银川地区承压水水化学特征及控制因素

李志红，胡伏生,周文生，赵志鹏,王广才,3, 史浙明,4

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院, 北京 100083；2.宁夏地质调查院，宁夏 银川 750021；3.中国地质大学(北京)/生物地质与环境地质国家重点实验室,北京 100083；4.中国地质大学(北京)/地下水循环与环境演化教育部重点实验室，北京 100083)

银川地区承压水水化学特征及控制因素

李志红1，胡伏生1,周文生2，赵志鹏2,王广才1,3, 史浙明1,4

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院, 北京 100083；2.宁夏地质调查院，宁夏 银川 750021；3.中国地质大学(北京)/生物地质与环境地质国家重点实验室,北京 100083；4.中国地质大学(北京)/地下水循环与环境演化教育部重点实验室，北京 100083)

水化学特征；断裂；承压水；混合作用；银川

银川平原位于西北地区东部，宁夏北部，干旱少雨，属中温带干旱区。由于黄河贯穿整个平原，平原内地表水资源丰富，沟渠湖泊密布。沟渠和灌溉水大量入渗补给潜水，使得潜水埋深较浅，蒸发强烈，水质较差。因此，大量开采第一和第二承压水作为生产及生活用水水源，致使银川市区形成了大的承压水降落漏斗区[1～2]。前人对平原内D、18O、T和14C同位素特征研究表明，由于承压水位的降低，降落漏斗区存在潜水对承压水的越流补给[2～5]。潜水水质较差，潜水的越流补给将导致承压水质变差。Sun等[6]对比分析了银川市区1991—2004年潜水和承压水的水位和水化学数据，研究了由于过量开采承压水而形成的地下水降落漏斗对区域地下水动力场和水化学场的影响。结果显示1991—2004年，在降落漏斗区承压水水位持续降低，降深超过10 m；由于潜水的越流补给，承压水水质恶化，TDS和主要离子含量逐渐增大。承压水除受潜水的越流补给影响外，还可能受其他因素的影响。一些研究认为：除了潜水产生的越流补给，大量开采地下水形成的降落漏斗还可能激发更深层地下水的补给[4～5]。 此外，地质构造等因素也可能对该区的承压含水层补给具有重要影响。尹秉喜[7]通过分析含水层电阻率与地下水溶解性总固体的相关性，发现银川平原深层地下水水质分带受银川平原发育的银川—平罗全新世活动断裂控制。李志红[8]对承压水水化学特征的空间分布特征分析发现，两层承压水均表现出在银川断裂附近溶解性总固体较高，水化学类型为Cl—Na型的分布特征，一些水样溶解性总固体甚至可达2 000～3 000 mg/L。承压水是银川市地下水开采的主要水源，较差水质水源的补给将限制对承压水的开采利用，研究开采条件下承压含水层的地下水水质演化的控制因素对于银川市区地下水资源的合理开发利用及保护具有重要意义。本文对银川平原潜水、承压水和地热水水化学数据进行分析，研究了承压水水化学成分分布特征，探讨了承压水水化学成分分布的控制因素，对于银川市区承压水的合理开发利用具有重要意义。

1 研究区概况

银川平原位于宁夏北部，属中温带干旱气候区，年均气温为9.0 ℃，多年平均降水量为185 mm，蒸发量为1 825 mm。黄河及其支流苦水河为银川平原区内的主要河流。黄河由青铜峡流入，贯穿整个平原，向北至麻黄沟出境，为银川平原的主要灌溉水源。

银川平原为一断陷盆地，主要受贺兰山东麓断裂、芦花台断裂、银川断裂和黄河断裂控制。主要地貌单元为贺兰山洪积平原、冲洪积平原、冲湖积平原和黄河冲积平原，地势总趋势为西高东低，南高北低，东西坡降大，南北坡降小。从西往东，含水层由冲积扇的单一潜水区过渡到冲湖积平原多层结构的潜水—承压水区，本次研究范围为银川地区的潜水—承压水区(图1)。

图1 研究区水文地质略图及水样点空间分布Fig.1 Hydrogeololgical sketch map of the study area and location of the sampling points

