地下水化学成分的时空变化规律分析

董宾芳

(长江工程职业技术学院测绘系,湖北 武汉 430212)

摘 要：分析了地下水化学成分的时空变化规律，指出气候、地貌和岩性等因素对地下水化学成分分带性有影响，说明了地下水化学成分分带异常的原因；同时也阐明了影响地下水化学的因素在一定的时期内不会有显著改变，地下水化学的演化具有趋势性，否则，地下水演化方向就会变化。

关键词：地下水；化学成分；分带性；趋势性

地下水是工农业生产和居民生活用水的主要来源之一，地下水水化学成分及矿化度直接影响其使用价值。不同地区的地下水化学成分和矿化度有较大的差异，分析地下水化学的时空变化规律对地下水的合理开发利用和治理具有重要意义。

1 地下水化学成分的空间变化规律

1.1 潜水化学成分的分带性

地下水是含有各种矿物质的复杂综合体，其化学成分在空间分布上具有一定的规律性，即地下水化学成分分带性，是指一定区域的地下水化学成分和矿化度沿一定的方向呈带状规律变化的特性。通常在某一典型地貌单元的上部区域地下水交替强烈，形成强烈的水交替地带，该区域为矿化度低的重碳酸盐水带；中部地下水交替相对缓慢，形成较缓慢的地下水交替地带，为中等矿化度的硫酸盐水带；而在地貌单元的下部形成水流极缓慢或停滞的地下水带，该区域为矿化度高的氯化物水带，在这些典型的水带之间还存在一些过渡类型的水带。地下水的这种分带性与地下水动力条件变化有密切关系，而地下水动力条件的变化往往受某一种或两种主导因素的控制。

地下水化学的分带性在潜水中十分常见，从较大范围来看，气候(降水和蒸发)是控制地下水化学成分地带性的主导因素。我国是季风影响显著的国家，从东南沿海到西北内陆降水量逐渐减少，而蒸发量逐渐增大。大气降水是潜水的主要来源之一，降水充沛的南方地区，潜水补给丰富，地下水交替活跃，溶滤作用强烈，地下水一般为矿化度低的重碳酸盐水[1-2]；西北方向，随着降水减少蒸发量增大，浓缩作用增强，地下水逐渐过渡为中等矿化度的硫酸盐水，到西北内陆地区一般为矿化度高的氯化物水。在黄土高原地区，气候影响地下水化学成分分带性亦十分突出，黄土高原东南部是相对湿润的地区，向高原北部降水减少，气候相对干旱，地下水矿化度相应地由南部的小于1 g/L的重碳酸盐水，过渡矿化度为3～10 g/L的硫酸盐-氯化物水[3]。

从较小范围来看，地貌和岩性是控制地下水化学成分分带的主导因素。在干旱和半干旱的洪积扇分布区，如我国祁连山和太行山山麓的洪积扇，从洪积扇顶部到扇缘，由于地形不断趋向平缓，洪积物颗粒逐渐变细，地下径流由强烈变得缓慢，地下水化学成分由洪积扇上部低矿化度的重碳酸盐水过渡到洪积扇中部矿化度较高的硫酸盐水，洪积扇下部则为矿化度高的氯化物水。在干旱区的山间盆地，其地貌岩性特征具有洪积扇类似的变化，与洪积扇不同的是这种变化一般是由盆地的边缘向盆地中心呈环带状分布，地下水化学成分也因此从盆地边缘向盆地中心，由矿化度低的重碳酸盐水，过渡到矿化度中等的硫酸盐水，而盆地中心为矿化度高的氯化物水，如山西大同盆地就是如此[4]。在湿润地区的山间盆地，亦存在地下水化学成分的分带现象，但湿润地区由于降水量大于蒸发量，地下水矿化度普遍较低，地下水的分带性不如干旱区典型。

在干旱地区的河流阶地，地下水化学成分同样受地貌和岩性的影响。对于有多级阶地的河谷地区来说，高阶地形成时间早，沉积物固结较好，其透水性差，而低阶地形成时代晚，其透水性好。他们不仅富水性差异大，水质也有很大差异，一般来说低阶地地下水矿化度低，向高阶地方向矿化度增高，这种分带性在我国西北地区的河谷地区突出，如我国黄河兰州段河流阶地地下水就是如此[3]。

地表水为地下水补给来源之一，在较小范围内，地表水体也是控制地下水化学成分分带的主导因素。如我国黄河下游平原地区，无论是现代河道还是古河道，在垂直于河道方向，由河道两侧向河间洼地，地形逐渐降低，沉积物颗粒由较大的细砂逐渐转变为粉土和粘性土，透水性由好变差，矿化度呈现由小变大的规律性变化，显示出很好的分带性。

1.2 承压水化学成分的分带性

构造盆地是良好的储水构造，含有丰富的承压水，其化学成分亦具有分带性。地质构造性质是影响承压水分带性的首要因素。在封闭型的构造盆地中，有利于形成完整的水带类型，一般在构造盆地的补给区为低矿化度的碳酸盐水，沿水流方向过度为硫酸盐水，在水流极缓的区域形成矿化度高的氯化物水。在敞开型的构造盆地中，由于其承压水径流强烈，水交替活跃，通常只有矿化度低的碳酸盐水带，以及其后的过渡水带，而矿化度稍高的水带通常缺失。

1.3 地下水化学成分的分带异常

地下水化学成分和矿化度具有空间变化规律性，然而也有许多地区的地下水化学并未呈带状规律分布，出现分带异常，即本应是矿化度高的地区出现局部矿化度低的地下水，矿化度低的地区出现局部矿化度高的地下水，或发生某个地下水带的缺失。这是因为地下水在运动的过程中可能受到某种或多种其他因素的干扰，导致由单一主导因素控制下的地下水化学成分的空间分带性受到破坏，地下水化学成分在带内出现较大的差异。

