天津地铁2号线浅层地下水水化学特征及演化规律研究

刘 鑫，黄 涛

(1.中铁上海设计院天津分院，天津 300102;2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756)

在地下隐蔽工程中，浅层地下水常常会对工程的基础设施及建筑材料造成腐蚀性干扰［1］，这就会对地下隐蔽工程的设计和施工带来不可避免的影响。特别的，在滨海地区，由于人类过量开采地下水，使淡水与海水之间的平衡状态遭受破坏，结果导致海或与海水有直接动力联系的高矿化度地下水沿含水层向陆地方向运移，使咸淡水界面不断向陆地方向移动，造成海侵［2］，从而使滨海地区有一套海陆交互相沉积层，使得地下水类型多变，内部各层地下水之间水力联系复杂等情况出现［3］。因而其水化学成分相比于内陆城市要复杂的多，表现出更为独特的水化学特征［4］。因此，在滨海地区进行地下工程时，确定工程所在地浅层地下水的水化学特征尤显得更为重要。它是正确评价地下工程场地内地下水腐蚀性的重要依据。准确的分析地下水水化学特征对于地下工程基础设施的腐蚀性防治有很大的指导意义［1］。

对于地下水水化学特征研究的方法，重点集中于地下水的水质、腐蚀性等方面。如通过地下水溶质运移模型来确定地下水组分，该方法一般不考虑水—岩系统中复杂的化学过程，还需要运用大量的特征值法及质点追踪法进行数据求解，费时费力［5］。利用统计性描述方法来确定地下水化学成分，则需要配合相关性分析及回归性分析，大多比较复杂，且结果往往不够准确［6］。栾长青等人运用反应路径模拟方法分析研究了鄂尔多斯盆地含水层地下水的演化过程，不仅给出系统平衡时的物质浓度，且给出了系统从非平衡到平衡这一变化的过程。Jin等通过质量平衡计算方法，表明了白云岩的溶解是密歇根州地下水演化的主要过程，量化了其证明过程。上述方法可以有效的描述地下水的演化过程，但大多过程繁琐，且计算量较大。

Piper三线图解法是一种分析水文地球化学数据的一种极其常用的工具，因其简洁明了、直观形象的表明了地下水常量离子的相对含量和一般化学特征而被广泛应用。该方法无需考虑地下水中复杂的化学过程，它主要依据某区域水样资料，通过将水样资料标注在特定的图上，可以分析该地区地下水的一般水化学特性。本文引入Piper三线图法对天津地铁2号线浅层地下水进行分析，结合区内水文地质资料建立水化学特征及演化规律分析评价体系，直观形象的反映出地下水水化学类型及各常量离子的相对含量、分布情况，从分析场地内地下水水化学特征，并判断其空间分布及水化学特征的影响因素。

1 研究区概况

1.1 工程概况

天津地铁2号线为天津市东西向的骨干交通线西起西青区曹庄，途经广乐道 (规划)—黄河道—南马路—进步道—铁路天津站—华昌大街—卫国道，穿过外环线至终点李明庄车辆段，正线全长22.789km。连接了西青区、南开区、和平区、河北区、河东区和东丽区6个行政区，如图1所示。本文选取天津地铁2号线中咸阳路、鼓楼段及津赤路至李明庄3个站段进行浅层地下水地下水水化学特征分析研究。

图1 天津地铁2号线线路概况Fig.1 Figure of Tianjin subway line2

1.2 地层岩性

天津市地铁2号线地层主要为第四系全新统人工填土层 (人工堆积QmL)，第I陆相层 (第四系全新统上组河床～河漫滩相沉积Q43al)、第I海相层 (第四系全新统中组浅海相沉积Q42m)、第Ⅱ陆相层 (第四系全新统下组沼泽相沉积Q41h)、第Ⅱ陆相层 (第四系全新统下组河床～河漫滩相沉积Q41al)、第Ⅲ陆相层 (第四系上更新统五组河床～河漫滩相沉积Q3eal)、第Ⅱ海相层 (第四系上更新统四组滨海～潮汐带相沉积Q3dmc)、第IV陆相层 (第四系上更新统三组河床～河漫滩相沉积 Q3cal)［7］。

