非含水层水质咸化的“井水咸化”现象分析

孙国春,卞学洛

(1.北京市地质勘察技术院,北京 102218;2.天津市东丽区地下水资源管理中心,天津 300300)

由于与上覆咸水相邻的第四系深层淡水咸化污染调查的复杂性,天津至今未立项开展专题研究。经长期调查分析,认为能使咸、淡水保持数十万年高浓度差的粘土隔层,虽未经高围压的作用,但由于碱化也具有半透膜特性。开采相邻含水层的地下水可使上覆咸水淡化越流,最终加快地表水的入渗。

东丽区大部分与咸水相邻第Ⅱ含水组井的水质恶化,并非含水层水质的变化所致,也基本未发现有咸水底界下移的趋势。为此在凿井时改进封井隔水方法[1],并改变对上覆大陆盐渍化咸水区电测曲线的判度,在包括部分原确定的咸化污染区内,大幅增加第Ⅱ含水组地下水的开采比例,多年水质基本未发生变化。由于开采Ⅱ组地下水引起地层变形比值最低,近五年东丽区年均地面沉降量要比其他环城三区少近 10.4 mm[2]。由于与前人的结论相左,为此,将多年调查资料进行整理分析,拟澄清井水咸化与含水层咸化污染的区分,希望能使地下水开发利用更为科学合理。

1 中更新世及以上地层地下水现状

东丽区 60m以浅地层系大约 0.13 Ma以来的晚更新世与全新世地层,为陆相与海相交互沉积,其下为洪泛平原与浅水湖泊沉积环境,并夹有不同厚度的沼泽相沉积物,由不同质地的粘性土分隔为不同化学类型、不同浓度的海侵及大陆盐渍化咸水层。含水层岩性以粉砂、粉细砂、细砂为主,受构造影响,咸水底界深在 40～180 m之间。咸水浓度垂向分布呈上、下部位低,中部高;或上部高,下部低,TDS在 2.1～26.7 g/L之间。京山铁路以北咸水 TDS偏高,为 ＞10g/L的盐水;京山铁路以南较低,TDS一般为 ＜10g/L的咸水;总硬度(CaCO3)为 670～6 168mg/L,均为极硬水(＞600 mg/L),以 Cl— Na型水为主 ,并有少量 Cl◦ SO4— Na◦ Mg、Cl◦ SO4—Na和 Cl—Na◦Mg型水。咸水层地板起伏较大,其静水位埋深由浅至深为 1.2～19m。

第Ⅱ含水组层底约在 150～210 m左右,大体相当约 0.78Ma以来的中更新世早期沉积,岩性以粉细砂、细砂为主。Ⅱ组地下水北部、东部的 TDS在 0.6～1.0 g/L之间,为淡水,以 HCO3—Na型水为主。中南、西南部受地热异常、断裂等地质构造的影响,TDS在 1.0～1.6 g/L,为微咸水。绝大多数为极软水,总硬度(CaCO3)＜75mg/L;在南、西南部分布有少量软水(＜150 mg/L);主要为 HCO3◦Cl—Na和 Cl◦HCO3—Na型水,静水位埋深 20～43m之间。

2 井水咸化分类

2.1 因淤积井深变浅水质恶化

由于多数Ⅱ组水井是多段含水层取水,各含水层水质均有差异,而且早期一些水井成井工艺差,含沙量偏高,淤积较快。

2003年在“华明新市镇”在约 1 km2范围内先后开凿第Ⅱ含水组水井四眼,对该组各含水层的水质、水位有了较详细的了解。在大量开采一段时间后个别水井深度发生变化,引起水质发生变化,(见表 1)。

表1 华明新市镇取水井深变后水质变化情况 mg/L

新立街东扬场村及四合庄村两眼取用Ⅱ组地下水的水井,均因掉泵造成水井淤积,覆盖了下部水质较优的取水段,使井水恶化。上、下部位取水层水质的差异可在图 1中两眼井自然电位(JDHZ)曲线电位差看出。近期在四合庄水井东约 300m和 800m处各开凿同组取水层水井,其水质与原井成井初期基本相同,(见表2 )。

图1 井水 TDS增高与水井取水段变化示意图

表2 因井深变化使Ⅱ组井水质变化部分井统计表

2.2 含水层供水比例变化引起水质变化

取用两个或以上含水层的水井,水位下降均是下部含水层水位降幅大,(见图 2),造成下部含水层的供水比例变小。如上部含水层水质差,则井水水质变劣;上部含水层水质较好,则井水水质变优。

华明新市镇4号水井开采一年后水质略有恶化,其原因为各取水段水位下降不同所至。表 1中155m井淤积后上部含水层的水位在 24m左右,而同深的 4号井两个取水段的水位在 28m(见表3 )。3号井 2006年 11月的水位,下部取水段的水位应降至 30 m以下。由于两个取水段水位下降不同,造成上部水质较差取水段的供水比例增加。使井水水质变差。

