董志塬地區(qū)第四系地下水系統(tǒng)的水化學(xué)與同位素研究

董志塬地區(qū)第四系地下水系統(tǒng)的水化學(xué)與同位素研究

青藏高原是中國(guó)的典型地形之一，它承擔(dān)著中國(guó)的重要能源供應(yīng)。內(nèi)蒙古的鄂爾多斯煤炭和甘肅的長(zhǎng)清油田是中國(guó)最重要的能源基地。董志塬位于陜甘寧三省交匯處,是隴東黃土高原的重要組成部分,是我國(guó)保存面比較完整、面積最大的一個(gè)塬面,堪稱(chēng)世界上最大的黃土塬,總面積為812km2。該區(qū)生態(tài)植被脆弱、人口密度較大、近百年來(lái)土地利用變化也十分顯著、水土流失情況嚴(yán)重［1-2］。長(zhǎng)期以來(lái)由于降水量偏低,地下水一直是該區(qū)重要的水資源供給體。人工開(kāi)采是該區(qū)第四系潛水的一種重要排泄方式,由于黃土的雙重孔隙介質(zhì)特征,孔隙以貯水為主,給水度小,裂隙以導(dǎo)水為主,給水度大,在開(kāi)采條件下水流速度加快,細(xì)粒物質(zhì)進(jìn)一步從裂隙中被帶出,地下水流通道被疏通,抽水影響半徑隨之?dāng)U大,單井涌水量逐漸增大。近些年來(lái),隨著人口增加和工農(nóng)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大,塬區(qū)地下水開(kāi)采日趨強(qiáng)烈,在過(guò)去的40a中,塬區(qū)年需水量已由20世紀(jì)70年代初的幾百萬(wàn)方增加到2000年的5995×104m3,其中地下水開(kāi)采量占到51%,大規(guī)模的開(kāi)采引起地下水位不斷下降,使得地下水面臨嚴(yán)重資源短缺問(wèn)題［3］。近年來(lái),利用水化學(xué)與同位素技術(shù)研究地下水取的了很好的成果,尤其是在干旱-半干旱地區(qū)［4］,例如,張清寰等就通過(guò)水文地球化學(xué)模擬識(shí)別了金塔盆地地下水水化學(xué)形成特征及演化規(guī)律［5］;鄂爾多斯盆地地下水中的δ18O和14C資料揭示了當(dāng)?shù)氐叵滤难a(bǔ)給過(guò)程受氣候變化影響呈現(xiàn)非等速補(bǔ)給特征［6］;另外,同位素混合比法還可以很好的確定地下水變化環(huán)境下植被對(duì)地下水的依賴(lài)程度［7］。對(duì)地下水演化特征和補(bǔ)給環(huán)境的深入認(rèn)識(shí)不僅是水文地質(zhì)學(xué)重要的研究?jī)?nèi)容,也是對(duì)地區(qū)水資源正確評(píng)估的科學(xué)依據(jù)。因此,本文擬采用水化學(xué)指標(biāo)和同位素技術(shù)對(duì)董志塬第四系地下水進(jìn)行研究,以揭示其補(bǔ)給機(jī)理與溶質(zhì)演化過(guò)程,為當(dāng)?shù)刂贫ê侠淼乃Y源保護(hù)措施提供一定的理論依據(jù)［8］。1研究領(lǐng)域的總結(jié)1.1河流水系及流域董志塬地處涇河北岸,介于馬蓮河和蒲河兩大河流之間,行政區(qū)域包括甘肅慶陽(yáng)的慶城縣、合水縣、寧縣的一部分和西峰區(qū)的全部。馬蓮河是董志塬東側(cè)的邊界河流,發(fā)源于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣的麻黃山,從環(huán)縣甜水鎮(zhèn)流入慶陽(yáng)市,流經(jīng)地區(qū)有環(huán)縣、慶城、西峰、合水、寧縣等,并從寧縣政平匯入涇河。馬蓮河全長(zhǎng)374.8km,集水面積19086km2,慶陽(yáng)市境內(nèi)的河長(zhǎng)331.8km,集水面積16920km2。蒲河是董志塬西側(cè)的邊界河流,發(fā)源于環(huán)縣的廟兒掌,由西北向東南流經(jīng)環(huán)縣、鎮(zhèn)原縣、西峰區(qū),在寧縣宋家坡村匯入涇河。蒲河全長(zhǎng)175km,流域面積7443km2,在慶陽(yáng)市境內(nèi)流域面積為4641km2［9］。