罗山自然保护区地下水化学特征研究

吴 玺，程旭学，马岳昆，李 戍

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

罗山自然保护区地下水化学特征研究

吴 玺，程旭学，马岳昆，李 戍

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

罗山自然保护区是宁夏中部的水源涵养林区。通过对罗山地下水进行取样分析、综合运用描述性分析、因子分析的方法，对地下水化学成分的统计特征及其在空间上的变化规律进行了分析研究。结果表明:①罗山浅层地下水中HCO3－和绝对含量较高，为地下水中的主要离子。以罗山为中心，向四周辐射，地下水化学类型特征及演变规律;地下水中的 Mg2+、Na+、Cl－、、NO3－和 TDS的相关程度很高，主要是来自沉积砂岩、板岩中的长石、石英和绢云母;区内硫酸根离子、氯离子和水的总硬度普遍超标，咸水区对人体有害的氟化物含量超标，部分微咸水区的氟化物含量超标，淡水区未出现超标现象。

地下水化学特征;TDS;地下水化学类型;因子分析

罗山国家级自然保护区是宁夏三大天然次生林区之一，位于宁夏中部生态干旱带和经济贫困带，地理坐标为北纬37°11＇～ 37°25＇，东经 106°4＇～ 106°24＇，区域海拔高度 1 560～ 2 624.5 m，年均降雨量不到 400 mm［1］，总面积 33 710 hm2(图1)。它是重要的水源涵养中心，并且处在明显的生态过渡带上，生态系统脆弱。因此本文对罗山自然保护区地下水的化学特征进行分析，并讨论其成因，达到合理利用该区域地下水资源的目的。

1 水文地质概况

罗山山势陡峭，近山前地区多为贫水区，单井涌水量小于50 m3/d，水位埋深大于100 m，靠山前埋深更大，一般多大于150 m;洪积扇中段水位埋深大于70 m，含水层厚度在20～35 m之间，单井涌水量一般小于500 m3/d;洪积扇前缘地下水位埋深50～70 m，含水层厚20～40 m，单井涌水量500～1 000 m3/d［2］。根据实地水文地质勘察，地下水主要赋存在罗山西麓北段的第四系断陷带内，含水层主要为第四系更新统砂砾石、砾石层，其次为全新统砂砾石层，单井涌水量可达5 900 m3/d。断陷带之外的其它地区，第四系堆积物比较薄，赋水性差，单井涌水量一般小于500 m3/d，甚至为不连续的含水体，水量小，开发利用比较困难。地下水补给源缺乏，地下水的补给来源主要是山区基岩裂隙水的侧向径流补给，其次是大气降水入渗补给(图2)。

图1 罗山自然保护区地理位置图

图2 罗山地区综合地质及水文地质剖面图

2取样与测试方法

2.1取样层位

本文借助全国地质调查项目“宁夏中南部严重缺水地区1:5万水文地质调查”，对罗山地区的地下水形成演化特征进行研究。研究区水化学分析取样8组，这8组水样都是泉水，来源于奥陶系砂岩、板岩，取样层位如图3所示。

图3 罗山水样取水层位

2.2水样测试

样品水化学测试由甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院实验室完成。根据《地下水质检测方法》DZ/T0064－93，pH值指标由pH酸度计测定完成;ICP发射光谱测定K+、Na+、Ca2+和 Mg2+阳离子成分;离子色谱测定、Cl－、NO3－阴离子成分;HCO3－、采用容量法，结果分别以HCO3－、表示。碱度采用容量法，用盐酸滴定，结果以CaCO3表示。

3 讨论与分析

3.1 常规离子与 TDS的关系

8组水样水化学成分测试结果如表1所示。根据调查分析的结果，罗山丘陵区地下水大致分为5种基本类型(图5、图6)。

表1 罗山水样水质分析表

从图4和图5中可以得出，各常量离子的浓度都低于500 mg/L，其 中和浓度的均值最高，K+和浓度的均值偏低，可以大概判断出 Mg2+、Na+、Cl－、、对 TDS的贡献较大。

分析罗山地区所取水样各常量离子与矿化度(图4)关系［3－6］，可以明显得出，随着矿化度的增大，从淡水区过渡到微咸水区时，Na+、Cl－、的含量迅速增加，Mg2+的增加很缓慢，、、K+基本维持不变，而则在减少，地下水朝着硫酸盐类型水演化;从微咸水区过渡到咸水区时，Ca2+、Mg2+、Na+、Cl－、的含量迅速增加，K+、的增加很缓慢，基本维持不变，地下水朝着硫酸钠和氯化钠盐类型水演化。

图4 各常量离子与矿化度关系图

图5 罗山地下水化学类型三线图

3.2 水化学类型特征

罗山地区浅层地下水由于受地貌、岩性等因素的控制，其水化学类型由罗山向四周沟谷，具有明显的规律性。罗山山区主要为硫酸重碳酸盐类，罗山西部沟谷为硫酸重碳酸盐类夹杂部分重碳酸盐类，罗山北部则以重碳酸盐类为主(图6)。从图6中可以看出，在罗山地区，以罗山为中心，向四周辐射，地下水类型演变规律为:SO4ClHNaMg型→HCO3CaNa型→CaNaMg型→SO4Cl－NaMg型→CaNa 型［7－9］。

该区地下水矿化度以大罗山中心最低，罗山附近沟谷的矿化程度逐渐加重，在小罗山东部矿化度最高，阳离子顺随矿化度的变化渐被碱土金属离子置换，因而钠离子含量很高，分布极为普遍，在各类型水中占据首位。地下水水质以吴家梁、大断头梁、芦花台所围成的圈为界，圈内地下水水质好，矿化度＜1 g/L，圈外地下水矿化度为1～3 g/L，水质略差，王户台以北地区地下水矿化度逐渐增大，为3～10 g/L，水质差(图7)。

