周博文，常宝成，那木吉拉，李华明
（核工业二〇八大队，内蒙古 包头， 014010）
在自然循环的过程当中，地下水中的化学组分是地下水演化的直接结果［1］，其成因与变化受气象条件、地质地貌、地表水体及人为因素等控制。通过研究地下水水化学特征、离子特征及影响因素，对分析地下水化学组分的形成与变化规律以及来源具有重要指导意义，同时对地下水可持续开采利用以及水资源保护等具有重要价值［2-3］。目前多种方法如数理统计、派珀三线图解法、离子比例系数方法及相关性分析等已经被众多学者用于分析研究浅层或深层地下水、地表水的水化学特征，如王晓曦等［3］采用描述性统计、Gibbs图解等方法研究表明滦河下游河水及沿岸地下水化学形成以蒸发浓缩作用为主，同时还受河床中碳酸盐矿物和硅铝酸盐矿物溶滤作用的影响，方晓骐等［4］采用数理统计、派珀三线图解等方法研究表明棉花坑铀矿床地热水补给来源为大气降水，受棉花坑断裂带控制，与花岗岩热源层的能量交换充分，郝伟林等［5］采用数理统计、派珀三线图解等方法研究认为谷露地热田热水来源于西侧念青唐古拉山的雨水和冰雪融水，经西侧深大构造运移至深部后加热，储集于构造破碎带和基岩风化壳中，贺小黑等［6］采用派珀三线图解法、相关性分析等方法研究表明高放废物处置库川井预选区地下水化学组分主要来自地层中常见的矿物高岭石、伊利石和石膏的溶解。
本次研究区地处牧区，居民密度小［7］，其生活用水水源主要为第四系潜水，整体受污染程度低，其水化学特征尚无相关研究，笔者本次着重对研究区内第四系潜水的水化学特征及其形成机理进行探讨研究，为地方合理开采地下水、保护水资源提供理论指导和数据支撑。
1.1 研究区背景
研究区位于内蒙古自治区东乌珠穆沁旗境内东南部，为一小型中新生代坳陷盆地，气候属半干旱，偏中温带，四季变化明显，温差大。乌拉盖盆地地貌类型（图1）主要为以乌拉盖河及其支流形成的河谷平原、盆地北部山区至河谷一带的山前倾斜平原、各河谷之间的河间倾斜平原及新近系隆起形成的波状高平原，地势整体为北、南及东侧高，西侧低［7］。
图1 研究区地貌类型分布略图Fig.1 Distribution map of geomorphic types in the study area
盆地内出露地层主要为第四系及新近系，第四系沉积厚度介于5～120 m之间不等，在河谷平原地段沉积厚度一般大于80 m，在倾斜平原沉积厚度一般小于40 m，新近系仅在波状高平原一带出露，整个盆地下部为巨厚白垩系地层。盆地北部及东部为基岩出露区，岩性以侏罗系火山岩为主，零星分布气孔状玄武岩，玄武岩中夹杂大量方解石颗粒。
乌拉盖河中、下游处于盆地内，同时盆地内又有多条枝状河谷平原呈NW—SE向展布，地下水径流方向为E—W、SE—NW，最终排泄至西侧形成湖泊或淖尔。河谷平原中第四系中细砂、砂砾石层等储存着丰富的地下水，分为上部潜水及下部承压水，各河谷平原之间的河间倾斜平原、北侧山前倾斜平原及山间沟谷中堆积了厚度不等的第四系坡洪积、冲湖积层，形成了富水性一般的松散岩类孔隙潜水含水层。主要接受大气降水入渗补给以及基岩裂隙水侧向补给，排泄方式以蒸发和径流排泄为主，其次为人工开采利用。
本次重点对第四系孔隙潜水含水层水化学特征进行分析讨论。
1.2 样品采集与测试
笔者于2015年5—11月针对研究区内第四系潜水钻孔、民井野外现场共采集45组水样（图2），钻孔孔深一般介于60～90 m之间，民井井深一般介于3～20 m之间，水样采集方法严格按照《地下水环境监测技术规范》（HJ 164—2020）［8］执行，首先用目标水荡洗取样瓶3次，取样时瓶中水面与瓶盖留有一定空隙，体积为3 000 mL，装好水样后用纱布包扎瓶口并蜡封，按规范要求时间送至水质检测单位，本次采集的水质样品由锡林浩特市109地勘院化验室分析测定，分析内容为水质全分析，具体包括颜色、透明度、嗅和味、沉淀物、HCO3-、CO32-、Cl-、
图2 研究区潜水样品采集位置略图Fig.2 Schematic diagram of the sampling location in the study area
