保定市一亩泉漏斗区地下水水化学特征演变及驱动机制解析

魏世博,韩金辉,毕俊杰,张福存,徐蓉桢

1)中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北保定, 071051;2)河北省地质环境监测院,石家庄, 050021; 3)河北省地矿局第五地质大队,河北唐山, 063000

内容提要:笔者等在对比分析一亩泉漏斗区地下水开采前—开采中—压采全过程地下水水化学特征基础上,综合利用数理统计分析、离子比例分析、水文地球化学模拟技术,揭示了漏斗区地下水水化学特征演化规律,解析了水化学特征演变驱动机制。结果表明,研究区地下水水化学特征演化表现出阶段性,在开采初期至压采初期,水化学类型、TDS、总硬度保持稳定,水化学类型以HC—Ca2+·Mg2+型为主;在漏斗恢复期地下水水化学类型种类增多,TDS和总硬度显著增大,表现出向盐化和硬化方向演化趋势;1960～2010年研究区地下水水化学成分主要受脱白云石化作用、阳离子交换作用控制,呈自然演化规律;2010年以后,在漏斗恢复背景下,包气带中水岩相互作用过程加剧,地下水水化学演变受溶滤作用和离子交换作用控制,人类活动对地下水水化学特征的影响逐渐显现。研究结果可为漏斗区地下水保护与修复提供科学依据。

地下水是一种不可或缺的自然资源,是生活、农业、工业和生态需要的重要水源,特别是在干旱、半干旱地区(Madan Kumar Jha et al., 2020)。地下水集中供水水源地在保障城镇居民日常生活方面起着重要作用,由于长期高强度集中开采其地下水,形成地下水降落漏斗。近年来随着地下水超采综合治理工作持续深入,一些地下水降落漏斗逐渐缩小,地下水循环条件发生明显改变。地下水系统演化由自然演化阶段进入人为干扰因素叠加的演化阶段,地下水环境发生显著变化(张宗祜等,1997)。地下水水化学特征及其形成过程是了解地下水系统演化规律的关键(Chen Jie et al., 2020)。通常地下水水化学组分主要受大气降水、蒸发、水岩相互作用控制,然而伴随着地下水长期高强度开采和人类污染活动,地下水水化学特征发生变化,改变或加快了水文地球化学演化过程。因此,对比研究自然演化和人类活动双重影响下地下水降落漏斗区开采前—开采中—压采后地下水水化学特征及形成机制,有助于探究地下水开采、压采过程中地下水环境演变的驱动机制,对地下水资源保护与可持续利用及地下水超采综合治理工作的科学推进至关重要。

保定市一亩泉地下水水源地是保定市重要供水水源,自1960年以来,由于长期高强度开采地下水形成了区域地下水降落漏斗。近年来随着地下水超采综合治理措施的实施,漏斗区水位显著上升,地下水水位降落漏斗区水动力场的变化特征及漏斗修复技术引发学者们广泛关注和讨论(李彦,2018;杨会峰等,2021),漏斗区水位—水量双控引起相关部门高度重视(王晓玮等,2020;孙晋炜等,2021)。然而,与之伴随的长期开采—压采过程中漏斗区水化学场变化规律、水文地球化学过程及水化学演化方向尚不明晰,制约着地下水保护与利用。

本研究拟利用数理统计、离子比例分析技术对比分析一亩泉水源地地下水开采前—开采中—压采后全过程地下水水化学特征和不同阶段水化学特征的异、同性。以水文地质条件及人类活动特征分析为基础,利用水文地球化学模拟技术,定量解析其全过程水文地球化学演化规律及驱动机制,为地下水保护利用提供科学指导。

1 研究区概况

研究区位于太行山北段东麓由漕河、界河冲洪积扇和冲积平原组成的山前倾斜平原,行政区划包括河北省保定市满城区、竞秀区、顺平县部分区域,研究区范围与一亩泉水源地准保护区一致,属于一亩泉地下水降落漏斗核心区域(图1)。研究区地势自西向东逐渐降低,西部为太行山东麓低山丘陵,东部为冲洪积平原。本区属温带大陆性气候,年均气温12℃,年均降水量576.88mm。水系主要有漕河、界河、一亩泉河,近年来由于上游水库放水,漕河、一亩泉河生态环境逐渐复苏,界河上游河水在出山前全部入渗,平原区河道仍为干涸状态。

随着经济社会发展,研究区生活污水和工业废水排放量逐年增加。研究区北部大册营镇一带分布大量造纸企业,20世纪90年代由于几十座小纸厂和新生化工厂污水排入,漕河方上桥以下地表水为五类,属重度污染(康景文等,1997)。

