崔 迪， 董紹勤， 李政葵， 馮海波， 劉曉波

(1.包頭市國土資源局，內蒙古 包頭市014010;2.內蒙古大學 環(huán)境與資源學院，內蒙古 呼和浩特市010021;3.招金有色礦業(yè)有限公司，山東省 招遠市265400)

地下水流動是一個復雜多元的物理化學演變過程，在徑流過程中，地下水不斷與周圍介質發(fā)生著水巖相互作用，使地下水的化學成分不斷發(fā)生變化.通過研究地下水化學成分及其在時間和空間上的演變，可以探尋地下水的賦存環(huán)境、徑流途徑及物質能量交換等重要信息，從而揭示地下水的水化學特征和演化規(guī)律［1-3］. 很多學者都從各自的角度對不同地區(qū)的地下水水化學和演化機理進行了分析和論證，取得了很多重要成果和進展［4-7］. 其中，李向全等［8］通過應用水化學統(tǒng)計方法及水文地球化學模擬技術研究了太原盆地地下水水化學類型及其空間分布特征，分析了該盆地地下水水化學組分的形成演化機制.任增平等［9］對達拉特旗平原區(qū)地下水水化學平面分布特征及其形成機制進行了詳細的研究.郭占榮等［10］研究了三屯河流域平原地下水系統(tǒng)中主要離子、TDS 和水化學類型空間分布特征及其時間上的演化規(guī)律［1］.

近年來，偃師市城市化的迅速發(fā)展，對水資源的需求量急劇上升，使得地下水被過度的開采，從而導致了一定的環(huán)境地質問題，對當地地下水的可持續(xù)利用帶來了威脅. 以往對于偃師市地下水的研究內容較少，主要是針對地下水的質量現(xiàn)狀和監(jiān)測方法進行一定的分析和探討［11-12］，對整個地下水系統(tǒng)的空間分布特征和演化規(guī)律沒有一個充分的理解和認識.因此，研究地下水水化學特征及其演化機制，對于探討偃師市地下水資源的合理開發(fā)和利用具有重要的意義.

1 自然地理

偃師市位于河南省中西部，洛陽盆地東側;區(qū)內主要河流為伊河、洛河以及其它

季節(jié)性河流. 整個區(qū)域地下水分布不均，北部丘陵地區(qū)孔隙發(fā)育，巖性滲透性能較差;中部平原區(qū)地形坡度較小，地下水埋深淺，富水性強;南部主要為中低山，侵蝕切割強烈，水資源匱乏. 偃師市地處暖溫帶地區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風氣候. 據偃師市氣象局資料，多年平均氣溫14.2 ℃，多年平均降水量524.1 mm，降水多集中在7、8、9 三個月，占年降水量的一半，多年平均蒸發(fā)量1451.7 mm(見圖1).

圖1 偃師市平均氣象要素Fig.1 Average meteorological elements in Yanshi City

2 研究區(qū)地質及水文地質概況

偃師市地處嵩山北坡，地形南北高中間低，域內地貌類型復雜多樣. 北部及西部邙山丘陵區(qū)主要為黃土臺塬，孔隙發(fā)育強烈，普遍存在黃土孔隙、孔洞、裂隙等;整個丘陵地形坡度較大，地下水的補給、儲存能力較差. 南部萬安山一線為中低山，山體主要由太古宇、元古界變質巖、巖漿巖及古生界碳酸鹽巖組成;山頂及山脊平緩，溝谷發(fā)育，背斜軸部縱張斷裂，抗風化能力差，由于強烈的剝蝕作用，山體破碎，水資源貧乏. 中部地區(qū)南北分別為山前傾斜平原和河谷平原. 山前傾斜平原由南向北傾斜，南部較陡，組成物質為中、上更新統(tǒng)洪積含礫黃土狀粉質粘土(北部)、含礫粉質粘土(南部)及卵礫石層，上更新統(tǒng)洪積層覆蓋于洪積傾斜平原的中前部，前緣多有地下水溢出帶. 河谷平原分布于洛河、伊河沿岸一帶，主要為第四系沖積、洪積及湖積物，下伏以卵石層為主的含水層、厚度較大，結構疏松，分選磨園及滲透性能較好，埋藏有豐富的孔隙潛水.

3 偃師市淺層地下水化學特征及空間分布規(guī)律

3.1 淺層地下水成分統(tǒng)計分析

該次研究在偃師市共采集潛水樣品32 件，分別對鉀、鈣、鎂、鈉等主要離子和總溶解固體、氟化物、氮化物等濃度指標進行了測定. 通過對整個偃師市地下水成分進行分析，可知研究區(qū)淺層地下水的總硬度在172 ～749 mg/L 之間，平均值達到358.47 mg/L;局部地區(qū)總硬度已超過現(xiàn)行生活飲用標準，主要分布在工業(yè)發(fā)展較快、人口密度大的伊洛河平原地區(qū). 其它如氟化物和氯化物的濃度分別為0.02 ～0.72 mg/L 和15.95 ～125.85 mg/L之間，平均濃度分別為0.37 mg/L 和41.05 mg/L;二者在河谷平原區(qū)伊洛河兩岸的濃度要遠高出西北部邙山丘陵區(qū)和南部中低山地區(qū). 此外，硝態(tài)氮最高值為21.42 mg/L，超出3 類地下水水質標準(GB/T 14848—93)，位于伊洛河下游與鞏義市交界處(見表1).