SO42-、NO3-、NO2-、PO43-、Br-、I-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Al3+、全铁离 子、氟离 子、侵 蚀性CO2、可溶性CO2、可溶性SiO2、耗氧量、悬浮物、灼烧残渣、灼烧减量、pH值、可溶性固形物总量、总硬度、永久硬度、暂时硬度、负硬度和总碱度等。
1.3 研究方法
为了分析乌拉盖盆地第四系潜水水化学类型分布及其变化规律，本次采用舒卡列夫分类方法和派珀三线图解的方法；
利用各参数统计结果初步分析乌拉盖盆地第四系潜水不同离子；
利用相关性分析方法计算潜水中各种主要离子之间的皮尔逊（Pearson）相关系数，该系数特征可指示水化学组分的来源；
采用Gibbs图解法、离子比例系数法、阳离子交替吸附作用及人类活动的影响等方法分析水中各种主要离子的最终来源以及演变过程［9-11］。
2.1 水化学主要指标结果统计分析
采用描述性统计分析方法［9-12］对研究区45组水样的检测结果进行统计计算（表1）。由表1可见，研究区潜水pH最小值为7.51，最大值为8.55，平均值为7.99，属于弱碱性—偏碱性水，变异系数为3%，表明潜水的酸碱程度变化在空间上基本趋于稳定；
溶解性总固体浓度介于0.3～4.1g·L-1之间，平均值达1.0 g·L-1，其中大于1.0 g·L-1的水样有18组，主要分布在北侧山前一带及西部波状高平原周边一带，属微咸水，其余地段低于1.0 g·L-1，为淡水；
总硬度平均值达422.83 mg·L-1。
由表1可见，阳离子中Na+、Ca2+、Mg2+、K+和阴离子中HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-的离子平均浓度呈现出由高到低的规律，其中Na+和Ca2+分别占阳离子浓度的60.16%和23.38%，HCO3-和Cl-分别占阴离子浓度的60.43%和22.15%。另外溶解性总固体浓度与其他指标的变异系数波动范围介于55%～209%之间，这一指标说明溶解性总固体变异性强且空间差异性大。
表1 研究区潜水水化学主要指标结果统计表Table 1 Statistics on main index results of phreatic water chemistry in the study area
2.2 常见离子与溶解性总固体浓度空间分布特征
研究区第四系潜水阴离子中浓度最高的是HCO3-，平均值约为572.46 mg·L-1，Cl-和SO42-相对偏低，平均值分别为209.78和140.72 mg·L-1；
阳离子中Na+浓度远超过其他离子，平均值为228.41 mg·L-1，Ca2+浓度居中，平均值为88.76 mg·L-1，最低的为Mg2+和K+。
2.3 水化学类型
采用舒卡列夫分类及派珀三线图［13-15］（图3）来划分乌拉盖盆地潜水水化学类型。由图3可见，各种主要离子分布较为分散，其中钠和钙离子在阳离子中占比重最大，重碳酸根和氯离子在阴离子中占比重较大，硫酸根离子相对较少。地下水运动途中，随着水化学离子的不断变化，研究区潜水的水化学类型在上游补给区一带以HCO3-Na·Ca型水为主，中下游径流区一带以HCO3·SO4-Na·Mg型水为主，靠近排泄区一带转变为Cl·HCO3-Na·Mg型水。
图3 研究区潜水派珀三线图Fig.3 Piper trigraph of phreatic water in the study area
2.4 水化学特征成因分析
2.4.1水化学主要指标相关性分析
利用SPSS18软件对研究区潜水水化学主要指标进行了相关性分析［16-17］（表2），表2中数据为各水化学指标的Pearson系数，可推测不同离子来源是否相同。由表2分析结果可见，TDS与Na+、Mg2+、Ca2+、SO42-和Cl-显著相关，这一标志指示溶解性总固体浓度的变化主要受这五种离子控制。另外，潜水中主要阴阳离子之间的相关性较高，如主要的3个阴离子与阳离子中钠的相关性显著，而主要的3个阳离子与阴离子中氯、硫酸根离子的相关性显著，由该特征可以判定一些硫酸盐（如石膏、芒硝等）的风蚀和化学溶解为该地区潜水中化学组分的主要来源。