浅层地下水，指地表以下的潜水和潜水—微承压水，可以直接接受大气降水和地表水的补给，其埋深一般在100m以内。在天津市区，浅层地下水的埋深一般在70m以内，即位于第IV海相层以上。而地下工程开挖建设一般都在30～40m以上，这一埋深的地下水有可能对该地区的地下工程产生腐蚀，因此将本文所研究的浅层地下水界定为天津市区内埋深在30～40m，即第Ⅱ海相层 Q3dmc以上的地下水［8］。

本文所研究的浅层地下水多赋存与第I海相层粘性土、粉土及第Ⅱ陆相层粘土、粉砂［7］。第I海相层勘顶板高程范围为3～11m左右，主要补给来源为大气降水，排泄以蒸发为主，水位受季节影响较大，水位多年变化平均值约0.8m。该含水层基本由粉质粘土与粉土互层状组成，局部地段夹有粉砂薄层，提高了粘性土的富水性及渗透性。但水平、垂直向渗透性差异较大。

第Ⅱ陆相层及其以下的粉土、粉砂层为微承压水含水层，常被粘性土分隔为多层含水层，各含水层分布不很稳定，其顶部隔水层分布较为稳定，以⑤1、⑥1层为主要隔水层顶板，以⑥2、⑦2、⑦3层为主要含水层，以⑦1层为相对隔水层。该层地下水水位受季节影响较小。微承压水稳定水位埋深2.12～2.4m，微承压水头为含水层顶至稳定水位距离［9］。

2 实验与方法

2.1 水样采集与水化学成分分析

地下水是一种复杂的多成分溶液，含有气体、离子、胶体、有机质和微生物。其中，六大常量离子(Na++K+、Ca2+、Mg2+、SO2-4、Cl-、HCO-3)是地下水中最常出现的离子指标，他们分布最广、含量较多，基本可以决定地下水化学类型和特征;矿化度是水化学成分中体现水质量的重要综合指标。故本节选取六大常量离子和矿化度作为分类标示变量进行分析。于3个场地内不同深处分别取水样，共选取32组，其中潜水22组，微承压水10组。对这些水样进行水化学成分统计分析，得到地下水阴阳离子毫克当量百分比统计表 (表1～表3)及天津地铁2号线浅层地下水矿化度分类统计表 (表4)，其结果可作为2号线3个站段Piper图解所需的数据基础。

表1 咸阳路站地下水阴阳离子毫克当量百分比统计表Tab.1 Statistical table of the milligram equivalent percentage of groundwater ions at Xianyang road station

表2 鼓楼站地下水阴阳离子毫克当量百分比统计表Tab.2 Statistical table of the milligram equivalent percentage of groundwater ions at Gulou station

表3 津赤路至李明庄段地下水阴阳离子毫克当量百分比统计表Tab.3 Statistical table of the milligram equivalent percentage of groundwater ions from Jinchi road station to Limingzhuang station

表4 天津地铁2号线浅层地下水矿化度分类统计表Tab.4 Classification statistical table of the mineralization in shallow groundwater along Tianjin subway line2

按照《水文地质术语》(GB/T14157-93)的定义，矿化度小于1.0g/L的地下水为淡水;矿化度在1.0～3.0g/L之间的地下水为微咸水;矿化度在3.0～10.0g/L之间的地下水为咸水;矿化度在10～100g/L之间的地下水为盐水;矿化度大于100g/L的地下水为卤水。

由表4可知:浅层潜水中矿化度均值微大于3000mg/L，以1～3g/L的微咸水 (58.9%)为主;而浅层微承压水中矿化度均值大于9000mg/L，以10～100g/L的盐水 (61.6%)为主。