图6 罗山水化学类型分区图

图7 罗山地下水矿化度分区图

3.3 水化学组分形成机制

对8组水样的9项指标进行因子分析［10－12］，分别得到各地下水化学组分之间的相关系数矩阵(表2)，相关系数矩阵的特征值和累计方差贡献率(表3)，方差极大旋转法因子载荷矩阵(表4)。

表2 罗山水化学成分相关系数

表3 相关矩阵的特征值和方差累计贡献率

表4 方差极大旋转因子载荷矩阵

通过因子分析得到了4个因子，其累计方差贡献率达到99.48%，即这4个因子可以反映总体水化学样本99.48%的水化学信息量，且单因子的方差贡献率大小也反映了因子对水化学成分影响程度大小［13］。

(1)第一因子 F1的方差贡献率为 71.331%，主要由Mg2+、Na+、K+、Cl－、和 TDS 构成，Cl－、、与 Mg2+、Na+相关程度较高，Mg2+、Na+、Cl－、、NO3－和TDS的相关程度很高，一方面反映出岩石矿物溶解的影响，由于沉积砂岩、板岩矿物成分主要为长石、石英和绢云母，使水中Mg2+、Na+含量增大，另一方面由于夹杂着黑色页岩，其渗透性差，造成地下水径流不畅，使水中离子组分含量升高，导致地下水中TDS较高。

(2)第二因子 F2的方差贡献率为 18.716%，主要由Ca2+和 K+构成，Ca2+与 K+相关程度较高，Ca2+和 TDS的相关程度不高，表明石膏粉砂岩、石膏质泥岩及部分石膏受到大气降水渗透溶滤作用和地下水径流作用的影响，使得水中Ca2+的浓度升高，但由于石膏的溶解度较低，因此不能对TDS的增大产生积极的作用，而风成黄土经过溶滤作用，增大了地下水中的K+浓度，矿化度普遍降低。

(3)第三因子 F3的方差贡献率为 7.719%，主要由HCO3

－和K+构成，一方面反映出重碳酸盐矿物溶解的影响，另一方面随着地下水径流，从源到汇的过程中，越来越多空气中的CO2溶解到地下水中，而 K+含量升高则反应出地下水中离子的聚集。

(4)第四因子F4的方差贡献率为 1.715%，主要由 K+构成，K+仅与TDS呈中等相关关系，这表明在该地区岩石矿物与环境的作用下，所释放出的K+只有中等程度。

4 结论

(1)罗山浅层地下水中HCO3－和SO42－平均浓度为239.975 mg/L和 214.725 mg/L，两值均较大，变异系数较小，反映了它们在地下水中的绝对含量较高，为地下水中的主要离子。

(2)在罗山地区，以罗山为中心，向四周辐射，地下水类型演变规律为:SO4ClHCO3－NaMg型→HCO3SO4－CaNa型→SO4－CaNaMg型→SO4Cl－NaMg型→SO4－CaNa型。

(3)地下水中的 Mg2+、Na+、Cl－、、NO3－和TDS的相关程度很高，这些离子主要是来自沉积砂岩、板岩中的长石、石英和绢云母，地下水的矿化度高低主要是由这些离子来控制的。

(4)根据 GB5749－2006《生活饮用水卫生标准》的内容，区内还有个明显的水化学特征是硫酸根离子、氯离子和水的总硬度普遍超标，咸水区对人体有害的氟化物含量已超标，部分微咸水区的氟化物含量超标，淡水区未出现超标现象。

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Chemical characteristics of groundwater Luoshan Nature Reserve

WU Xi，CHENG Xu － xue，MA Yue － kun，LIShu
(Geological Survey Center of hydrogeological environment，Bureau of China Geological Survey，Baoding 071051，Hebei)

Roshan is a nature reserve at the water conservation forests in the center of Ningxia，water quality，it solves the problem of drinking water nearby villages. Through our investigation the area and its surrounding areas，the groundwater’s TDS outside Luoshan nature reserves is generally higher than 1g/L，and high levels of fluoride ion，poor water quality. In order to identify the forming causes of Roshan and chemical characteristics of groundwater and rational utilization of groundwater resources，take the Luoshan Natural reserve for an example，sampling analysis of the groundwater this area，the article comprehensively applies the descriptive analysis，factor analysis，and totally and systematic studies the chemical characteristics of groundwater in Luoshan.The following conclusions:①the average concentration contained inandof Luoshan shallow groundwater respectively is 239.975 mg/L and 214.725 mg/L，two values are larger，the coefficient of variation is smaller which reflecting their absolute content in groundwater higher and is the major ions in groundwater. ②In the Luoshan district and taking regard as the center radiation to the surrounding，the evolution of groundwater type is:Cl－HCO3－Na Mg type→Ca Na type→Ca Na Mg type→Cl－Na Mg type→Ca Na type.③The Mg2+，Na+，Cl－，，and TDS is high degree of correlation，these ions are mainly from the deposition of sandstone，feldspar of slate，quartz and sericite，The groundwater salinity is mainly composed of high and low these ions to control.④ According to GB5749－2006"Drinking water health standards"content，there is a significant area of the water chemistry is characterized by sulfate，chloride and total hardness of water generally exceeded，water district harmful levels of fluoride has been exceeded，part of the brackish water zone of excessive fluoride，freshwater phenomenon does not appear excessive.

Chemical characteristics of groundwater;TDS;Chemical type of groundwater and factors analysis

P641.12

A

1004－1184(2012)01－0023－04

2011－09－20

吴玺(1984－)，男，河南商丘人，助理工程师，主要从事水文地质调查工作。