干旱地区水循环过程中的地下水化学特征研究——以蒙古国前巴音钼矿水源地为例

(华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021)

干旱气候下平原盆地的排泄区，水分不断蒸发，浅部地下水中盐分不断积累，将形成高矿化的氯化物水，但是如果地下水径流条件好，水交替迅速，即使在干旱地区也不会发生浓缩作用，因此常形成低矿化的地下水[1-2]。本文以蒙古国前巴音钼矿水源地为例，在本区域，前人曾分析和研究了含水层的分布规律[3]，总结了类似干旱地区找水的特点及勘探思路[4]，但均没有分析水化学特征。本文从水化学的角度出发对干旱地区的水化学特征进行分析。

1 区域概况

研究区地处干旱-半干旱的蒙古高原，地貌为低山丘陵区，地势南高北低，东西高，中部低，且东部坡度稍大，西部地势平缓。主要沟谷自南向北贯穿全区，呈“人”字型展布，次级沟谷多为近东西向分布，构成一个完整的水文地质单元，单元的东南部分布着大面积的火成岩，西北部分布着白垩系碎屑岩和第三系、第四系，且地层中存在发育程度不同的透镜体。单元内主要含水层为白垩系弱胶结砂岩、粉砂岩孔隙裂隙含水层。单元地下水补给来源为大气降水，接受补给后沿地形想低洼地带径流，通过第三系垂向越流补给第四系地下水，最终以潜水蒸发形式排泄。本次研究区水源地位于整个水文地质单元的中下部。

2 地下水水化学空间分布特征分析

为研究地下水化学的空间分布特征，选取水源地的19个钻孔[5]水样进行分析，范围覆盖整个水源地勘探区，取得了水样的主要阴阳离子、TDS和水化学类型等数据。

2.1 地下水水化学类型分布特征

通过对水样的分析，绘制地下水水化学图，可以看出水化学类型受沟谷控制，基本以“人”字型沟谷边界为线分为三个区(见图1)：

Ⅰ区主要为“人”字型沟谷东部区域，为HCO3型水；

Ⅱ区主要为“人”字型沟谷西南部区域，水化学类型为HCO3· Cl· SO4、HCO3· SO4· Cl、HCO3·SO4；

Ⅲ区为“人”字型沟谷的外围，水化学类型为SO4· HCO3· Cl、 Cl·SO4· HCO3、 SO4·HCO3、 Cl·SO4。

通过水化学类型的空间分布特征，可以看出地下水的补排关系：沟谷东部坡度较大，地下水接受大气降水补给后向沟谷汇聚排泄，而沟谷西南部坡度很缓，虽然地下水接受大气降水补给后也向沟谷排泄，但水循环强度小于东部，所以东部地下水为HCO3型水，西南部为HCO3·Cl和HCO3· SO4型水，沟谷范围外水循环更弱，形成SO4·HCO3和Cl·HCO3，甚至是Cl·SO4型水。

图1 地下水水化学图

2.2 地下水TDS分布特征

地下水TDS值可以反应水演化规律，研究区地下水TDS分为两个区(图2)：

(1)沿“人”字型沟谷的地下水矿化度小于1 g/L，属于淡水, 见图2中Ⅰ区，水中阴离子主要为HCO3-，阳离子为Na+；但是在局部小范围由于透镜体的存在，形成一些矿化度稍高的区域。

(2)“人”字型沟谷外围地区矿化度1.0～2.2 g/L，属于微咸水，见图2中Ⅱ区，主要阴离子为SO42-、Cl-和HCO3-，阳离子为Na+。

TDS含量沟谷地区小于外围地区，表明沟谷地区的地下水循环强度要大于外围区域。

图2 TDS等值线图

2.3 水化学类型垂向变化特征

在研究区取同一地点深度不同的两个钻孔水样比较分析，结果见表1：

随着深度增大，地下水中阳离子主要成分由包含Na+、Ca2+两种离子变为只包含Na+；阴离子由只包含HCO3-变化为包含HCO3-、SO42-、和Cl-三种离子；水化学类型由HCO3型变为 HCO3·Cl·SO4和HCO3· SO4型。

结合上述地下水水化学类型水平分布特征，得出沟谷地区地下水的水平径流程度小于垂向，地下水化学类型主要受垂向水循环的影响，地下水补给来源主要为大气降水垂向入渗。

表1 水化学类型垂向变化表

3 水径流路径上水化成分特征分析

在水化学类型分区的基础上，绘制研究区派珀三线图(图3)，由图可以看出：

(1)研究区的阳离子主要都为Na+。

(2)从“人”字型沟谷到沟谷边缘再到沟谷范围外，主要阴离子由只含HCO3-过渡到包含HCO3-、 Cl-、SO42-三种离子，最后到包含Cl-、SO42-两种离子。

(3)从“人”字型沟谷到沟谷范围外矿化度由0.6 g/L变化到1.3 g/L。

从地下水化学浓度特征，也可以看出沟谷地区水地下水补排的水循环强度强于外围地区。所以沟谷附近形成低矿化度的淡水，外围地区形成矿化度稍高的微咸水。

4 人工开采状态下水化学特征

抽水试验有6口水井同时抽水，平面位置分布见图4，抽水时间延续20 d，抽水量12 775 m3/d，采集各个水井抽水开始和结束的水样[5]，分析结果见表2。

图3 水化学piper图

图4 抽水孔平面位置图

抽水试验前后各抽水井TDS量均稍有增加，表明沟谷地区的地下水天然循环强度较低，经地下水的溶滤作用在经过较短的径流后矿化度稍有增加。

抽水试验前后抽水孔的水化学类型变化中：

(1)位于北部的C02和C06号孔接受沟谷东侧HCO3型地下水补给，所以水化学类型没有变化；

(2)位于南部两条沟谷之间的C01、C03和CO4孔主要接受来自东侧HCO3型地下水补给，水化学类型由HCO3·SO4变为HCO3型水；

(3)位于西南部的C05号孔水化学类型由HCO3变为HCO3·SO4，表明其主要补给来源为西南部的HCO3·Cl·SO4、HCO3·SO4·Cl、HCO3·SO4型水。

表2 抽水试验前后水化学特征表

5 结语

(1)研究区水源地地下水补给来源为大气降水，且经过短距离的垂向径流补给研究区地下水，沟谷东部地区的水循环强度高于西南部地区，外围地区最弱，地下水的水平径流较弱小于垂向；

(2)受水循环强度影响沟谷东部形成地矿化度的HCO3型水，西南部形成HCO3· Cl· SO4、HCO3· SO4· Cl、HCO3· SO4型水，沟谷外围地区形成SO4· HCO3· Cl、 Cl·SO4·HCO3、SO4·HCO3、 Cl·SO4型水。

(3)干旱地区水循环强度和补径排条件的差异会形成不同的水化学类。在水循环强度弱，径流路径长的地区，会形成以补给、径流、排泄三个区域为分区的不同水化学类型，且区域面积广阔；在水循环强度强，径流路径相对较短的地区，如本文研究的区域，则以水循环强度的强弱形成不同的水化学类型，且相对面积会较小。