北京平原區永定河沖洪積扇地下水水化學特征與演化規律

郇 環, 王金生, 翟遠征, 鄭潔瓊

1)北京師范大學水科學研究院, 北京 100875;

2)地下水污染控制與修復教育部工程研究中心, 北京 100875

北京平原區永定河沖洪積扇地下水水化學特征與演化規律

郇 環1,2), 王金生1,2), 翟遠征1,2), 鄭潔瓊1,2)

1)北京師范大學水科學研究院, 北京 100875;

2)地下水污染控制與修復教育部工程研究中心, 北京 100875

本文以北京市平原區永定河沖洪積扇地下水化學場的演化機理及地下水水循環規律為研究目的,根據水化學特征的水平分布及典型剖面上的演化過程研究, 得到以下結論: 1)從永定河沖洪積扇頂部補給區到扇緣排泄區, 地下水水化學類型呈現水平分帶性, 潛水水化學類型由 Ca-HCO3過渡到 Ca·Mg-HCO3、Mg·Na-SO4, 局部因人類活動影響出現 Ca·Na-HCO3·SO4、Na·Ca-Cl或 Ca·Mg-SO4型水; 中深層承壓水水化學類型由 Ca·Mg·Na-HCO3或 Ca·Na-HCO3過渡到 Na-HCO3或 Na-HCO3·SO4。2)永定河沖洪積扇上不同深度的地下水化學場受到了水巖相互作用影響, 從沖洪積扇頂端到沖積扇扇緣的徑流過程中主要發生了硫酸鹽、硅酸鹽和碳酸鹽的溶濾作用和Na-Mg和Na-Ca離子交換作用。3)地下水流速從扇頂補給區向扇緣排泄區逐漸減小, 硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽和巖鹽的水巖相互作用強度逐漸增強, 地下水更新速度減慢。

永定河沖洪積扇; 地下水水化學類型分帶; 水-巖相互作用

地球化學過程通過對含水層孔隙和滲透性的影響進而影響地下水的溶質運移; 反過來, 地下水流動能夠影響地球化學過程的速率(郭清海, 2005)。因此, 利用水化學資料可以很好地研究地下水的賦存環境、徑流途徑及能量質量交換等重要信息, 從而揭示地下水的循環規律(沈照理等, 2002; 張人權,2005)。水-巖相互作用是研究地下水水化學的時空變異特征、地球化學演化規律、環境污染防治的主要基礎理論。水文地球化學模擬可以通過處理水巖相互作用系統中水和礦物間及水本身在不同環境條件下所發生的各種地球化學作用, 精確刻畫地下水與環境的相互作用機制(Garrel, 1962)。其中反向地球化學模擬大量應用于研究地下水的地球化學演化規律(Lee et al., 1988; Kenoyer et al., 1992; Dai et al.,2006; Samper et al., 2008; Federico et al., 2008; Sharif et al., 2008; 張宗祜等, 1997; 王焰新等, 1998; 徐中華等, 2009; 王麗等, 2004; 劉志明等, 2006; 蘇小四等, 2007; 董維紅等, 2010)。

北京市地下水開采量占全市供水量的2/3左右,是國際上為數不多的以地下水作為供水水源的大都市之一。自1999年以來北京連續干旱, 地表水資源嚴重短缺, 地下水的重要性日益顯著(北京地質礦產勘查開發局等, 2008), 但與此同時, 因城市快速發展而產生的人為污染和超量開采改變了地下水環境:水質污染的面積逐年增加, 水質超標的范圍不斷擴大, 且污染有向深層地下水擴展的趨勢(姜體勝等,2010); 一些井泉干涸, 地下水水位持續下降并產生地面沉降和地裂縫等環境地質問題, 地下水的資源功能難以可持續利用, 這對于以開采地下水為主的灌溉農業生產用水難有安全保障(張光輝等, 2010)?？偟膩碚f, 作為自然環境因子和水循環組成要素的地下水的補給和演化條件發生了變化, 因此重新判定區域地下水的水化學特征和演化規律十分必要,這不僅有助于分析地下水循環規律, 還可以為首都地下水水質保護、地下水資源合理開發利用提供理論依據。

