鄂尔多斯盆地浅层地下水水化学形成规律研究

【水环境与水生态】鄂尔多斯盆地浅层地下水水化学形成规律研究何　渊（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安７１００５４）摘　要：鄂尔多斯盆地沙漠高原由沙漠、湖盆、洼地组成，区内浅层地下水及其水质对农牧业供水和维持表生生态具有十分重要的作用。以研究区浅层地下水为目的层，通过野外调查、取样、试验分析、编图、总结得出：区内浅层地下水的水化学成分呈明显的分带性，由白于山前向北到湖盆洼地区，地下水化学类型由ＨＣＯ３－Ｃａ（Ｃａ·Ｍｇ）型向Ｃｌ·ＨＣＯ３－Ｎａ·Ｍｇ型和Ｃｌ·ＳＯ４－Ｎａ型过渡，矿化度、硬度、ｐＨ值以及三氮均相应增高。其中在白于山前受地表岩性即黏性土、黄土状土、细沙及中细沙等细颗粒物质的影响，局部呈现矿化度高值区。关　键　词：浅层地下水；水化学；分布特征；形成条件；鄂尔多斯盆地中图分类号：ＴＶ２１１．１　　　文献标志码：Ａ　　　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１３７９．２０１４．０８．０２５　ＨｙｄｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄＦｏｒｍｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＳｈａｌｌｏｗＧｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｉｎＯｒｄｏｓＤｅｓｅｒｔＰｌａｔｅａｕＨＥＹｕａｎ（Ｘｉ′ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ，Ｘｉ′ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｒｄｏｓｄｅｓｅｒｔｐｌａｔｅａｕｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｄｅｓｅｒｔ，ｌａｋｅｂａｓｉｎａｎｄｌｏｗ－ｌｙｉｎｇｌａｎｄ．Ｓｈａｌｌｏｗｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌａｎｄａｎｉｍａｌｈｕｓｂａｎｄｒｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｏｏｋｉｔａｓｔｈｅｔａｒｇｅｔｚｏｎｅ，ｔｈｒｏｕｇｈｆｉｅｌｄｓｕｒｖｅｙ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ａｎｄｄｒａｗｉｎｇｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｆｒｏｍｔｈｅｐｉｅｄｍｏｎｔｏｆＢａｉｙｕＭｏｕｎｔａｉｎｓｔｏｔｈｅｌａｋｅｂａｓｉｎａｒｅａｓ，ｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｈａｌｌｏｗｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒａｐｐｅａｒｅｄｆｒｏｍＨＣＯ３－Ｃａ（Ｃａ·Ｍｇ）ｔｏＣｌ·ＨＣＯ３－Ｎａ·ＭｇａｎｄＣｌ·ＳＯ４－Ｎａ，ａｎｄｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｗａｔｅｒｈａｒｄｎｅｓｓ，ｐＨａｎｄ３Ｎｅｎｈａｎｃｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｉｔｈｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｓｈａｌｌｏｗｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｓｈｏｗｅｄｔｈｅｈｉｇｈｌｙｍｉｎｅｒａｌｉｚｉｎｇｉｎｐｉｅｄｍｏｎｔｏｆｔｈｅＢａｉｙｕＭｏｕｎｔａｉｎｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｈａｌｌｏｗｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ，ａｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｂａｓｉｓｆｏｒａｎｉｍａｌｈｕｓｂａｎｄｒｙ’ｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｅｃｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈａｌｌｏｗｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ；ｈｙｄｒｏｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｅａｔｕｒｅｓ；ｆｏｒｍｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ；Ｏｒｄｏｓｄｅｓｅｒｔｐｌａｔｅａｕ　　鄂尔多斯盆地位于我国西北地区东部，地跨陕、甘、宁、晋和内蒙古五省区，面积约３６．