董志塬深居內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,處于半濕潤(rùn)和半干旱區(qū)的過(guò)渡地帶,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,多年平均降水量536.2mm,多年平均水面蒸發(fā)量1613.1mm,多年平均氣溫8.6℃［10］。1.2地下地下水水岸結(jié)構(gòu)董志塬位于隴東盆地中部,屬于鄂爾多斯地臺(tái)向斜的一部分,是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、未經(jīng)褶皺變動(dòng)的前震旦紀(jì)陸臺(tái),中生代才發(fā)展成大型內(nèi)陸盆地。自早更新世至全新世的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng),總趨勢(shì)為間歇性大面積抬升,第四紀(jì)以來(lái)本區(qū)地面高程普遍達(dá)1000m以上。其中六盤(pán)山為第四紀(jì)抬升中心,抬升幅度每年20mm左右。北部白于山一帶,抬升強(qiáng)度也較大,平均每年3mm［7］。地貌類(lèi)型屬于剝蝕堆積地貌,塬面地勢(shì)平坦,呈北向南傾斜,坡度7‰~10‰,塬面中間高,四周低,塬面海拔在1200~1500m,塬面四周被溝谷切割深達(dá)200m。董志塬自成一個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元,深厚的黃土層是一種非均質(zhì)、各向異性的孔隙裂隙含水層,垂直節(jié)理發(fā)育,潛水主要由地面接受大氣降水的垂直入滲補(bǔ)給,承壓水屬于鄂爾多斯盆地中的白堊系承壓水。潛水層存在雙重孔隙介質(zhì),潛水賦存空間有孔隙、裂隙和孔洞三種形式,以孔隙為主,黃土粒度主要是粉粒級(jí)別。黃土顆粒間微孔隙發(fā)育,其次是裂隙,前者是黃土潛水聚集的主要場(chǎng)所。研究表明,黃土中喀斯特溶洞發(fā)育,比如較大的泉是在黃土裂隙發(fā)育形成的空洞中涌出,并且某些黃土孔段漏水甚至漏漿現(xiàn)象嚴(yán)重［1］。研究區(qū)第四系含水層為中更新統(tǒng)離石黃土,下伏下更新統(tǒng)午城黃土,相對(duì)不透水層是該貯水構(gòu)造的隔水層。地下水水位埋深變化大,一般在塬心埋深較小,最淺處18~20m,向塬邊則逐漸加大,塬邊處地下水埋深達(dá)60~85m;同時(shí)與塬面寬度有關(guān),塬面寬,則埋深小,塬面窄,則埋深大。含水層厚度與埋藏深度相反,塬心厚,一般為50~85m,塬邊薄,多在10m以下。第四系地層厚度大,分布廣,層位穩(wěn)定,巖性均一,下伏白堊系砂頁(yè)巖,產(chǎn)狀近水平。下更新統(tǒng)午城黃土厚約40~60m,出露于塬體四周的侵蝕溝谷,堅(jiān)硬致密,透水性差,厚度大,不存在由下往上越流補(bǔ)給,可視為相對(duì)不透水層。其上覆中更新統(tǒng)離石黃土,厚度120~150m,在谷坡、溝頭及溝壁普遍出露,成分均一,較松散,具有大孔隙及垂直節(jié)理,含水性好。中更新統(tǒng)離石黃土上覆為上更新統(tǒng)馬蘭黃土,厚約10m,分布于塬面部分,成分均一,具有大孔隙垂直節(jié)理,有利于降水入滲。大氣降水是該區(qū)地下潛水的唯一補(bǔ)給源(圖1)。董志塬第四系地下水埋藏深,遠(yuǎn)大于黃土層潛水蒸發(fā)的極限深度,排除了水在塬面向上蒸發(fā)排泄的可能性［12］。2hco3-測(cè)試在查閱研究區(qū)水文地質(zhì)、氣象資料的同時(shí),在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,于2010年3月在董志塬及周邊地區(qū)采集樣品40個(gè),其中地表水和降水各1個(gè),其余為地下水樣品,采樣井以當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)、農(nóng)村居民供水井為主,還有部分灌溉機(jī)井,井深介于100~200m之間。