河北省高碑店市浅层地下水水化学演化特征及其形成机制

王忠亮, 甘 爽, 董子涵, 李文龙, 李俊峰

(1.河北省水文工程地质勘查院, 石家庄 050021; 2.河北地质大学 水资源与环境学院, 石家庄 050031)

地下水资源是维持自然生态系统平衡, 保障社会经济良性发展的重要因素, 尤其是对于我国缺水严重的华北平原来说, 地下水资源占有更加重要的地位。然而经济的快速发展也会为环境带来一些负面的影响, 威胁地下水安全, 诸如区域地下水质的恶化趋势以及地下水超采严重等问题[1-4]。时至今日, 地下水严重超采和污染的后果已经凸显, 地下水污染防治、地下水资源可持续利用等问题已经成为国家战略性课题。现有研究表明, 地下水水质恶化受自然因素和人为因素的双重控制, 地下水污染可能对人类的生命健康、社会发展造成灾难性影响[5-6]。2019年河北省印发了《河北省碧水保卫战三年行动计划(2018—2020)》，到2020年全省地级城市集中式饮用水水源水质100%达标，全部达到或优于Ⅲ类；地下水质量考核点位水质级别保持稳定且极差比例控制在5% 以内。由此可见, 对地下水资源的保护工作刻不容缓。而深刻理解地下水水化学演化过程及演化机制, 是研究地下水污染防治的关键问题[7-9]。本文拟选择京津冀协同发展、新型城镇化和生态文明建设工作中的重点区域——高碑店市为研究区, 拟通过研究该地区浅层地下水水化学演化过程及演化机制推进地下水污染防治工作的开展, 为地下水水资源的保护奠定理论基础。

1 研究区概况

高碑店市隶属河北省保定市, 地处太行山东侧山麓冲积平原内, 全境面积672 km2。本区属暖温带半湿润季风性气候, 四季分明, 各季节气候特征显著。冬季寒冷干燥, 降雪很少; 春季干燥多风, 气温上升迅速; 夏季高温多雨；秋季天高气爽。近60年来, 本区气候的大体趋势是暖干化, 气温明显上升, 降水明显减少。

研究区地势较为平坦, 呈现出西北高东南低的态势, 钻探资料显示，市区内均为第四系全新统冲、洪积成因地层。西部为太行山东麓的洪冲积扇边缘地带; 东部为河流冲积平原, 是两种沉积物双重作用的结果, 上部为近代河流冲积物所覆盖, 下部是西部冲洪积扇的延伸。区内河流属海河流域大清河北支水系, 为季节性河流, 主要河流有白沟河、紫泉河、仓尚河、兰沟河、斗门河、运粮河、卢僧河等，其中白沟河纵贯市域南北, 是境内主要的行洪河道。区内还有南水北调中线工程通过, 缓解了高碑店市用水紧张的现状。

研究区内地层主要为第四系松散堆积物, 根据区域松散堆积物的分布及垂向变化、岩性特征以及含水层水力性质, 可以将地层自上而下划分为4个含水岩组，即第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水岩组。其中，第Ⅰ、Ⅱ含水岩组之间无稳定的隔水层分布, 水力联系密切, 为统一的含水体, 构成浅层地下水, 该层水是目前本区主要开采层；第Ⅲ、Ⅳ含水组均归为深层地下水, 第Ⅲ含水组为本区深层地下水的主要开采层, 第Ⅳ含水组因富水性差, 且层位相对较深, 开采强度不大。

第Ⅰ含水组的底界埋藏深度10～30 m，第Ⅱ含水组底界埋藏深度50～135 m。含水组岩性特征: 自西向东由粗变细; 岩层组合呈现出由单层变多层, 单层厚度逐渐变薄, 总厚度增大, 连续性变差的递变规律。第Ⅰ+Ⅱ岩组接受大气降水补给, 水力联系良好。第Ⅲ含水岩组结构较为复杂, 西侧主要由砾石、中粗砂组成, 东部由细砂、粉砂组成, 底板埋藏深度90～300 m。第Ⅳ含水岩组, 层位较深, 底板埋藏深度140～420 m。

