兰州市地下水化学特征及演化模拟

于开宁，田 剑，刘景涛，周亚红，吕晓立，Vetrimurugan Elumalai

(1.河北地质大学，河北省高校生态环境地质应用技术研发中心，河北石家庄 050031；2.核工业二○八大队，内蒙古包头 014010；3.中国地质科学院水文地质与环境地质研究所，河北石家庄 050061;4.祖鲁兰大学，南非德班999136)

0 引言

中国西部区域发展面临的主要问题之一是水资源及水质问题(中国科学院，2018)。地下水与其存在的环境空间在自然地质因素作用于人类活动作用下所演化形成的状态与过程统称为地下水环境，地下水环境的变化对干旱区和半干旱区经济和生态稳定具有举足轻重的作用(沈照理等，1993)。地下水水化学类型是地下水化学成分的集中反映，对地下水化学的特征与演变规律进行研究，可以更好地揭示地下水与环境的相互作用机制，对维持半干旱区与干旱区的生态系统稳定有着极其重要的现实意义。

近年来国内外学者采用数理统计、piper三线图、Gibbs图、离子比例系数、钠吸附比、饱和指数及同位素示踪、PHREEQC软件反向模拟等方法对不同区域的地下水化学特征及演化模拟进行研究。陈晨等(2019)等利用描述性分析、piper三线图、Gibbs图、离子比例系数等方法研究了泰莱盆地地下水化学特征；姜凌(2009)利用同位素示踪技术,论证了地下水的补给成因、径流途径和排泄方式，采用钠吸附比、饱和指数等方法，分析研究区地下水水化学演化中发生的溶解沉淀作用；刘海等(2019)等采用PHREEQC软件进行水文地球化学模拟，定量分析了泗县地下水的形成机理及演化。前人对兰州市的地下水研究多集中在“三氮”和重金属污染方面，吕晓立等(2019)等对兰州地下水“三氮”污染和铁锰分布特征提出研究，并得出控制“三氮”和铁锰离子迁移转化及其空间分布的主要因素。学者们对兰州市地下水化学特征及演化规律研究较少。尤其是对于地下水资源匮乏的西北地区，地下水化学成分的研究显得格外重要。本文通过对兰州市地下水化学成分的形成过程的分析，掌握地下水水化学演化规律，揭示地下水与环境相互影响关系，对兰州市的地下水保护和利用具有重要意义，为西北干旱气候河谷盆地类型城市的地下水可持续开发利用提供借鉴。

1 研究区概况

1.1 自然地理环境

兰州市地处甘肃中部，全市下辖5个区、3个县，总面积13100 km2，地理位置：北纬35°45′～36°28′，东经102°49′～103°59′。兰州气候特点是干燥寒冷，日照多，光能潜力大，属于半干旱气候，多年平均气温8.9 ℃，多年平均降水量为317.6 mm，主要集中在7～9月，平均相对湿度56%，年蒸发量1600 mm左右。兰州市河流均属黄河干流水系，黄河自西向东穿过兰州市区，兰州工农业、生活用水主要取自地下水资源。

1.2 水文地质条件

兰州属于河谷盆地型城市，地势总体南北高而中间低。南部为皋兰山等黄土丘陵，中部为黄河谷地，北部为黄土丘陵及低中山(图1)。兰州断陷盆地的基底由新近系泥岩、砂质泥岩和砂质砾岩组成，含有大量可溶盐类，常见石膏、芒硝、菱镁矿等晶体①(吕晓立等，2013)。兰州市典型水文地质剖面见图2。

研究区有供水意义含水层主要分布在黄河河谷平原松散岩类孔隙水，含水层岩性为砂砾卵石层，含水层富水性良好，区域地下水从基岩山地接受降水补给，分别向南北径流，最终均排泄于黄河，构成一个完整的地下水循环系统，在天然状态下，松散岩类孔隙水以接受大气降水入渗、河流入渗和基岩裂隙水转化补给为主，在径流过程中接受农田灌溉水和城市污水的入渗补给，排泄方式主要为人工开采、蒸发和径流排泄到黄河(黎涛等，2010；吕晓立等，2014)。

2 样品采集与分析方法

2.1 样品采集与分析

图1 兰州市地下水采样点分布图

图2 研究区I-I’水文地质剖面

2.2 数据分析方法

本文数据可靠性利用电荷平衡误差E进行分析，电荷平衡误差E的绝对值小于5%为可靠数据，经过检验，所有数据均为可靠性数据。

使用Excel对数据进行描述性统计分析和舒卡列夫分类，利用Aquachem绘制地下水Piper三线图，应用SPSS19软件计算相关性系数，采用Origin9.0绘制主要离子关系图和Gibbs图，借助PHREEQC软件进行反向水文地球化学模拟(曾昭华，1999；张兆迪等，2017;蓝天杉等，2018)。

