滦河下游河水及沿岸地下水水化学特征及其形成作用

  本文关键词：滦河下游河水及沿岸地下水水化学特征及其形成作用，由笔耕文化传播整理发布。

滦河下游河水及沿岸地下水水化学特征及其形成作用 王晓曦 王文科 王周锋 赵佳莉 谢海澜 王小丹

摘要:了解地表水和沿岸地下水的水化学特征及其形成作用，对地下水水资源保护和可持续开发利用具有重要意义。在系统采集滦河河水及沿岸地下水的基础上，运用描述性统计、相关性分析、阴阳离子三角图、Gibbs图、离子比例系数等方法对水样的离子特征和水化学类型的形成作用进行了分析。研究结果表明: (1) 从出山口到入海口，浅层地下水化学类型由HCO3型过渡到HCO3·SO4(SO4·HCO3) 型，再逐渐转变为Cl·HCO3型，而阳离子则由Ca(Ca·Mg) 向Na·Ca(Na)型转化。(2) 浅层地下水化学的形成受地形地貌以及地质结构的控制，在山间盆地和冲洪积扇，溶滤作用是控制地下水水化学变化的主要作用，向下游随着含水介质颗粒变细，地下水径流速度变缓，溶滤作用减弱，蒸发浓缩作用逐渐增强，从出山口到入海口，河水和地下水的钠吸附比(SAＲ) 不断增大，说明溶滤作用逐渐被阳离子交替吸附作用代替。(3) 河水的水化学类型主要为HCO3·SO4-Ca·Mg(SO4·HCO3-Ca·Mg) 型。水化学形成以蒸发浓缩作用为主，同时受河床中的碳酸盐矿物和硅铝酸盐矿物溶滤作用的影响，在冲积海积平原可能存在蒸发盐岩的溶解。

关键词: 滦河; 河水; 地下水; 水化学; 形成作用

中图分类号: P641. 3 文献标识码: A 文章编号: 1000-3665(2014) 01-0025-09 Hydrochemical characteristics and formation mechanism of river water and groundwater along the downstream Luanhe Ｒiver，northeastern China

WANG Xiao-xi1，2，3，WANG Wen-ke1，2，3，WANG Zhou-feng1，2，3，ZHAO Jia-li1，2，3，XIE Hai-lan4，WANG Xiao-dan4

Abstract: Understanding of the hydrochemical characteristics and formation mechanism of surface water and groundwater in an unconfined aquifer is important for protection and sustainable utilization of groundwater．In this paper，the exploratory research was done in the Luanhe Ｒiver watershed using the water samples including river water and groundwater along the LuanheＲiver．Methods including mathematical statistics，Gibbs figure，Triangle plot and ionic ratios were employed to analyze the hydrochemical characteristics and formation mechanism．The results show that (1) from the mountain front to the estuary，anion transforms from HCO3 type to HCO3·SO4 (SO4·HCO3 ) type from north to south，then gradually converted to Cl·HCO3 type．Cation transforms from Ca(Ca·Mg) type to Na·Ca(Na) type．(2) The formation of shallow groundwater is constrained by topography and geologic structure．In the district of the intermontane basin and alluvial-proluvial fan，the leaching of halite，carbonate minerals and aluminosilica te is the chief geochemistry action of the shallow groundwater．Along with the runoff pass，the influence of leaching becomes weaker and the effect of evaporation concentration becomes stronger．SAＲ of river water and shallow groundwater increases from the mountain front to the estuary; and cation exchange and adsorption gradually replaces

the leaching．(3) The main hydrochemistry type of the river water is HCO3·SO4-Ca·Mg (SO4·HCO3-Ca·Mg) type．Evaporation concentration plays an important role in the formation of the chemical characteristics．In addition，the carbonate minerals and aluminosilicate in the riverbed may be leached by the river water; and the halite may be leached in the marine plain．