本文通過采樣分析和反向水文地球化學模擬,研究了北京市平原區永定河沖洪積扇地下水的化學特征空間分布規律。

1 研究區概況

北京地區屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區, 多年(1949—2008)平均降水量約600 mm(宋獻方等, 2007)。地跨山區和平原兩大地理區, 東南部屬于山前沖洪積平原。永定河是流經北京地區的最大河流, 自西北流向東南, 最后經海河匯入渤海。永定河沖洪積平原屬永定河水系, 是不同時期的多期沖洪積扇的復合體,包括城近郊、大興及通州區南部(見圖 1)。

永定河流域地層以太古宇、上古生界二疊系、中生界侏羅系和第四系分布最廣。其中第四系除山前分布有少量的殘坡積層外, 大都為沖洪積層, 由松散的砂、礫石層、粘土層互層組成, 厚度由西向東逐漸加厚, 但局部變化顯著, 主要受古地形及地質構造影響, 在八寶山以北, 局部沉積厚度在200 m以上。含水層系統由西向東, 巖性由粗變細, 層次由少變多, 西部地區以單一砂卵礫石層組成, 東郊地區巖性以砂礫石與粘性土互層, 漸變為以粘性土為主, 層次由一層逐漸增多到數層, 以至數十層(見圖2)。地下水補給來源有大氣降水、河水入滲、農業灌溉水入滲回歸、山前側向徑流補給、地表水庫滲漏補給等。地下水排泄以人工開采為主, 有側向流出和少量潛水蒸發。其中淺層地下水主要受地表大氣降水的垂直入滲補給, 并普遍存在入滲補給深層水的越流現象(劉鋒等, 2008)。

2 研究區地下水水化學空間分布特征

2.1 采樣與分析

2009年5—8月, 沿研究區的山前—扇中—扇緣共采集 34個地下水水樣(圖 1), 均來自飲用水井和農灌用井。所采地下水樣的類型包括第四系潛水含水層與中上更新統承壓含水層。

在現場用GPS對采樣點進行定位(經緯度、井口高程), 并對水樣的溫度、pH值、TDS(總溶解固體)、EC(電導率)和 ORP(氧化還原電位)等進行檢測。所采水樣在北京師范大學分析測試中心進行了八大離子、F-、Al3+、可溶性 SiO2和游離 CO2等項目的測定。其中 Na+和 K+的測試方法為火焰原子吸收分光光度法(GFU-202); 可溶性 SiO2的測試方法為UV1100型分光光度計; Ca2+、Mg2+和Al3+的測試方法為 EDTA滴定法; F-、Cl-和 SO42-的測試方法為離子色譜法(HLC-601); 游離 CO2、HCO3-的測試方法為酸堿滴定法。部分測試項目的統計值見表1。

圖1 研究區位置和采樣點Fig. 1 Location of the study area and distribution of sampling sites

圖2 永定河沖洪積扇地區水文地質剖面圖Fig. 2 Hydrogeological profile in the Yongding River alluvial fan

表1 地下水樣測試項目統計信息Table 1 Statistical information of tested items of groundwater samples

2.2 地下水水化學空間分布特征分析

文中將埋藏深度在100～200 m和200 m以上的承壓水分別稱為中層承壓水和深層承壓水。根據測試結果繪制出潛水和中深層承壓水的水化學類型分區圖(圖3和圖4), 從中可知永定河沖洪積扇頂部至沖洪積扇扇緣水的化學空間變化表現出分帶性, 西部山前地區地下水位差大, 易于接受大氣降雨和地表水補給, 調蓄能力強, 是地下水的補給區, 地下水礦化度較低, 潛水和中深層承壓水均為 HCO3型水, 水化學類型依次為 Ca-HCO3、Ca?Mg?Na-HCO3或Ca?Na-HCO3。由于石景山部分城區地下水因受到工業、城市生活污水排放等原因影響而發生變化,形成 Ca?Na-HCO3?SO4、Na?Ca-Cl或 Ca?Mg-SO4型水。徑流區位于洪積扇中上部二至三層結構的砂卵礫石含水層與粘土層互層地區, 地勢平緩, 地下水流動相對滯緩, 地下水水化學類型為 Ca?Mg-HCO3或Ca?Mg?Na-HCO3。排泄區位于沖洪積扇中下部至扇緣地帶, 含水層結構過渡為多層結構, 地下水基本上處于滯留狀態, 其中潛水水化學類型為Mg?Ca-HCO3、Mg?Na-HCO3或 Mg?Na-SO4, 中深層承 壓 水 為 Ca?Mg?Na-HCO3、 Mg?Ca?Na-HCO3、Na-HCO3或 Na-HCO3?SO4型水。

