西部生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)地下水水化學特征分析

仵拔云 卞惠瑛 彭捷 向茂西 李文莉

摘要：為了評價榆神礦區(qū)和神府礦區(qū)地下水水化學特征與演化規(guī)律，在研究區(qū)采集了53組地下水樣品并進行檢測，通過計算陰陽離子貢獻率、不同離子的相關(guān)系數(shù)、Na+與Cl-毫克當量比值，繪制不同含水層地下水Piper三線圖、Gibbs分布圖，分析了地下水離子特征和水化學特征。分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地下水均為弱堿性水;受蒸發(fā)作用影響，溶解度較小的Ca“相繼析出，是地下水離子貢獻率最高的陽離子;馬蘭黃土地下水的TDS含量最低，沖洪積含水層地下水TDS含量最高;總硬度從風沙灘地向黃土區(qū)逐漸增高;Ca2+、S02-與TDS呈極高相關(guān)性;地下水化學特征主要受水一巖作用控制，風沙灘地區(qū)地下水以HCO，類水為主，黃土梁峁區(qū)為HC03.S04類水。

關(guān)鍵詞：地下水;水化學特征;含水層;離子貢獻率;榆神府礦區(qū)

中圖分類號：X523

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.01. 015

榆神礦區(qū)和神府礦區(qū)（簡稱榆神府礦區(qū)）是我國重要的煤炭開采區(qū)和能源基地，地處鄂爾多斯盆地中北部，毛烏素沙地和陜北黃土高原接壤地帶，東西橫跨榆林市榆陽區(qū)、神木縣和府谷縣，區(qū)內(nèi)侏羅系煤層資源豐富，賦存穩(wěn)定。20世紀80年代以來，區(qū)內(nèi)煤礦、洗煤廠、火力發(fā)電廠等能源工廠迅速發(fā)展，在推動當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的同時，帶來了如地表水、地下水、土壤質(zhì)量下降等諸多環(huán)境地質(zhì)問題，是我國西部生態(tài)脆弱區(qū)。

馬雄德等[1-2]研究發(fā)現(xiàn)，榆神府礦區(qū)水體和濕地面積在1990-2011年呈持續(xù)下降趨勢，煤炭開采引起水資源量減少、水體污染嚴重、水環(huán)境惡化等問題;范立民等[3-6]研究表明，西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤、水矛盾突出，煤炭開發(fā)的水資源保護問題突出：蔣澤泉[7]研究發(fā)現(xiàn)，神府礦區(qū)地下水因煤炭開采遭到一定程度污染，煤炭集中開采區(qū)污染更明顯：武強等[8]研究了神府東勝礦區(qū)水環(huán)境問題，提出了采煤對水環(huán)境污染的防控措施：孫愷等[9]通過分析1981年和2012年神府礦區(qū)地下水數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，神府礦區(qū)地下水水質(zhì)變差，且水質(zhì)超標點分布與工礦企業(yè)污染源分布具有較好的對應(yīng)關(guān)系。在陜北風沙灘地區(qū)，淺層地下水“三氮”、鐵和錳超標嚴重[10]，在預(yù)防和保護陜北能源化工基地水資源方面，賀帥軍等[11]運用DRASTIC指標疊加法建立了潛水易污性評價指標體系：張茂省等[12]對地下水含水系統(tǒng)進行劃分，利用經(jīng)驗公式和數(shù)值計算法，將陜北能源化工基地采煤區(qū)劃分為非導水區(qū)、無水導水區(qū)、貧水導水區(qū)和富水導水區(qū)，提出了“保水采煤”“水煤共采”“含水層再造”的煤炭近、中、遠期開發(fā)對策。大柳塔地區(qū)有4座設(shè)計生產(chǎn)能力達到1 000萬t/a的煤礦，徐友寧等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)，煤炭開采對當?shù)厮Y源影響較嚴重，河流底泥受到了重金屬元素的累積污染。筆者通過對榆神府礦區(qū)內(nèi)采集到的不同含水層地下水樣品進行水質(zhì)分析，從pH值、TDS、總硬度、主要陰陽離子等方面對區(qū)內(nèi)地下水水化學參數(shù)和分布特征進行分析。

