地下水水化学特征及演变研究综述

郎旭娟 李方红 韩思航 刘昭

(1.河北地质大学水资源与环境学院，河北 石家庄 050031；2.河北省水资源可持续利用与产业结构优化协同创新中心，河北 石家庄 050031；3.河北省水资源可持续利用与开发重点实验室，河北 石家庄 050031；4.河北省水文学及水资源重点学科，河北 石家庄 050031)

绪言

在可以被人类利用的水资源中,地下水占据最主要的比例和地位。地球表面3/4 的面积被水覆盖,水圈的质量约有1.44×1018t,约占地球总质量的1/4000；但是其中可以被人类利用的淡水资源占比不到3%,而在这3%的淡水资源中约69%是不能被人类直接利用的冰川积雪,剩余的能被人类直接利用的液态水资源中地下水占比97%以上。因此,地下水资源对人类生产生活、社会经济发展起着重要的、不可替代的作用。但是由于地下水埋藏在地表以下,参与水文循环周期相对地表水来说较长,因此当地下水受到污染后很难恢复。而且随着经济的飞速发展和人们生活水平的提高,地下水资源消耗越来越大,地下水水位迅速下降,导致出现了地面沉降、地裂缝、地面塌陷等地质灾害,地下水污染问题也越来越严重,对人们生产生活、国家经济发展造成很大影响[1,2]。因此,地下水污染治理的研究课题越来越多,地下水水量及水质评价是工程规划必不可少的工作之一,而这些问题的研究都离不开对地下水水化学特征的分析与研究[3]。

1 研究现状

对于地下水水化学特征及演变规律方向的研究在国外起步较早,研究方法及手段比较成熟,这些对我国的地下水水化学特征及演变规律研究起到了很大的借鉴和启发作用。其中,应用较为广泛的方法有水动力学、水化学方法(包括水化学类型法、矿物饱和指数法、地球化学反应路径模拟等)、同位素手段,这些技术方法广泛应用在地下水系统研究和水文地球化学演化等领域,并且都取得了良好效果。

Reed 等利用矿物饱和指数方法来判断地热系统中热液与矿物之间的化学平衡[4]。Lloyd 和Heathcote在《天然无机水化学与地下水的关系》 一书中介绍了与地下水水化学相关的基本概念及水化学参数[5]。Surveys 编写的“PHREEQC 用户指南” 介绍了很多地下水水化学计算研究的方法,为地下水径流路径演化及反向演化模拟提供了很好的借鉴研究思路[6]。Fisher 对美国德克萨斯州奇瓦瓦沙漠地下水化学演变特征进行了研究,利用离子相关性、矿物饱和法及地球化学模拟等方法对该区土壤、土壤渗滤液、非饱和水带和3 个主要含水层中的地下水进行水化学类型分析并得出该区地下水水化学演变规律[7]。Arnórsson 等从取样、分析和数据解释3 个方面论述了水化学及同位素方法在地热资源勘探开发中的应用[8]。Subyani 利用饱和指数方法及同位素法对沙特阿拉伯等地区地下水补给问题进行了研究,认为该区地下水补给来源主要为大气降水,地下水回灌量中11%来自大气降水[9]。Kebede 等利用地球化学和环境同位素手段对埃塞俄比亚尼罗河上游流域地下水补给、径流及水化学循环演化进行了分析研究,认为塔纳格拉本湖和耶尔图卢韦勒火山线带为该区地下水循环和水化学演化的主要区域[10]。Pilla 等利用同位素技术对意大利伦巴第西南部地区多层含水层地下水起源以及水动力条件进行了研究,得出该区潜水含水层是由局部渗透和溪流及灌溉渠道补给[11]。Bailly-Comte 利用了地下水动力原理分析了Coulazou 喀斯特地区河流与河流附近岩溶含水层之间的水动力作用及岩溶泉与河床之间的水动力交互关系[12]。将二氧化碳进行地质储存以缓解温室气体效应的研究是地下水研究的热点课题,Wilkin 等利用PHREEQC 软件对二氧化碳气体溶解对含水层地下水中各矿物反映的影响进行了分析[13]。

地下水的水化学成分是在长期的地质历史时期内通过水文循环形成的,因此其水化学成分的形成、演变过程必然会受到以前的气候、构造、地质、水文地质条件等各种环境变化的影响。同时,气候变化、地壳活动及人类活动也会对地下水的水化学成分产生较大影响导致其发生变化。Chen 等通过对加拿大温尼伯地区105a 的气候记录数据和监测井水位之间相关性进行分析,认为降水和年平均气温均与地下水位有较强相关性,该区气温上升可能会减少净补给从而影响地下水水位[14]。Drew 和Hötzl 系统地分析了人类活动对土壤、自然景观等造成的影响以及对岩溶水的污染[15]。Jalali 通过水化学法对伊朗哈马丹西部区域地下水质量和地质特征进行分析评价,并通过水化学类型法分析出该区地下水中NO3-的含量与农业灌溉及生活污水的排放密切相关,地下水的水化学特征明显受控于自然地球化学过程和人类活动[16]。

