焦作太行山前復(fù)合含水結(jié)構(gòu)中地下水水化學(xué)特征及其形成作用

種凱琳

(鄭州商學(xué)院，河南 鞏義 451200)

地下水水化學(xué)特征的組成是研究水文地質(zhì)學(xué)和水化學(xué)的重要內(nèi)容，且受到基巖性質(zhì)、地形、礦物溶解等多方面的影響[1，2]。山前沖洪積扇水質(zhì)好、水量大，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)園區(qū)都在這里選址；是下游平原的補(bǔ)給區(qū)，大量工業(yè)企業(yè)會造成污染且多為復(fù)合結(jié)構(gòu)含水層，具有獨特的水力性質(zhì)和遷移轉(zhuǎn)化特征，特別是地表河流出山口部位，含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜具有典型的意義。

前人對山前沖洪積扇的地下水化學(xué)特征及其形成作用開展了較多的研究工作，取得了一系列成果。汪生斌等[3]對格爾木河沖洪積平原區(qū)的水位動態(tài)特征影響因素分析，劃分出不同地下水位動態(tài)區(qū)域；張運濤[4]等運用環(huán)境同位素和水化學(xué)的方法對南太行山前平原不同水體的來源進(jìn)行分析，得出影響地下水動態(tài)的原因；顧曉敏等[5]用ArcGIS的地統(tǒng)計學(xué)模塊，對昌平區(qū)山前地下水的空間變異性進(jìn)行分析，得出人類活動和自然原因?qū)Φ叵滤挠绊懗潭?。本文以焦作市太行山前沖洪積扇為例，對地下水水化學(xué)特征及其形成作用進(jìn)行探討。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位于太行山復(fù)背斜隆起帶南段東翼，屬山前傾斜平原地帶，地層走向北東向，傾向南東向，傾角8°～12°。研究區(qū)巖溶裂隙發(fā)育，為地下水提供了良好的儲水空間和徑流通道。地下水總體流向受構(gòu)造控制，尤其在斷層帶附近巖溶裂隙相對發(fā)育，常常形成強(qiáng)富水、導(dǎo)水帶，是研究區(qū)的補(bǔ)給邊界。地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水，屬石灰?guī)r巖溶水系統(tǒng)。

本文以焦作市北部太行山前關(guān)河以南九里山斷層以北范圍作為研究區(qū)。地貌以低山侵蝕溝谷向山前平原(孔隙水的主要富水層位)過渡為主，地勢總體來說北高南低。研究區(qū)四季分明，年平均降水量560.4 mm，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。根據(jù)以往礦山工作，研究區(qū)地層出露主要為第四系，巖性為坡積碎石(Q4dl)、沖洪積黃土狀土及碎石、人工填土為(Qml)沖洪積粉質(zhì)粘土及碎石，下部為中奧陶統(tǒng)(O2)。研究區(qū)主要含水層為第四系松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類巖溶裂隙水，前者較薄且不連續(xù)，以卵礫石、中細(xì)沙和細(xì)沙為主；后者主要為石炭系奧陶系灰?guī)r和寒武系鮞?；?guī)r，分布在山前地帶，總厚度約為800 m，是焦作市主要的供水水源含水層。補(bǔ)給來源為大氣降水，排泄以人工開采、泉、蒸發(fā)和側(cè)向徑流為主，巖溶裂隙水主要以大氣降水和地表水的滲漏補(bǔ)給為主，以泉群、人工開采，礦坑排水為主。

1.2 研究方法

本次地下水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)均來自野外調(diào)查取樣， 2018年5月，對焦作市山前沖洪積扇區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)的野外考察和采樣，采樣點的分布情況如圖1，采集水樣共28個(均采自民井)。采樣時用RTK定點并現(xiàn)場記錄井深、水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率等指標(biāo)。

圖1 研究區(qū)取樣分布圖

測試指標(biāo)包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、NO3-、Cl-、F-、HCO3-、其中HCO3-采用酸堿滴定法測定，其余采用離子色譜法測定，樣品送至河南理工大學(xué)重點實驗室進(jìn)行水樣化學(xué)全分析。根據(jù)實驗室測試結(jié)果，結(jié)合SPSS分析軟件對所測實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元統(tǒng)計分析(描述性統(tǒng)計、Pearson相關(guān)性分析等)，并用AqoQA軟件繪制主要陰陽離子piper三線圖，利用excle軟件繪制Gibbs圖及結(jié)合因子分析的方法，并依據(jù)研究區(qū)相關(guān)地質(zhì)研究資料，分析水化學(xué)的主要成因。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水水化學(xué)組成