1 研究區(qū)概況

榆神府礦區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，榆陽區(qū)、神木縣和府谷縣多年（2001-2014年）平均降水量分別為420.40、418.52、418.81 mm。區(qū)內(nèi)河流屬黃河水系，主要有烏蘭木倫河、槨牛川、窟野河、禿尾河、榆溪河、孤山川等河流，紅堿淖是區(qū)內(nèi)最大湖泊，水面面積32.16 km2（2013年），平均深度6.68 m，最大深度20.00 m，總蓄水量4億～5億m。

地下水賦存類型有新生界松散巖類孑L隙及孑L隙裂隙水、中生界碎屑巖類裂隙水。第四系全新統(tǒng)風積砂含水層廣泛分布，厚度變化大：沖積層含水層主要分布于河谷和支溝、漫灘和階地區(qū)，富水性中等;薩拉烏蘇組含水層主要分布于風沙灘地和黃土澗地，以粉細砂、中粗砂夾粉質(zhì)黏土為主，富水性由弱到強不等;黃土弱含水層不連續(xù)分布，富水性弱;紅土弱含水層（隔水層）全區(qū)均有分布，但厚度變化大，富水性弱;碎屑巖類風化裂隙潛水含水層富水性受地貌、上覆含水層、風化程度和巖性制約，研究區(qū)中西部富水性弱：白堊系洛河組裂隙承壓含水層分布于榆神府礦區(qū)西北部，巖性為膠結(jié)疏松的中粒砂巖，孔隙裂隙發(fā)育，富水性分布不均：侏羅系安定組裂隙承壓含水層裂隙不發(fā)育，富水性較弱：侏羅系直羅組裂隙承壓含水層厚8.9～190.50m，大型交錯層理發(fā)育，已風化，垂直裂隙發(fā)育，有泉出露：延安組裂隙承壓含水層是各主采煤層的直接充水含水層，巖性以灰白色中細粒砂巖為主，局部存在砂質(zhì)泥巖，榆神礦區(qū)裂隙不發(fā)育，在垂向上，隨深度增加，富水性變?nèi)?，神府礦區(qū)富水性較強：燒變巖含水層厚度11～30 m，巖層破碎，透水性好，補給來源充分，富水性強。

2 采樣與檢測

根據(jù)野外調(diào)查資料，在研究區(qū)采集了39組井水、14組泉水，共53組樣品。其中：風積砂含水層地下水6組，沖洪積含水層地下水5組，薩拉烏蘇組含水層地下水8組，馬蘭黃土含水層地下水3組，紅黏土含水層地下水2組，基巖裂隙含水層地下水4組，砂巖含水層地下水18組，砂質(zhì)泥巖含水層地下水3組，燒變巖含水層地下水4組。

樣品裝瓶前，使用所采樣品反復(fù)沖洗試樣瓶3次以上。每一個采樣點取4件樣品，1件原樣，另外3件樣品分別添加硝酸、氫氧化鈉、乙酸鋅溶液，并密封試樣瓶，24 h內(nèi)送達實驗室并進行檢測。樣品檢測由國土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心和國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室共同完成，樣品采集工作嚴格按照上述實驗室要求完成。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 水化學參數(shù)特征

檢測樣品中，pH值為7.67～ 8.72，呈弱堿性，見表1。其中：馬蘭黃土含水層地下水pH最大值為8.72，平均值為8.58;砂質(zhì)泥巖含水層地下水pH最大值為8.63，最小為8.10，平均值達8.39;薩拉烏蘇組含水層地下水和沖洪積含水層地下水pH平均值分別為7.99、7.88。

通過離子分析發(fā)現(xiàn)，陰離子中，HC03在各含水層含量為211.80～ 364.50 mg/L，S02-在各含水層含量為14.46～ 289.17 mg/L，Cl-在各含水層含量為11.96～117.73 mg/L;陽離子中，各特征離子含量相對較低，Na+在各含水層含量為17.72～ 87.13 mg/L，Ca2+在各含水層含量為45.88～ 146.50 mg/L，Mg2+在各含水層含量為14.32～ 57.08 mg/L。