图2 小东庄镇不同深度地下水位动态曲线图

表3 华明新市镇水井不同水位、水质情况 mg/L

表3 中 5号井和 4号井的水质均劣于 3号井,从水井自然电位曲线显示 3号井 123～166 m含水层的水质优于 173～179 m含水层的水质。水位下降时下部含水层的水位下降幅度大,造成下部含水层的供水比例减少,水质则向好的方向变化。

表 4为欢坨村第Ⅱ含水组水井不同时期水位及水质情况。欢坨村第Ⅱ含水组水位是在 1976年 1月开始观测[4],推算 1974年 3月的水位在 5～6m。

表4 欢坨村Ⅱ组水井水位与水质变化 mg/L

位于塘沽的天津碱厂Ⅱ组水井在上世纪末静水位埋深超过 70m,因井水咸化停用。近几年水位上升至 30m左右,恶化的井水水质发生逆转。

2.3 上部咸水或微咸水进入水井的影响

众多录象资料显示,井管咸水段锈蚀破损处咸水进入井内(照片 1),及取用水质差异较大两个及以上取水段井,因水位差在滤管进水孔周围都附着有不同数量的沉淀物,透水性变差,如水质、温度差异较大可使滤管过水孔全部堵塞,(照片 2)。

照片 1 上覆地层中咸水经井管破损处进入井内

照片 2 滤水管进水孔被过饱和沉淀物堵塞

深层淡水的咸化污染过程中有数不清的可改变地下水系统中咸化污染物浓度的化学和物理化学等反应,但反应会受到多种因素的影响。

咸水中的CO2含量高低对其溶解能力有很大的影响,当含量高时能较多地将地层中难溶的 CaSO◦2H2O、CaCO3及 MgCO3溶解,在水中形成可溶性的硫酸盐、重碳酸盐,其中化学反应之一为：CaCO3+CO2+H2O←→Ca2++2HCO3-,是可逆反应。

表5 水中游离 CO2含量与水滴落时间关系 ppm[5]

当CO2高含量的咸水、微咸水从地层中经破漏部位或上部取水段井管进水孔流出,使CO2含量减少,溶解度降低,井内录象中可见到在上部取水段进水孔处析出的少量沉淀物;如破损在静水位以上,再经过曝气,CO2含量进一步减少(见表 5);进入高于咸水温度的井水中,溶解能力进一步降低,成为过饱和溶液向固相转化：Ca2++2HCO-→CO2↑+H2O+CaCO3↓。漏咸水井治理前后的水温、CO2及水质变化,(表 6)。

表6 四合庄村北机井水质分析表 mg/L

硫酸盐、重碳酸盐的溶解度与温度有关,温度高时溶解度就会降低。当上部低温的碳酸、硫酸盐类非饱和咸水进入温度较高的下部淡水层时,即成为过饱和水,污染物质向固相转化。NaCl浓度与 CaCO3、MgCO3及 CaSO◦2H2O的饱和度关系密切。高 NaCl的碳酸、硫酸盐类非饱和咸水进入水体硬度相对较高的淡水含水层,NaCl浓度将不断降低,饱和溶解度则因 NaCl含量减少不断降低成为过饱和溶液,向固相转化。

季节及非连续开采的咸水、微咸水与淡水混合井及漏咸量较小的水井,非开采时段上部咸水、微咸水在水位差的作用下,进入井内析出的沉淀物堵塞了下部淡水进水孔处滤管,随开采时间的延长,沉淀物被逐渐融解和冲出,使井水中淡水比例逐步增大。如松务储运场 1985年成井的Ⅱ组混采井,因地下水硬度较高,而用量小,多年 Cl-在 300～400mg/L之间变化。2007年因该地施工用水量增大,使井水淡化。2008年在该井北约 300m处新凿一眼未取用过渡带含水层的同组井,虽历经 23年的混采,含水层中地下水水质基本未受到影响。

表7 松务储运货场机井水质变化统计表 mg/L

2.4 咸化水井的部分淡水含水层未受咸水入侵

永和、胡张庄村位于塘沽农场断裂西测,对已咸化的水井做抽水试验时,在开泵初有一时段为淡水,与该地第Ⅱ含水组地下水本底质相差无几。后在该地凿井电测资料显示,两眼咸化水井最上部 136～144m的取水段的含水层水质并未咸化。推测该段含水层在污染源处并无分布,因水位高,下部含水层的咸化污染水无法入侵。这也显示在附近有断裂破碎带,有强水动力场、及地下水的硬度极低的环境下,虽入渗咸水的水平运移速度较快,却没有发生上覆咸水下渗入侵。