表2 研究区潜水主要离子、pH值、溶解性总固体与总硬度Pearson系数计算表Table 2 Calculation of Pearson coefficient of main ions，pH value，total dissolved solids and hardness of phreatic water in the study area
另外，总硬度与溶解性总固体浓度的相关系数为0.989，相关性显著，即总硬度随着溶解性总固体浓度的不断升高而增加，原因是当水中溶解性总固体浓度升高时，离子的总浓度亦随之增加，同时增强了离子强度及电解质作用，然后就会相应增加了潜水中Ca、Mg盐岩的溶解度，使研究区潜水中钙镁离子浓度升高，导致总硬度也随之增大。
2.4.2地下水化学控制因素分析
因地下水在循环过程期间频繁与周边环境发生一系列水—岩作用，导致水化学组分及溶解性总固体浓度发生变化。Gibbs图是分析地下水化学类型演化过程中主要控制因素的一种主要方法，通常其主要的控制因素可分为蒸发浓缩、岩石风化及大气降水3种类型［10，18-21］。本次绘制了研究区潜水Gibbs图（图4），研究区潜水溶解性总固体浓度范围介于298.00～4 102.00 mg·L-1之间，阳离子浓度比值范围介于0.21～0.94之间，阴离子浓度比值范围介于0.06～0.90之间。
由图4可见，研究区北部、东部山前一带潜水主要分布在岩石风化控制范围内，向西侧径流、排泄区逐渐转变为蒸发浓缩作用控制。受气候影响，大气降水作用对研究区潜水水化学成分的控制作用较小，由于山前一带潜水受溶滤作用影响，水—岩相互作用后的矿物溶解成为水化学成分的主要来源，溶解性总固体浓度亦较低，向排泄区径流过程中，岩层沉积颗粒逐渐变细，潜水径流迟缓，受蒸发浓缩作用的不断增强，使碳酸盐浓度逐渐增高直至饱和，Cl-和Na+的浓度也随之升高。
图4 研究区潜水Gibbs图Fig.4 Gibbs diagram of phreatic water in the study area
2.5 地下水化学离子来源分析
利用水中主要离子摩尔浓度比值关系可进一步分析研究区潜水主要离子的来源及水化学演化过程［22］。由图5可见，研究区潜水中主要离子浓度比值多数位于硅酸盐矿物溶解—碳酸盐矿物溶解一带，说明研究区大部分潜水离子的来源主要受硅酸盐及碳酸盐矿物溶解作用控制，极少数受蒸发盐矿物溶解影响，但也不可完全排除。
图5 研究区潜水中钙、镁及重碳酸根离子与钠离子的摩尔浓度相互比值关系示意图Fig.5 Schematic diagram of molar concentration ratio of calcium，magnesium，bicarbonate ion and sodium ion in phreatic water in the study area
2.5.1溶滤作用
此外，水化学离子比值关系可用于指示地下水中的溶滤作用（图6）。
Cl-/TDS与溶解性总固体浓度的比值如图6（a）所示，随着溶解性总固体浓度的升高，其比值波动幅度较小，这一特征指示出岩石风化控制着该地区第四系潜水化学成分的变化，仅少数点受蒸发作用影响较大。由图6（b）（Na++K+）与Cl-当量浓度比值关系图可见，多数水点位于1：1线附近，部分点位于两侧，可推测研究区潜水中存在岩盐溶解，铝硅酸盐矿物等的溶解也伴随产生。含钙镁矿物质的铝硅酸盐或者碳酸盐经过风化溶解形成水中的Mg2+、Ca2+，结合钙镁离子总浓度与重碳酸根及硫酸根离子当量浓度比值关系可以大致分析其来源方向［23］，如图6（c）所示，多数点位于1：1线附近，少数点位于两侧，这种情况说明碳酸盐和铝硅酸盐的溶解在研究区潜水中同时存在。HCO3-与（SO42-+Cl-）当量浓度比值关系如图6（d）所示，多数水点的比值略大于或小于1，少数水点比值处于3～7范围，该特征同样指示水中钙镁离子主要来源为铝硅酸盐岩和碳酸盐岩的溶解，极少数是由蒸发岩盐溶解引起。综上所述，该地区第四系潜水的水化学特征形成原因主要受岩盐的持续风化和溶解作用控制，仅零星地段水化学形成因素受蒸发作用及蒸发岩盐的溶解控制。
