海河流域下游潜水水化学特征分析及水文地球化学模拟

刘景兰，刘 佳

(天津市地质研究和海洋地质中心，天津 300170)

海河作为天津市重要的河流，了解海河流域地下水水文地球化学有助于合理地利用海河流域水资源和保护海河流域地下水环境。近年来，围绕地下水水化学特征，我国学者在国内不同流域研究了地下水化学场的形成及运移规律[1-8]。本文利用海河流域下游天津段潜水水质监测数据，通过采用综合分析、Gibbs图、Piper三线图、离子比例系数和水文地球化学模拟等方法，开展了天津市海河流域潜水水化学成分的特点及其成因分析研究，为地下水合理开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

此次研究的为海河流域下游天津段，由天津境内的北运河、永定河、子牙河和海河干河组成。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均降水量为582 mm。研究区潜水主要赋存于第四系冲积—海洪积层的粉土和粉质黏土层，渗透性较差。研究区潜水埋深较浅，地下水流向整体与地表水流向吻合。地下水补给来源主要为河水入渗、降水入渗，排泄方式主要为蒸发、补给河流、人工开采。

此次选取的55组水化学数据，按照地貌划分为3段，分别为A段(冲积平原)、B段(海积冲积低平原)和C段(海积低平原)。地下水样品具体点位分布如图1所示。

图1 地下水样品点位分布Fig.1 Point distribution of groundwater samples

2 数据来源

3 结果分析与讨论

3.1 地下水水化学特征

表1 地下水水化学统计结果Tab.1 Statistical results of groundwater hydrochemistry

图2 Piper三线图Fig.2 Piper trilinear nomograph

由图2可知，A段水化学类型较多，Na-HCO3、Na·Ca-HCO3、Na-HCO3·Cl、Na-Cl·SO4，以Na-HCO3型为主；B段水化学类型主要集中在Na-HCO3和Na·Ca-HCO3型；C段水化学类型主要集中在Na-Cl和Na-Cl·HCO3型。潜水总体水化学变化具有由西北向南东的水平分带性，与中国大多数流域地下水的水化学类型相似。滨海新区潜水的水化学类型以Cl-Na型为主，水化学特征受海相成分的影响远超过陆相成分，海洋及盐田对潜水水化学特征的变化影响较大。

3.2 水化学组分控制作用及来源

水化学组分控制作用及来源的分析方法有多种，本次选用Gibbs图、阳离子交换作用和离子比例关系3种方法。

3.2.1 Gibbs图

潜水Gibbs如图3所示。由图3可知，研究区潜水化学组分主要受岩石风化控制，也受到一定程度的蒸发浓缩作用。海河A段潜水水岩作用较为明显，同时也受到蒸发作用的影响；海河B段潜水水岩作用是主要的控制因素；海河C段蒸发浓缩作用较为显著。

3.2.2 阳离子交换作用

3.2.3 离子比例关系

图3 潜水GibbsFig.3 Diving Gibbs

图与(Na+-Cl-)相关性Fig.4 Correlation between (Ca2++Mg2+- and (Na+-Cl-)

水化学特征研究中，常利用Ca2+和Mg2+的比值来反映Ca2+、Mg2+的主要来源，若比值为1，则表明白云岩是主要溶解的碳酸盐岩[14]。如图5所示，A段、B段几乎所有点位均分布在1∶1线附近，说明海河A段和海河B段中Ca2+、Mg2+主要来源于白云石风化溶解。

3.3 水文地球化学模拟

3.3.1 模型输入项

本文利用PHREEQC进行反向水文地球化学模拟，根据地下水流向自西北向东南选择模拟路径SY11→SY03和DL05→BH42，路径涉及的地下水点主要离子成分见表2。根据海河流域水文地质特征，确定模拟中选取的“矿物相”为碳酸盐岩矿物(方解石和白云石)、蒸发岩类矿物(岩盐和石膏)、离子交换(NaX、CaX2)和CO2气体。

3.3.2 饱和指数

根据饱和指数可以判断水与岩石、矿物之间的反应状态。从两路径上饱和指数计算结果(表3)可知，各矿物在两模拟路径上呈现出一致趋势，碳酸盐类矿物饱和指数均大于0，表明该类矿物处于过饱和状态，有沉淀析出趋势；反之，蒸发盐类矿物饱和指数均为负，处于不饱和状态，表现出溶解趋势。

3.3.3 模型输出结果分析

2条模拟路径“矿物相”的摩尔转移量见表4，正值表示溶解至水溶液，负值表示沉淀析出。2条路径模拟结果表现为方解石发生沉淀，白云石、岩盐和石膏的发生溶解，需关注的是，其中白云石的溶解与上述饱和指数处于饱和状态结论相悖，其原因可能是地下水在径流过程中溶解CO2，使其继续溶解白云石以及沉淀滞后所致[14，15-18]。

图5 潜水离子比值关系Fig.5 Diving ion ratio relation

表2 路径始末端水样的化学成分Tab.2 Chemical composition of water samples at beginning and end of the path

表3 各路径始末端的饱和指数Tab.3 Saturation index at the beginning and end of each path

表4 矿物在各路径上的溶解/沉淀量Tab.4 Dissolution/precipitation of minerals on each path mmol/L

4 结论

(2)研究区整体地下水径流滞缓，但海河A段和海河B段含水层介质颗粒相对较粗，潜水更新交替速度相对较快，潜水化学组分主要受岩石风化控制，Ca2+、Mg2+主要来源于白云石风化溶解；海河C段接近海域，含水层介质颗粒相对较细，潜水更新交替速度相对较慢，潜水化学组分主要受蒸发浓缩作用，阳离子交换作用显著。

(3)潜水水文地球化学反向模拟表明，2条路径模拟表现为方解石发生沉淀，白云石、岩盐和石膏发生溶解。