2.2 Piper图解法

Piper三线图由一个菱形和两个在下方的三角形构成。左下方的三角形的三条边分别代表阳离子中Na++K+、Ca2+、Mg2+的毫克当量百分数;右下方的三角形的三条边分别代表阴离子中Cl-、HCO3-、SO24-的毫克当量百分数。任意一水样的阴阳离子的相对含量在两个三角形中分别表示出来，得到两个点，两点向上方菱形的引线相交得到一交点，表示此水样的阴阳离子相对含量。通过Piper三线图中的主要离子可以划分水化学相的类型，这就可以描述地下水体的化学成分，从而分析含水层中的水流模式以及水岩相互作用［10，11］。

本文结合地下水阴阳离子毫克当量百分比统计表 (表1～表3)，利用AqQA软件绘制Piper三线图，图解分析天津地铁2号线3个沿线站段区域内不同深度浅层地下水的水化学类型特征 (图1、图3)。

3 Piper图解

3.1 咸阳路站地下水的Piper图解

咸阳路段处于天津市区西部，是地铁2号线起始段。由图2可知，西部地区浅层地下水中碱金属含量超过碱土金属含量、强酸根含量超过弱酸根含量;阳离子以钠钾型为主、阴离子主要为氯离子型和非主导型。

图2 咸阳路站地下水的Piper图解Fig.2 Piper diagram of groundwater at Xianyang station

3.2 鼓楼站地下水的Piper图解

鼓楼段处于天津市区中部，地铁2号线中间段。该区地形基本平坦，岩性多变，地下水位较高，多为中硬场地土和中软场地土所构成。由图3可知，中部地区浅层地下水中碱金属含量超过碱土金属含量、强酸根含量超过弱酸根含量;阳离子以钠钾型为主、阴离子主要为氯离子型和非主导型。

图3 鼓楼站地下水的Piper图解Fig.3 Piper diagram of groundwater at Gulou station

3.3 津赤路段地下水的Piper图解

津赤路至李明庄段处于天津市区东部，地铁2号线末端，该区岩性多变，场地较为复杂，地下水位较高，场地土多为软弱～中硬土所构成。由图4可知，中部地区浅层地下水中碱金属含量超过碱土金属含量、强酸根含量超过弱酸根含量;阳离子以钠钾型为主、阴离子主要为氯离子型。

图4 津赤路至李明庄段地下水的Piper图解Fig.4 Piper diagram of groundwater at Jinchi road station to Limingzhuang station

4 结论与分析

4.1 水化学特征统计分析

通过对三个站段Piper图所反映的水化学类型进行统计描述，可以综合反映天津地铁2号线浅层地下水主要水化学类型的变化趋势。为说明天津地铁2号线水化学类型总体特征，本节按照数量百分比位居前7位的水化学类型进行统计类分析。如图5所示。

图5 天津地铁2号线浅层地下水化学类型Fig.5 Chemical types of shallow groundwater cdong Tianjin subway line2

由图5可知，天津地铁2号线浅层地下水的水化学类型中，主要的7种水化学类型占水化学类型总数的78.38%，SO4·Cl-Na·Mg型水、HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水及HCO3·Cl-Na型水占总数47.75%，为地下水主要水化学类型。

根据统计计算，大部分监测井中地下水的Q(Na+)/Q(Cl-)系数大于1，表明该地区地下水整体上水岩相互作用较弱［12］，地下水补给—径流—排泄条件较差，水力停留时间较长，地下水交替较慢，含水层中易溶组分如HCO3-、SO24-等受淋滤并随地下水径流稀释的几率小，形成以高矿化度、水化学类型较复杂的地下水。

4.2 水化学特征空间分布

由于本文所选取的3个站段分别位于天津地铁2号线西、中、东部，且相距较远，研究区内浅层地下水可依据此3个站段作东西向的空间分布分析。

分别对3个站段Piper所反映出的主要离子百分比含量取均值，可以得到东西向主要离子浓度对比图 (图6)。由图6可知，3个站段中，浅层地下水的水化学特征相似程度较高;地铁2号线东西向相对离子含量差别不大，其中Na+和Cl-占主导地位，西部站段Na+与Cl-略低于中部和东部;但Ca2+、HCO3-和SO24-含量要略高于其他两段。浅层地下水在向中部和东部运移过程中，常量离子逐渐稀释，Ca2+、Mg+浓度逐渐降低;Cl-始终较高，为保守离子，可作为地下水中水化学变化的指示离子。

