平谷盆地地下水化學特征及成因分析

趙亞茜，李 曉

(成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059)

地下水在徑流過程中與周圍介質不斷發(fā)生水巖相互作用，水中的化學成分隨著地下水的運動不斷發(fā)生變化。因此，通過水化學資料可以探尋地下水的賦存環(huán)境、徑流途徑及物質交換等重要信息，從而揭示地下水的循環(huán)規(guī)律[1]。北京市的供水來源主要是地下水，其人類用水的百分之七十以上來自于地下水資源，而平谷地區(qū)有著王都莊以及中橋兩個應急水源地，在水資源緊缺的首都地區(qū)，保證其不被污染就顯得尤為重要。

由于平谷區(qū)獨特的地理位置以及其重要的經濟地位使得該地區(qū)關于地下水以及地下水化學的研究頗多。姜體勝等[2]對平谷區(qū)淺層地下水開展水化學特征及成因分析，識別該區(qū)域地下水系統(tǒng)循環(huán)更新路徑，分析了淺層地下水的成因；早在1980年，張振春等[3]開展了平谷山區(qū)農田供水水文地質勘察工作,對平谷地區(qū)構造體系進行了詳細勘察，并對平谷地區(qū)構造體系控水規(guī)律有了一些初步研究。徐海珍等[4]建立了平谷盆地的三維地下水流動特征的數值模型，分析不同地區(qū)的開采潛力，對平谷區(qū)應急水源地不同的開采方案進行模擬。何付兵[5]在通過對平谷新生代盆地地層巖性、水文條件、深部構造盆地形態(tài)特征綜合分析，提出平谷盆地并非第四紀斷陷盆地，而是巖溶塌陷盆地的新認識。高勇，李勝濤[6-7]通過分析平谷地區(qū)雨洪資源時空分布特征、水質特征；建立地下儲水空間雨洪資源利用模式的評價指標體系，對平谷地區(qū)地下水資源利用提出適宜性分析。

平谷區(qū)作為首都的應急水源地，研究其地下水化學特征對人類健康及社會發(fā)展具有重要意義。本文在北京市平谷區(qū)基礎水文地質資料基礎上，充分分析平谷區(qū)地下水水化學基礎特征，為保護該地水資源現(xiàn)狀，改善地下水水質，合理規(guī)劃利用地下水提供依據，從而促進人類健康與經濟社會發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

平谷區(qū)隸屬于北京市轄區(qū)，位于北京市的東北部，地處華北平原北部與燕山南麓的相交地帶。其北部與北京市密云區(qū)接界，西邊毗鄰順義區(qū)，與河北省三河市接壤，地理坐標為116°55′E-117°24′E，，40°1′N-40°22′N。平谷盆地是一個斷陷盆地，平谷區(qū)的東部，西部，南部均屬于中、低山地貌，其西南處與華北平原相連接。整體地勢北東高，西南低，山區(qū)面積占比大于平原面積占比。主要水系為泃河、汝河、金雞河。

平谷區(qū)的地質、水文地質條件較為簡單。由于研究區(qū)的大部分斷層以及褶皺均分布于山區(qū)地區(qū)，構造方向主要是北北東向，北西向，地下水沿著斷褶帶形成的導水通道補給沖洪積扇邊緣的地下水。地下水以松散層孔隙水為主，沿著沖洪積扇在盆地內廣泛分布，賦存在因地表沖洪積所用下生成的含水層之中，水位埋深5～25 m左右，強富水區(qū)單井出水量可達5 000 m3/d，弱富水區(qū)單井出水量不足1 000 m3/d。裂隙巖溶水主要賦存在山區(qū)以及下伏基巖之中，埋深深度大于40 m。地下水主要補給來源是大氣降水，地下水的徑流流向和地表水的流向基本一致，地下水排泄主要是人工用水開采，蒸發(fā)以及地下水的自然溢出，地下水的自然溢出主要表現(xiàn)在地下水盆地西南地區(qū)的出口向外排泄。研究區(qū)采樣點圖如圖1所示。

