洮儿河冲积扇含水层水化学成分探析

金 哲 ，董小辉 ，张 锐，赵万宪 ，朴粉善

（1.吉林省水文水资源局延边分局，吉林 延边 133000；2.白城市水资源管理办公室，吉林 白城 137000；3.吉林省水文水资源局白城分局，吉林 白城 137000）

1 含水层水化学成分分布特征

含水层水化学成分的分布，在不同构造地貌单元和不同含水层中，有各自不同的变化规律，本文仅对洮儿河冲积扇卵砾石层潜水的水化学进行研究。

洮儿河冲积扇卵砾石层潜水水化学分布特征如下：洮儿河冲积扇以西为基岩风化裂隙潜水，水化学类型为低矿化（0.2～0.3 g/L）的重碳酸钙镁水，pH 值为 7.2～7.6。

洮儿河冲积扇卵砾石层潜水，由扇顶至前缘，水化学类型为HCO3—Ca，矿化度为0.15～0.2 g/L，硬度 6.45～9.06德国度（以下同），pH 值为 7.7。前缘溢出带为HCO3—CaNa型水，矿化度略有升高，但仍小于0.5 g/L，pH值为7.2～8.2，硬度为7.8～17.3。

水化学变化规律是由扇顶至前缘溢出带矿化度为0.17～0.38 g/L（各段平均值）。水化学类型为HCO3—CaMg—HCO3—Ca—HCO3—CaNa，硬 度由软水变弱硬—中硬水，pH值变化不大，形成作用由溶滤为主变为以蒸发为主，水质有好变劣的趋势。

2 含水层水化学成分的形成原因

不同类型的水化学成分是在长期地质历史过程中，各种因素综合作用下形成的。

洮儿河冲洪积扇为一山前扇形地，扇形地后缘是德龙岗夷平面，组成地层为：1）二迭系（P），主要岩性为灰缘色、黄绿色浅变质砂岩，板岩夹灰透镜体和火山碎屑岩。2）侏罗系（J），岩性以灰色、灰黑色砂岩、泥岩、页岩为主夹砾岩和中性、酸性火山岩和火山碎屑岩等。

降雨经基岩风化裂隙，淋溶入渗形成风化潜水，补给洮儿河或直接补给扇形地潜水和洮儿河水，二者构成扇形地潜水的主要水化学成分。由前述分布规律知，水中阴离子以HCO3-为主，占统计水样的92.45%，其它CL增高，呈HCO3，CL或CL水；阳离子Ca2+含量较高，水中主要离子平均含量见表1。

由表1可见，pH=7.6～7.9呈弱碱性。上述分析资料表明碳酸盐平衡在地下水中起控制作用，它的平衡状态决定了水的基本性质，天然水中碳酸盐的平衡是在一定水文地球化学环境中进行的，下面首先阐述水文地质条件，然后分析其物理化学平衡条件。

表1 水中主要离子平均含量

地下水中各种离子成分是水溶解矿物盐分的产物，因此各种离子含量随着水中含盐量的增加有规律地变化。见图1。

图1 洮儿河冲洪积扇潜水中Ca，Mg，Na+K与矿化度关系曲线

其中：KSO——CaCO3的标准溶度积；[Ca2+]和[CO32-]——分别为Ca2+和CO32-的克分子浓度。

又根据水溶液中碳酸平衡时3种碳酸的比例关系可知：

其中：∂0，∂2——CO2和CO32-的比例系数；CT——水中碳酸总量；[CO2]（水）和[CO32-]分别为CO2和CO32-在水中的克分子浓度。

据上式可计算平衡时Ca2+的浓度，即文中所用的 Ca2+饱。

当温度为25℃一个大气压条件下，PCO2=10-2.7=2×10-3大气压，KH=10-1.5=0.0316，溶度积取标准值KSO=4.8×10-9，pH 平均值为 7.7，查表得 ∂0=0.04282，∂2=2.245×10-3。即：

Ca饱=1.4486×10-3×40.08×103=58.05 mg/L

对照图1，在Ca2+—矿化度曲线上，Ca2+＜60 mg/L时，Ca2+未达饱和，处于积累过程，承受矿化度增加，浓度升高，当 Ca2+＞60 mg/L，Ca2+＞Ca2+饱，水中开始产生方解石沉淀，抵制了Ca2+在水中的迁移速度，积累降低，曲线发生弯曲。

以上用冲积扇潜水的pH平均值和CaCO3的标准溶度积计算出的Ca2+的饱和浓度，这是一般情况下的一个范值。不同的pH条件下，饱和状态往往不同。根据上述CaCO3溶解沉淀平衡原理，对各水样点计算其活度积，即可反映出pH对CaCO3溶解平衡的控制作用，活度积KSO=∂2a↓Ca2+。式中：a2Ca2+为 Ca2+的活度，a2Ca2+=fCa2+[Ca2+]，fCa2+是Ca2+的活度系数。将此计算结果KSO′和Ca2+与pH做出关系曲线见图2。

图2 洮儿河冲洪积扇潜水中Ca2+，KSO′与pH关系曲线图

由图2可见：1）大多数水样点的活度积KSO′小于 CaCO3s标准浓度积（2.8×10-3～4.8×10-3），说明该区地下水中Ca2+多处于未饱和状态，Ca2+将不断积累，向沉淀平衡发展。

2）CaCo3的平衡状态由Ca2+的浓度和 pH值共同控制，并且在不同pH值条件下，二者的影响程度不同。当pH≤7.7时，CaCO3平衡主要受pH值控制，因为pH值低，CO32-在总碳酸中占的比例少，即使Ca2+浓度较大，也不易产生CaCO3沉淀，故Ca2+活动能力强，易迁移。当pH≥7.8时，CO32-在总碳酸中的比例逐渐增加，因此在pH增高条件下，CaCO3的平衡状态主要取决于Ca2+浓度，浓度较大时，即可发生CaCO3沉淀，这就限制了Ca2+的活动性。

3 结语

综上所述，洮儿河冲积扇开采含水层大部分为径流条件良好，水交替强烈地段，溶滤作用是地下水化学形成的主要作用，形成了该区的低矿化重碳酸盐水（CaMg，Ca，CaNa），CaCO3的溶解沉淀平衡是控制该区水化学成分的重要因素。由图2和计算结果知，Ca2+与pH和矿化度均有一定的相关性，Na+，Mg2+处于积累过程，其含量变化与pH关系不大，主要随矿化度变化。