基于測試結(jié)果對研究區(qū)水化學(xué)參數(shù)特征進(jìn)行初步統(tǒng)計，結(jié)果見表1。由表1可知：地下水中K+的濃度為0.76～3.50 mg/L，Na+的濃度為3.26～48.10 mg/L，Ca2+的濃度為28.92～75.52 mg/L，Mg2+的濃度為0.73～3.39 mg/L，Cl-的濃度為4.95～33.12 mg/L，SO42-的濃度為28.31～133.66 mg/L，HCO3-的濃度為184.79～341.861 mg/L。地下水pH值為7.34～8.38，均值7.78，呈中性偏弱堿性。TDS 介于207.05～385.95 mg·L-1之間，礦化度較高。

研究區(qū)地下水常量組分為HCO3-、SO42-、Cl-、Na+，其次為Ca2+、Mg2+。從離子濃度均值來看HCO3->SO42->Ca2+>NO3->Na+>Cl->F-，陽離子以Ca2+為主，陰離子以HCO3-為主。Na+、Cl-離子的變異系數(shù)相對較大，說明這兩種離子是隨著環(huán)境因素變化的敏感因子，也是決定地下水水化學(xué)組分鹽化的作用的主要變量。此外pH的均值為7.78，TDS的均值為270.67 mg/L，F(xiàn)-含量平均值為0.29 mg/L。研究區(qū)地下水總體為弱堿性，硫酸鹽、氯化物、氟化物均達(dá)到一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，與之前研究者對該區(qū)淺層地下水研究結(jié)果水質(zhì)情況較好，說明研究區(qū)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)對地下水的水質(zhì)起到了凈化作用。

表1 水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征

2.2 水化學(xué)類型

地下水的水化學(xué)特征是含水層與地下水流速之間內(nèi)在機(jī)理相互作用的結(jié)果，所以含水層的礦物巖石特征與地下水的水化學(xué)特征是有密切聯(lián)系的[6-8]。水化學(xué)類型的分類是對地下水化學(xué)成分相同或相近的水進(jìn)行分類，目前使用最廣泛的是舒卡列夫分類法。利用AqoQA軟件繪制研究區(qū)水樣主要陰陽離子piper三線圖，結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出，研究區(qū)地下水水樣水化學(xué)類型主要有Ca-HCO3、Ca-HCO3-SO4、Ca-Na-HCO3-SO4、Na-Ca-HCO3-SO4。地下水樣品中有90%的水樣位于5區(qū)，水化學(xué)性質(zhì)以堿土和弱酸為主；地表水樣位于7區(qū)，水化學(xué)類型以堿金屬和強(qiáng)酸為主。說明該區(qū)地下水中陽離子以Ca2+為主，陰離子以HCO3-、SO42-為主，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件，說明是碳酸鹽和石灰?guī)r風(fēng)化的結(jié)果；地表水樣品中陽離子以Na+、Ca2+為主，陰離子以SO42-、HCO3-為主。

圖2 研究區(qū)水樣Piper三線圖解

2.3 水化學(xué)參數(shù)相關(guān)性分析

對研究區(qū)28個采樣點的11個水化學(xué)參數(shù)作Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見表2，從表2中可以看出，Na+、Mg2+、SO42-、Cl-與TDS 之間有明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.75以上為研究區(qū)地下水的主要組分，也是溶解性總固體的主要控制者。Cl-與TDS質(zhì)量濃度之間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.918，相對較高，說明Cl-濃度大小與空間分布對TDS 有著較重要的作用。Cl-與Na+、Mg2+、SO42-的相關(guān)性均在0.89以上，成顯著相關(guān)關(guān)系，這表明地下水的Na+和Mg2+主要來自于氯鹽和硫酸鹽；SO42-與Na+、Mg2+、Ca2+之間也存在較高的相關(guān)性。大氣降水吸收空氣和土壤中的CO2，滲入到裸漏的基巖含水層，溶解碳酸鹽中的方解石、白云石、石膏等，同時由于太行山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地下水的排泄徑流條件較好，水交替作用強(qiáng)烈，不斷進(jìn)行溶濾作用，形成了HCO3-Ca型為主的水化學(xué)類型。