研究区内浅层地下水的补给来源主要为大气降水和地表径流入渗, 地下水径流方向总体上自西北向东南(图1)。人工开采是地下水的主要排泄方式, 其次是侧向径流排泄。

2 采样与研究方法

2.1 样品采集与分析

图1 浅层地下水采样点分布和水位标高等值线图

表1 各指标的检测方法及使用仪器型号

2.2 数据分析方法

3 数据分析结果与讨论

3.1 研究区浅层地下水水化学特征

表2 浅层地下水描述性统计数据

图2 浅层地下水水化学类型分区图

3.1.3 主要组分空间变化 地下水中各组分的变化不仅取决于当地的水文地质条件和围岩的类型等因素, 人类活动对于地下水水质的影响也不容忽视[10]。地下水中主要组分的变化主要体现在pH值、矿化度、离子含量和变化趋势变异等方面。pH值是衡量水溶液酸碱性质的综合性指标, 它对于地下水中各组分的存在形式以及各组分与围岩间的相互作用等有着重要的影响。依据水质分析结果绘制了pH的分区图, 见图3。

图3 浅层地下水pH值分布图

高碑店市浅层地下水的pH值在7.6～8.4, 均值为8.01, 普遍呈弱碱性, pH整体上相对较高, 主要在于高碑店市位于山前冲洪积平原地带, 西部低山丘陵区碳酸盐岩分布广泛, 岩溶水侧向补给浅层地下水。随着地下水从西北向东南流动, pH总体上呈西高东低趋势, 与Ca2+、Mg2+和Na+离子浓度交替变化有关。此外, 受白沟河影响, 河流两侧附近区域地下水pH普遍偏高, 在8.00～8.45, 可能是由于地表水受到一定污染, 水质较差, 通过渗漏补给两侧浅层地下水所致。

图4 各化学组分变化趋势

图5 浅层地下水Ca2+空间分布图

图6 浅层地下水Na+空间分布图

3.2 浅层地下水水化学演化机理

图7 研究区地下水Gibbs图

Gibbs图显示岩石的溶滤作用是影响地下水主要化学组分的主要自然因素[13-14], 通过Gibbs图和Ca2+/Na+-Mg2+/Na+关系图(图8)可以看出, 研究区地下水化学成分的形成主要受到硅酸岩风化作用和碳酸盐岩溶蚀作用的影响。从研究区水样点的Ca2+/Na+-Mg2+/Na+关系可知, 地下水主要阳离子浓度(摩尔分数)比值主要分布于硅酸盐矿物和碳酸盐矿物溶解区域之间, 可以验证研究区大部分地下水化学组分主要来自硅酸盐矿物和碳酸盐矿物的溶解[15-16]。

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图8 研究区地下水各离子的比例关系

图9 (Na++K+-Cl-)与关系图

Ca2++2NaX→CaX2+2Na+;

(1)

Mg2++2NaX→MgX2+2Na+;

(2)

Ca2++2KX→CaX2+2K+;

(3)

Mg2++2KX→MgX2+2K+。

(4)

3.3 聚类分析

对27个水样点的数据标准化后进行聚类分析, 聚类距离采用平方欧氏距离, 聚类方法采用组间连接法, 结果如聚类树状图(图10)所示。当距离为5时, 25个水样点按照水质的性质被分为4类, 其中: QC2、QC3、QC4、QC5、QC6、QC7、QC9、QC10被划分为一类; QC11、QC12、QC13、QC14、QC15、QC16、QC17归为一类; QC18、QC19、QC20、QC21、QC22、QC23、QC24、QC25、QC26属于一类; QC27单独一类。

图10 聚类分析树状图

结合其空间分布位置(图11)和Na+、Ca2+分布特征图(图5、图6)可以看出, 4类水的分布特征不同: Ⅰ类水样点主要分布在地下水径流的上游与地表水径流的上游方向, Na+、Ca2+的含量均相对较小; Ⅱ类水样点分布的较为分散, 全区均有分布; Ⅲ类水样点大都分布在河流的中下游, 部分点分布在河流上游部分地区; Ⅳ类水样点分布在地下水径流的下游区域, 位于Na+含量最高的位置。

图11 聚类分析4类水空间分布图

表3 聚类分析4类水的水化学组分平均值

4 结 论

(1)研究区浅层地下水从补给区向排泄区, 水化学类型依次为: HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Ca·Na型以及HCO3-Na·Ca型。

(2)对浅层地下水水化学组分影响较大的自然因素为岩石的溶解, 且主要为硅酸盐岩以及碳酸盐岩的溶滤作用。

(3)由补给区向排泄区, 浅层地下水系统中出现Ca2+浓度逐渐降低和Na+逐渐升高现象的原因是阳离子交换作用。