图6 天津地铁2号线浅层地下水东西向离子相对含量对比 (%)Fig.6 Relative contents of shallow groundwater ions in latitudinal direction

图7可以反映天津地铁2号线浅层地下水垂直向水化学特征规律。在埋深11～15m范围内的水样中，Mg+相对含量明显偏低，没有明显的连贯性。而其他深度层面水样水化学特征规律明显，水力联系紧凑。因此推测11～15m范围内存在有地下水采样误差的水样，或水化学成分分析过程中，得到了错误的数据指标，予以排除。按照取样深度分层的垂直向空间分布分析，可以得出与按东西向的水平空间分析类似的结论:浅层地下水中，Na+和Cl-依然分别是是阳阴离子中的主导因子;各层地下水水化学类型基本一致;在埋深11～20m范围内的地下水中，HCO-3相对含量明显高于其他层面。

图7 天津地铁2号线浅层地下水垂直向离子相对含量对比图 (%)Fig.7 Relative contents of shallow groundwater ions in longitudinal direction(%)

4.3 地下水水化学特征变化影响因素

(1)补给源水化学成分

研究区地下水含水岩组主要为第四系浅层孔隙水，受大气降水、农业灌溉水、地下水侧向径流以及海水渗漏补给等综合因素影响。首先，大气降水对研究区地下水化学成分的影响主要是降水本身含有的化学成分补给地下水，降水的化学成分影响地下水的化学成分。根据天津城区雨水水质监测结果，研究区降水中氯化物、硫酸盐含量均较高，且出现雨水pH呈弱酸性的情况［13］。因此降水入渗补给地下水在一定程度上改变了地下水化学成分。

(2)海水影响

考虑到天津位于渤海之滨，对浅层地下水水质与海水的联系做了研究。根据天津地铁2号线地质勘探报告，天津地区在自然条件下总的地下水补、径、排特点是:在水平方向上，浅层水由北向南形成补给，北高南低［7］，根据天津地铁2号线地下水腐蚀性报告，场区内打井深度2米即可出水，说明地下水潜水水位较高。因此，从地理位置上，海水入侵的影响不大，主要为潮汐活动，如图8，由图所示:潮汐运动的Sin形边界左右对称，但水位的振动却左右不一，曲线上升阶段波角较陡，表明爬升急速，但下降时波角较缓，表明回落迟钝，随着横向坐标的移动，余弦函数出现了若干的相位，因此水位的浮动也具有相位差;从地下水开采的角度，截至2009年，天津市自宝坻断裂以南9538km2均出现不同程度的地面沉降［14］。天津市的地面沉降是典型的地下水水资源短缺型地面沉降［15］。由于人类过量开采地下水，使淡水与海水之间的平衡状态遭受破坏，如图9～10;从矿化度的角度分析，天津地铁2号线微承压水主要以咸水为主，矿化度较高，间接影响了地下水水化学特征;而潜水以微盐水为主，矿化度较低，可能导致与海水有直接动力联系的高矿化度地下水沿含水层向陆地方向运移，使咸淡水界面不断向陆地方向移动，造成海侵，从而造成上述Piper图所表明的地下水高盐性及弱腐蚀性。

图8 水位-潮汐时间变化关系Fig.8 Water-tidal time diagram

图9 小白楼站4号孔水位观测曲线Fig.9 Water level observation curve of drilling4 at Xiaobailou station

图10 小白楼站5号孔水位观测曲线Fig.10 Water level observation curve of drilling5 at Xiaobailou station

(3)地层岩性

天津地铁2号线沿线区域为冲击平原，皆为新生界沉积层覆盖，是以陆相沉积为主。第四纪晚期因受海进海退影响，形成了其海陆交互相沉积层。地铁线路沿线的浅层地下水所属地层中的粉质粘土和粘土中多有夹层，个别地方还有“天窗”，因此粉细砂并非稳定分布，规模小，多成呈透镜体状分布。如果砂层的透镜体含水，且进入含水层，就会间接对地下水水化学特性造成影响。