Key words: Luanhe Ｒiver; river water; groundwater; hydrochemistry; formation 地下水水化学研究是水文地质学的重要研究内容之一。开展相关研究不仅对揭示地下水化学特征和水化学形成作用具有重要的学术意义，而且对地下水水资源保护和可持续开发利用具有重要的实际价值［1～3］。水体的水化学分布受控于地层岩性［4］、地质地貌［5］、海水入侵［6］、人为作用等因素，能够反映该地区水体的历史演变过程［7］，，因而该特性被广泛用于识别水体化学组成的控制因素［8］。Carol［9］对Samborombón湾的滨海平原地下水盐化过程进行了研究，结果表明地下水的盐化作用主要受溶滤、蒸发作用和人类活动影响等因素的控制。王文科［2，8］利用数理统计、离子比例系数以及水化学模拟等方法对关中盆地浅层地下水水化学演化进行研究，结果表明水化学类型、离子含量等均呈现一定的水平分带性。水岩相互作用、蒸发浓缩，混合作用是该地区水化学演化的主要因素。安乐生等［10］采用数理统计、piper 三线图和离子比例系数等方法对黄河三角洲浅层地下水水化学特征及其成因进行了系统研究，结果表明混合、蒸发浓缩、溶滤、阳离子交替吸附作用及人类活动的影响是该区浅层地下水化学成分形成的主要作用。目前，国内外相关研究针对内陆地区较多，而针对滨海地区的研究河水和地下水的综合研究相对较少［9～14］。

滦河是河北省第一大河流，是京津唐地区的重要水源地之一。滦河流域也是环渤海经济区发展的主要支柱之一。然而该地区也是中国北方水资源短缺地区，人均占用水资源量约510 m3/a，仅为全国平均水平的23%，且时空分布极为不均。随着国民经济的快速发展，“三废”排放量逐渐增加，水污染问题日益突出，水资源短缺已经成为制约该区社会经济可持续发展和环境保护的一个主要问题［15］。因此，本文通过系统采集滦河流域河水和地下水水样，采用相关性分析、Gibbs 图、离子比例系数等方法对该区的水化学特征及形成作用进行分析，为进一步研究水循环机制、水资源合理开发利用、环境保护政策措施的制定等提供科学指导和依据。

1 研究区概况

滦河流域地区位于河北省东北部，包括唐山市和秦皇岛市南部部分辖区。滦河发源于巴延吉尔山北麓，穿过燕山山脉，南流入渤海，全长1200km，流域面积9000km2。研究区位于滦河下游，长度约88km，分布在燕山山前冲洪积倾斜平原之上，地势由北向南倾斜，地面标高多为10～50m，地面坡降0. 6‰左右，较为平坦。

研究区属暖温带湿润－半湿润气候区，多年平均气温11℃左右，年降水量600～750mm，降水量主要集中在7～9 月份，占全年的80% 以上，年蒸发量1775mm。

研究区地下水主要为第四系孔隙水和岩溶水。第四系孔隙水主要分布在滦河－洋河冲洪积扇和冲积海积平原地区，岩溶水主要分布在开平向斜蓄水构造中。

在冲洪积扇地区，包气带岩性以砂性土为主，第一、第二含水层组主要岩性为卵砾石、

粗砂、中粗砂、中细砂。在冲积海积平原，含水层岩性主要为粉细砂，局部含中砂，为多层结构，单层厚度4～14m。第一含水层组底板埋深40～60m。包气带岩性以砂性土为主，浅层淡水厚10～60m。

浅层地下水埋深自北向南逐渐减小，其中山前洪积扇区地下水由于地形较高，包气带厚度较大，因此地下水位埋深在15～30m，局部地区则出现大于30m的深度。而位于冲积平原下部的沿海区域地下水位埋深最浅，大部分则小于2m。地下水径流方向与河流流向大体一致。流向由北向南，自山前向滨海、由冲洪积扇顶部向扇缘放射状流动。主要接受大气降水、山前侧向径流流入(主要包括现代河流出山口地下潜流、出山口古河道地下潜流补给) 和河道渗漏补给。水力坡度约2‰。浅层地下水排泄主要为人工开采和蒸发。

2 研究内容与方法

2. 1 样品采集

2012 年7 月，在滦河流域垂直于河流精选7 个剖面进行河水和地下水水样采集，共采集水样33 组(采样点位置如图1)，其中河水7 组，浅层地下水样品26组。采样过程中，用预采样品对采样瓶进行3 次以上的冲洗，再进行取样。采样时利用GPS 记录采样点的地理坐标。本次地下水采样深度主要集中在1～9m。

2. 2 样品测试

样品水化学分析在中国建筑材料工业地质勘查中心陕西测试研究所完成。K +、Na +、

2--Ca2+、Mg2+、SO4等离子均采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICAP-6300) 测定，HCO3、Cl-