研究区第四系250 m深度内，自上而下常分为潜水、第一承压水和第二承压水三个含水岩组，水文地质剖面，见图2。潜水含水层，埋深为1～60 m，岩性主要为中细砂及粉细砂，其下分布有连续性较好的黏土弱透水层，使之与第一承压水隔开；第一承压水，埋深为70～150 m，岩性主要为细砂、粉细砂和少量中砂；第二承压水，埋深为160～250 m，岩性主要为细砂、粉细砂，与上覆第一承压含水岩组之间，分布有不连续的黏土隔水透镜体[3,5]。第一承压水和第二承压水含水层是银川市生活用水及工业用水的主要开采目标层[3]。各含水层地下水总体由西南向东北方向流动，但由于承压水的大量开采，在银川市区第一和第二承压水都形成大范围的降落漏斗区[1～2]。

研究区潜水的补给主要来源于引水渠的渗漏补给及引黄灌溉回归水的入渗补给，此外还有少量单一潜水区的侧向径流补给、大气降水的入渗补给、湖泊及排水沟在某些地段的渗漏补给，由于潜水埋深一般较浅，研究区潜水蒸发作用强烈，水质较差[9～10]。

图2 银川水文地质剖面Fig.2 Hydrogeololgical profile of Yinchuan

目前，研究认为第一承压水和第二承压水可能为古地质时期补给形成的“古水”，有来自西侧单一潜水区的侧向径流补给，在地下水降落漏斗区存在潜水的越流补给；并由地下水开采区地下水的14C年龄偏老，推测承压水接受补给时间较老、径流路程较长，或者开采井激发了更深部位地下水的补给[2～5]。

研究区潜水和承压水从西南往东北方向流动，潜水以蒸发排泄为主，部分通过越流补给承压水，部分通过排水沟向黄河排泄；承压水以人工开采为主，随着开采量的增大，承压水更新速率加大[2～3,9,11]。

2 水样采集及分析方法

ArcMap可用于确定水样的空间位置[12]。散点图和 Piper图可用于指示地下水的水化学特征、水中盐分的来源及地下水演化过程等[13～15]。Gibbs图可用于确定控制地下水化学组分的主要作用[16～17]。Schoeller图可用于比较不同水样的化学组分差异，并指示水化学类型及主要离子[18～19]。氢氧稳定同位素可以很好的指示地下水补给来源及不同地下水的相互关系[14～15,17]。本文采用ArcMap空间分析，Piper图、Gibbs图、Schoeller图等作图分析方法，分析银川地区潜水和承压水的水化学分布特征，比较各层水样水化学特征的差异，探讨承压水水化学分布特征的控制因素。

3 地下水化学成分及同位素特征

3.1 地下水化学成分特征

应用ArcMap绘制了研究区潜水、第一承压和第二承压水的溶解性总固体和水化学类型空间分布图(图3，图4)。由溶解性总固体和水化学类型空间分布图可以看出，潜水水质较承压水差，大部分潜水水样溶解性总固体大于700 mg/L，最大达2 500 mg/L，大部分承压水水样溶解性总固体小于700 mg/L；潜水的溶解性总固体和水化学类型在空间分布上都没有明显的规律性，而第一承压水和第二承压水在空间分布上，都有沿着银川断裂溶解性总固体较高，水化学类型为Cl—Na型的特点。在银川断裂西侧靠近补给区，承压水溶解性总固体小于500 mg/L，由西往东至银川断裂，溶解性总固体逐渐增大，在银川断裂附近溶解性总固体高达3 000 mg/L；承压水水化学类型，在靠近西侧的单一潜水补给区为HCO3—Mg(Ca)型，往东变为HCO3—Na型水，至银川断裂变为Cl—Na型水。

图3 研究区地下水溶解性总固体空间分布图Fig.3 Distribution of the TDS of groundwater samples in the different aquifers

图4 研究区地下水水化学类型空间分布图Fig.4 Distribution of the hydrochemical types of groundwater samples in the different aquifers

图5 研究区地下水Piper图Fig.5 Piper diagram of groundwater samples in the different aquifers

图6 主要离子与溶解性总固体(TDS)的关系图Fig.6 Concentrations of Na+, Ca2+, Cl- and vs. TDS in the groundwater samples in the different aquifers