根据研究区第四系地层沉积规律、含水层富水性,将第四系含水层划分为4个含水层组。第一含水层组底界埋深10～40 m,含水层总厚度小于5 m,含水层岩性以砂卵石、中细砂为主,靠近山前地带大部分已被疏干;第二含水层组底界埋深60～130 m,含水层总厚度20～40 m,以砂卵石、中粗砂为主,富水性好;第三含水层组底界埋深150～280 m,含水层总厚度10～30 m,以砂卵石、中粗砂为主;第四含水层组底界埋深340～420 m,含水层总厚度30～50 m,以中粗砂、含砾粗砂为主。目前第一、第二含水层组是工、农业主要开采层,也是一亩泉水源地开采层位,大量的开采井将两个含水层组贯通,二者水力联系密切;在研究区东部分布少量开采第三含水层组地下水的农村集中供水井,第四含水层组因富水性差尚未被开采。本研究收集的水样及本次所取水样均取自第一、第二含水层组。水文地质结构见图2。

图2 保定市一亩泉漏斗区水文地质结构剖面图Fig.2 Hydrogeological structure profile map of Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City

研究区地下水主要接受降雨入渗补给、界河潜流补给、山区侧向径流补给、漕河渗漏补给,目前地下水总体由西北向东南径流。

2 材料与方法

2.1 样品采集与分析

收集河北省地质环境监测院1960年在研究区所取地下水样品22组,用以分析开采前地下水水化学特征。2010年6月采集研究区地下水样品27组,采样过程同2021年10月,2010年处于漏斗发展期向漏斗恢复期过渡阶段,可近似代表漏斗发展期地下水水化学特征。两期取样点井深均为80～110 m。

2.2 研究方法

3 结果和分析

3.1 地下水水化学特征时空演变

图3 保定市一亩泉漏斗区不同时期地下水piper三线图Fig.3 Piper trigraph of groundwater hydrochemistry in different periods in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City

图4 保定市一亩泉水源地开采量及漏斗中心某观测孔地下水埋深变化Fig.4 Variation of the amount of groundwater mining in Yimu Spring water source, Baoding City, and the groundwater level depth in the center of the Yimu Spring groundwater funnel area

图5 保定市一亩泉水源地不同时期地下水TDS、总硬度变化Fig.5 Variation of total dissolved solids and hardness of groundwater in Yimu Spring water source, Baoding City, in different periods

图6 保定市一亩泉漏斗区不同时期地下水水化学类型分布Fig.6 Map of groundwater hydrochemical types in different periods in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City

上述漏斗区地下水水化学特征演变规律表明,漏斗区地下水水化学演变表现出阶段性,漏斗发展期水化学特征保持稳定;在漏斗恢复期,漏斗核心区地下水表现出明显的向盐化、硬化方向演变趋势。

3.2 地下水水化学特征形成机制演变过程解析

地下水水化学成分受含水介质、地下水循环条件及人类活动影响,离子比例分析可以有效识别地下水中可溶组分的物质来源(于开宁等,2022)。

γ(Na+)/γ(Cl-)比值通常被用来判别Na+与Cl-是否同源(魏善明等,2022),若γ(Na+)/γ(Cl-)比值接近于1,表明二者来源于岩盐的溶解,若比值大于1,表明Na+除了岩盐的贡献,还有硅酸盐矿物钠长石的溶解(李晓波等,2022),若比值小于1,则表明Cl-有他源输入或者存在离子交换作用。如图7a所示,三个时期地下水点大部分落在1∶1线附近,表明地下水中的Na+与Cl-主要来自岩盐的溶解;1960年少量水点落在1∶1线上方,表明有钠长石溶解作用的贡献;2010与2021年部分水点显现出低钠高氯的特征,表明可能存在反向阳离子交换作用。

图7 保定市一亩泉漏斗区不同时期地下水中主要离子比例关系Fig.7 Relationship between the major ion in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City, in different periods

γCa2+/γMg2+比值反映钙、镁来源,若比值为1,表明主要来源于白云石,比值在1～2之间,表明还有方解石的溶解,比值大于2,则主要是硅酸盐的溶解(Mayo et al., 1995)。图7c显示绝大部分点在1～2之间分布,钙镁主要来源于碳酸盐岩的溶解。且随着时间的推移,钙、镁离子浓度呈不断增加的趋势。

3.3 地下水水化学特征演变驱动机制

3.3.1地下水水化学特征变异归因分析

图9 保定市一亩泉漏斗区2010年、2021年地下水ρ(Cl-) — ρ(N )关系Fig.9 Relationship of the ρ(Cl-) and ρ(N ) in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City, in 2010 and 2021

图10 保定市一亩泉漏斗区2010年、2021年地下水ρ(Cl- )分布Fig.10 Cl- mass concentration distribution in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City, in 2010 and 2021

图12 保定市一亩泉漏斗区2021年地下水关系Fig.12 Relationship of the and [γ(Ca2+)+γ(Mg2+) ] in 2021

3.3.2地下水水化学特征演变驱动机制定量解析

通过污染源分布状况调查及漏斗区水位变化趋势分析,发现漏斗恢复期地下水水化学特征演变的主要驱动力是人类活动排放的污染物在包气带不断富集及地下水水位上升。地下水水位上升后与包气带中的矿物/污染物发生溶滤作用及离子交换作用,导致地下水水化学特征发生变异,这种变异受研究区20 m深度以浅地层以黏性土为主的岩性特征、地下水水位上升、污染物排放特征综合影响。