電導率(EC)一定程度上反映了水分在流域水循環過程中的徑流路徑與滯留時間的長短(于靜潔等,2007), 總溶解固體(TDS)代表了水中溶解物雜質含量, 一般說來, 流程越長, EC、TDS值越大(于靜潔等, 2007; 王水獻等, 2007)。從沖洪積扇扇頂的補給區到下游扇緣處的排泄區, 潛水TDS沿地下水流向由1.07 g/L上升到2.3 g/L, EC由808 μs/cm上升到3140 μs/cm; 中層承壓水TDS由0.58 g/L上升到0.95 g/L, EC由722 μs/cm上升到1279 μs/cm; 深層承壓水TDS、EC變化幅度較小。

圖3 潛水水化學類型分區Fig. 3 Chemical subareas of phreatic groundwater

圖4 中深層承壓水水化學類型分區Fig. 4 Chemical subareas of moderate and deep groundwater

3 不同深度地下水的地球化學演化規律

研究采用水-巖相互作用揭示規律說明地球化學演化過程, 然后將地下水流動速度與不同深度的水巖相互作用強度進行對比分析地球化學演化成因。本文用可能礦物相的質量轉移量表征水巖相互作用強度。為了解地下水化學演化的路徑, 采用PHREEQC軟件, 根據獲得的水化學資料來計算水化學組分沿水流路徑演化時所發生的質量轉移(Hnkotagu, 1996)。

3.1 水巖相互作用的反向地球化學模擬

根據地下水流場圖和采樣點位置, 沿垂直或近似垂直于地下水等水位線方向, 從沖洪積扇頂部的補給區到沖積扇下游排泄區, 選定 3條典型路徑作為模擬路徑, 分別為: ①109-121-120-115-67, 位于潛水含水層; ②119-68, 位于中層承壓含水層;③117-112-116-66, 位于深層承壓含水層(圖5)。為方便對比分析, 將各區段用字母 A-J表示, 模擬獲得的不同地球化學作用過程用1、2表示(表2)。

圖5 地下水水流模擬路徑Fig. 5 Modeling paths of groundwater flow

表2 不同模擬區段所處位置表Table 2 Location of different simulation sections

根據北京廖公莊均衡試驗場資料, 當潛水水位埋深大于 4 m時, 潛水蒸發幾乎停止, 而本次進行反應路徑模擬所用的水化學和同位素樣品的采集深度遠大于4 m, 因此不考慮蒸發濃縮作用的影響。平原區第四系含水層砂礫石、中-粗砂、粉細砂為主, 屬以鋁硅酸鹽為主的地層。除此以外, 碳酸鹽、硫酸鹽也是研究區內砂巖含水介質中重要礦物, 因此地下水化學成分的演化可能受到碳酸鹽巖、硫酸鹽巖以及硅酸鹽巖溶濾作用的影響。陽離子交換作用對硬度升高的作用不可忽視, 在 Na+濃度較高時(大于3.5 meq?L?1), 這種離子交換作用對硬度的影響特別明顯, 特別是 Na+與粘土礦物中的可交換性 Ca2+、Mg2+之間發生的離子交換反應。

本次研究通過對比地下水水流路徑起、終點水的化學成分、礦物飽和狀態, 結合含水層礦物測定結果、地下水賦存條件和巖層古地理條件分析, 為淺層地下水中的模擬路徑選定鉀長石、斜長石、天青石、螢石、石膏、白云石、方解石、鉀云母、石英、巖鹽、CO2和陽離子交換共12項作為可能礦物相, 將除CO2外的11項作為中深層承壓含水層中可能礦物相, 根據剖面上水化學測定結果確定K、Na、Ca、Mg、C、S、Al、F、Si為3個剖面上的約束變量。

