青海黃鼠灣—何家莊河谷區(qū)地下水水化學(xué)特征

石永蓮， 張健健， 李成英， 權(quán)國(guó)蒼， 李威， 劉曉航

(1.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院， 西寧 810000； 2.青海省水文地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西寧 810000； 3.青海省西寧市湟中區(qū)水利局， 西寧 810000)

地下水是水循環(huán)的重要組成部分，有著維持生態(tài)平衡等的作用[1-2]。因地下水流動(dòng)速度緩慢、自我調(diào)節(jié)周期漫長(zhǎng)的特點(diǎn)，導(dǎo)致地下水一旦污染將很難治理[3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中國(guó)面臨嚴(yán)峻的地下水污染問題。因此，開展地下水調(diào)查、查明地下水的水化學(xué)特征，不僅是資源質(zhì)量評(píng)價(jià)與管理的內(nèi)容，也對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理、保護(hù)人類身體健康、水資源開發(fā)利用及環(huán)境治理具有重要意義[4-6]。

隨著人類逐漸重視生態(tài)環(huán)境，地下水的水化學(xué)特征受到中外學(xué)者的廣泛關(guān)注，也成為了研究的熱點(diǎn)。近些年，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線圖、Gibbs圖、離子比例法等[4-6]傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)分析方法的應(yīng)用下，取得了豐碩的成果。隨著遙感[7-8]、建模[9]等新技術(shù)的涌現(xiàn)，新技術(shù)逐步應(yīng)用于地下水的水化學(xué)特征的研究，使得地下水的水化學(xué)研究領(lǐng)域產(chǎn)生新活力。

縱觀中外學(xué)者的研究成果，含水介質(zhì)、大氣降水量及巖層分布等自然條件是影響地下水水化學(xué)特征最直接、最重要的因素之一。魯重生等[10]研究興隆縣水環(huán)境對(duì)地下水的影響的結(jié)果表明，地下水組分主要受淋濾過程及水巖作用影響。杜青輝等[11]和Chotpantarat[12]從水巖作用、離子交換等角度研究了不同礦物類型分布對(duì)地下水水化學(xué)變化的影響。隨著城鎮(zhèn)化率的不斷提高，城市建設(shè)用地面積擴(kuò)大，土地利用類型對(duì)地下水水化學(xué)特征產(chǎn)生了影響。Wen等[13]研究表明濟(jì)南溫泉區(qū)隨著耕地面積增加，地下水補(bǔ)給將隨之較少，進(jìn)而影響地下水水化學(xué)。郭芳等[14]研究表明土地類型對(duì)巖溶地下水水化學(xué)影響顯著，施肥和生活垃圾排放已經(jīng)影響了部分泉水水化學(xué)。

黃鼠灣—何家莊河谷區(qū)內(nèi)分布有工業(yè)園區(qū)，該工業(yè)園區(qū)是青海省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。近年來隨著園區(qū)發(fā)展，也對(duì)地下水造成了影響，影響著當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈蜕鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。目前，該地區(qū)地下水化學(xué)特征研究較少，且針對(duì)該園區(qū)的地下水化學(xué)特征及成因研究尚未出現(xiàn)。鑒于此，現(xiàn)依托相關(guān)的環(huán)境調(diào)查項(xiàng)目，針對(duì)黃鼠灣—何家莊河谷區(qū)開展地下水水化學(xué)特征研究，為地下水的防治和優(yōu)化管理提供基礎(chǔ)與依據(jù)。