表2 研究區(qū)水化學(xué)關(guān)系相關(guān)系數(shù)矩陣

2.4 巖石風(fēng)化與礦物溶解作用

為了定性的分析水化學(xué)的控制因素，采用Gibbs圖法來分析，結(jié)果見圖3，根據(jù)TDS與地下水或地表水中陰離子Cl-/(Cl-+HCO3-)和陽離子(Na+/Na++Ca2+)的比值來確定水化學(xué)作用是受到降水控制、巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮的影響。高TDS高比值為蒸發(fā)濃縮型，代表此種類型的點分布在圖的右上角；中TDS中低比值為巖石風(fēng)化型，代表此種類型的點分布在圖的中左部；低TDS高比值為降水控制型，代表此種類型的點分布在圖的右下角。從圖3中的分布可以看出，TDS的范圍在200～500 mg/L之間，且分布較為集中，主要為巖石風(fēng)化控制區(qū)，差異不明顯。

圖3 研究區(qū)水樣Gibbs圖

2.5 因子分析

從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，天然水一直與周圍巖石或者沉積物發(fā)生水巖交互作用，因此不同的巖性成分和沉積物會造成地下水水化學(xué)組分的差異，因此可以根據(jù)水中某些離子內(nèi)部規(guī)律來推測其來源，通常來說，可溶性礦物的溶解(硅酸鹽、碳酸巖鹽、蒸發(fā)巖鹽、硫化物礦物)會改變地下水水化學(xué)組分的變化。而因子分析能夠有效的通過降低數(shù)量維數(shù)的方法來融合水化學(xué)常規(guī)離子間的信息，系統(tǒng)的反應(yīng)地下水水化學(xué)的某種成因，通過研究眾多變量之間的內(nèi)部依賴關(guān)系，解釋存在于水化學(xué)之間的錯綜復(fù)雜的關(guān)系[9-11]。

表3 旋轉(zhuǎn)因子荷載表

對由原始測試數(shù)據(jù)中TDS、EC、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-等十項水質(zhì)指標(biāo)運用主成分提取、方差最大正交旋轉(zhuǎn)等因子分析方法進(jìn)行因子分析，計算得到的相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、貢獻(xiàn)率、累計貢獻(xiàn)率以及旋轉(zhuǎn)因子荷載表見表3。根據(jù)特征值大于1的原則，選取了2個公因子，即F1、F2，他們的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到79.092%，可以反應(yīng)樣品79.092%的信息。因子1以TDS、EC、Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO42-為主，其貢獻(xiàn)率為57.275%，Na+、K+和Cl-的相關(guān)性，表明含水介質(zhì)易溶于鹽對化學(xué)組分的影響，含水層中巖鹽礦物的溶解產(chǎn)生的Na+、K+和Cl-影響著水化學(xué)的組分。Mg2+和SO42-的相關(guān)性說明硫酸鹽的溶解使得Mg2+、SO42-的含量增多，使得TDS增大，白云石礦物的溶解對水化學(xué)組分有一定的影響。因子2的貢獻(xiàn)率為21.818%，其中TDS、Ca2+、HCO3-、NO3-的因子荷載值較大，表明方解石礦物的溶濾作用對水化學(xué)組分的影響；該區(qū)初露的大量的碳酸鹽，當(dāng)雨水滲入到土壤時，氧化土壤中的有機(jī)物，溶解CaCO3使Ca2+和HCO3-富集。NO3-是農(nóng)業(yè)工業(yè)生活的污染源，由于研究區(qū)位于某工廠附近，反應(yīng)了工業(yè)對水化學(xué)的影響。

3 結(jié)語

(1)焦作市太行山前復(fù)合含水結(jié)構(gòu)中地下水總體為弱堿性，硫酸鹽、氯化物、氟化物均達(dá)到一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較好。

(2)研究區(qū)地下水陽離子以陽離子以Ca2+為主，陰離子以HCO3-為主，水化學(xué)類型主要有Ca-HCO3、Ca-HCO3·SO4、Ca·Na-HCO3·SO4、Na·Ca-HCO3·SO4。

(3)Gibbs圖表明研究區(qū)的水化學(xué)類型形成的原因主要為巖石風(fēng)化和礦物溶解。因子分析結(jié)果進(jìn)一步表明含水層中巖鹽礦物的溶解產(chǎn)生的Na+、K+和Cl-影響著水化學(xué)的組分；Mg2+和SO42-的相關(guān)性說明硫酸鹽的溶解控制著Mg2+、SO42-的含量，表明方解石礦物的溶濾作用對水化學(xué)組分的影響；碳酸鹽的風(fēng)化，溶解CaCO3使Ca2+和HCO3-富集。