根據(jù)不同含水層地下水的離子貢獻率（見圖1）分析發(fā)現(xiàn)，在陰離子方面，沖洪積含水層地下水中SO 2-貢獻率最大，占32%，HC03占31%;其他含水層地下水中貢獻率最大的均是HC03，貢獻率超過43%，馬蘭黃土含水層地下水中HC03的貢獻率甚至達到了71%，而SO2-貢獻率僅為20/0。這是馬蘭黃土含水層地下水pH值高、沖洪積含水層地下水pH值低的原因。在陽離子貢獻率方面，基巖裂隙水中Ca2+的貢獻率為9%，略低于Na+ + K+的12010;其他含水層中，Ca2+的貢獻率最大，為13%～ 18%。原因是，研究區(qū)蒸發(fā)量大于降水量，溶解度較小的Ca2+相繼沉積析出，其次為Na+ +K+.Mg2+的貢獻率基本相同。

在空間分布上，Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO2-、HC03含量呈現(xiàn)由西南向東北逐漸增高的趨勢，這與樣品來源的含水層分布有關(guān)：研究區(qū)西南部的樣品主要來源于薩拉烏蘇組含水層和砂質(zhì)泥巖含水層，而東部樣品主要來源于基巖裂隙水和砂巖含水層，裂隙發(fā)育，徑流時間比西南部含水層的長，在融濾作用下表現(xiàn)出離子含量逐步增加的態(tài)勢。

3.2 TDS分布特征

研究區(qū)潛水TDS含量為0.155～ 1.490 g/L，最小值位于神木孫家岔鎮(zhèn)四門溝砂巖含水層，最大值位于大柳塔鎮(zhèn)丁家梁村北側(cè)沖洪積含水層，總的變化趨勢是以禿尾河上游東側(cè)和窟野河上游西側(cè)為中心，向周圍遞增。微咸水（TDS含量為1～3 g/L）主要分布在店塔鎮(zhèn)北側(cè)烏蘭木倫河和科技槨牛川匯合處，大柳塔東北側(cè)以及窟野河上游東側(cè)、孤山川上游西側(cè)的大部分地區(qū)，其余地區(qū)均為淡水（TDS含量小于1g/L）。不同含水層TDS含量有所不同，沖洪積含水層地下水TDS平均值達0.938 g/L，馬蘭黃土含水層地下水TDS平均值僅為0.204 g/L，見表2。

3.3 硬度分布特征

研究區(qū)潛水總硬度為126.61～844.00 mg/L，大保當鎮(zhèn)清水溝村薩拉烏蘇組含水層地下水總硬度最小，三道溝鎮(zhèn)口子村砂巖含水層總硬度最大：空間上總硬度分布總趨勢為由禿尾河上游的風沙灘地向東北和西南方向遞增。軟水（總硬度<150 mg/L）分布在禿尾河上游的風沙灘地，并在西南方向的風沙灘地和沙蓋黃土梁峁區(qū)過渡為微硬水。東北方向，沙蓋黃土梁峁區(qū)到黃土梁峁區(qū)從軟水、微硬水逐漸變?yōu)橛菜O硬水。在沙蓋黃土梁峁區(qū)店塔鎮(zhèn)北側(cè)、大保當鎮(zhèn)東北側(cè)以及黃土丘陵區(qū)潛水以極硬水（>450 mg/L）為主（見圖2）。

從含水層分析發(fā)現(xiàn)，沖洪積含水層地下水總硬度平均值最高，達559.44 mg/L，其次為砂巖、基巖裂隙含水層的，砂質(zhì)泥巖和馬蘭黃土含水層地下水總硬度平均值均為162.00 mg/L，見表3。

3.5 水化學類型分布特征

繪制不同含水層地下水Piper三線圖，見圖3?？梢钥闯?Ca2+、Mg2+離子含量超過Na++K+離子含量，由于研究區(qū)地層中含有碳酸鹽類沉積物和石膏沉積物，因此在溶濾作用和陽離子交替吸附作用下，將Ca2+、Mg2+離子溶解或置換到地下水中;沖洪積和砂巖含水層地下水分布在4區(qū)，顯示強酸大于弱酸;風積砂、薩拉烏蘇組、馬蘭黃土、燒變巖含水層地下水集中分布在5區(qū)，碳酸鹽硬度大于50%，水化學性質(zhì)以堿土金屬和弱酸為主：風積砂和基巖裂隙水由于水的停留時間或者徑流途徑不同，因此分布范圍有一定變化。潛水水化學類型分區(qū)見圖4。研究區(qū)第四系潛水總體上循環(huán)交替積極，風沙灘地分布的地區(qū)基本為HCO，類水，黃土梁峁分布地區(qū)為HCO3.SO4類水。在榆溪河和禿尾河流域，從西北的風沙灘地到東南的沙蓋黃土梁峁區(qū)，地下水徑流通暢，以溶濾作用為主，多以HCO3-Ca（ Ca.Mg）型低礦化度水為主，推測該區(qū)域地下水化學形成以溶濾作用為主：窟野河以東，從沙蓋黃土梁峁區(qū)到黃土梁峁區(qū)，含水介質(zhì)巖性以粉質(zhì)黏土及粉土為主，透水性差，徑流變緩，水化學類型過渡為HC03.S04-Ca.Mg（ Mg.Na）型，局部出現(xiàn)了HCO3.Cl型及HCO3.Cl.SO4型高礦化度水，Cl-的主要來源為工業(yè)及生活污水，說明很可能受到人為污染。