利用 PHREEQC軟件, 通過質量平衡反應模型計算不同水流路徑上的地球化學反應結果見表3。

根據反向地球化學模擬的結果, 從模擬路徑的起點到終點, 天青石和螢石的溶濾作用致使地下水溶液中 Sr2+和 F-離子濃度發生變化。螢石在大興區魏善莊鎮馬坊村到通州區永樂店排泄區的水巖相互作用強度明顯高于補給和徑流區, 這與天然氟化物超標區域相吻合。天青石和石膏的溶濾作用共同導致SO42-濃度變化。4種硅酸鹽(斜長石、鉀長石、石英和鉀云母)導致地下水中Al3+濃度變化。斜長石和巖鹽的溶濾作用以及水溶液中的 Na+與沿途經過的巖石介質中的Mg2+、Ca2+進行離子交換作用, 使Na+濃度發生變化。在斜長石、石膏和碳酸鹽的溶濾作用以及Na-Ca離子交換作用的共同影響下使得Ca2+濃度變化。淺層地下水中發生較強的CO2溶濾作用。

從沖洪積扇頂端到沖積扇扇緣, 地下水在不同徑流階段與巖石發生的水巖相互作用強度不同, 硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、巖鹽、螢石和Na-Mg、Na-Ca陽離子交換作用的質量轉移量從地下水補給區到地下水排泄區逐漸增加。

排泄區的潛水和中深層承壓水中的水巖相互作用強度也不相同: 在大興區魏善莊—大興區采育區段, 硅酸鹽、碳酸鹽的水巖相互作用強度和陽離子交換程度隨地下水埋藏深度增大而增強; 在大興區采育鎮—通州區永樂店區段, 硅酸鹽水巖相互作用強度在不同深度的地下水系統中近似, 但巖鹽和石膏的水巖相互作用強度隨地下水埋藏深度增大而增強。

3.2 地球化學演化成因分析

對不同深度的地下水系統在不同水平路徑上的流速運用達西公式(V=KI)進行了計算(表 4)?？偟膩碚f,補給區的地下水流速度高于徑流排泄區, 徑流排泄區的潛水水流速度高于中深層承壓水水流速度。

表3 不同模擬區段上不同模型的各種可能礦物相質量交換計算結果Table 3 Mass balance calculation results of different models on different simulation sections

表4 不同模擬區段地下水平均流速Table 4 Average groundwater velocity in different simulation sections

將地下水流速和各可能礦物相的質量轉移量(見圖6-圖9)進行對比發現:

①補給區的地下水流速度高于徑流排泄區, 而補給區的硅酸鹽、碳酸鹽的質量轉移量和Na-Mg和Na-Ca陽離子交換作用強度明顯小于徑流排泄區。

②徑流排泄區的潛水水流速度高于中深層承壓水水流速度, 同時潛水中硅酸鹽、碳酸鹽的質量轉移量和Na-Mg和Na-Ca陽離子交換作用強度小于中深層承壓水。

圖6 硅酸鹽質量轉移量和地下水流速關系Fig. 6 The relationship between silicate transfer mass and groundwater velocity

圖7 石膏、巖鹽質量轉移量和地下水流速關系Fig. 7 The relationship between gypsum, halite transfer mass and groundwater velocity

圖8 碳酸鹽質量轉移量和地下水流速關系Fig. 8 The relationship between carbonate transfer mass and groundwater velocity

圖9 陽離子交換質量轉移量和地下水流速關系Fig. 9 The relationship between cation exchange transfer mass and groundwater velocity

以上兩點說明, 補給區地下水水力梯度較大,地下水流動迅速, 徑流區區內地勢平緩, 地下水位相差不大, 地下水流動相對滯緩, 地下水化學組分處于遷移-富集過程, 排泄區透水性變差, 地下水水力梯度變小, 地下水基本上處于滯流狀態, 地下水化學組分處于富集過程。地下水流速越大, 地下水和巖石礦物的反應接觸時間越短, 地下水溶液和巖石介質之間的礦物質量轉移量越小, 因此水巖相互作用強度越低。反之亦然。

③淺層含水層中補給區和徑流區的石膏和巖鹽的質量轉移量接近, 大于其在排泄區(除 115-67段)的轉移量, 這與以上得到的地下水流速越大, 礦物質量轉移量越小的結論正好相反。說明石膏和巖鹽在淺層地下水中發生的溶濾作用和地下水水動力條件關系不大,其水巖相互作用強度可能受到含水層系統所處的溫度壓力等條件以及含水層介質的成分和物化性質有關。

