涞源西部地下水化学特征及成因分析

0 引言

涞源位于河北西部太行山北端,是拒马河的发源地,其源头为涞源西北山区[1]。拒马河是大清河水系支流之一,为河北省内唯一一条常年不断流的河流,且同属于北京五大水系之一[2]。所以研究涞源西部地下水化学特征及成因对河北省及北京市供水安全具有重要意义,并为涞源地下水开发提供数据支撑。

地下水体的来源、成因、运移以及存在状态等可以通过研究水文地球化学特征来揭秘[3]。国内外学者对地下水化学特征及成因分析做了大量研究。左禹政等运用Gibbs图分析了贵州省都柳江流域水体水化学成分的组成以及来源[4]。马李豪运用相关性分析、Piper三线图、离子比值法等揭示了黑河流域地下水水化学离子的来源以及分布特征[5]。另外,国内一些学者对蒲阳河、怀沙河以及塔里木盆地开展了地下水水化学特征以及成分来源研究[6-8]。Gupta S分析了对印度西孟加拉邦布尔德湾地区地下水离子主要化学组分相互关系,并对当地灌溉和生活饮用水给出了建议[9]。Srinivasamoorthy等运用离子比值法对印度中南部地区的Pungar盆地做了离子交换,岩石风化溶解的研究分析[10]。Abdel采用Piper图以及多组离子比例系数等方法,分析得出非洲撒哈拉沙漠的察伦湖的水化学特征主要取决于可溶性盐岩的溶解[11]。

本文以涞源西部为研究对象,分析区内水化学特征及成因等。

1 研究区概况

涞源位于太行山、衡山及燕山交汇处。气候属暖温带半湿润季风气候区,山地气候特点显著,多年平均降雨量564.6 mm[12]。研究区主要有拒马河和唐河两大河流,均属于大清河水系,拒马河属于常年性河流,径流量年内变化较大。

研究区燕山区构造活动强烈,岩浆岩侵入,地层发生断裂、褶皱。区内存在牌坊—冯村断层、黄花滩—金山口断层以及沙岭—寨沟门断裂、寨沟门—坡水断裂等。

区内地层主要有太古界阜平群、五台群的变质岩系,长城系高于庄组,蓟县系、寒武系、奥陶系的灰岩及白云岩等新近系存在胶结砾岩、砂页岩、黏土夹煤层和第四系的冲洪积土、砂砾石、卵砾石等[13]。详见图1。

2 样品采集与测试

在涞源西部地区进行水样点采样,包含6个泉水点、18个机井点和1个地热点。并将样品送至中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,进行水质全分析。采样点位置见图2。

3 分析方法

3.1 Piper三线图

Piper三线图可以反映地下水水化学成分各种离子的相对含量,通过三线图可以直观的看出各水样点的水化学类型。

3.2 Gibbs图

Gibbs图是能直观的反映出地下水主要离子的控制因素的半对数坐标图[14]。纵坐标为TDS的对数坐标,横坐标为阳离子Na+/(Na++Ca2+)质量浓度(mg/L)或阴离子Cl-/(Cl-+HCO-3)质量浓度的比值。主要分为3个区域,分别为蒸发结晶作用控制区,岩石风化作用控制区和大气降水作用控制区。

3.3 离子含量比

离子含量比作为盐分淋溶与积累强度的标志,通常用来反映地下水在水平方向上的变化特点。如ρ(Na+)/ρ(Cl-)接近1,则表明地下水中的Na+和Cl-受岩石风化作用控制,Na+和Cl-几乎全部来自岩盐溶解[15]。

4 结果与分析

涞源研究区地下水主要离子如表1所示。

表1 涞源水化学特征统计Table 1 Laiyuan water chemical characteristics statistic

由表可知地下水pH为中性或弱碱性,TDS大部分分布在300~500 mg/L之间,GW-1龙门村地热水样点TDS值为1 030 mg/L。泉水的出露地区存在松散沉积物,由于交替吸附作用,泉水的Na+均值大于机井水,Ca2++Mg2+均值小于机井水。

5 讨论

5.1 水化学类型

水样阴离子含量大体上HCO-3＞SO24-＞Cl-＞NO-3,阳离子中Ca2+与Mg2+含量相当,且两离子含量之和超过80%。涞源区域水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型或HCO3-Mg·Ca型,特殊的W-1上庄村机井水样点水化学类型为HCO3·SO4-Mg·Ca,W-18古道村为HCO3·SO4-Ca·Mg,GW-1龙门村为SO4·Cl-Na。

5.2 物质来源及岩石风化

Gibbs图如图4所示。区内水样点TDS值分落于226~604 mg/L之间,阳离子浓度比值小于 0.4,阴离子浓度比值小于 0.2, 泉水和机井水水样远离蒸发结晶作用控制和大气降水控制区域,分布在岩石风化控制区域内,表明该区主要离子组分受岩石风化作用控制,主要来源于岩石的风化溶解。特殊的,GW-1龙门村地热井水样点TDS为1 030 mg/L,阳离子质量浓度比值处在0.9~1.0之间,阴离子质量浓度比值处在0.6~0.7之间。