采樣點(diǎn)位置如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)分別記錄井深、經(jīng)緯度、地下水位埋深、溫度、pH、總?cè)芙夤腆w(TDS)、電導(dǎo)率(SEC)等參數(shù),同時(shí)采用數(shù)字滴定儀對(duì)HCO3-進(jìn)行測(cè)試。樣品送于蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定,主要離子Na+、K+、Mg2+、Ca2+、F-、Cl-、NO3-、SO42-的測(cè)試采用離子色譜進(jìn)行測(cè)試,所有樣品電荷平衡檢驗(yàn)誤差小于±5%。氫氧穩(wěn)定同位素用液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀(DLT-100)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(VSMOW)的千分差表示,測(cè)試誤差δ18O<0.8‰,δ2H<1‰。地下水中礦物飽和指數(shù)是判斷礦物發(fā)生的溶解或沉淀反應(yīng)的指標(biāo),目前世界上各國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)了多個(gè)計(jì)算飽和指數(shù)的軟件,PHREEQC軟件是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開(kāi)發(fā)的水文地球化學(xué)模擬軟件,可以在運(yùn)算中直接得到地下水中主要礦物的飽和指數(shù),指示含水層中礦物與水所處狀態(tài),反應(yīng)地下水成分的變化趨勢(shì)。計(jì)算過(guò)程中可以使水溶液中各組分的化學(xué)形態(tài)及含量分布定量化,客觀(guān)反映溶液中各組分的存在形式,為進(jìn)一步模擬運(yùn)算提供中間數(shù)據(jù),計(jì)算結(jié)果也可為模擬的參數(shù)調(diào)整和模型選擇提供依據(jù)。飽和指數(shù)以SI表示,表達(dá)式為:式中:IAP為離子活度積,K為平衡常數(shù)。SI>0,表示礦物飽和,發(fā)生沉淀反應(yīng);SI=0,礦物達(dá)到溶解平衡;SI<0,礦物未飽和,發(fā)生溶解反應(yīng)［9］。本文將運(yùn)用該軟件計(jì)算礦物飽和指數(shù)。3結(jié)果與討論3.1地表水和地下水資源量tds降水、地表水和地下水的基本水化學(xué)特征見(jiàn)表1。降水的所有離子濃度都小于10mg/L,其中Na+、K+、Mg2+、NO3-的濃度都在1mg/L以下,礦化度也很小,僅為25.2mg/l,Ca2+、SO42-、HCO3-含量較高。地表水離子濃度比降水高上百倍,TDS也顯著增加,為1533mg/L。地下水的TDS都在270mg/L以下,是很好的淡水資源。地表水系沿溝谷排泄,在塬邊接受地下水補(bǔ)給［14］。從水化學(xué)類(lèi)型上來(lái)看,降水的水化學(xué)類(lèi)型為SO42--Ca2+型(圖3)。地表水中陰離子無(wú)明顯特征,陽(yáng)離子表現(xiàn)出以Na+為主的特征。地下水中陽(yáng)離子主要以Ca2+為主,Na+和K+次之,陰離子以HCO3-為主,水化學(xué)類(lèi)型從HCO3--Ca2+型過(guò)渡為HCO3--Ca2+-Na+型水,總體而言,塬區(qū)第四系潛水沒(méi)有明顯的化學(xué)分帶。3.2u3000地下水化學(xué)演化過(guò)程中a水化學(xué)中的離子濃度比,是指某個(gè)離子與另一離子濃度之比,各離子含量可用mmol/L或meq/L表示。離子濃度比可以用來(lái)指示地下水徑流路徑中發(fā)生的水巖相互作用、地下水接受再補(bǔ)給程度以及海水混合效應(yīng)等水文地球化學(xué)過(guò)程［15］。mK/Na都小于1,平均值為0.014,小于降水中的值(0.58),這可能是由于在地下水演化過(guò)程中,更多的K被植物選擇吸收,致使鉀的含量降低;另一方面均含水層中有更多的鈉鹽進(jìn)入水中,如鈉長(zhǎng)石的溶解［16］。