3.6 水化學類型形成機制

為了進一步探討榆神府礦區(qū)水化學形成機制，將研究區(qū)采樣點按不同含水層分類的水化學數(shù)據(jù)導人Gibbs模型，Gibbs[16]以Na+/（Na++Ca2+）、Cl-/（Cl-+HC03）為橫坐標，TDS的對數(shù)為縱坐標，繪制了對數(shù)坐標圖，可以直觀反映出“大氣降水”“水一巖作用”和“蒸發(fā)作用”對水的主要成分控制作用。

各含水層地下水Gibbs分布見圖5。Na+/（Na++Ca2+）大部分比值落在Gibbs圖中部，遠離大氣降水控制端，接近蒸發(fā)一巖化過渡控制端，其中有一組沖洪積含水層地下水和基巖裂隙水地下水的Na+/（Na++Ca2+）落在Gibbs范圍之外，而這兩個采樣點位于神木孫家岔鎮(zhèn)，可能受到人為干擾。Cl-/（Cl- +HC03）較小，除了1組沖洪積含水層地下水落在Gibbs范圍之外，其他點均在水一巖控制端，且Cl-/（Cl- +HC03）隨TDS含量的增大稍微增大。

由此可知，研究區(qū)地下水水化學特征主要受水一巖作用控制。區(qū)內(nèi)薩拉烏蘇組地下水主要接受降水補給，其他含水層地下水接受降水補給和其他含水層地下水的側(cè)向補給，且各含水層裂隙發(fā)育，在水巖交互作用下，離子濃度相對較高，對水化學類型的形成有較大影響。

γNa/γC1系數(shù)是分析地下水Na+富集程度的一個重要參數(shù)[17]，可以識別干旱半干旱地區(qū)鹽化機理，原因是在原始狀態(tài)下.Na+和Cl-主要來源于巖鹽溶解，其比值在y=x直線左右[18]。研究區(qū)地下水中Na+和Cl-的毫克當量比值見圖6，絕大部分樣品位于y=x直線上方，僅有個別點位于y=x直線下方，說明研究區(qū)地下水的離子特征基本沒有受到外部影響，主要是地層中石英、長石的溶解形成的。有部分樣品落在原點附近，說明受到連續(xù)的溶解作用，且離子交換作用不明顯，而偏離y=x直線的地下水其受離子交換作用影響顯著。

4 結(jié)論

研究區(qū)地下水均為弱堿性水，馬蘭黃土含水層地下水平均pH值最大（8.58），其HC03的貢獻率達到了71%;沖洪積含水層地下水平均pH值最小（7.88），其SO2-和HC03的貢獻率相當，分別為32%和31%。榆神府礦區(qū)不同含水層地下水中陰離子SO2-、HC03含量最高，陽離子Ca2+的貢獻率最大，且各參數(shù)之間呈正相關(guān)性，Na+、Mg2+、K+、Ca2+具有相同的物質(zhì)來源。研究區(qū)地下水TDS含量以禿尾河上游東側(cè)和窟野河上游西側(cè)為中心，向周圍遞增：禿尾河上游的風沙灘地總硬度最低，并向東北和西南方向遞增;沙蓋黃土梁峁區(qū)、黃土丘陵區(qū)地下水總硬度普遍大于450 mg/L。研究區(qū)地下水水化學特征主要受水一巖作用控制，砂巖、基巖裂隙水的溶解作用、離子交換作用顯著，基本上沒有受到外界人為活動干擾。東部地下水化學類型以HC03.SO4-Ca.Mg（ Mg.Na）為主，西部地下水化學類型以HC03-Ca（Ca.Mg）為主。

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