3.2 地下水同位素特征

将测得的同位素数据投影到δ18O 与δD关系图(图7)中发现，潜水的δ18O 与δD值大于承压水，这主要是由于潜水受黄河水补给，且受到一定的蒸发作用。在银川区黄河水δ18O 与δD的平均值为-8.65‰和-62.25‰，较地下水偏大。第一承压水和第二承压水δ18O 与δD值分布较一致，表明二者补给来源相同或者水力联系较密切。在第一承压水中出现一个明显偏离其他水样的点，其δD值为-107.69‰，通过空间分析发现，在该水样附近的第一承压水B49溶解性总固体高达3 210.63 mg/L，这表明该区第一承压水很可能受到更深层的古水补给，由于古水中常发生氧漂移作用，表现出较高的δ18O值及较低的δD值。潜水和第一承压水有重合部分，表明在部分区域二者之间可能存在水力联系。

图7 研究区地下水δ18O 与δD关系散点图Fig.7 δD vs. δ18O of water samples in the study area

4 含水层水动力场特征

从各层地下水等水位线图(图8)可以看出，由于对承压水的大量开采，在银川市区，第一与第二承压含水层已出现较大的地下水降落区。潜水含水层中，地下水总体从西南向东北方向流动，若承压水未受到过量开采，其水流方向总体与潜水一致。由于承压水的过量开采，在银川市区潜水位高于承压水位，在潜水与承压水之间黏土层较薄或者有断层通过时，水质差的潜水很可能越流补给承压水，从而使承压水水质恶化。

图8 研究区各层地下水水位分布图Fig.8 Groundwater lever distribution of different aquifers in the study area

5 承压水化学组分控制因素

影响和决定研究区地下水化学特征及其演化的因素主要有地质及水文地质条件、补给水的化学成分、水岩作用、蒸发浓缩作用及人为影响，其中地质和水文地质条件对地下水化学成分的形成在一定程度上起着决定性的作用[9,20]。地质和水文地质条件控制着水岩作用和蒸发浓缩作用，表现为银川平原从南往北含水层孔隙度越来越小，透水性越来越差，水交替作用缓慢，地下水埋藏越来越浅，受蒸发作用越来越强烈，水质越来越差[9]。人为因素可以改变水文地质条件，从而改变地下水水化学特征，灌溉入渗补给使得研究区潜水位埋深变浅，蒸发作用增强，导致潜水水质变差；大量开采承压水，使得承压水位下降，可能激发潜水或更深层的地下水补给，从而导致承压水水质变差。承压水的补给来源有贺兰山东麓单一潜水补给，也可能有潜水的越流补给，或者更深层的地下水补给。贺兰山东麓单一潜水水质较好，为HCO3—Ca型水，溶解性总固体小于1 000 mg/L[9]，而冲湖积平原潜水水质相对承压水较差。严烈宏[21]和张宇[22]的研究结果表明，在银川盆地沿着银川断裂一带存在地温异常。尹秉喜[7]根据含水层电阻率与溶解性总固体的关系，研究银川平原水质分布，发现深部承压水咸淡水界线刚好与平罗—银川全新统断层趋于一致，并认为深层地下水水质分带受银川平原发育的银川—平罗全新世活动断层控制。由于未收集到更深层承压水的水质资料，因此将地热水作为更深层地下水端元，分析其对承压水质的影响。根据主要水化学特征控制因素，及研究区实际气象水文、地质及水文地质条件，将从水岩作用，蒸发浓缩作用及混合作用角度出发，研究承压水化学组分的控制因素。

5.1 地下水化学组分形成作用

Gibbs[23]通过Gibbs图将世界河流、湖泊及主要海洋水化学组分的控制因素划分为，岩石风化型、大气降水控制型和蒸发结晶型。将研究区潜水、承压水和地热水水样投入Gibbs图(图9)中发现，由于研究区地下水中Na+含量较高，大部分水样的Na/(Na+Ca)值大于Cl/(Cl+HCO3)。在图9a和9b中潜水和承压水均表现出相似的变化趋势。Cl/(Cl+HCO3)与TDS关系图显示，地热水由于经过长时间的水岩作用过程，使得其落在海水类型区域内，承压水与潜水的变化趋势相似，显示出蒸发结晶的作用过程，并朝着地热水类型方向发展，然而承压水不大可能经历强烈的蒸发浓缩作用，因此认为承压水可能受到潜水或地热水的混入作用。

