地下水化学成分形成的主要影响因素

地下水化学成分形成的主要影响因素地下水化学成分形成的主要影响因素有四大类：分别是自然地理因素、地质因素和水文因素、生物因素和人为因素，下面将详细分析并举例说明其主要的影响因素。一.自然地理因素包含地形；水文；气候（气象/降水/气温/蒸发）。（1）地形：影响水交替条件，而水交替条件又影响水的化学成分和矿化度。地形切割强烈，水的交替条件就好，有利于淡水的形成。反之，则形成高矿化度的咸水或盐水。如山区形成碳酸型水，而平原易形成硫酸水或氯化物型水（2）水文：密集的水文网有利含水层的水交替条件。盐分的带出及淡潜水的形成。在水文网稀疏的条件下，地下水径流受阻，从而使潜水矿化度增高。（3）气候①气象②降水大气降水能使地下水的储存量、矿化度和化学成分发生明显变化。降雨对地下水化学成分的影响,可以分为直接与间接两种作用方式,所谓直接方式,是指雨水中的化学组分,通过包气带直接入渗补给地下水;间接方式,是指雨水在经过包气带并与岩土发生复杂的物理化学作用过程中进入地下水。实际上,地下水化学成分的变化,是在上述两种过程中共同完成的只不过在降雨为pH值过低的酸雨时与岩土的作用更强烈,地下水化学成分的变化更深刻罢了。i.据苏州市某厂周围1984年检测的浅层地下水中SO42-含量和水的化学类型,由资料看出,硫酸型水广泛分布,面积约为五平方公里，其中C8井点矿化度为2.21克/升，总硬度高达50.7德国度，为全市之冠；尤其是距该厂北侧30米左右的C5、C3。井孔点(为浅钻孔,水位埋深1米),地下水中SO42-含量居然高达2.63一2.494克/升,矿化度达到4.93一5.21克/升,总硬度为25.2一41.6德国度,明显的与该厂经常排放高浓度的SO42-所形成的酸雨有密切关系,地下水中的SO42-含量如此之高,与酸雨中的高含量的SO42-的直接入渗有关,也是酸雨中高浓度的H+与本区浅部土层中丰富的铝硅酸盐(100克土中含有SiO2+Al2O3达到80克左右)强烈作用的结果。ii.因子F3[2]的得分表现为地下水小于地表水，在马鞍山收费站和胡家湾最高，这两个点属于地表河流系统，说明岩溶地下水中的Na+、Cl-受到地表水体中溶质的影响.然而，由表3.1的分析可知，金佛山地区的大部分岩溶地下水样品中Na+、Cl-并不高，基本与大气降水接近,可以认为其主要来自大气降水。③气温关中盆地气温对地下水富集氟离子的影响。地下水中的氟主要来源于基岩土壤中的含氟矿物呈吸附态的氟和氟络合物!但是氟由固相转入液相，由吸附态变为解析态，其迁移转化过程和量受到多种因素的影响，其中温度的影响阐述如下：图2表示了10~12月份地下水水温与F离子含量关系图。在枯水期，温度较低的情况下，地下水温在7~18℃波动，而高氟地下水温主要集中在13~16℃，最大值出现在13.5~14.5℃。一般情况下，水温高时有利于含氟矿物的溶解和呈吸附态氟的解析，有利于氟在水中富集。这是因为水温高，氟离子的活性增强，岩石土壤表面的呈吸附态的氟易于解离，并在水中富集;同时岩石土壤等的含氟的化合物溶解度增大，导致水中的氟含量升高!但从图中可以看出，在16~18℃范围内，虽然地下水温度较高，但氟离子的含量却相对较小，这是因为在温度较高时，离子的活性增强，其他离子的溶解对氟离子起到了抑制作用。这也说明水温主要是起到促进含氟矿物及呈吸附态氟的解析和溶解，并不是水中氟含量高的主要因素，只是引起地下水中氟离子含量高的一个有利因素。④蒸发关中盆地蒸发对地下水富集氟的影响。高氟地下水形成的首要条件是具有供氟能力强的氟源，包括基岩和土壤中的含氟矿物，以及呈吸附态的氟和氟络合物。