5.3 矿物的溶解

研究区内主要离子比值关系见图5。meq·L-1为单位,表示毫克当量每升。地下水中水化学组分的来源与地下水径流路径、水岩相互作用有密切的关系[16,17]。从 图5(a)中 可 以 看 出,ρ(Na+)/ρ(Cl-)的值分布在1的上下侧,最大值为7.8,最小为0(部分水样Na+含量过低,甚至低于检出限),表明研究区大部分地下水中Na+存在缺失或者缺少状况。S-1谷家庄泉水水样点Na+含量远超其余水样点,谷家庄出露大量的松散沉积物[18],泉水与沉积黏土矿物等接触,Ca2+与Mg2+被吸附并释放出Na+,交替吸附作用增加了泉水的Na+含量。GW-1龙门村地热水样点Cl-含量远超其余水样点。19个水样点ρ(Na+)/ρ(Cl-)的值低于1,表明Na+含量低于Cl-,分析其原因,研究区岩性中存在大量的白云岩以及灰岩等,白云岩和灰岩饱和致使地下水中的Mg2+及Ca2+置换出Na+,使地下水中Na+含量偏低,甚至低于检出限。

图5(b)中,各水样点Mg2++Ca2+的总和含量全部多于HCO-3,表明Mg2+及Ca2+的产生除了白云岩的溶解外,还存在其他岩性的溶解。研究区中存在大量以方解石为主要成分的灰岩。方解石主要成分为CaCO3,其水解为地下水提供了更多的Ca2+,其水解反应为:

CaCO3的水解同样会产生HCO-3,但HCO-3自身的水解会使其在地下水中的含量减少,最终结果为ρ(Mg2++Ca2+)＞ρ(HCO-3)。

ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)与ρ(Na+)/ρ(Ca2+)的值通常用来表述区分地下水溶质的大致来源,ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)及ρ(Na+)/ρ(Ca2+)的值若相对较低,则表示地下水以方解石溶解作用为主,若地下水具有较低的ρ(Na+)/ρ(Ca2+)值以及较高的ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)值,则表示地下水以白云岩的风化溶解作用为主[19]。如图5(c)所示,研究区水样点普遍具有较高的ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)值以及较低的ρ(Na+)/ρ(Ca2+)值,且除GW-1龙门村地热井外,其余全部在1∶1线之上,表明地下水中白云岩的风化溶解多于灰岩(方解石)。

研究区地下水阳离子主要成分为Mg2+和Ca2+,阴离子主要成分为SO24-和HCO-3,两类离子呈现较好的线性关系,其中SO24-来源于研究区的硬石膏[20],如图5(d),几乎所有地下水水样点都处在1∶1线上侧,且接近1∶1线。表明Mg2+及Ca2+的含量略多于SO24-和HCO-3,原因由于白云岩及灰岩中的Mg2+和Ca2+置换出部分Na+,致使地下水中两种阳离子含量偏高,过量的Mg2+、Ca2+被Cl-以及SO24-中和。

5.4 人类活动影响

研究区地下水中存在以NH4+、NO2-和NO-3形式的氮元素。NO-3等氮元素的存在与人类生产生活活动有关[21]。研究区地下水氮元素浓度(单位为mg/L)分布图如下所示。

深层地热井水化学成因与浅层地下水或泉水成因不尽相同,氮元素浓度分布图由图6(a)和图6(b)组成,图6(a)为包含GW-1地热井的氮元素浓度等值线图,图6(b)不包含。两图对比可知,GW-1龙门村点附近两图区别较大。由于以NO-3为主的氮元素主要与人的生产生活有关,且主要存在于浅层水中,在人口聚集区W-14北石佛为代表的涞源盆地地区,氮元素含量超过其他区域,而深层GW-1地热井的氮元素含量仅为0.03 mg/L。

6 结论

(1)研究区地下水为弱碱性,TDS处在300~500 mg/L之间,适宜作为生活饮用水。

(2)研究区地下水主要离子为Mg2+、Ca2+、HCO-3、SO24-,水化学类型普遍为HCO3-Ca·Mg或HCO3-Mg·Ca型。

(3)该区主要离子组分受岩石风化作用控制,主要来源于岩石的风化溶解,区域内的白云岩、灰岩及硬石膏为Ca2+、Mg2+和SO24-、HCO-3的岩盐淋滤提供了物质条件。

(4)研究区白云岩和灰岩的饱和致使地下水中的Mg2+及Ca2+置换出Na+,使地下水中Na+含量偏低,甚至低于检出限;研究区灰岩中的方解石水解为地下水提供了更多的Ca2+,最终结果为ρ(Mg2++Ca2+)＞ρ(HCO-3);较高 的ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)值以及较低的ρ(Na+)/ρ(Ca2+)值,表明地下水中白云岩的风化溶解多于灰岩(方解石);由于白云岩及灰岩中的Mg2+和Ca2+置换出部分Na+,致使地下水中Mg2+、Ca2+含量偏高,且SO24-则来自研究区的硬石膏溶解,过量的Mg2+、Ca2+被Cl-以及SO24-中和。

(5)氮元素主要集中在以W-14北石佛为代表的涞源盆地人口聚集区,且主要处在浅层水,深层地热水中的氮元素与古生物等其他因素有关。