５万ｋｍ２。北部沙漠高原降水量小，蒸发强烈，生态环境极其脆弱［１］。浅层地下水埋深较浅，除向分散居民点和农牧业供水之外，还维持着区内基本基流量与湿地、湖泊的水域面积，调节土壤和包气带含水量与含盐量，维持着植被的生存和发展。笔者以研究区浅层地下水为目的层，以水质为主要对象，通过在野外调查取样５１组，按国标相关分析标准要求进行室内分析，分析项目为Ｋ＋、Ｎａ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、ＮＨ＋４、Ｃｌ－、ＳＯ２－４、ＨＣＯ－３、ＮＯ－３、ＮＯ－２、矿化度、ｐＨ等，以此为依据对鄂尔多斯高原浅层地下水水化学分布特征及形成条件进行了分析与探讨。１　地质及水文地质背景鄂尔多斯盆地北部沙漠高原地貌形态为构造剥蚀高原，地表波状起伏和缓，现代风成沙广为覆盖，北部为库布齐沙漠，南部为毛乌素沙地，中部为沙漠滩地和近代湖泊洼地，为内流区。区内均属黄河水系，黄河呈“几”字形从盆地的西、北、东三面环绕流过。东部吕梁山西麓发育有众多的小支流，向西汇入黄河；西部桌子山地区支流不发育，六盘山东麓众多的小支流汇入泾河；南部地区有汾河、洛河、泾河、漆水河、千河等较大支流自北向南贯穿［２］。研究区地表岩性总体上呈现出北粗南细的特征。在南部白于山前为粉质黏土、沙质黏土和粉细沙，向北到湖盆滩地区为上覆中细沙、下部淤泥质细沙，到北部为沙岩裸露区，在伊金霍洛旗一带，沙岩风化成中沙，而在杭锦旗一带沙岩风化程度较轻或未风化。浅层地下水含水系统自上而下主要为新生界松散岩类空隙含水系统和白垩系碎屑岩类孔隙－裂隙含水系统。　收稿日期：２０１４０４１８　基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＣ１０Ｂ００）。　作者简介：何渊（１９８０—），女，山西太原人，工程师，硕士，主要从事水资源环境及矿井水害防治方面的研究工作。　Ｅｍａｉｌ：[e-mail]·３８·第３６卷第８期　　　　　　　　　　　　　　　　　　人　民　黄　河　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．８　　２０１４年８月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＹＥＬＬＯＷ　ＲＩＶＥＲ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｕｇ．，２０１４　　　　北部沙漠高原地形起伏较小，除周边被外流水系浅切割外，中部属内流区，中部的东胜—四十里梁—盐池一线地表分水岭和北部的新召苏木地表分水岭对研究区浅层地下水的流场起到一定控制作用，形成似放射状地下水径流系统。地下水除部分向周边地表水系统排泄外，主要通过盆地内大面积的地下水浅埋区和湖淖的蒸发及人工开采排泄。地下水以垂向水循环为主。无连续稳定的区域隔水层，浅层地下水和深层地下水间水力联系密切，构成巨厚的统一含水岩组，在沙漠高原中部，上层水补给下层水，而到沙漠高原周边地区，则变成下层水越流补给上层水［４］。２　水化学特征２．１　离子含量鄂尔多斯沙漠高原浅层地下水以ＨＣＯ３型水为主，根据离子含量特征和地貌类型将研究区划分为４个区，４个区浅层地下水的平均离子含量见表１。在白于山前主要是ＨＣＯ３型水，ＨＣＯ－３浓度为１７５．００～９７５．００ｍｇ／Ｌ，ＨＣＯ－３Ｃｌ－＋ＳＯ２－４，阳离子则主要为Ｃａ２＋，离子含量Ｃａ２＋＞Ｎａ＋＞Ｍｇ２＋。到湖盆滩地区，地下水中阴离子以Ｃｌ－为主，浓度为１９５．７５～１５９７．５０ｍｇ／Ｌ，离子含量ＨＣＯ－３＞Ｃｌ－＞ＳＯ２－４；阳离子含量Ｎａ＋＞Ｃａ２＋＞Ｍｇ２＋。研究区西南角沙盖基岩区ＳＯ２－４含量有所增高，浓度为３３２．５７～４００．４４ｍｇ／Ｌ。地下水阴离子以Ｃｌ－和ＳＯ２－４为主，离子含量Ｃｌ－＞ＳＯ２－４＞ＨＣＯ－３；阳离子以Ｎａ＋（浓度为３９７．００～６４６．２５ｍｇ／Ｌ）为主，离子含量Ｎａ＋＞Ｍｇ２＋＞Ｃａ２＋。北部分水岭（新召苏木分水岭—东胜梁）地区地下水主要为ＨＣＯ３·Ｃｌ和ＨＣＯ３·ＳＯ４型水。在西部（新召苏木分水岭一带）阴离子ＨＣＯ－３＞ＳＯ２－４＞Ｃｌ－，阳离子Ｃａ２＋＞Ｎａ＋＞Ｍｇ２＋。