mg2+/Na+、HCO3-/Na+比值均較低的蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽

15、巖的風化，見圖5。根據2009年12月份曹妃甸地區(qū)含水層易溶鹽的分析報告，含水層易溶鹽Ca2+/Na+介于0.017031、Mg2+/Na+介于0.010.21、HCO3-/Na+介于0.010.886。JP+2與全球蒸發(fā)鹽巖平均特征比值相比，本地區(qū)含水層易溶鹽的特征比值明顯偏小，這也從側面證明該區(qū)水化學組分主要來源于含水層易溶鹽和硅酸鹽巖的溶解。 3.4 水化學特征的成因分析 從圖6(SO42-+Cl-)與HCO3-的關系圖上可以發(fā)現，唐山沿海地區(qū)地表水和淺層地下水水樣點位于11線以下，(SO42-+Cl-)遠高于HCO3-，表明地表水和淺層地下水的水化學組分主要來源于蒸發(fā)鹽巖溶解。深層地下

16、水水樣點則多位于11線的上方，表明深層地下水水化學組分主要起源于碳酸鹽的溶解6-7。 地下水中的HCO3-、Ca2+和Mg2+很可能來自含鈣、鎂的硫酸鹽或碳酸鹽礦物的溶解，因此，通常選用(Ca2+Mg2+)/(HCO3-+SO42-)比例系數的方法來確定這幾種離子來源7-8。唐山沿海地區(qū)深層水的(Ca2+Mg2+)/(HCO3-+SO42-)平均值為0.32，(Ca2+Mg2+)遠小于(HCO3-+SO42-)，表明硅酸鹽或硫酸鹽礦物溶解對深層地下水化學組分有較大的控制作用；局部地區(qū)地下水化學組分也受到碳酸鹽的影響7。 4深層水反向水文地球化學反應路徑模擬 4.1 典型剖面選取 反向水文地球化

17、學模擬要求反應路徑的起止點位于同一水流路徑上9。典型模擬剖面的選取根據研究區(qū)2009年的深層水等水位線，選擇大致處于同一條流線上的水化學資料豐富的A-B作為模擬路徑，見圖7。典型剖面上選擇水質資料較全、時間序列連續(xù)性較好的井孔的水樣作為初、末刻水樣，研究深層水流經這些井孔時所發(fā)生的水-巖相互作用，見表3。 4.2 約束條件、相態(tài)、參數確定 由地下水化學特征分析可知唐山沿海地區(qū)深層地下水化學演化主要受碳酸鹽、含鈣、鎂的硫酸鹽、硅酸鹽的溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用的共同影響。碳酸鹽、含鈣、鎂的硫酸鹽、硅酸鹽類礦物是該區(qū)地下水化學組分的主要來源，且部分水中含有一定量的F。把方解石、白云石、石膏、鹽巖、螢石

18、和陽離子交換作為進行反向水文地球化學模擬的“可能礦物相”。約束變量是質量平衡反應模型中考慮的元素。根據研究區(qū)水化學測定結果，考慮到各化學組分來源的多元性，最終選擇了K、Na、Ca、C、F、Si6種元素作為約束變量。由于所 模擬路徑位于第三含水巖組，可以將所模擬系統(tǒng)近似看作封閉系統(tǒng)，忽略CO2分壓的影響。 4.3 模型建立與模擬 由于礦物相的選取往往要多于元素的數目,因而就造成了模型的多解性10。一般情況下,為選取最恰當的解需要遵循以下原則:符合熱力學原理；符合化學原理,例如某些礦物（長石類、云母等）的水解反應是不全等溶解反應,是不可逆的反應11；符合水文地質條件,例如蒸發(fā)和稀釋條件、陽離子交換條件以及氧化還原條件等；模擬結果的數量級要適合。利用Phreeqc軟件對水樣點A-B過程中所發(fā)生的水文地球化學作用進行模擬 4.4 模擬結果分析 注：表中正值表示該礦物相發(fā)生溶解作用，進入地下水；負號表示該礦物相在地下水中沉淀，離開地下水，單位為mol/L·H2O；“”表示該礦物相未參加反應。 從模擬結果來看，滿足化學組分質量平衡的反應模型共有6個，這些模型均符合熱力學規(guī)律和溶解平衡規(guī)律。模擬水流路徑上的反應模式可概括為： A點水樣+方解石+白云石+石膏+巖鹽+螢石+Ca2+交換量+Mg2+交換量B點水樣+石膏 在模擬水流路徑上，主要發(fā)生