3.2 淺層地下水化學特征

偃師市北部及西部邙山丘陵區(qū)堆積有幾米到幾十米厚的以風成為主的黃土，其垂直節(jié)理及大孔隙發(fā)育，垂直滲透性能較強. 該區(qū)水化學類型一般為HCO3—Ca·Mg 和SO4·HCO3—Ca·Na 型，TDS＜1 g /L.

南部中低山丘陵地區(qū)，地形坡度大，溝谷發(fā)育，切割強烈.該區(qū)巖層含水性較差，不利于地下水補給、儲存，有利于地表水、地下水的徑流及排泄. 水化學類型主要包括:HCO3—Ca·Na 和HCO3·SO4—Ca·Mg 型，該類型水HCO3-含量較高，優(yōu)勢離子為Ca2+和，TDS 在300 ～600 mg/L 之間.

伊洛河沖積平原區(qū)的地形相對較低，是地表水和地下水的匯集場所. 在洛河、伊河的漫灘區(qū)、一二級階地區(qū)，松散堆積物主要為第四系沖積、洪積及湖積物.巖性一般為粉質粘土、粉土、砂及卵石互層的雙層結構，表層多為粉土和粉質粘土;由于地形坡度小，地下水位埋藏較淺，地表水及地下水徑流滯緩，有利于大氣降水入滲補給. 水化學類型主要包括:HCO3—Ca·Mg、HCO3·SO4—Mg 及HCO3·SO4—Ca 型，TDS ＜1 g /L. 整個平原區(qū)地下水主要由大氣降水、河流水、邊山巖溶水、裂隙水補給.

地下水水化學場特征受到多種因素的影響，包括盆地周邊基巖地下水的補給混合(巖溶水、裂隙水)、循環(huán)交替條件強弱和人類活動污染等［13-15］.綜合分析研究區(qū)地下水的各化學指標空間分布特點，可以看出其存在的一些規(guī)律:

(1)偃師市地地下水水化學場具有一定的分帶特性. 在沿著補給—徑流—排泄的方向上，地下水接受邊山巖溶水和碎屑巖裂隙水的補給，地下水的質量濃度逐漸升高;從補給區(qū)到排泄區(qū)，地下水水化學類型主要由SO4·Cl—Mg 型水向HCO3—Ca·Na、HCO3·SO4—Ca·Na 型水演化，這一演化規(guī)律反映了地下水在補給—徑流—排泄上的循環(huán)交替變化過程.

(2)研究區(qū)地下水中TDS 與Mg2+、Ca2+、質量濃度的分布規(guī)律較為趨同，主要表現(xiàn)為伊洛河平原地區(qū)濃度較高，南北兩側的丘陵地帶濃度較低. 最高值區(qū)出現(xiàn)在岳灘及伊河和洛河交匯地帶，TDS 在800 mg/L 以上，Mg2+、Ca2+、及Cl-也分別在這兩個區(qū)域達到最高值(見圖2).

(3)pH 值呈現(xiàn)西北高東南低的變化規(guī)律.偃師市北部的邙山丘陵地區(qū)地下水的pH 值大都在7.5以上，而在偏東南的河谷平原及山前傾斜平原地帶的pH 低于7.3. CODMn 呈現(xiàn)出南北低中間高的分布特征，其最高濃度為2.16 mg/L，處于伊河及洛河兩岸工農業(yè)較為發(fā)達地區(qū)(見圖2).

圖2 偃師市地下水主要水化學指標空間分布圖(mg /L)Fig.2 Spatial distribution of the major hydrochemical indexes of groundwater in Yanshi City (mg/L)

4 研究區(qū)淺層地下水主要化學指標相關性分析

為了深入分析偃師市地下水化學特征及演化機制，對其地下水主要離子濃度變化進行相關分析.根據地下水主要離子成分的相關分析圖(見圖3)，與TDS 指標相關性較好的陽離子成分有:Mg2+質量濃度與TDS 的相關性最好，相關系數達0.880 9;其次為Ca2+，相關系數為0.800 8;Na+相關性最小，為0.638 6與TDS 指標相關性較好的陰離子成分有的質量濃度與TDS 的相關系最好，相關系數為0.765 9;然后依次為Cl－和，相關系數分別為0.724 2 和0.622 1.相關分析都表現(xiàn)出隨這些主要離子成分濃度升高TDS 值增大的變化規(guī)律.可以發(fā)現(xiàn)，偃師市地下水在演化過程中，總溶解固體增加主要與Mg 、Ca 、SO4、Cl離子成分增加有關.

圖3 偃師市地地下水中質量濃度與TDS 相關分析圖Fig.3 Correlation analysis chart of and TDS of groundwater in Yanshi City

5 結 論

通過應用水化學統(tǒng)計及離子相關分析方法，對偃師市地下水的水化學特征和整個區(qū)域演化機理進行了分析和探討，主要得出以下結論:

(1)研究區(qū)淺層地下水的總硬度在172 ～749 mg/L 之間，平均值達到358.47 mg/L;局部地區(qū)總硬度已超過現(xiàn)行生活飲用標準. 硝態(tài)氮濃度最高值為21.42 mg/L，分布在伊洛河下游與鞏義市交界處.CODMn 呈現(xiàn)出南北低中間高的分布特征，主要集中在伊河及洛河兩岸工農業(yè)較為發(fā)達地區(qū).

(2)偃師市地地下水水化學場具有一定的分帶特性. 在沿著補給—徑流—排泄的方向上，地下水接受河流水、邊山巖溶水及碎屑巖裂隙水的補給，地下水的水化學類型主要由SO4·Cl—Mg 型水向HCO3—Ca·Na、HCO3·SO4—Ca·Na 型水演化.

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