西峰區(qū)巴家咀水源地深層地下水水化學(xué)及同位素特征

蔣興波，許 泰，劉德玉，劉心彪

(1.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省地下水工程與地?zé)豳Y源重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；3.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；4.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院/青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，青海 西寧 810008)

西峰區(qū)集中供水起步于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時以黃土塬潛水位為主，供水能力有限，普及率低。隨著城市化的進程，集中供水水源發(fā)展為以巴家咀水庫水為主，由于極端干旱，出現(xiàn)水庫水源不足、水資源供不應(yīng)求的現(xiàn)象。2001年新建了巴家咀環(huán)河組地下水源地，但由于環(huán)河組砂巖富水性一般，地下水資源量有限，城市用水仍然得不到解決。目前，西峰區(qū)供水水源地共有3處，其中1處為地表水水源，2處為地下水水源，西峰區(qū)用水主要是巴家咀水庫地表水源，每年受雨洪影響不能正常供水，其次水質(zhì)得不到保障，供水能力不能滿足城市發(fā)展及能源基地的建設(shè)需要。為了解決西峰區(qū)生活用水和工業(yè)集中區(qū)用水的突出問題，開發(fā)以白堊系洛河組地下水為開采層位的水源地，對其水化學(xué)類型、同位素特征及水質(zhì)綜合評價的研究勢在必行。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)范圍及地理位置

巴家咀水源地位于西峰區(qū)以西16 km蒲河河谷巴家咀段，北起黑河溝口，南至北石窟寺，東西分別達(dá)塬邊線，總面積約50 km2(圖1)。地理位置為東經(jīng)107°25′22″～07°35′30″，北緯35°36′50″～5°37′14″。水源地交通便利、地形平坦，具備良好的施工和用水條件，能夠解決西峰工業(yè)集中區(qū)建設(shè)用水突出問題。

圖1 巴家咀水源地交通位置圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性

巴家咀水源地處于鄂爾多斯地塊西南部，屬中生代內(nèi)陸拗陷盆地[1]。自中晚元古代以來基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，整體表現(xiàn)為垂直運動的上升與沉降，主要構(gòu)造為隴東盆地天環(huán)向斜南段環(huán)縣-涇川向斜(圖2)，北起環(huán)縣以北，南至涇川以南逐漸抬升而消失，向斜東翼寬緩，西翼窄陡，其它各種線性構(gòu)造不甚發(fā)育[2]。

圖2 隴東盆地構(gòu)造綱要圖

巴家咀水源地地層較為簡單，主要有第四系(Q)和下白堊系保安群(K1)。下白堊系分布最為廣泛，其厚度大(800～1 000 m)、產(chǎn)狀平緩、展布范圍廣，隴東地區(qū)保安群分為宜君、洛河、華池、環(huán)河、羅漢洞、涇川六個巖組，其中涇川組在水源地范圍內(nèi)缺失，具有研究有意義的是環(huán)河組和羅漢洞組(圖3)。第四系從全新統(tǒng)至下更新統(tǒng)均有分布，成因上以風(fēng)積為主，次為沖積、沖洪積。

圖3 巴家咀水源地水文地質(zhì)剖面圖

2 地下水類型及賦水特征

根據(jù)巴家咀水源地地下水的埋藏條件及水動力性質(zhì)，地下水可分為潛水及承壓水兩種類型[3-4]。水源地潛水分布在黃土塬和黃土梁峁：黃土殘塬區(qū)地下水目前已超采，地下水開采漏斗下降快，進一步開發(fā)的潛力很??；黃土梁峁區(qū)潛水受地貌條件及溝谷切割，地下水的富水性差，沒有集中供水意義。

在巴家咀一帶，白堊系地下水的富集主要受控于含水介質(zhì)的巖相和巖性，總的規(guī)律是粗粒風(fēng)積相的洛河組相對富水，細(xì)粒河湖相的環(huán)河組富水性相對較弱。羅漢洞組地下水含水層孔隙度大，接受補給條件較好，但含水層厚度小，且被溝谷強烈切割，不利于地下水的富集，其集中供水意義不大；環(huán)河組承壓含水層泥質(zhì)含量高，富水性較弱，地下水可溶性總固體大，硫酸鹽含量大于2 000 mg/L,實際利用價值不大；洛河組含水層多以沙漠相沉積為主，孔隙裂隙發(fā)育，厚度大(埋深550～970 m，)，巖性為中粗、中細(xì)砂巖，泥質(zhì)含量少，水量豐富，水質(zhì)良好，在寧縣縣城、長慶橋等地單井出水量3 000～5 000 m3/d，具備作為中型水源地的條件，是開采利用的的重點層位。

3 地下水水化學(xué)及同位素特征

3.1 水化學(xué)類型

選取巴家咀水源地區(qū)內(nèi)的河水、水庫水、黃土潛水、羅漢洞泉水、環(huán)河組井水及洛河組井水進行水化學(xué)測試分析(表1)。為了深入認(rèn)識巴家咀水源地水體化學(xué)特征，將表1測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以餅狀圖形式反應(yīng)其特點(圖4)。從表1和圖4可以發(fā)現(xiàn)，河流和水庫兩種地表水的陽離子和陰離子含量總體高于地下水，化學(xué)類型為Na+·Mg2+-SO42-·Cl-；黃土潛水為低礦化水，陰離子主要為HCO3-，SO42-和Cl-含量可以忽略不計，陽離子主要為Ca2+，Mg2+次之，水化學(xué)類型主要為Ca2+·Mg2+-HCO3-型；白堊系各組地下水總體上隨著埋深的增加呈現(xiàn)規(guī)律性變化：HCO3-、Mg2+等離子濃度顯著減少，Cl-、SO42-、Na++K+等離子濃度增加，Ca2+濃度變化不明顯，羅漢洞組地下水化學(xué)類型Na+·Mg2+-HCO3-·SO42-，隨著地下水埋深增加，水-巖相互作用進一步加強，陽離子演化為Na++Mg2+，陰離子主要為SO42-，水化學(xué)類型演化為Na+·Mg2+-SO42-·HCO3-型。

