松嫩平原地下水水化学特征及演化机理研究

发布时间：2020-05-20 20:09

【摘要】：松嫩平原拥有一个由多层含水层组成的大型地下水含水系统,地下水在促进该地区的社会经济发展和维护生态平衡中发挥着不可替代的作用,但随着人口增长和经济发展,目前出现的水环境问题在一定程度上影响了地下水化学成分及其演化进程。为科学认识松嫩平原地下水质的演化规律,合理利用地下水资源,有必要进行该区地下水的演化机理研究。本文基于水文地球化学理论,较为系统地探讨了松嫩平原地下水的赋存条件、水化学特征及演变规律,并定性和定量研究了地下水化学成分在形成过程中所经历的水文地球化学过程,揭示了自然过程与人类活动的作用机理。主要研究内容和结论可归纳为以下几点:1、松嫩平原各含水层可视化的研究联合GMS和GIS技术构建了研究区地下水赋存空间的三维可视化模型。根据模型结构体、分层和剖面的所示结果,松嫩平原地势起伏很大,北部海拔明显高于南部,东部和西部也有轻微隆起,三面共同向南面倾斜。第四系全新统分布较零散,主要分布于松花江、嫩江沿岸,整体较薄,储水能力较弱;上更新统的富水段主要位于研究区西半部,由于西侧山前平原的倾斜地形和较粗的粒径,补给条件较好;中更新统分布比较广泛,大致从东北向南部水位埋藏逐渐加深,含水层厚度加大,富水性逐渐变好;而下更新统和第三系都主要分布于研究区中部低平原处,其中第三系砂岩含水层厚度在区域上的变化明显。因上覆第四系和第三系的多个取水层段,白垩系含水层在松嫩平原西部埋藏很深,开采意义不大,而在东部高平原处,由于第三系和第四系上、下更新统含水层大面积的缺失,白垩系大面积分布于中更新统之下甚至接近地表,具有一定的供水意义和研究价值。结合所建模型和基础资料对地下水赋存空间进行分析的结果表明,该模型对于各含水层和弱透水层(隔水层)的埋藏深度、延展情况、岩性和富水性具有良好的指示意义,在水文地质的研究中具有一定的实用价值,并可为之后的水化学特征分析及演化规律研究奠定基础。2、松嫩平原地下水水化学时空分布特征的研究(1)地下水水化学综合参数的空间分布规律依据研究区水化学采样测试结果绘制水化学综合参数的空间分区图,讨论其分布特征。分析结果表明,研究区地下水以为淡水为主,微咸水主要分布于中部低平原处的第四系含水层中。第四系地下水总硬度基本呈由四周向中部逐渐升高的规律,其中第四系浅层水超标较严重;第三系地下水的总硬度普遍偏低,而白垩系地下水总硬度在区域性上的差距明显。第四系浅层地下水的水化学类型很复杂,阴离子水化学类型以HCO3型为主,而主要阳离子的空间分布具有分带性特征,主要表现为沿着地下水流向,由以Ca型水为主过渡为Ca·Mg、Mg·Ca型水,继而过渡为Mg·Na型和Na·Mg型水,在低平原中部的大庆市和安达市则转变为Na型水。第四系深层地下水水化学类型的演变规律与浅层水相似。而第三系地下水的水化学类型相对简单,以HC03-Na、HC03-Ca·Na、HC03-Na·Ca为常见类型。白垩系地下水的水化学类型则相对复杂,并且在空间上没有明显的演化特征。(2)地下水主要离子组分分区统计特征根据浅层地下水的主要控水因素对研究区浅层地下水进行分区,并将中、深层地下水按照地质时代划分组别,基于统计学理论,对不同分组的地下水样的主要离子组分进行了统计分析,并从水文地球化学的角度讨论不同组分和类型所反映出的水质特点和主要水化学形成作用。研究结果表明,HCO3-是地下水中含量较稳定的主要阴离子,C1-和SO42-是造成阴离子水化学类型演变的主要变量。在浅层地下水中,除了中部低平原处的乌裕尔河—双阳河地下水系统以Na+为主外,其他分区中Ca2+都是主要阳离子,而在中、深层水中Ca2+、Na+共同为主要阳离子。NO3-在浅层地下水中含量普遍偏高,尤其在东部高平原处超标明显,这与该区域发达的农业活动直接相关;而F-的含量分布受到地形、淋溶区矿物成分及地下水蒸发程度等因素的影响,其中在中部低平原浅层地下水中含量升高明显,而在中、深层地下水中的含量明显偏低,且随着埋藏深度的加深而降低。总体上讲,在流域水系、地形及水循环条件的影响下,从补给区到排泄区,不同分区的浅层地下水化学组分和类型表现出了明显的区域演化特征,体现着主要水化学作用由溶滤作用向蒸发沉淀作用的转变。(3)地下水组分垂向分布特征和季节演化规律选择具有不同开采层位的代表性钻孔,运用Schoeller图进行不同含水层水化学成分的对比分析,并研究丰枯季节变化对典型区水化学演化规律的影响。研究结果表明,不同深度的地下水在垂向上具有一定的水力联系,尤其是第四系不同时代的含水岩组之间,而季节变化会影响地下水的演化过程。在枯水期TDS均值升高,主要表现为在河谷低洼地带Na+、Cl-和SO42-的含量有所升高,而季节变化对总硬度的影响不明显。NO3-在潜水枯水期的污染严重,而在丰水期由于大气降水入渗的增加和河流的侧向补给作用,潜水中NO3-浓度明显降低。3、地下水水水化学成分形成过程研究基于水文地球化学理论、统计学理论、同位素和多种水化学分析方法,对研究区地下水水化学成分的形成作用进行深入分析,研究地下水与外界环境之间的相互作用关系。研究结果表明,研究区地下水来源于大气降水的入渗补给,地下水中的溶解反应以碳酸盐和硫酸盐的溶滤反应为主,并且伴随着硅酸盐类和岩盐的溶解,在下部含水层中硅酸盐的溶解也是主要过程,研究区硅酸盐类矿物在适当条件下可水解为高岭土。从地域和地下水系统上来讲,西部山前倾斜平原、东部高平原北端的浅层地下水和中、深层地下水以溶滤作用为主,蒸发浓缩作用则对中部低平原乌裕尔河—双阳河地下水系统的浅层水的控制作用最为明显,并影响局部低洼排泄地带的水化学成分演变过程。而阳离子交替吸附过程是研究区地下水中发生较普遍的水文地球化学过程,受到地形条件和含水层岩石粒度的影响,在研究区北端和西部倾斜平原地区阳离子交替吸附作用比较微弱,而在研究区中、东部地区,阳离子交替吸附作用变得普遍,对地下水化学成分的演变逐渐具有重要意义。此外,研究区河道广布,混合作用对浅层地下水化学成分的演化同样起着重要作用;而近年来人类活动也在直接和间接地改变着自然条件下的地下水化学成分和平衡状态。4、地下水反向水文地球化学模拟运用PHREQC软件展开了不同含水层地下水的水文地球化学模拟研究,并结合地下水的水动力场条件定量分析地下水化学演化规律。研究结果表明,在松嫩平原不同含水岩组地下水的径流过程中,发生着不同程度的溶滤作用及阳离子交替吸附作用;在中、深层地下水中硅酸盐类的溶解往往是不可忽视的水文地球化学过程,而阳离子交替吸附作用的发生程度及方向与地下水的水动力条件和水化学成分有关。在地下水的补给地段,单位距离上易溶盐的溶蚀量较少,阳离子交替吸附作用比较微弱,而在排泄地带单位距离上易溶盐的溶蚀量明显增大,阳离子交替吸附作用非常明显。这说明地下水的溶蚀作用结果与地下水动力场具有密切的联系,地下水动力场条件是地下水演化方向的重要影响因素,而地下水溶蚀作用的强弱对地下水的补径排条件起到一定的标志作用。人类活动的作用将会影响水动力场的形成,并影响水化学场的演变规律;而在水动力场相似的条件下,由于含水层的矿物成分差异、地下水赋存特征及初始水化学成分等因素的不同,地下水水化学成分也表现出不同的演化特征。
【图文】：