由关中盆地氟病区分布图可以看出，轻病区处大部分位于渭北黄土台塬处及河流高级阶地区，包气带主要为黄土或黄土状亚粘土，垂直节理发育，大气降水垂向入渗，土质上疏下实，溶滤作用强烈，包气带中可溶性氟含量较高，该区域水力坡度较大，侧向径流条件较好，潜水位埋深较深，地下水中的氟主要来自水—岩界面间的含氟矿物的溶解与溶滤;中病区位于二三级阶地处，水力坡度变缓，侧向溶滤作用更加明显，地下水中的氟含量变高;重病区主要位于构造洼地处，该区域水位埋深浅，蒸发浓缩作用强烈，地下水中的氟随着毛细带上升，受到某些矿物的吸附而滞留在包气带中，随着降雨的入渗，水—岩界面间的含氟矿物通过溶滤作用进入地下水中。图6反映了土壤样本的不同深度处的可溶性氟含量的大小。图7表示氟含量与不同的水文地球化学地段间的关系。从图6中可以看出，0~0.2m包气带土壤中的可溶氟含量随着深度的增加而增加，基本上在0.2m左右可溶氟的含量最高，说明0.2m以下的包气带可溶性氟主要来自表层，溶滤作用使得可溶性氟在包气带中向下迁移;而XAT001土壤表层的可溶性氟含量最大，说明表层土已受到了污染。可溶性氟的含量总体上呈减少趋势，0.2~0.5m处的包气带土壤可溶性氟的含量基本上变化很小，说明0.2~0.5m为可溶性氟的吸附带，由于吸附作用的存在使得可溶性氟向水中迁移的量减小，但溶滤作用促进土壤中可溶性氟向地下水中氟转化的总方向并未改变。图7则说明，PTW004、FCW001和PTW001位于冲洪积扇处，该处水力坡度大水循环交替积极，以溶滤作用为主，地下水中的氟含量普遍较低;而淋溶—蒸发地段位于黄土塬和高级阶地处，氟含量的升高主要是因为侧向溶滤作用的加强。由于受到洛河的稀释作用，D004、D001两点的氟含量相对较小;强烈蒸发地段位于卤泊滩的塬面洼地处，该地段水位埋藏较浅，水流滞缓，以蒸发浓缩作用为主。图6和图7则说明了氟向地下水中的迁移主要取决于溶滤作用，而地下水中氟的聚集主要取决于蒸发浓缩作用。二.地质因素和水文地质因素：包含地质构造；土壤、岩石的矿物成分和水—岩作用时间（地下水流速）地质及水文地质条件对地下水化学成分的形成在一定程度上起着决定性的作用,这主要表现在地形地貌、岩层性质、地下水循环条件及埋藏的不同，其化学成分往往有很大的差别。在新生界含水岩组的地下水中，水化学成分在空间上的变化较大，在盐池南北分水岭以东地区，地下水水力坡度大，径流较好，水交替作用强烈，地下水类型以HCO3·SO4水为主，分水岭以西地区，地下水水力坡度小，水化学类型通常为SO4·Cl型水。罗汉洞含水岩组的地下水化学类型以SO4·Cl水为主。该含水岩组在盐池南北分水岭以东多被薄层第四系覆盖，在盐池县周围的新生界和罗汉洞组的TDS含量均较高，在盐池南北分水岭以西大部分地区被薄层第四系和第三系双重覆盖，在研究区的西南部两个含水岩组的含量都有明显的减小。另外两个含水岩组SO42-和Cl-的含量分布特征在盐池县城周围以及研究区的西南部都有相似的分布特征。由此可以看出，该含水岩组地下水的主要来源为新生界含水岩组里补给。环河含水岩组的地下水总体由南向北径流，且净流滞缓，水力坡度约为1.7%，水质较差，由于地下水流缓慢，水化学类型变化不明显，以SO4·Cl型和SO4·HCO3为主。（1）地质构造：断裂使岩石发生破坏并形成裂隙，由于断裂构造发育很深，这样沿着这些深大断裂从深部涌出热的，有时带气体的矿水，甚至卤水，从而使浅部地下水化学成分发生急剧变化。（2）土壤等自然因子对岩溶水的影响F2[2]因子的得分值表明:值较高的水样点(如蓬莱林$知音山庄和碧潭泉)基本都位于金佛山下土壤层较厚的地方3说明土壤等自然因素对金佛山岩溶水中的HCO3-和Mg2+具有决定性影响.土壤是一个巨大的碳库，全球土壤碳容量是森林的2~3倍，土壤中CO2含量超过大气的10倍，其溶于水，形成HCO3-，成为地下水中HCO3-的主要来源。（3）水—岩作用时间（地下水流速）从因子F1[2]的得分值来看，从地表水到地下水，得分值逐渐增大，特别是深部来源(如金佛山温泉)的水中各种离子质量浓度都较高，反映了大气降水来源补给的地下水经过充分的水(岩作用后沿裂隙、断裂运移，并在地表出露，意味着在因子F1[2]上具有高载荷的离子受到水—岩作用时间长短等的控制。三．