图6 研究区潜水水化学主要离子比例系数相关图Fig.6 Correlation diagram of main ions proportion coefficient of phreatic water chemistry in the study area
2.5.2阳离子之间的交替吸附作用
由图7可见，沿地下水径流方向，Ca2+和Na+的浓度均在增加，但接近排泄区时，变化规律呈反向特征，推测其原因是这两个离子之间发生了交替吸附作用的缘故。
图7 研究区潜水中Na+、Ca2+浓度变化曲线图Fig.7 Variation curve of Na+and Ca2+concentration in phreatic water in the study area
为了确定是否发生阳离子交替吸附作用，可以采用Na+和Cl-两者之间当量浓度比值［γ（Na+）/γ（Cl-）］的分析方法［11］。图8为研究区潜水Cl-和γ（Na+）/γ（Cl-）比值关系图，如图8所示，仅有两个水样点的比值小于1，表明阳离子交替吸附作用发生于研究区绝大多数地段。理论上来讲含水层岩土颗粒越细，其比表面积越大，阳离子交替吸附作用越强烈［11］。研究区含水层岩土颗粒从补给区向排泄区由粗逐渐变细，但是图8中所示位于弱径流区潜水水样的γ（Na+）/γ（Cl-）比值更靠近1，而且γ（Na+）/γ（Cl-）比值与Cl-变化规律相反，说明越靠近排泄区，Na+浓度已超过了可交换阳离子的平衡浓度，与Ca2+之间的交替吸附作用就会相对减弱［11］。
图8 研究区潜水中Cl-与γ（Na+）/γ（Cl-）比值关系图Fig.8 Relationship diagram of Cl-and γ（Na+）/γ（Cl-）in phreatic water chemistry in the study area
2.5.3人类活动的影响
乌拉盖盆地以牧业为主，无农业发展，用水主要为人畜生活用水。同时研究区潜水含水层水位埋藏深度比较浅，因为多数取样民井为大口井，其井口没有封闭，在一定程度上，人类及牲畜的排泄物随降水渗入井内造成水质污染。另外，在西部排泄区，因径流条件差、蒸发强烈，使潜水层中的盐分在表层聚集，形成积盐，也是研究区内弱径流区或排泄区一带潜水中离子浓度、溶解性总固体浓度及总硬度偏高的另一个重要因素。
1）乌拉盖盆地第四系潜水溶解性总固体浓度与总硬度大部分均较低，基本为淡水和低硬度水，仅在西部靠近排泄区及中部波状高平原边缘弱径流区一带溶解性总固体浓度与TH偏高，为微咸水和高硬度水，大多呈中性偏碱性水。常见离子的浓度差别较大，其中阳离子由大到小依次为Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，阴离子由大到小依次为HCO3＞Cl-＞SO42-。
2）沿地下水径流路程，水化学类型、各种主要离子及溶解性总固体浓度的变化具规律性，各种主要离子及溶解性总固体浓度均不断增加，越靠近排泄区浓度越高，水化学类型由HCO3-Na·Ca型水逐渐演变为HCO3·Cl-Na·Mg、Cl-Na·Mg、HCO3·SO4-Na·Mg型水。
3）乌拉盖盆地潜水中的化学成分主要来自于硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解，其形成与变化主要受溶滤作用、阳离子交替吸附作用的影响，靠近排泄区或弱径流区一带，蒸发浓缩作用为主要影响因子，少数地段受人类活动的影响，基本不受大气降水的影响。
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