总面积１８．３ｘｌ0４ｋｍ２。本文的研究区为松嫩平原黑龙江省内部分，地逡逑理坐标：北纬邋４４°３４＇０６〃？４９°２６＇４５〃，东经邋１２２°５２＇３８〃？１２８°１８＇０９＂，总面积逡逑１１．７６ｘｌ０４ｋｍ２，占据松嫩平原总面积的近２／３（图２．１）。区内铁路网纵横交错，逡逑公路四通八达，交通便利。逡逑Ｉ２Ｊ＊００＊逦丨邋２＾００＇逦１２５＊００＇逦１２６＊００＊逦１２７＊００＊逦１２３＇００＂逡逑逦逦ｒ逦－逡逑＝：：媂：，＾＾：逡逑”：丨邋Ｍ逡逑公路邋｜邋ｒ＼ｊ邋＼逦°°＇逡逑市兵点逦ｒＶ研究０逦：０邋？Ｋｍ邋｜逡逑１２６＊００＊逦１２７＊００＊逦１２３＊００逡逑图２．１研宄区地理位置图逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｔｕｄｙ邋ａｒｅａ逡逑２．１．２地形地貌逡逑研究区的西、北、东三面分别为大兴安岭、小兴安岭和张广才岭及长白山逡逑丘陵山地所环绕，南部以嫩江、松花江及拉林河为界。区内地形大体可分为西逡逑部山前倾斜平原、中部低平原、东部高平原与河谷平原四部分（图２．２）。逡逑东部高平原大致在讷河二克浅一依安三兴镇一安达镇一肇州丰乐镇连线以逡逑东，为剥蚀冲洪积高平原与剥蚀冲湖积高平原。该区地形起伏较大，侵蚀切割逡逑１５逡逑

逦吉林大学博士学位论文逦逡逑强烈，，树枝状沟谷密布。海拔１８０？６００ｍ，比高１０？３０ｍ，其上分布有溶岩台逡逑地和零星的基岩残丘。地势由东、东北向低平原倾斜，东部呈浅丘状起伏，东逡逑南呈波状起伏。逡逑中部低平原分布于高平原以西，富裕二道湾镇一齐齐哈尔一泰来江桥镇连逡逑线以东，为冲洪积低平原。地势低平开阔，海拔１３０？１８０ｍ，比高３？５ｍ。地逡逑势由东向西，由北向南缓倾，洼地、湖泡星罗棋布，盐碱地、沼泽湿地发育，逡逑风成沙地遍布。逡逑西部山前倾斜平原位于大兴安岭东麓的山前地带（由侵蚀冲洪积形成的台逡逑地与冲积洪积的倾斜平原组成）。地形由西向东倾斜，坡降１％0？５％。，辫状水逡逑系发育，海拔１５０？２００ｍ，比高５？２０ｍ。逡逑河谷平原主要分布在松花江、嫩江河谷及支流河谷中，为冲积平原。在高逡逑平原区河流下切强烈，两岸常形成陡坎，河流蛇曲发育，湿地遍布。逡逑
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X523;P641.3


本文编号：2673135