生物因素（1）植物：使水富集微量元素；选择性地吸收离子①植物的蒸发：干旱条件下，植物蒸发量大，引起潜水矿化度提高。②植物选择吸收离子，改变水的PH值和化学类型。例如盐生植物吸收Cl-③植物的有机残骸影响土壤的酸碱度，从而影响潜水的PH值和水化学类型。例如针叶林产生酸性水，PH值可达到4，阔叶林产生碱性。④植物根放出的CO2降低土壤的pH值，并促使很多矿物质转入溶液。在土壤溶液和潜水中，HCO3-含量取决于土壤中的CO2（2）微生物：脱硫细菌；硝化细菌主要是起催化作用，不影响反应方向，但影响反应速率。例如：在含石膏的灰岩地层里，约470m深处，发现了硫酸盐还原菌；在含油地层1000m深处、在海相地层2700m深处（压力为3*107pa）、在无烟每层500m深处，发现了硫酸盐还原菌。四．人为因素：灌溉，排污，农药、肥料使用：地下水硬度增高，污染物含量增大,改变地下水化学类型。1．人工开采地下水对潜水化学成分的影响及原因①．开采区含水层的矿化度提高。原因是潜水位下降，包气带加厚，充氧作用加强，氧化作用加强，使不溶解的硫化物转化为可溶硫酸盐，并被水所溶滤，矿化度提高。②．在海或盐湖附近开采淡水，有可能使盐水由海或盐湖进入含水层，使淡水被盐化。③．开采时，由于同一含水层或含水层的盐水侵入，使地下淡水矿化度提高。2．人工开采地下水时对承压水化成分的影响①开采承压地下水时，形成降落漏斗，在漏斗范围内压力降低，使水流从高压流向低压时，由于减压，从水中逸出CO2，析出铁和碱金属的碳酸盐沉淀，导致水化学成分变化(减压脱气).②开采承压地下水时，由于承压水位下降低时，使隔水层和上覆岩层的静水压力降低，造成粘土层有效压力增加而产生压实作用，使粘土中的水进入含水层，引起水化学成分变化。③开采承压地下水时，区域性大降落漏斗的形成，(直径可达几十公里)，可以把它看作一个特殊的排泄窗口，使下部含水层的水的导入，而引起地下水矿化度的增高(越流渗透)。3.实例1:一供水井，井深91.5米，含水层为含黄铁矿的绢云母片岩。连续抽水13个月，水位下降36.5米，在这个期间内，水中SO42-浓度在13mg/l左右。停抽4个月后，再次抽水时，第一天的水样中，SO42-=1330mg/l,Fe2+不断降低，pH值升高。这种现象出现的原因是（1）由于水位下降很大，所以形成了一个漏斗区；在漏斗区内，原来的含水层变为包气带，因绢云母片岩中的黄铁矿被氧化，其反应如下：7O2+2FeS2+2H2O=FeSO4+2H2SO4（2）停抽期间，水位逐渐恢复，使第一次抽水所形成降落漏斗区又主充满了水，黄铁矿氧化所产生的SO42-和H+进入水中，溶解FeSO4结果，在漏斗区内形成一个SO42-，Fe2+，H+浓度的局部污染晕。（3）再次抽水时，这部分水首先被抽出，从而出现第一天水样中SO42-，Fe2+浓度高，pH值降低的现象。（4）随着抽水继续，原漏斗区外的水流入与漏斗区的水混合。因此，产生SO42-，Fe2+，H+逐渐降低的现象。这种现象是典型的氧化还原过程。4.实例2：因子F4得分离人类活动中心越近，值越高，得分最高的大弯道和头度酒厂，受到人类农业活动和工业生产活动的影响，具有较高的NO3-质量浓度。而位于保护区深处的许多泉点在因子F4上的得分都较低，说明金佛山保护区内表层岩溶地下水受人类活动的影响不明显。人类生产活动对岩溶水中的NO3质量浓度具有重要贡献。5.实例3：下面的表5是苏州市1984年161个浅层地下水检测井点SO42-、NO3-含量按功能区统计值,工业区和交通车辆稠密区地下水中SO42-、NO3-含量最高,这与表表2,表3中各功能区大气SO2、NOx浓度完全吻合。参考文献：[1]张春潮.王文科.孙一博.李慧.魏哲.高氟地下水影响因素信息的提取.水资源与水工程学报.2013年6月第24卷第3期.[J][2]曾敏.沈立成.肖琼.邱述兰.王鹏..基于SPSS的岩溶地下水质变化及其影响因素—以重庆市金佛山表层岩溶地下水为例.2012年4月第35卷第2期.[J][3]窦妍.盐池地区地下水化学