水化学特征分析银川平原地下水的补给与排泄

王凌芬，胡伏生，于艳青，王文霞

(1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038;2.中国地质大学，北京 100083;3.宁夏地质工程勘察院，宁夏 银川 750011;4.北京市地质工程勘察院，北京 100048)

银川平原位于中国西北部，在中国西北干旱内陆地区它不仅是重要的工农业基地，也是国家经济发展的重要核心区。银川平原主要依靠来自黄河的地表水用于灌溉，但这并不能满足内陆干旱地区的用水需求，地下水是工业和城市生活用水的主要来源，而且工业和城市生活地下水资源的利用率高达95%。银川平原是全球最干旱的地区之一，其特点是高温，蒸发强度大，降雨稀少，在如此干旱和半干旱的环境下，地下水对于生活饮用和灌溉都发挥着重要的作用，因此，合理开发利用地下水资源对于维持生态平衡和经济发展至关重要。

地下水作为环境变化的受体和信息载体，地下水的水化学信息可以用于表征地下水系统的行为(Han et al.2009).有很多关于地下水水化学类型的报道(Alan E Fryar.et.2001，Hem JD 1989，M Gabriela Garcia.et.2001.Stephen Y Acheampong.et.1998，SUN Ya-qiao.et.2006，Frank D.Eckardt.et.2008，W.M.Edmunds2009)。目前，流场的分析往往与水化学场的分析相脱节。然而，地下水资源的合理开发和管理需要更好地了解地下水水化学特征，这些对于研究地下水的起源同样重要((Su et al.2009)。本研究以银川平原地下水为对象，采用水化学资料，在很好地了解水文地质特征的基础上，提出了一种使用水化学指标来确定地下水的补给和排泄的方法。具体目标是:(1)确定补给来源(2)确定排泄方式。本研究对于协助政府制定中国西北地区合理的水资源利用战略和政策具有重要的理论意义。

1 研究区概述

银川平原由西部的贺兰山，南部的牛首山和东部的鄂尔多斯高原圈闭，形成了盆地式的平原，银川平原自西向东、自南向北缓倾，东西方向梯度大，南北方向梯度小，海拔高度1 090～1 400 m，为宁夏回族自治区最低处。平原内自西向东由贺兰山前倾斜平原、冲洪积平原、黄河冲积平原组成(见图1)。

按中国气候区划，银川平原地处中温带干旱区，其特征是冬长夏短，干旱少雨，日照充足，气温年、日差较大，风大沙多，属大陆性气候。银川平原年平均气温9.0℃，最低一月份平均气温 -7.3℃，极端最低气温 -30.6℃，最高七月份平均气温23.5℃，极端最高气温41.4℃;年平均降水量 185 mm，多集中在6～9月，占全年降水量的68.1%;年蒸发量1 825 mm，接近降雨量的10倍，年平均湿度为55%。

图1 银川平原地形略图

2 地质和水文地质

第四系广泛分布于整个平原区，沉积厚度达1 000 m，据地球物理和钻孔数据分析，银川平原为一地堑式的断陷盆地，盆地的中心位于平罗-贺兰-银川-永宁一线，盆地的最深处位于平罗-银川以西。银川断陷盆地整体构造概貌为中部断落较深，向两侧以断阶状或斜坡状抬升，呈西陡东缓的巨大的宽缓向斜形态。基底的波动起伏决定了第四系的沉积厚度，地下水赋存于第四系松散沉积层中。银川平原第四系松散岩类地下水在水平方向上具有明显的分带特征，由西向东，自南而北，从洪积扇及冲积扇单一潜水逐渐过渡为细土平原带的多层结构的潜水-承压水。本文以浅层潜水为研究对象。

3 数据

为进行水化学分析，共采集269个地下水样品(2005年4月)，地下水采样点分布如图2所示，均取自浅层潜水。

图2 地下水采样点分布图

4 分析

4.1 水化学特征

水化学分析结果显示，地下水pH值范围7.3～8.7，显示碱性环境，TDS值范围 280.30～19 400.02 mg/L，平均值1 683 mg/L，根据 TDS分类，64.68%的地下水，属于咸水型(TDS＞1 000 mg/L)，其余是淡水(TDS＜1 000 mg/L)。阳离子钙，镁，钠，钾离子的浓度范围分别为 13.6 ～ 575.35，7.11～1 058.51，14 ～9 237.51 和 0.75 ～62.00 mg/L，平均值分别为 95.01，75.37，297.60 和 5.28 mg/L，它们的离子浓度(毫摩/升的基础上)分别为 12，16.3，71 和 0.7% ，丰度的顺序为 Na＞镁 ＞钙 ＞K。溶解的阴离子氯，SO4，HCO3(mg/L)的范围分别为 12.18 ～ 11 978.31，1.95 ～ 7 180.00，104.75～1066.61mg/L，平均值分别为 295.81，386.15 和 433.34 mg/L，它们的离子浓度分别为 45.5，20.4 和 34.1% ，顺序为Cl＞HCO3＞SO4。