2 數據采集

本次研究數據由北京市地質礦產勘查開發(fā)局采集，選取數據為2018年四個季度采樣數據，取樣點58個，基本覆蓋了平谷區(qū)的平原區(qū)。58個采樣點位于不同的含水層深度，其中第一含水層(底板埋深50m左右)的采樣點共有31個，第二含水層(底板埋深80～120 m)的采樣點共計14個，第三含水層(底板埋深150～180 m)的采樣點一共8個，第四含水層(底板埋深300 m)采樣點4個。

3 結果與討論

3.1 水化學類型

研究區(qū)Piper三線圖如圖2示。據圖分析，枯水期，豐水期地下水化學成分較為相似，水化學類型變化不大。只有S46號井數據出現(xiàn)異常。除S46號井之外，其他水樣中主要陽離子為Ca2+，其毫克當量百分數之和超過陽離子的60%，主要陰離子為HCO3-、 CO3-，其毫克當量百分數超過陰離子的80%，為HCO3-Ca型水，；部分水樣Mg2+毫克當量百分數超過25%，所以是典型的HCO3-Ca·Mg型水。從靠近山區(qū)到平原區(qū)，SO42-濃度的占比略有上升，但對總體水化學類型的影響不大。

S46號及其周邊監(jiān)測點處水樣水化學類型出現(xiàn)明顯的變化，主要表現(xiàn)是在SO42-的含量突然增大，S46號監(jiān)測點布設在平谷垃圾填埋場處，所以其容易受到人類活動影響，致使其水化學類型與其他水樣不同。其主要陽離子為Ca2+占比超過40%，Mg2+占比超過40%，主要陰離子為SO42-，占比超過60%，HCO3-和 CO3-占比超過25%，水化學類型為SO4·HCO3-Ca·Mg型水。

圖1 研究區(qū)采樣點圖

圖2 水樣Piper三線圖

3.2 水化學特征

統(tǒng)計本次的主要離子的數據如表1所示，每種離子的濃度差值相差較大。研究區(qū)內水樣pH在7～9.37之間，平均值為7.93，呈弱堿性。HCO3-，TDS的濃度變化比較小，其他各離子在不同位置濃度變化較明顯。最大值點均在S45、S46，說明在該位置地下水化學出現(xiàn)異常。SO42-的變化值最大，Ca2+，Mg2+具有相似的變化情況。雖然單獨來看每種離子的最大值均出現(xiàn)異常，但就其均值來看，各離子的指標均在正常范圍內。

從表1可知，SO42-，Cl-的變異系數都大于1，表明離子離散程度大，對外界條件的變化極其敏感、不穩(wěn)定。K+、Na+、Mg2+的變異系數超過0.5，說明其分布極不均勻。由于研究區(qū)內地質、水文地質以及地形地貌條件相似，所以說明人類活動導致這些指標的變化。

圖3要展示了研究區(qū)地下水主要化學參數的濃度空間分布特征。由圖可知，Ca2+、Cl-、HCO3-、SO42-的分布均在平谷東鹿角村附近濃度最高，該處主要為建設的垃圾填埋場以及工業(yè)園區(qū)，故該地區(qū)的地下水污染程度較高，各離子濃度均比較高。HCO3-在區(qū)域內的前芮營村，平谷縣城南的檢出濃度最高，并且以該兩點為點源向四周擴散。HCO3-下游區(qū)域的濃度聚集，經過充分的水巖相互作用，整體高于上游區(qū)域。SO42-在S46檢出濃度最高，該處為中心點源向四周擴散。SO42-的變異系數達到3.06，濃度在人類活動影響下變化大，工業(yè)園區(qū)SO42-濃度遠高于其他區(qū)域。

表2列出了同一采樣點不同含水層的主要離子數據，從表中可以看出，K+隨含水層深度的變化濃度變化不大，含水層深度越深，K+濃度稍有上升。因為K+濃度與地表植物有關，植物容易吸收K+，使得其濃度降低。而Na+，Ca2+，Mg2+三種陽離子隨深度的增加濃度均降低。近地表CO2濃度較高，所以在接近地表的地下水HCO3-較大。Cl-，SO42-在同一點位的濃度變化較小，但是在不同位置的濃度差異卻很大，Cl-，SO42-隨深度增加濃度降低。pH隨著含水層深度的增加而變大，但是變化不大，均呈堿性。