mNa/Cl值介于4.54~46.07,均值為13.57,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水中的該比值(Na/Cl=1),也說(shuō)明了地下水中Na+有別的來(lái)源隨Cl-含量升高,mNa/Cl有減小趨勢(shì),說(shuō)明在礦化度逐漸增加過(guò)程中水中的Na+通過(guò)陽(yáng)離子交換進(jìn)入巖石,同時(shí)Ca2+進(jìn)入水中。Ca2++Mg2+與HCO-3+SO2-4關(guān)系圖所有點(diǎn)都位于1∶1線(xiàn)下方,即HCO-3和SO2-4的含量大于Ca2+和Mg2+含量,說(shuō)明地下水中的Ca2+、Mg2+、HCO-3和SO2-4不是完全來(lái)源于方解石、白云石和石膏的溶解,只有Na+可以平衡過(guò)量的HCO-3、SO2-4,考慮到研究區(qū)水文地質(zhì)狀況,可能是有芒硝溶解進(jìn)入水體。樣點(diǎn)的Na+-Cl-和SO2-4-(Ca2++Mg2+)關(guān)系近似線(xiàn)性,趨勢(shì)線(xiàn)方程為y=0.7159x-3.3435,進(jìn)一步證明了芒硝在研究區(qū)地下水化學(xué)演化過(guò)程中的重要性。天然水中SO42-來(lái)源于含石膏沉積巖,自然硫和硫化物的氧化作用,以及火山噴發(fā)的硫化物［14］。SO42-容易與金屬離子形成難溶鹽,但當(dāng)水中硫酸鹽未飽和時(shí),硫酸鹽類(lèi)礦物發(fā)生溶解,使水中SO42-及相應(yīng)的陽(yáng)離子增加(圖6)。Na+主要以硅鋁酸鹽形式存在,而不是以硫酸鹽或碳酸鹽形式存在,前者可溶性低［15］。地下水成分與其流經(jīng)的巖石成分有密切關(guān)系,黃土中含量較高的CaO導(dǎo)致地下水中富集Ca2+［20］。Na+與Ca2+的濃度變化有一定相關(guān)性,趨勢(shì)線(xiàn)方程為y=-1.73x+3.23,斜率接近-2,可能有陽(yáng)離子交換反應(yīng),即含水層中一個(gè)Ca2+置換水中2個(gè)Na+,使溶液中Na+含量減少。圖7顯示地下水中方解石、白云石和石膏的飽和指數(shù)隨SO42-濃度變化。石膏不飽和,發(fā)生溶解反應(yīng)導(dǎo)致Ca2+濃度增加,促進(jìn)了方解石沉淀。在方解石飽和指數(shù)圖中,除點(diǎn)15的SO42-異常高、點(diǎn)1和2的飽和指數(shù)小于0外,其余樣點(diǎn)飽和指數(shù)大于0,說(shuō)明方解石基本飽和。CaCO3發(fā)生沉淀,使地下水中Ca2+、HCO3-濃度減小,而HCO3-濃度減小促使白云石溶解,這一系列變化是同離子效應(yīng)機(jī)理。此外,SO42-濃度與三者飽和指數(shù)有一定正相關(guān),說(shuō)明地下水中發(fā)生同離子效應(yīng)的水巖反應(yīng)。石膏不飽和,結(jié)合前面離子關(guān)系分析,可知地下水流經(jīng)含水層中有石膏礦物,但碳酸鹽和硅酸鹽礦物相對(duì)更多。3.3降水同位素的月平均擬合方程大氣降水是水循環(huán)中重要的輸入因子,降水中穩(wěn)定氫氧同位素比率δD和δ18O的時(shí)空變化對(duì)探討降水水汽來(lái)源及水汽源地的氣候條件有重要意義。水汽在遠(yuǎn)距離輸送過(guò)程中,重同位素在降水中先分離,剩余水汽中重同位素(D和18O)逐漸貧化,降水中D和18O逐漸減少。當(dāng)水汽最終到達(dá)目的地時(shí),降水形成的地表水或地下水貧重同位素。通過(guò)分析地下水與臨近地區(qū)大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系,可以定性分析降水對(duì)地下水補(bǔ)給過(guò)程。研究區(qū)地理位置靠近西安,根據(jù)GNIP數(shù)據(jù)庫(kù)在1985-2000年對(duì)西安降水中氫氧同位素的測(cè)定值進(jìn)行月平均擬合,得出擬合方程如下:降水同位素的多年平均值δ18O為-7.1‰,δ2H為-46.3‰。