为定量分析漏斗恢复期地下水水化学特征面状变异的机制,在漏斗区地下水动力场演变及上述离子比例定量分析基础上,概化出漏斗核心区地下水水化学特征变异的定量模拟过程,如图13所示。在漏斗发展期,漏斗区地下水各项离子组分保持稳定状态,由模拟路径起点到终点,地下水主要与含水层矿物之间存在水岩相互作用;在漏斗恢复期,2010～2021年漏斗核心区水位上升20 m左右,大部分包气带变为饱和带,由模拟路径起点到终点,地下水既与含水层矿物,同时也在地下水水位上升过程中与包气带中的矿物之间发生一系列水岩相互作用。漏斗发展期地下水与含水层中矿物发生的水岩相互作用可通过1960年、2010年两期取样数据计算,漏斗恢复期地下水与包气带中矿物发生的水岩相互作用过程可通过漏斗核心区同一取样点2010年和2021年测试数据模拟计算,其中2010年数据为模拟路径起点,2021年数据为模拟路径终点。

图13 保定市一亩泉漏斗区地下水水化学特征演变过程模拟思路概化图Fig.13 Generalized diagram of simulation ideas for the evolution process of groundwater hydrochemical in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City

笔者等选用PHREEQC软件进行水文地球化学反向模拟,定量解析水岩相互作用过程中矿物相的转化(余倩等,2013;郭清海等,2014)。研究区含水层岩性以砂卵石为主,卵石成分为灰岩、白云岩,含水层主要矿物为方解石、白云石、石膏,因此选取方解石、白云石、石膏、岩盐和二氧化碳作为可能矿物相,此外研究区含水层夹多层粉质黏土,还需考虑阳离子交换作用。模型的不确定度采用PHREEQC软件默认值5%(吴艳飞等,2022)。从漏斗区三期地下水中主要矿物的饱和指数平均值可以发现,见图14,研究区地下水中岩盐、石膏和CO2的饱和指数小于0,处于不饱和状态,在地下水中会继续溶解;而白云石和方解石的饱和指数大于0,处于饱和状态,在地下水中有沉淀趋势。且从1960年～2021年,各矿物饱和指数均不断增加,表明各矿物在地下水径流方向主要发生了微量的矿物溶解作用,在中均有向饱和状态发展的趋势。

图14 保定市一亩泉漏斗区地下水中主要矿物不同时期的饱和指数平均值Fig.14 Average saturation index of major minerals in Yimu Spring groundwater funnel area, Baoding City, in different periods

从1960年和2010年两期地下水取样点中分别选择一条模拟路径,进行水文地球化学反向模拟,模拟路径位置见图1。模拟结果显示这两期地下水沿960年地下水中发生正向阳离子交换作用,交换量为6.12×10-6mol/L,2010年地下水中发生反向阳离子交换作用,交换量为2.28×10-5mol/L,该模拟结果与离子比例分析结果一致。从主要矿物的转移量可以看出1960～2010年地下水水化学特征及演变过程处于稳定状态,与离子比例分析结果一致。

利用漏斗核心区同一取样点2010年、2021年测试数据,模拟水位回升阶段地下水中发生的水岩相互作用,选取的取样点位置见图1。从表2可以看出,水位恢复阶段岩盐、钾盐、石膏和CO2的饱和指数小于0,表明这个过程中岩盐、钾盐、石膏和CO2为不断溶解状态,饱和指数逐渐增大表明有向饱和状态发展的趋势;而方解石和白云石的饱和指数均大于0,表明二者处于饱和状态。由表3可以看出,水位恢复阶段地下水中主要发生了岩盐、石膏、白云石的溶解,方解石的沉淀以及反向阳离子交换作用;白云石溶解状态与其饱和指数不符,这是由于发生了脱白云石化作用,白云石随着石膏的溶解而溶解,而方解石沉淀;漏斗区水位恢复阶段矿物转移量较1960年和2010年明显增大,尤其是岩盐的溶解量,由图13可以看出不同时期的岩盐均未饱和,地层中的岩盐在1960年就应全部溶解,岩盐溶解量在水位恢复阶段显著增大表明存在外源输入,地下水位上升后与之发生溶解反应。

表3 漏斗区不同阶段地下水反向模拟结果Table 3 Results ofhydrogeochemical reverse simulation in different periods

4 结论

笔者等对60年来保定市一亩泉漏斗区地下水水化学演变特征及其驱动机制进行系统解析,结论如下:

(2)漏斗发展期地下水水化学特征主要受脱白云石化作用、阳离子交换作用控制,呈自然演化规律;漏斗恢复期,地下水水化学演变受溶滤作用和离子交换作用控制,人类活动对地下水水化学特征的影响逐渐显现,水文地球化学模拟结果表明地下水中主要发生了岩盐、石膏、白云石的溶解,方解石的沉淀以及反向阳离子交换作用。

(3)随着地下水超采综合治理持续深入和受近年来降水量偏大影响,研究区地下水位将持续大幅回升,其对地下水水化学特征的影响有待进一步研究。