相比于国外,国内有关地下水水化学成分形成与演化的研究起步较晚。20 世纪80 年代前期,国内对于地下水水化学的相关研究主要集中在地下水资源评价方法领域。阎占元加深了对地下水的相关概念的认识及地下水资源的评价方法[17]。到了20 世纪90 年代初期,国内学者对地下水和地表水间的关系有了突破性认识,认识到地下水与地表水并不是独立的,不可将二者分割研究。20 世纪90 年代后期,我国学者开始认识到从大尺度研究水循环演化及区域地下水演变特征的重要性。张宗祜院士等水文工作学者,通过对区域地下水水化学演变特征进行研究,认为地下水水化学演化已经进入一个新的阶段,当今时代科学技术及人类活动已成为地下水水化学特征演变的主要控制因素,在经济飞速发展的同时要保证水资源的可持续开发利用的重要措施就是要加强水资源管理与保护[18-20]。2002 年开始,张光辉等学者利用同位素手段对黑河流域地下水的补、径、排的时空演变特征进行了研究,查明了地表水与相邻地下水之间的转化规律,认为区域地下水化学演变受到气候变化、人类活动影响和构造控制作用的共同影响[21-24]。小尺度区域的地下水化学演变特征在近30a 来也越来越受到国内水文学者们的重视。苏永红等综合地球化学和同位素技术手段对额济纳盆地中的地下水和地表水的水化学特征进行了研究,对我国西北干旱地区内陆河流域中的地下水化学演变特征研究提供理论支撑[25]。陈宗宇等学者对中国北方地下水水化学调查成果进行系统地分析统计,对西北内陆盆地、华北平原和松嫩平原近50a 来区域地下水系统的演变特征及影响因素进行研究,并在此研究成果基础上提出了在气候变化和人为活动共同影响下应对地下水化学演化的适应性对策[26]。王帅利用Piper 三线图法、内梅罗指数法、离子相关性等水化学方法对石家庄衡水区地下水的水化学特征和演变过程进行了研究,对该区地下水资源的合理开发利用提供数据支撑[27]。王东胜等通过质量平衡模拟方法得出了控制石家庄地下水化学演变的主要水岩作用过程[28]。

地下水动力场的演化研究对油气迁移聚集规律、地质灾害治理具有重要的意义。楼章华等通过对松辽盆地地下水动力场特征及油气迁移、聚集规律研究得出油气运移与分布与水动力条件密切相关的结论[29]。李天宇等对准噶尔盆地西北缘地层中地下水化学特征与油气保存之间关系进行研究发现矿化度低、地层封闭性差的部位容易形成稠油[30]。周新平等通过水化学法对鄂尔多斯盆地延长组地层油藏条件进行了分析[31]。李阳等针对油田的水动力条件特征对油气藏的影响进行了讨论,认为相对稳定的水动力条件比动荡的水动力环境更有利于油气藏的保存[32]。魏哲对黑方台灌区地下水的水文地质条件进行分析,发现该区地质灾害发生的主要诱因是地下水动力场特征空间分布不均[33]。

地下水演化过程的研究离不开对地下水化学方面的分析。近十几年来,水化学法、同位素手段、地球化学模拟等方法在我国水化学方面的研究日渐成熟。乔晓英通过地下水系统理论为指导,对准格尔盆地南缘地下水环境演化进行了研究,探讨了地下水可再生性基本理论与方法[34]。郭小娟利用地下水化学指标分析法、同位素技术等手段对天津王四井钙华的形成进行了模拟研究[35]。李青梅等通过对博兴县地下水历史水化学资料分析,得出了该区地下水化学成分演变主要与南部地下水降落漏斗的产生有关[36]。

2 总结与展望

对于地下水化学及演化特征的研究方法利用较为广泛的方法有水化学指标法、水化学类型法、同位素技术及水化学模拟法等。其中,对于比较复杂的水文地质条件,利用同位素手段来研究往往能达到理想效果；进行揭示地下水化学演变规律的研究采用地球水文化学法可取得良好效果；随着计算机技术的发展,现在地下水化学演化模拟手段也越来越多地被利用到有关地下水方面的研究中,如SWAT 模型、WEP 模型、DTVGM 模型等；同时,相关性分析等数理统计方法也可用在对地下水类型演化方面。

针对地下水化学演变,国内外都进行了大量研究。随着气候变化和人类活动对自然的改造影响不断加剧,在未来的地下水演化领域,需要重视二者耦合作用对地下水化学演变的影响。