3 结果与分析

3.1 描述性统计分析

表1 地下水化学主要指标统计结果

续表1

3.2 水化学类型特征及演化

图3 研究区地下水化学成分Piper三线图

研究区地下水从基岩山区接受降水补给，分别向南北径流，最终均排泄于断陷盆地中部。在黄河俩侧地区，基岩山区地下水经过长距离的径流后形成的高矿化水与黄河侧渗补给的地下水相混合,形成以黄河水体为对称轴的南北向水化学水平分带。在南北山前一带，处于地下水补给区，降水量大，水质好，为重碳酸盐水带；在河谷潜水区，处于地下水径流区，随之径流距离增加，水质渐差，为硫酸盐水带；在河谷盆地中央，处于地下水排泄区，为氯化物水带。由于气候干燥，且地下水位埋藏较浅，点X35和X34位于洪积扇前缘细颗粒相沉积层，渗透性能较差，地下水入渗、径流缓慢，地下水受到强烈的蒸发浓缩作用和溶滤作用形成了高矿化度盐水。这体现了干旱区河谷盆地典型的水文地球化学演化规律。

为分析不同水体水化学组分的演化特征及规律，将兰州市地下水化学数据绘入Gibbs图。由图4a所示，大部分水样点Cl-占的比重相对较大。从图4b可以看出，绝大部分水样点阳离子以Na+为主，矿化度较大。

图4 研究区地下水水化学Gibbs分布图

3.3 离子关系图分析

地下水中可溶组分的比值关系是探讨物质来源的有效指标，为了进一步分析区内地下水化学离子形成作用，通过绘制主要离子关系图可以分析判断地下水化学成因：

(1)γNa+/γCl-

图5 地下水离子比例相关值

3.4 地下水组分相关性分析

水文地球化学研究中，常常采用Pearson相关性系数矩阵将地下水中各组分的相关性定量化表示出来(牛兆轩等，2019；姜体胜，2017;何兴江等，2006)。本文采用SPSS19.0软件对研究区水样化学离子进行Pearson相关系数计算，计算结果见表2。

表2 研究区化学离子Pearson相关系数

3.5 水文地球化学模拟

水文地球化学模拟常用美国地质调查局开发的PHREEQC软件。该软件是一个用于计算多种条件下的水文地球化学反应模拟软件，其计算过程主要根据热力学模型和水质分析资料。确定当地下水溶解组分反应达到平衡时，计算地下水中各化学组分的分布，进而对地下水中矿物质饱和度进行计算。根据计算结果，可对矿物在给定水溶液环境下的溶解或沉淀趋势进行判定(靳书贺等，2017；方展等，2017；武亚遵等，2018)。

在对研究区水文地质条件分析研究的基础上，依据地下水流向，本次选取两条路径A、B作为水化学模拟路径。“可能矿物相”的选取依据含水层岩性及矿物组成成分，选取“可能矿物相”为岩盐、钾长石、方解石、白云石、石膏、高岭石、石英、钙蒙脱石以及Ca2+、Na+阳离子交换。从表3分析得知，模拟路径起始点至终止点矿物相饱和指数(SI)值变化中文石、方解石、白云石趋于饱和状态，硬石膏、石膏、岩盐则呈溶解趋势(模拟过程中不确定度取值为0.05)。

表3 研究区各模拟点矿物相饱和指数

表4 研究区水-岩作用过程中矿物转移量(mmol/L)

4 结论

(1)兰州市地下水总体呈碱性，硬度较高，微咸，从南北山前到黄河两侧沿岸，沿地下水径流方向，TDS逐渐减小。

(4)根据PHREEQC软件反向模拟计算表明：方解石、白云石在整个模拟路径上趋于饱和状态，具有沉淀趋势，硬石膏、石膏、岩盐在整个模拟路径上则呈非饱和状态，具有溶解趋势。在两路径模拟中，均为方解石发生溶解，Na+将Ca2+发生阳离子交替吸附作用，白云石、岩盐、石膏均发生沉淀。

[注 释]

① 杨顾,王华清,余振国,连炎清,王武衡.1991. 兰州市傍河水源地地下水资源及污染研究报告[R]. 兰州：甘肃省第一水文地质工程地质队.