图9 研究区地下水Gibbs图Fig.9 Gibbs plots of groundwater samples in the different aquifers

5.2 承压水化学组分来源分析

图6显示，部分第二承压水Na和Cl含量高于第一承压水，说明第一承压水和第二承压水化学组分控制因素可能不同，因此对比分析同一地点的第一承压水与第二承压水化学组分。本次共取得31组同一地点的第一与第二承压水样，对同一地点的两层水样TDS作差，并将差值在5%以内(即两者TDS之差小于两者TDS之和的5%)的两层水样溶解性总固体近似相等。结果显示部分第二承压水TDS大于第一承压水，也有部分第一承压水TDS大于第二承压水，这些水样主要位于银川断裂附近，其空间分布见图3。

图10 研究区地下水Schoeller图，(a)第一承压水溶解性总固体大于第二承压水，(b)第一承压水溶解性总固体小于第二承压水Fig.10 Schoeller diagrams of (a) the samples that the first confined water has greater TDS than the second confined water, and (b) the samples that the first confined water has less TDS than the second confined water

图10a显示，有两组第一承压水溶解性总固体明显大于第二承压水的水样，其空间位置在银川断裂附近的B48和B49处(如图1所示)，Gibbs图中显示承压水溶解性总固体的增加可能是由于水质较差的潜水混入，吴学华等[9]用潜水位减去第一承压水位得到两者之间差值的等值线图，发现在银川地区潜水位大于第一承压水位，潜水很可能通过银川断裂混入承压水。因此将B48附近溶解性总固体较大的潜水样A31和A32，及B49附近的潜水样A27的化学组分投入到图11中，结果显示，承压水与潜水组分曲线形状有较大差异，但同时与地热水形状曲线对比发现，B48和B49处的第一承压水各离子含量在潜水与地热水之间。因此认为，导致第一承压水溶解性总固体增加的主要因素可能是潜水和地热水的共同影响，即第一承压水同时受到潜水和深层地热水的混入作用。这说明第一承压水样溶解性总固体出现大于潜水水样的可能。

图11 第一承压水与潜水和地热水对比Schoeller图Fig.11 Schoeller diagrams of the comparison of the first confined water with the confined water and geothermal water

6 结论

(4)推断第二承压水水化学特征可能主要受更深层地下水沿着银川断裂的混入作用影响，而第一承压水水化学特征可能同时受到地热水和潜水沿着银川断裂的混入作用影响。

(5)除银川断裂带附近部分承压水溶解性总固体超过1 000 mg/L外，承压水水质相对较好，溶解性总固体小于1 000 mg/L。如果承压水继续过量开采，承压水位持续下降，将进一步激发潜水和深层地热水的混入，从而导致承压水质恶化。因此控制银川区承压水的过量开采，对于承压水资源的可持续利用至关重要。

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Hydrogeochemical characteristics and controlling factors of confined water in Yinchuan

LI Zhihong1, HU Fusheng1, ZHOU Wensheng2, ZHAO Zhipeng2, WANG Guangcai1,3, SHI Zheming1,4

(1.SchoolofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.NingxiaGeologicalSurveyInstitute,Yinchuan,Ningxia750021,China；3.StateKeyLaboratoryofBiogeologyandEnvironmentalGeology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; 4.MOEKeyLaboratoryofGroundwaterCirculationandEvolution,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; )

hydrochemical characteristics; faults; confined water; mixing effect; Yinchuan

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.05

2016-10-08;

2017-01-08

国家自然科学基金项目(41272269)

李志红(1988-)，女，博士研究生，主要从事水文地球化学研究。E-mail:lzh19880611@126.com

王广才(1962-)，男，教授，博导，主要从事水文地球化学、地震地下水等研究。E-mail:wanggc@pku.edu.cn

P641.3

A

1000-3665(2017)02-0031-09