采用滴定法，用自动电位滴定仪(ZDJ-4A) 测定。

2. 3 数据分析

利用SPSS 对水化学参数进行统计及Pearson 相关性分析。绘制主要离子三角图，了解其水化学空间分布特征。利用Origin 8. 0 软件、Surfer 8. 0 软件绘制Gibbs 图、离子比例系数图。结合相关研究区资料，揭示研究区水化学的分布特征和主要形成作用。

3 结果与讨论

3. 1 水化学类型及参数统计特征

随着地貌单元的变化，滦河沿岸的水化学类型和离子浓度特征具有一定的分带性，从出山口到入海口，浅层地下水的水化学类型变化趋势为HCO3型→HCO3·SO4(SO4·HCO3) 型→Cl·HCO3型，阳离子则由Ca(Ca·Mg)向Na·Ca(Na) 型转化。

山间盆地(剖面Ⅰ、Ⅱ) 含水层以砾卵石、粗砂为主，颗粒粗、渗透性好，直接接受山前地下水侧向径流补给，地下水径流速度快，更新速率高，水化学类型主要为HCO3—Ca 型、

++HCO3—Ca·Mg 型。地下水的各离子浓度相对较低。离子浓度整体表现为Ca2+＞＞K + Na

-2--++＞Mg2+，HCO3＞＞SO4＞Cl。在阳离子中，Ca2+占主要优势，为Na+ K的5. 62 倍，为Mg2+

-的6. 50 倍; 浓度最大值为344. 29mg/L，最小值为37. 93mg/L。阴离子中HCO3占优势，分

2--别为SO4和Cl的2. 37 倍和2. 61 倍。浓度最大值为393. 05 mg/L，最小值为104. 40 mg/L。 冲洪积扇(剖面Ⅲ-Ⅴ) 包气带岩性以砂性土为主，局部为砾卵石，颗粒较粗、渗透性较好; 主要接受大气降水和地下水侧向径流补给，地下水径流速度较快。水化学类型主要为HCO3—Ca·Mg 型和HCO3·SO4—Ca·Mg。地下水各离子浓度逐渐增加，离子浓度整体表现

++-2--++为Ca2+＞＞K+ Na＞Mg2+，HCO3 ＞＞SO4 ＞Cl。阳离子优势离子Ca2+为K+Na的2. 96

-倍，为Mg2+的3. 38 倍。最大值为226. 05mg/L，最小值为104. 05mg/L。优势阴离子为HCO3，

2-分别为SO4和Cl-的3. 68 倍和4. 54 倍，浓度最大值为663. 27mg/L，最小值为257. 94mg/L。 冲积海积平原(剖面Ⅵ、Ⅶ) 含水层岩性主要为粉细砂，颗粒较细、渗透性较差，地下水径流速度慢，水化学类型主要为HCO3—Na·Ca 型、SO4·HCO3—Na·Ca型、

++-2-Cl·HCO3—Na·Ca 型。地下水离子浓度整体表现为K+Na＞＞Ca2+＞Mg2+，HCO3 ＞＞SO4

-++＞Cl。阳离子优势离子K+Na为Ca2+的3. 22 倍，为Mg2 +的7. 99倍，浓度最大值为470.

-2--26mg/L，最小值为87. 08mg/L。阴离子优势离子为HCO3，分别为SO4、Cl的2. 48 倍和2.

89 倍，浓度最大值为1056. 3mg/L，最小值为257. 94mg/L。

滦河河水水化学类型主要为HCO3·SO4—Ca·Mg(SO4·HCO3—Ca·Mg) 型，入海口处

++-2-为Cl—Na 型。除入海口(剖面Ⅶ)，离子浓度均呈现Ca2+＞Na+ K＞Mg2 +、HCO3 ＞SO4

++＞Cl-的变化趋势。阳离子的优势离子Ca2+为Na+ K的7. 44 倍，为Mg2+的2. 43 倍。浓

-2-度最大值为54. 95mg/L，最小值为47. 11mg/L。阴离子的优势离子为HCO3，分别为SO4和

Cl-的1. 74 倍和5. 49 倍，浓度最大值为190. 38mg/L，最小值为135. 11mg/L。

3. 2 水化学参数间相关性分析

表3 为研究区水化学参数的Pearson 相关系数。

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