表1 地下水主要水化學組分統(tǒng)計表

圖3 主要離子濃度分布圖

3.3 成因分析

離子比例系數可以指示不同成因或者不同條件下形成的地下水，也可以分析地下水中某些化學元素的來源[8]。選取近山前(S13、S19、S11)到平原(S50、S9、S2)的地下水數據進行離子比例系數的分析，結果見表3。

γCl-/γCa2+刻畫水動力條件，其值大小反映了地區(qū)地下水流動作用、溶濾作用程度[9]。根據計算結果，因采樣點高差不大，所以γCl-/γCa2+整體變化不大，局部出現(xiàn)起伏。γCl-/γCa2+在0.05～0.21之間，普遍較小，說明該地含水層富水性強，水巖作用強烈，地層滲透性好，溶濾作用進行充分。

地下水Ca2+，Mg2+，Na+能夠與土壤或者圍巖中的元素發(fā)生陽離子交替吸附作用。γCa2+/γMg2+在1～2.5之間，均大于1；γNa2+/γMg2+比值穩(wěn)定而且數值比較小，說明陽離子交替吸附作用并不明顯，Na+含量少。因為1<γCa2+/γMg2+<2，說明地下水中的Ca2+、Mg2+的來源是地下水中的石灰?guī)r或者白云巖的溶濾、風化、溶解作用。

γNa+/γCl-是表征地下水成因的系數，γNa+/γCl-越小，反映地層水受滲入水的影響越弱[10]。根據計算結果，近山區(qū)的γNa+/γCl->0.85，即研究區(qū)地下水無海相水的成分，近山處γNa+/γCl-近似等于1，說明地下水主要是經由含鹽地區(qū)溶濾形成。趨于盆地邊緣γNa+/γCl-逐漸升高，但整體Na+，Cl-含量相當，變化不大，進一步說明研究區(qū)的地下水溶濾作用強烈，同時說明地層具有較強的滲透性和良好的富水性。

表2 不同含水層的離子濃度

表3 不同含水層的離子濃度

Gibbs將天然水組分的控制因素分為三個類型： 降雨作用控制型、巖石風化控制型與蒸發(fā)作用控制型[11]。如圖4所示，水樣點幾乎均落在巖石風化區(qū)內，說明平谷區(qū)地下水化學類型主要影響因素是巖石風化作用。TDS濃度基本上處于300～1 000 mg/L之間，只有個別濃度大于1 000 mg/L，橫坐標偏向左側，(Na/Na+Ca)<0.5，(Cl/Cl+HCO3)<0.4，說明地下水化學成分來源主要是大氣降水以及上游地下水補給流經圍巖并與圍巖充分進行水巖相互作用，研究區(qū)地下水主要補給來源是大氣降水補給，側向補給以及河流入滲補給，Ca2+及HCO3-含量相對較高，主要是由于山區(qū)廣泛分布有白云巖等碳酸鹽巖，降雨入滲使得CO2隨水體進入地下水之中，使得地下水中HCO3-富集， HCO3-溶蝕圍巖，使得Ca2+濃度不斷增加。

圖4 研究區(qū)Gibbs圖

4 結語

(1)研究區(qū)的主要水化學成分為HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型水，在平谷城區(qū)由于泃河出現(xiàn)污染，SO42-的濃度增大，出現(xiàn)HCO3·SO4-Ca·Mg型水。

(2)主要離子分布圖顯示，各離子具有相似的分布特征，即沿羅莊—平谷鎮(zhèn)—前芮營村的分布濃度含量最高，向周圍擴散。在東鹿角村由于人類活動造成SO42-濃度遠高于其他區(qū)域，地下水水質差。離子濃度與地下水埋深有關，由于植物呼吸作用造成K+在地表處濃度較低，HCO3-濃度隨埋深增大而降低，其他各離子隨地下水埋深濃度增大。

(3)根據離子比例系數法進行地下水水動力條件分析，結果表明研究區(qū)水巖作用強烈，地層滲透性好，溶濾作用進行的較為充分，陽離子交替吸附作用較弱，離子主要來自于巖鹽的溶濾。地下水主要補給來源是大氣降雨。