1 材料與分析方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省西寧市湟中區(qū)黃鼠灣—何家莊河谷內(nèi)。研究區(qū)內(nèi)以工業(yè)活動(dòng)為主，人類活動(dòng)較為頻繁[15]。河谷區(qū)內(nèi)分布有工業(yè)園、農(nóng)田與村莊。河谷區(qū)域由南向北展布，面積214 km2。研究區(qū)兩側(cè)為侵蝕剝蝕低山丘陵，中間為侵蝕堆積河谷平原，地貌呈現(xiàn)出兩山夾河谷的態(tài)勢(shì)。研究區(qū)地勢(shì)南高北低。南部低山丘陵為最高點(diǎn)，海拔2 782 m，北部河谷為區(qū)內(nèi)最低點(diǎn)，海拔2 394 m。區(qū)域內(nèi)有河流由南向北展布。研究區(qū)內(nèi)河流在上游至坡東與坡西一帶為地下水徑流區(qū)，坡東與坡西至下游一帶開始泄出，最終匯入湟水河。研究區(qū)屬于干旱-半干旱大陸性氣候，以多風(fēng)、少雨、日溫差大、降水量小、蒸發(fā)量大為特征。降水量在年際間分配差異較大，平水、枯水、豐水年交替出現(xiàn)。研究區(qū)底層有前第四紀(jì)地層和第四紀(jì)地層，主要有古近系西寧組、新近系臨夏組、晚更新統(tǒng)風(fēng)積層、全新統(tǒng)沖積、沖洪積層、回填土等。

根據(jù)地下水的水力性質(zhì)、地層巖性、賦存條件，研究區(qū)的地下水類型可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙水、基巖裂隙水等。松散巖類孔隙水分布于河谷內(nèi)，碎屑巖類孔隙水分布于研究區(qū)中下游兩側(cè)丘陵地帶，含水層巖性為古近系砂巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖，水質(zhì)較差，礦化度大于1 g/L。碳酸巖基巖裂隙水主要分布于研究區(qū)上游,含水巖組主要為克素兒組、湟源群青石坡組、花石山群北門峽組白云巖、結(jié)晶灰?guī)r。研究區(qū)內(nèi)硅酸鹽零星分布?；鶐r裂隙水分布于河谷上游，地下水水化學(xué)類型為HCO3Ca型，礦化度小于0.5 g/L。

研究區(qū)地下水均為河谷潛水，圖1為研究區(qū)的水文地質(zhì)剖面。由圖1可知，研究區(qū)含水巖組為第四系沖洪積砂礫卵石層，按照泥質(zhì)含量分為泥質(zhì)砂礫卵石(上層)和砂礫卵石(下層)。此次研究樣品取自下層砂礫卵石層含水巖組。

1.2 取樣點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)實(shí)際地理位置以及企業(yè)規(guī)劃用地，選擇在河谷從上游至下游設(shè)取樣點(diǎn)29個(gè)，其中鉆孔取樣點(diǎn)為20個(gè)，民井取樣點(diǎn)為9個(gè)。具體如圖2、表1所示。

表1 取樣點(diǎn)對(duì)照表Table 1 sample point comparison table

圖2 取樣點(diǎn)分布圖Fig.2 Location map of sampling points

1.3 采樣與分析方法

1.3.1 樣品采集

為使采集的水樣具有代表性，采用美國(guó)環(huán)保署(United States Environment Protection Agency，USEPA)推薦的慢速洗井技術(shù)進(jìn)行采樣前洗井。當(dāng)抽出水各項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)(pH、濁度)到達(dá)穩(wěn)定后進(jìn)行水樣采集。參考《水文地質(zhì)手冊(cè)》(第二版)判定標(biāo)準(zhǔn)，濁度要求：肉眼觀察到排水清澈透明，pH變化幅度(連續(xù)3組監(jiān)測(cè)讀數(shù))≤± 0.1。樣品采集后，放于裝有冰凍藍(lán)冰的低溫保溫箱中，并及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。在樣品運(yùn)送過程中，要確保保溫箱能滿足樣品對(duì)低溫的要求。

1.3.2 分析方法

選取pH、鉀、鈉、鈣、鎂、氯、硫酸根、硝酸根、碳酸氫根和溶解性總固體等指標(biāo)進(jìn)行分析。采用HORIBA多功能水質(zhì)測(cè)定儀野外實(shí)地測(cè)定，鉀、鈉、鎂、硫酸根測(cè)定采用離子色譜法，鈣測(cè)定采用EDTA滴定法，碳酸根、碳酸氫根測(cè)定采用酸堿滴定法。溶解性總固體測(cè)定采用重量法。具體測(cè)定方法參考《水和廢水分析方法(第4版)》[16]取監(jiān)測(cè)點(diǎn)枯水期水質(zhì)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