研究區(qū)地下水大部分在全球降水線(xiàn)下方,趨勢(shì)線(xiàn)方程為y=4.06x-31.076,R2=0.6598,斜率較低,說(shuō)明地下水經(jīng)歷了蒸發(fā)作用,這一過(guò)程與降水通過(guò)包氣帶下滲關(guān)系十分密切,可能是在土壤水分補(bǔ)給飽水帶之前經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的蒸發(fā)作用。與全球降水線(xiàn)及臨近地區(qū)西安降水線(xiàn)相比,地下水的斜率、截距參數(shù)均有降低,存在顯著的D和18O差異性分餾,D分餾較18O快,更多18O得到保留,這種差異性分餾是地下水中18O富集的主要機(jī)理［21］。地下水與降水的氫氧同位素值相差較大,后者明顯偏大,但是由于大氣降水的穩(wěn)定同位素具有十分顯著的年內(nèi)變化,因此,該樣品僅代表一次降水事件,相對(duì)而言,西安站多年降水平均值可以看做是當(dāng)?shù)亟邓妮斎胩卣髦?。研究區(qū)所有地下水樣品δ18O都小于-9‰,與西安站的特征值差別較大,說(shuō)明地下水中存在過(guò)去氣候環(huán)境下補(bǔ)給的成分［22］。此外,黃土塬區(qū)具有雙重孔隙介質(zhì)特征,可能是早期形成的優(yōu)先通道加速部分降水入滲,孔隙后來(lái)被填埋,形成個(gè)別點(diǎn)距位于大氣降水線(xiàn)上的特點(diǎn)。綜上,作者認(rèn)為地下水是古水和較早時(shí)期降水補(bǔ)給,Huang等人根據(jù)包氣帶厚度、土壤含水率及年均補(bǔ)給量估算在黃土高原地區(qū)降水入滲通過(guò)包氣帶的時(shí)間為66~255a,說(shuō)明降水對(duì)地下水的補(bǔ)給是滯后的,甚至是十分微弱的［23］。3.4模擬路徑及結(jié)果表2顯示部分樣點(diǎn)的飽和指數(shù)模擬結(jié)果,所有采樣點(diǎn)石膏都未飽和,石膏溶解使的Ca2+、SO42-有所增加。方解石除點(diǎn)1、2的飽和指數(shù)小于0外其他點(diǎn)都大于0,說(shuō)明CaCO3基本飽和,水巖相互作用達(dá)到平衡。除了樣點(diǎn)32、33、34的水中未測(cè)出F-外,其他點(diǎn)的CaF2飽和指數(shù)小于0,說(shuō)明有螢石溶解,使得水中Ca2+、F-濃度升高。巖鹽溶解導(dǎo)致Na+、Cl-隨水流路徑有所升高。采樣點(diǎn)1、2地下水中有方解石和白云石的溶解,說(shuō)明此時(shí)碳酸鹽因?yàn)闇魰r(shí)間短而未平衡［24］。隨水流路徑增加,水中Ca2+、CO32-濃度增大,方解石達(dá)到飽和。部分樣點(diǎn),如3、4、26、27和29白云石飽和指數(shù)小于0,說(shuō)明可能發(fā)生白云石的溶解,方解石和白云石的同離子效應(yīng)促進(jìn)了白云石溶解。采樣點(diǎn)11有白云石溶解,該點(diǎn)HCO3-和F-濃度相比其他點(diǎn)大,F-含量是最小值的7倍以上,水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Na型。大部分樣點(diǎn)中方解石和白云石飽和,可能是處于碳酸鹽平衡系統(tǒng)的地下水流入新環(huán)境中,由于缺少CO2或其他因素導(dǎo)致pH較高,方解石和白云石就此沉淀［22］。根據(jù)正向模擬得出地下水中溶解和沉淀的主要礦物,作為反向模擬考慮的礦物相［25］。雖然巖層中含石英、長(zhǎng)石、高嶺石、蒙脫石等礦物,但因?yàn)槲礈y(cè)試硅離子含量,不考慮這些硅酸鹽礦物相。CO2氣體會(huì)影響碳酸鹽溶解,將其作為可能礦物相考慮。綜上所述,選擇巖鹽、石膏、方解石、白云石、CO2氣體和螢石等作為可能礦物相,驗(yàn)證正向模擬結(jié)果。關(guān)于模擬路徑問(wèn)題,以采樣點(diǎn)的水位高程為準(zhǔn),假設(shè)水由水位高處向低處流,得出模擬路徑及結(jié)果如表3所示。沿路徑30-24-21-23,方解石發(fā)生溶解反應(yīng)且轉(zhuǎn)移量減小,CO2溶解且轉(zhuǎn)移量增大,白云石、石膏沉淀,螢石、巖鹽溶解。路徑23-14-1,方解石和CO2溶解,白云石溶解且