4 結論

通過本次研究, 得到以下結論:

1)從永定河沖洪積扇頂部補給區向下游扇緣地下水排泄區, 地下水水化學類型呈現水平分帶性,潛水水化學類型由 Ca-HCO3過渡到 Ca?Mg-HCO3、Mg?Na-SO4, 在山前的石景山區和部分城區因人類活動的影響而出現 Ca?Na-HCO3?SO4、Na?Ca-Cl 或Ca?Mg-SO4型水。中深層承壓水水化學類型由Ca?Mg?Na-HCO3或 Ca?Na-HCO3過渡到 Na-HCO3或Na-HCO3?SO4。

2)永定河沖洪積扇上不同深度的地下水化學場形成受到了水巖相互作用影響, 從沖洪積扇頂端到沖積扇扇緣的徑流過程中, 沿途主要發生了硫酸鹽、硅酸鹽和碳酸鹽的溶濾作用和Na-Mg和Na-Ca離子交換作用。地下水在不同的循環階段與巖石介質發生的水巖相互作用程度不同, 硅酸鹽、碳酸鹽、天青石、石膏和巖鹽的水巖相互作用強度從沖洪積扇頂部的補給區向扇緣邊界的地下水排泄區均增強。

3)從沖洪積扇頂部單層砂卵礫石到沖洪積扇扇緣的含水層結構多層交疊, 地下水流速從地下水補給區向排泄區逐漸減小, 地下水在單位流程上的滯留時間就相對增長, 地下水和巖石礦物的反應接觸時間越長, 水巖相互作用越充分, 地球化學過程使含水層孔隙和滲透性變小進而影響地下水水流流動,因此地下水更新速度越慢。

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Chemical Characteristics and Evolution of Groundwater in the Yongding River Alluvial Fan of Beijing Plain

HUAN Huan1,2), WANG Jin-sheng1,2), ZHAI Yuan-zheng1,2), ZHENG Jie-qiong1,2)
1)College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing100875;2)Engineering Research Center for Groundwater Pollution Control and Remediation, Ministry of Education, Beijing100875

This study intends to find out the evolutionary mechanism of groundwater geochemical field and groundwater cycle in the Yongding River alluvial fan of Beijing. Based on the horizontal distribution of geochemical characteristics and groundwater evolutionary process in typical profiles, the authors have reached the following conclusions: 1) From the recharge area to the discharge area of Yongding River alluvial fan, different zones of groundwater chemical types can be recognized. The chemical type of phreatic groundwater changes from Ca-HCO3to Ca?Mg-HCO3and Mg?Na-SO4while the type of deep groundwater changes from Ca?Mg?Na-HCO3and Ca?Na-HCO3to Na-HCO3and Na-HCO3?SO4. Groundwater with chemical types of Ca?Na-HCO3?SO4,Na?Ca-Cl or Ca?Mg-SO4in the recharge area have been affected by human activities. In general, the distribution of groundwater chemical zones is consistent with that of groundwater flow zones, especially in the unconfined and moderate-deep confined aquifer. 2) The groundwater chemical field in different depths is affected by water-rock interaction, which includes the dissolution/deposition of sulfate, silicate, carbonate and halite and the cation exchange of Ca-Na and Ca-Mg. 3) From the recharge areas to the downstream discharge areas of the Yongding River alluvial fan, the groundwater velocity decreases gradually while the amount of dissolution/deposition for silicate, carbonate, sulfate and halite grows gradually. Therefore, the renewable velocity of groundwater decreases.

Yongding River alluvial fan; zones of groundwater chemical types; water–rock interaction

P641.3; P641.13

A

10.3975/cagsb.2011.03.11

本文由北京市重大科技項目(編號: D07050601510000)資助。

2011-02-22; 改回日期: 2011-04-07。責任編輯: 魏樂軍。

郇環, 女, 1984年生。博士研究生。主要從事地下水污染控制方面的研究。通訊地址: 100875, 北京師范大學水科學研究院。Email: huanxiaohuan0825@yahoo.cn。