1.4 研究方法

本研究Spss20.0處理軟件對(duì)水樣各化學(xué)組分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用Piper三線圖闡釋地下水主要陰離子和陽(yáng)離子濃度關(guān)系以及推斷地下水水文地球化學(xué)相。用Gibbs圖用來識(shí)別控制地下水化學(xué)成分形成和演化的影響因素，結(jié)合離子比值分析研究區(qū)地下水主要指標(biāo)的成因及來源。

1.5 數(shù)據(jù)處理與圖件制作

1.5.1 數(shù)據(jù)處理

聚類分析采用統(tǒng)計(jì)軟件Spss20.0處理，其余數(shù)據(jù)處理采用Excel。

1.5.2 圖件制作

Piper三線圖采用AquaChemV.4.0繪制。聚類分析樹狀圖Spss軟件制作。Gibbs圖用Origin繪制，其余圖件制作采用Coreldraw12繪制。

2 地下水水化學(xué)特征

2.1 水化學(xué)特征描述性統(tǒng)計(jì)分析

表2為研究區(qū)各水樣水化學(xué)指標(biāo)值。從表2可以看出，研究區(qū)地下水水樣pH平均值為7.83，范圍為7.43～8.63，水質(zhì)屬于弱堿性-堿性。

表2 研究區(qū)地下水水樣水化學(xué)指標(biāo)值Table 2 Hydrochemical analysis date of the sample in study area

表3 地下水各水化學(xué)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient matrix among chemical parameters of groundwater

2.2 水化學(xué)類型

表4 舒卡列夫分類水化學(xué)類型表Table 4 Hydro-chemical types of shukalev classification

圖3為研究區(qū)地下水水化學(xué)類型的Piper三線圖。由圖3可以看出，地下水堿土金屬超過堿金屬，僅個(gè)別點(diǎn)相反；在酸度方面，地下水的酸堿強(qiáng)度較復(fù)雜，分布于毫克當(dāng)量50%的附近，部分強(qiáng)酸大于弱酸，部分弱酸大于強(qiáng)酸，部分強(qiáng)弱酸堿度相等。

圖3 研究區(qū)地下水水化學(xué)類型Piper三線圖Fig.3 Piper trilinear graph of groundwater hydrochemistry types in study area

2.3 水化學(xué)類型聚類分析

為了進(jìn)一步了解研究區(qū)地下水水化學(xué)類型的總體狀況，采用聚類分析中的系統(tǒng)聚類，等間隔參數(shù)采用pearson correlation。聚類分析結(jié)果如圖4所示。從聚類分析可以看出，研究區(qū)的地下水水化學(xué)類型可以分為3族，分別為第一族A1(K3、K5、K6、K8、BW5、MJ1)，第二族A2(K7、K10、K13、K14、K16、K18、BW16、BW17、MJ5、MJ7、MJ9)，第三族A3(K1)。

圖4 研究區(qū)地下水水化學(xué)類型聚類樹狀圖Fig.4 Cluster dendrogram of groundwater hydrochemical types in study area

圖5為地下水聚類分析結(jié)果空間分布圖。由圖5可知，第一族A1，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Ca·Na·Mg，礦化度含量為0.81 g/L，各類水化學(xué)組分含量也相對(duì)較小，主要受到碳酸巖鹽礦物溶解的影響。分布在研究區(qū)上游。

圖5 研究區(qū)地下水聚類分析結(jié)果空間分布圖Fig.5 The spatial distribution of cluster groups in study area

第二族A2，水化學(xué)類型為HCO3-Mg·Na·Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3-Mg·Ca，礦化度含量集中在0.43～0.79 g/L之間，各類水化學(xué)組分含量也相對(duì)較大，分布在研究區(qū)上游。