(4)污染物排放

城市化发展所导致的污染和地下水的不合理开发利用是地下水水质变化的根本原因［16］。近年来，研究区城市化进程加快，污染物排放、地下水开采等人类活动对地下水的影响程度较为剧烈。仅天津市市内6区共有规模化电子、化工厂25处。根据十二五规划报告，截止至2010年，城市污水虽大部分得到处理，但仍有28%的生活及工业污水未经处理就地排放。在大气降水下和灌溉的作用下，含有多种污染物质的地表水入渗进入地下水，对地下水水化学特征产生影响。天津地铁2号线浅层地下水中SO2-4浓度相对偏高就可以反映地表污染物排放对地下水化学特征有一定的影响。

5 结论

5.1 天津地铁2号线区域内浅层地下水中，碱金属含量普遍超过碱土金属含量、强酸根含量普遍超过弱酸根含量，阳离子均以钠钾型为主、阴离子均以氯离子型为主;地下水化学类型变化范围较大，SO4·Cl-Na·Mg 型水、HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水及HCO3·Cl-Na型水为地下水主要水化学类型;浅层地下水地下水水化学特征具有明显的水平、垂直空间分布规律。

5.2 天津地铁2号线区域内浅层地下水中，Cl-、Na+含量明显较高，结合该区域地层岩性及矿化度分析，这种现象与该区域地下水径流交替微弱、地层岩性、微承压水矿化度较高及近代海水入侵有关，与天津作为滨海地区这一原因密不可分。

5.3 天津地铁2号线部分区域浅层地下水中，硫酸根离相对含量高子达40%，对混凝土结构具硫酸盐弱腐蚀性。在地下工程的设计和施工过程中，应注意防腐措施。

［1］吕其英，李向峰，侯超新.浅层地下水对地下隐蔽工程主要建筑材料的腐蚀性［J］.河海水利，2008，(12):54-55.

［2］乔吉果，龙江平，许 冬，等.长江口北翼海滨地区海水入侵的地球化学特征初步研究［J］.海洋通报，2011，30(2):200-201.

［3］石长礼，张惠忠.加强上海地区工程勘察中的水文地质工作［J］.上海地质，2007，(1):49-50.

［4］林国庆，冯青华.浅谈对下水对武汉市地铁工程建设的影响［J］.资源环境与工程，2011，25(3):14-17.

［5］陈宗宇.水文地球化学模拟研究的现状［J］.地球科学进展，1995，10(3):279-280.

［6］刘文波，高存荣，刘 滨，等.河套平原浅层地下水水化学成分及其相关性分析［J］.中国地质，2010，37(3):816-822.

［7］铁道第三勘查设计院.天津地铁2号线地质勘察报告［R］，2005年4月.

［8］李 俊，黄 涛，荆志东，等.天津市区浅层地下水水质分析及腐蚀性评价［J］.水资源与水工程学报，2009，20(2):103-104.

［9］赵术升，张咏芙.天津地铁二期工程水文地质条件分析［J］.铁道勘察，2005，(3):34-37.

［10］宋保平，张先林，方 正.长江河口地区第四系地下水化学演化机制［J］.地理学报，2000，55(2):2-3.

［11］陈徐荣，周爱国，王茂亭，等.Piper图解淮河流域江苏地区浅层地下水水质演化特征［J］.工程勘察，2010，(2):42-47.

［12］姜体胜，杨忠山，王明玉，等.北京市南口地区浅层地下水水化学时空变化特征分析［J］.地球与环境，2011，39(2):204-207.

［13］张 娜，赵乐军，李铁龙，等.天津城区道路雨水径流水质监测及污染特征分析［J］.生态环境学报，2009，18(6):2127-2131.

［14］姜衍祥，董国凤，于 强，等.2010年天津市地面沉降年报［R］.2010.

［15］张阿根，魏子新.中国地面沉降［M］.上海:上海科学技术出版社，2005.55-56.

［16］于开宁，万 力，都沁军.城市化影响地下水水质的正负效应［J］.地球科学——中国地质大学学报，2003，28(3):333-335.