表8 胡张庄 4队开井 3.5分钟水质情况表 mg/L

图3 胡张庄村 4队、5队咸化水井排水时间与氯离子变化曲线

2.5 管外封井隔水部位失效导致井水质的变化

军粮城街魏王村Ⅱ 组饮水井,1984年成井时Cl-含量为200mg/L,80年代后期井水逐渐咸化。1999年做咸化污染调查抽水试验,在开井 3～3.5分钟时有一段咸化程度较高的出水,其 TDS为 2.85 g/L,Cl-为 975mg/L,Cl—Na型水,而其他时段 TDS约在 1.94 g/L,为 Cl◦ HCO3—Na型水。

图4 魏王村Ⅱ组咸化污染水井排水与 Cl-变化示意图

1999年该井北部 30m处凿井,其 175 m以上的电测曲线与 1984年的基本相同。该井当时咸水底界定为 95 m,实际应在过渡带下部的 112 m。井管外封闭隔水部位有效长度短,封井隔水所用的又是本地的钠粘土,而上覆的是富钙镁的大陆盐渍化咸水,在入渗时发生 Ca2+→Na+交换,使封井隔水土体收缩,在水泵开停的水位差反复冲击下受到破坏,成为咸水越流通道。虽井水受到咸化污染,但因该井在调查时尚未停止使用,入渗咸水不断被排出,而且该地第Ⅱ含水组也没有大的水动力场,其咸化污染程度要比永和—胡张庄咸化污染区轻。

图 5 魏王庄咸化污染区不同时期测井曲线对照图

该地为大陆盐渍化咸水区,TDS相对较低。咸、淡水之间为较厚的过渡带。因其电阻值比海侵型咸水高,沿海河断裂带附近有众多咸水底界深误判的水井,是造成中南部大部分Ⅱ组井水咸化的主要原因。

2.6 部分含水层对咸水入侵具有自净能力

含水层中的砂粒都含有一定胶质粘土,即使看来是很洁净的砂层胶体特征也十分明显。当胶质粘土为钙镁膨润土,虽 Ca2+交替吸附能力比 Na+大,但入渗咸水中 Na+含量增高到一定值时,粘土胶体将发生物理化学反应,出现 Na+→Ca2+或 Na+→Mg2+交换(表 9)。 因 Ca2+、Mg2+是二价,而Na+是一价,二个 Na+将置换一个 Ca2+或 Mg2+,Na+、Ca2+、Mg2+半径分别为 0.095 nm、0.099 nm、0.065 nm,两个Na+要比一个 Ca2+、Mg2+所需要的空间大。粘土片晶吸附阳离子成份发生变化,促使晶格的尺寸增大而膨胀,渗透率降低。当中水 Ca2+增加成为过饱和水发生沉淀,其污染程度会逐步减轻,对咸水入渗具有一定的自净能力。

表9 溶液 Na：Ca比对土壤交换吸附的影响 mol/L[6]

新立镇断裂带西侧的四合庄北,两眼同深度井相距300m,靠断裂带近的水井含水沙层固化程度较高砂礓石密度大,两眼井含水层厚度相似,但单位涌水量相差近 4倍。

数十万年来高水头的岩溶地下水经断裂带入侵第四系各含水层中,在入侵过程中,首先在断裂带两侧成为过饱和水发生持续的沉淀,使含水层渗透系数大幅降低。当深层地下水水位下降,上覆咸水经断裂就难以进入淡水层中。中更新世晚期仍活动的断裂,堵塞的部位会受到破坏。

3 结论

“井水咸化”并不等同于含水层中地下水咸化。取用两个及以上水质有差异含水层的水井井深、水位以及开采强度的不同,等使用环境的变化引起井水水质变化,与含水层的水质无关。在地下水的硬度较高的地段,含水层粘土中的Na+→Ca2+Na+→Mg2+交换,可不同程度或全部阻止的咸水入侵含水层。

在附近有裂至上、中更新统的活动断裂带及次生断裂带分布的地段,大量开采与其相邻的地下淡水,东丽区发生较为严重的地下水咸化污染地段均有活动断裂带或分布。

选取水质监测井,应做水质监测抽水试验如图 4。在监测水质同时还应监测水位、水温或井深。一些异常现象的出现是可遇不可求的,如能加大基层科研投入,就可能了解到更多的情况。

[1]卞学洛,合理选用封井粘土提高隔水效果[J].地下水.2001,23(4)：205.

[2]2004年、2005年 、2006年、2007年、2008年天津市地面沉降年报[M].天津市控制地面沉降工作办公室.

[3]东丽区水利志[M].天津市：天津科学技术出版社,1996,61.

[4]天津市市郊地下水位年鉴(1976-1980年)[R].天津市地质局,1981.9,78～79.

[5][日]豊田環吉,吴自迈译.工业用水及水质管理[M].中国：建筑工业出版社,1978.10,47.

[6]王遵亲,祝寿泉等.中国盐渍土[M].科学出版社 1993.12,94.