第三族A3，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Mg·Na·Ca、HCO3·SO4-Mg·Ca、HCO3·SO4-Na·Ca，礦化度含量集中在0.72～2.03 g/L，各類水化學(xué)組分含量最大，分布在研究區(qū)中游與下游。第一族水化學(xué)類型的水樣點(diǎn)數(shù)為1個(gè)，占總?cè)狱c(diǎn)數(shù)的5.26%。第二族水化學(xué)類型的水樣點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，占總?cè)狱c(diǎn)數(shù)的31.58%，第三類水化學(xué)類型的水樣點(diǎn)為11個(gè)，占總?cè)狱c(diǎn)數(shù)的64.71%。總體來看，大部分取樣點(diǎn)的水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Mg·Na·Ca型。

3 來源分析

3.1 Gibbs圖分析

圖6 研究區(qū)地下水水化學(xué)Gibbs圖Fig.6 Gibbs diagram of groundwater hydrochemistry in the study area

3.2 離子比值分析

地下水的水巖相互作用導(dǎo)致礦物的溶解或者沉淀，而礦物的離子分量比例恒定。因此，可以用離子比值的方法判斷發(fā)生反應(yīng)的主要礦物，進(jìn)一步對(duì)各離子的主要來源進(jìn)行細(xì)致分析。

Na+主要來源于蒸發(fā)巖和硅酸鹽的風(fēng)化溶解，Cl-基本保持穩(wěn)定[20]。γ(Na++K+)/γ(Cl-)可以幫助識(shí)別鹽分來源。若γ(Na++K+)/γ(Cl-)>1，則可認(rèn)定為Na+和K+的來源主要為巖鹽溶解；若γ(Na++K+)/γ(Cl-)<1，則可認(rèn)為Na+和K+主要來源于硅酸巖溶解[21]。從圖7(a)可以看出，部分取樣點(diǎn)γ(Na++K+)/γ(Cl-)分布在1∶1線的上方，該取樣點(diǎn)占總?cè)狱c(diǎn)數(shù)的31.03%，γ(Na++K+)/γ(Cl-)<1，說明該部分取樣點(diǎn)的Na+、Cl-來源于硅酸鹽的溶解。部分樣品γ(Na++K+)/γ(Cl-)比值分布于1∶1線的下方，該取樣點(diǎn)占總?cè)狱c(diǎn)數(shù)的68.97%，γ(Na++K+)/γ(Cl-)>1，說明該部分取樣點(diǎn)的Na+、Cl-來源于巖鹽的溶解。但K18取樣點(diǎn)偏離了1∶1線且分布于1∶1線下方，說明該點(diǎn)的Na+、K+來源于其他，推測(cè)可能受到人類活動(dòng)或陽(yáng)離子交換作用的影響[22]。

圖7 研究區(qū)地下水水化學(xué)離子比值關(guān)系Fig.7 The relationship between the ratios of groundwater in the study area

3.3 陽(yáng)離子交換作用分析

圖8 研究區(qū)地下水樣品中與(Na++K+-Cl-)比值圖Fig.8 Relationship between and (Na+-Cl-) in groundwater samples

3.4 風(fēng)化作用分析

巖石風(fēng)化對(duì)地下水的作用又分為碳酸鹽巖風(fēng)化、硅酸鹽巖風(fēng)化與蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化3種類型[25]為識(shí)別不同巖性對(duì)地下水溶質(zhì)組成的影響，采用端元圖法，做Ca2+/Na+與Mg2+/Na+關(guān)系圖，如圖9所示。由圖9可知，研究區(qū)采樣點(diǎn)全分布在硅酸巖和碳酸巖風(fēng)化端元之間，表明碳酸巖和硅酸巖同時(shí)控制著研究區(qū)巖石風(fēng)化作用，蒸發(fā)巖的控制作用很弱，可忽略。

圖9 Ca2+/Na+與Mg2+/Na+關(guān)系Fig.9 The relationship between Ca2+/Na+ and Mg2+/Na+ of groundwater in the study area

3.5 人類活動(dòng)影響

圖10 人類活動(dòng)對(duì)水化學(xué)特征影響Fig.10 Effects of human activities on hydrochemical characteristics

4 結(jié)論