另外，由表1也可以看出，河水和水庫水的可溶性總固體相等，均在1 g/L；黃土潛水可溶性總固體小于0.5 g/L；羅漢洞組地下水可溶性總固體小于1 g/L；環(huán)河組地下水明顯具有多個含水層，不同含水層地下水可溶性總固體變化大，總體上淺層地下水可溶性總固體在1 g/L左右，深層地下水可溶性總固體介于2～4 g/L；洛河組地下水可溶性總固體約1 g/L，隨著埋深略有下降的趨勢[5]。

表1 巴家咀水源地水化學(xué)特征

同時，黃土潛水、羅漢洞地下水、環(huán)河組地下水及洛河組地下水水化學(xué)類型在三角圖上具有明顯的分帶性特點(圖5)。

圖4 巴家咀水源地水化學(xué)主要離子含量

圖5 巴家咀水源地水體水化學(xué)三角圖

3.2 同位素特征

巴家咀水源地黃土潛水、羅漢洞含水層地下水δ18O比環(huán)河含水層和洛河含水層地下水富集明顯，而環(huán)河含水層和洛河含水層地下水的δ18O相差并不大。同位素的這些特征表明環(huán)河組含水層和洛河組含水層地下水更多的保存著較冷或補給高程相對較高的地下水，而黃土潛水、羅漢洞含水層地下水由于受現(xiàn)代大氣降水補給的影響，重同位素相對富集。

地下水14C年齡測試進一步證實了上述認(rèn)識，環(huán)河含水層和洛河含水層地下水14C年齡在20 000～31 000 a之間，白堊系各層之間同一層中不同含水段地下水的年齡相差數(shù)千年，表明地下水交替徑流慢，更新能力差，同時，也表明各含水層或含水段間垂向上水力聯(lián)系較弱，地下水主要以順層流動為主。

圖6 環(huán)河組地下水87Sr/86Sr圖

地下水的87Sr/86Sr比值往往與接觸的巖石礦物的87Sr/86Sr比值相似,從環(huán)河組地下水87Sr/86Sr與埋深關(guān)系(圖6)可以看出：地下水的87Sr/86Sr值均大于現(xiàn)代海水的87Sr/86Sr平均值(0.709 073),地下水的87Sr/86Sr值總體上隨著埋藏深度的增加而增加，這表明有后期“放射性鍶”加入,地下水與巖石相互作用的強烈。

4 地下水質(zhì)量評價

依據(jù)我國地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、人體健康基準(zhǔn)值及地下水質(zhì)量保護目標(biāo)，參照生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)最低要求，將地下水質(zhì)量劃分為五類(表2)。選取巴家咀水源地Q5、Q72011、Q72010三個抽水孔的水樣為監(jiān)測對象，以國家現(xiàn)行的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)和生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749-2006)作為評價依據(jù)，選擇29個指標(biāo)對白堊系洛河組地下水進行初步評價(表2)。

從采集樣品的測試結(jié)果(表2)可以看出，除硫酸鹽、pH值、砷外其余各項指標(biāo)均到達(dá)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。巴家咀水源地洛河組地下水單項組分pH值、硫酸鹽及亞硝酸鹽超過Ⅲ類地下水標(biāo)準(zhǔn)，其中硫酸鹽含量大于350 ml/L,屬V類地下水，pH值及亞硝酸鹽含量均為Ⅳ類地下水，其余各檢測指標(biāo)均滿足Ⅲ類地下水標(biāo)準(zhǔn)值。地下水綜合評價Q5、Q72011得分7.14，Q72010得分7.12，均屬“較差(Ⅰ類)水”。白堊系洛河組深層地下水主要由于硫酸鹽含量過大，按地下水質(zhì)量級別劃分屬于“較差(Ⅰ類)水”。

表2 地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)檢測值

5 結(jié)語

(1)巴家咀水源地黃土潛水、羅漢洞、環(huán)河組及洛河組地下水化學(xué)類型具有明顯的分帶性，白堊系各組地下水總體上隨著埋深增加，HCO3-、Mg2+等離子濃度顯著減少，Cl-、SO42-、Na++K+等離子濃度增加，Ca2+濃度變化不明顯，水化學(xué)類型最終在洛河組演化為Na+·Mg2+-SO42-·HCO3-型。

(2)穩(wěn)定同位素特征表明環(huán)河組和洛河組含水層保存著較冷或補給高程相對較高的地下水，而黃土潛水、羅漢洞含水層重同位素相對富集。14C年齡顯示地下水交替徑流慢，更新能力差，各含水層或含水段間垂向上水力聯(lián)系較弱，地下水主要以順層流動為主。后期放射性鍶的加入表明地下水與巖石相互作用強烈。

(3)巴家咀水源地白堊系洛河組深層地下水埋藏深度厚，洛河組地下水質(zhì)量屬“較差(Ⅰ類)水”，除硫酸鹽、pH值和砷超標(biāo)外，其余各項指標(biāo)均到達(dá)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，是良好的生活用水，具備作為中型水源地的條件。