在东北角（东胜梁）为基岩裸露区，ＳＯ２－４含量有所增高，浓度达１４８．４７ｍｇ／Ｌ，地下水阴离子以ＨＣＯ－３和ＳＯ２－４为主，离子含量ＨＣＯ－３＞ＳＯ２－４＞Ｃｌ－；阳离子以Ｎａ＋、Ｃａ２＋为主，离子含量Ｎａ＋＞Ｃａ２＋＞Ｍｇ２＋。表１　鄂尔多斯盆地沙漠高原浅层地下水平均离子含量地貌类型区阳离子／（ｍｇ·Ｌ－１）Ｋ＋Ｎａ＋Ｃａ２＋Ｍｇ２＋ＮＨ＋４阴离子／（ｍｇ·Ｌ－１）Ｃｌ－ＳＯ２－４ＨＣＯ－３ＮＯ－３ＮＯ－２山前洪积扇４．９３４７．７６５９．８４２７．５００．７０３６．３８４６．１１２８５．４０１０．５９０．０６湖盆滩地６．７８５３８．５０５９．３８５１．１４０．５４４６９．５１１９９．３０４８８．０７１６．９６０．４７盖沙基岩１．９４４３３．７５５３．０４８４．６８１．４７３７８．０８３４７．０１３０２．４２２１．３８０．１７北部分水岭２．６７６６．１７８５．１７３５．３１０．４６７５．８８９１．４４２１７．２６２８．３１０．２０北部分水岭西部２．３２４６．２２８６．８４３３．５９０．３４６９．２３７２．４３１９０．７２２８．９５０．０８东北角３．７５１２６．００８０．１６４０．４６０．７９９５．８５１４８．４７２９６．８８２６．３９０．５７２．２　水化学类型根据野外观察及试验数据分析，按舒卡列夫分类法，凡离子相对浓度大于２５％者列入内，再以离子的浓度高低排序，阴阳离子结合定名，确定了研究区浅层地下水的水化学类型主要以重碳酸盐型和氯化物型为主（见图１），结合地形地貌将该地区水分为４类区域。图１　浅层地下水水化学类型分区由图１可以看出：该区水化学类型大致以白于山北麓为界，浅层地下水化学场由南东东到北西西方向存在着明显的水平分带性，地下水化学类型由简单到复杂。白于山前冲洪积扇地区，浅层地下水主要为ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水，其中在白于山梁附近局部呈现ＨＣＯ３·ＳＯ４－Ｎａ·Ｃａ型水。向北靠近湖盆滩地区边缘有一小块ＨＣＯ３·Ｃｌ－Ｎａ·Ｃａ型水。向北到湖盆滩地区，地下水化学类型逐渐由Ｃｌ·ＨＣＯ３－Ｎａ·Ｍｇ型水变为Ｃｌ－Ｎａ型水，其中沙丘沙地区有局部ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型水。向西到研究区西南角的沙盖基岩区，地下水化学类型变为Ｃｌ·ＳＯ４－Ｎａ型水。北部分水岭，在研究区的东北角为基岩裸露区，地下水化学类型变为ＨＣＯ３·ＳＯ４－Ｎａ·Ｃａ型水，西北部的新召苏木分水岭附近，地下水化学类型为ＨＣＯ３·Ｃｌ－Ｃａ·Ｍｇ型水。将研究区浅层地下水离子含量绘为Ｐｉｐｅｒ三线图及Ｄｕｒｏｖ图（见图２、图３），亦可以明显看出研究区浅层地下水水化学的水平分带规律。山前洪积扇区（Ⅰ区）浅层地下水以ＨＣＯ３－Ｃａ·Ｍｇ型为主，ＨＣＯ－３百分含量大于４０％，大部分为６０％以上，ＨＣＯ－３＞Ｃｌ－＋ＳＯ２－４；湖盆滩地区（Ⅱ区）浅层地下水矿化度较高，以Ｃｌ·ＨＣＯ３－Ｎａ·Ｍｇ型为主，ＨＣＯ－３含量明显小于Ⅰ区，离子百分含量大部分＜６０％，Ｃｌ－含量较高；沙盖基岩区（Ⅲ区）水化学类型为Ｃｌ·ＳＯ４－Ｎａ型水，ＳＯ２－４含量增高，明显·４８·人民黄河　２０１４年第８期高于其他３个区，离子含量３０％～４０％，Ｃａ２＋含量较低，小于１０％；北部分水岭地区（Ⅳ区）地下水主要为ＨＣＯ３·Ｃｌ型和ＨＣＯ３·ＳＯ４型，各离子含量介于其他３个区之间。图２　Ｐｉｐｅｒ三线图图３　Ｄｕｒｏｖ图２．３　矿化度研究区浅层地下水的矿化度为０．２～１１．５ｇ／Ｌ，北部分水岭两侧地表入渗条件好，地下水交替作用强烈，矿化度低，主要分布着淡水，整个东部的无定河—乌兰木伦河地下水系统中地下水矿化度普遍较小，除乌审旗部分区域外矿化度均小于１ｇ／Ｌ。而由鄂托克—西十里梁分水岭向西、西北和新召苏木分水岭分别向南北两侧，沿地下水的区域流向地下水的矿化度逐渐递增。在研究区西南角的沙盖基岩区为白垩系古沉积中心，该区地下水矿化度较高，最高矿化度达１１．５ｇ／Ｌ［５－６］。２．４　ｐＨ值研究区地下水为偏碱性水，ｐＨ值总体变化不大，为７．８～９．７，大部分为８．０左右。２．５　污染组分（三氮）分布特征研究区三氮的整体分布特征是：白于山前冲洪积扇地区含量较高，分布呈现从东南向西北递增趋势，在高原北部杭锦旗一带点状分布有三氮高值区，且高值区都集中在人口比较密集、交通方便、农作物种植面积大、便于灌溉的河流水库附近的村落、公路两旁［７］。２．６　小结研究区浅层地下水水化学特征呈现明显的水平分带性，地下水水化学场主要受地形地貌条件控制，大致以白于山北麓为界，地下水化学场存在着由南东东至北西西方向的水平分带规律，即由山前冲洪积扇区向西北到湖盆滩地区再到沙盖基岩区地下