使用269个水样进行水化学类型分类。水化学类型是比较它们的分布很有用的信息(Uphori and Toth 1989;Dipankar Saha et al.2010)。最主要的类型为 Na-HCO3，随后是 Na-Cl(见表1)。在空间上，Mg2+和 HCO3-为主的类型，例如 Mg– Na-HCO3and Mg-Ca-HCO3，覆盖约17%的面积。Ca2+和HCO3-为主的类型(Ca-Mg-HCO3和 Ca-NA-HCO3)占据19%的面积。近60%的面积被以钠为主的地下水类型覆盖着，即 Na– Mg– SO4-Cl，Na– HCO3，Na-Cl和 Na-SO4，这表明阳离子交换作用显著。Ca-SO4和 Mg-SO4类型的地下水仅仅覆盖一个小区域，约4%。

黄河以西，地下水矿化度较低，在 0.4～1.0 g/L之间，pH 值介于 8.02～8.14之间，为 HCO3-SO4-Ca-Mg、HCO3-SO4-Mg-Ca水及SO4-HCO3-Ca-Na型水。沿地下水流向，由SW→NE，地下水矿化度由低向高转化，即由 ＜1 g/L→1～3 g/L→3～6 g/L→6～10 g/L→ ＞10 g/L。南部地下水化学类型以 HCO3-SO4-Mg-Na为主，矿化度1～1.3 g/L，中部(银川市一带)，地下水化学类型成多元分布的特点，为HCO3-SO4-Ca-Mg、SO4-HCO3-Ca-Na及 HCO3-Cl-Mg-Na交错分布。向北，随着地下水矿化度的增高，地下水化学类型以Cl-SO4-Na–Ca型为主。

黄河以东，南部地下水矿化度1～3 g/L，地下水化学类型以 SO4-Cl-Na– Mg、Cl-SO4-Na– Ca型为主。平原中北部，地下水矿化度由 ＜1 g/L逐渐过渡为3～6 g/L，水化学类型由 HCO3-SO4-Ca– Mg向 SO4-Cl-Na– Mg、Cl-SO4-Na-Ca型水转变。

表1 269个水样水化学类型分类 mg/L

4.2 矿化度及离子等值线图

银川平原地下水自西向东、自南向北流动过程中，地下水中 SO4、Cl、Na、Mg离子呈逐步升高态势，见图 3，水化学类型由 HCO3-SO4-Na-Ca型水向 Cl-SO4-Na– Ca型水转化。表明地下水随径流途径，大陆盐化及蒸发作用逐渐增强。平原北部地下水矿化度高，Cl、Na、Mg离子富集，进一步证实了该地区地下水径流滞缓，蒸发作用成为平原北部地区地下水的主要排泄途径。

4.3 水化学特征解释地下水的补给

西部贺兰山洪积扇地下水水化学类型在南、中、北段各不相同的分布特点，直接反映了地下水的不同补给来源。(1)南部洪积扇群，地下水补给受流经第三系丘陵台地的奥陶系基岩裂隙水影响，形成矿化度0.42～2.44 g/L的 Cl-SO4-Na–Mg型地下水。(2)中部洪积扇群，地下水类型以HCO3-Cl-Ca– Na型为主，与泉水水化学类型基本一致，表明地下水接受贺兰山基岩裂隙水的补给，在径流过程中，受到不同程度的蒸发作用的影响。(3)北部贺兰山洪积扇群，地下水类型为SO4-HCO3-Ca-Na型，水化学类型主要受赋存于贺兰山山体北段石炭，二叠煤系地层，SO4离子含量偏高的基岩裂隙水的补给影响。

图3 银川平原矿化度及离子等值线图

平原中南部大面积分布矿化度1～2 g/L的HCO3-SO4-Ca–Mg水，推测地下水的补给源以低矿化高碳酸含量的黄河水为主(矿化度0.5 g/L，水化学类型HCO3-SO4-Na-Ca水)。否则，自南西向北东流动的过程中，随蒸发作用，地下水将向高矿化的SO4-Cl或Cl-SO4型水演化。此处是由于人工引黄灌溉改变了地下水的水化学类型，大量的低矿化高碳酸含量的黄河水经引黄渠系及田间灌溉渗入补给地下水，稀释了原有高矿水，限制了平原四周高矿水的扩散。平原中部(银川市一带)，浅层地下水化学类型成多元分布。引黄农灌区，水化学类型仍然以矿化度 ＜1 g/L的 HCO3-SO4-Ca– Mg为主，银川周边地区，为 SO4-HCO3-Ca-Na及HCO3-Cl-Mg– Na交错分布，HCO3-Cl-Mg– Na型水的出现，与山前洪积扇地下水类型相吻合，说明市区内地下水的补给来源于引黄灌溉入渗水及山前洪积斜平原的侧向补给。平原北部为地下水的排泄区。

5 结语

在银川平原开展地下水水化学类型调查，旨在更好的了解地下水的补给和排泄，通过分析研究得到如下主要结论:

(1)补给区地下水类型以 HCO3– Mg为主，矿化度较低。沿地下水流向，地下水类型逐渐转化为 SO4– Cl– Na– Mg型或者 Cl– SO4– Na– Mg型，矿化度1～3 g/L。至排泄区，地下水类型最终过渡为 Cl– Na型，矿化度大于3 g/L。

(2)区域地下水水化学特征反映研究区自南向北，形成多个局部径流系统，主要接受大气降水、基岩裂隙水、引黄灌溉渠系及田间渗漏补给，循环深度小于60 m，地下水排泄以蒸发、向地表水排泄、人工开采为主。

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