地貌既是地下水化学分带的主要控制因素之一，也是导致分带异常的因素之一。对地下水造成分带异常的地貌主要是山区地形，其从两方面对地下水化学的分带性产生干扰和影响。一方面，通过影响降水量而影响地下水成分变化，通常在内陆地区，由于降水稀少蒸发量大，地下水径流缓慢，多为矿化度高的氯化物水。但内陆的山区，地形对降水有很大的影响，往往随着海拔高度的增加，降水会随之增多，地下水矿化度较小。如我国西北地区的祁连山、天山和昆仑山等山上有大量的积雪和冰川，对我国西北干旱的内陆气候形成干扰，大量冰雪融水入渗，特别是山前平原地带，地下径流强烈，本应为高矿化度的氯化物水成为矿化度低的碳酸盐水。另一方面，地形通过影响地下径流而影响地下水化学成分。山区地形切割强烈，能形成较好的地下径流条件，地下水交替活跃，因此即使是在气候干旱山区，也难形成矿化度高的地下水。

水文因素也是导致分带异常的因素。地下水与地表水并非是孤立的，他们之间有着密切的联系，往往在地下水位与地表水位因高差发生变化时互为补给来源，特别是地下水接受地表水补给时，地下水化学深受地表水的影响。在靠近河流或湖泊的地带，其地下水水质接近河水或湖泊水质，矿化度低，临近海岸地带的地下水其水质接近海水，矿化度偏高[5-6]。地表水体对地下水的补给导致了地下水化学的变化，干扰了地下水的分带性。

地质因素影响。地质因素对地下水化学成分的影响是通过地下含水层的岩性和构造产生的，他们会影响地下水补给、径流和排泄的强度或方向，导致地下水化学成分在带内出现局部变化。岩性往往影响地下水的化学成分，如流经石灰岩地区的地下水中碳酸氢根离子和钙离子多，而流经含石膏的沉积岩区通常水中硫酸根离子和钙离子较多；流经煤系地层与金属矿床分布区多形成矿化度较高的硫酸盐水，而流经古盐湖沉积区则形成矿化度高的氯化物水。岩性也决定了含水层的透水性，通常渗透性好的砂砾石层地下水矿化度低，而透水性差的黏性土其地下水矿化度高。导水断层的存在往往会改变地下水特别是承压水的流向，增强承压地下水的排泄，使盐随水走，矿化度偏低；而阻水断层会阻断地下水的去路，使地下水停滞，矿化度偏高。

潜水化学成分还受承压水的影响。通常地下存在多个含水层，上部潜水和下部承压水之间有时会通过“天窗”产生水力联系，若承压水位高于潜水水位，承压水补给潜水，潜水化学成分因承压水的补给发生变化；若承压水位低于潜水位，则潜水补给承压水，增强了潜水的排泄，亦会影响其水化学成分。

人类活动影响，一方面，人类的生产活动使地下水增加了在自然环境下不能形成或难以形成的化学成分，如工业废气、废水和废渣排放，农业大量使用化肥农药，地下水中出现了如汞、铬等污染物[7]。另一方面，人类活动改变了地下水的补给、径流和排泄，引起地下水的化学成分的变化，导致矿化度增大或减小。如在地下水的补给区毁林开荒，减少了地下水的补给量，减缓了地下水的交替；修建地下水库或矿区疏干排水改变地下水的径流方向；在干旱地区大量抽取地下水，人为地加速地下水的排泄，实质是改变了地下水原来以蒸发为主的排泄方式；在沿海地区大量地抽取地下水引起海水入侵；城市高层建筑深基础施工，人为降低地下水位等。人类活动对地下水化学的影响无论是在广度还是在深度上日益加强，这些活动干扰或破坏了在自然条件下地下水化学形成的分带性规律。

2 地下水化学成分的时间变化特征

2.1 地下水化学成分演化方向的趋势性

在自然状态下就某一特定的地区而言，若影响地下水补给、径流和排泄的主导因素长期不变，地下水化学成分的演化方向具有一定的趋势性，即地下水化学成分向淡化方向或向盐化方向演化。一般而言，当地下水交替缓慢，浓缩作用强烈时，其水化学朝盐化方向演化。当地下水交替活跃，溶滤作用强烈时，其水化学会朝淡化方向演化。

大气降水是潜水的主要来源，而蒸发是潜水的主要排泄方式之一，因此气候对潜水演化方向有明显的影响。干旱气候区的蒸发量大而降水量很少，地下水浓缩作用强烈，地下水化学向盐化方向发展。如我国西北地区的平原地区和山间盆地，由于降水量少而蒸发量大，无论是地表径流还是地下径流均微弱，地下水以蒸发排泄为主，其化学成分总的演化趋势是向盐化方向发展。而我国南方湿润气候区平原或山间盆地，尽管地下径流较弱，但气候湿润，空气湿度大，蒸发排泄有限，最终大量地下水以径流排泄为主，这种排泄方式使地下水盐随水走，水质总的趋势是向淡化方向发展。

地貌对地下水化学的演化趋势亦有明显的影响，地貌常影响地下水交替活跃的程度而影响其水化学演化方向。在地形切割强烈的山区，地势高差大，地下径流强烈，水交替活跃，地下水以溶滤作用为主，水质淡化趋势明显。平原地区地下径流微弱，水交替缓慢，且埋藏较浅，以蒸发排泄为主，盐化趋势明显。

地质构造对承压水化学成分的演化趋势有较大的影响。承压盆地和承压斜地是承压水的主要储水构造，就承压盆地而言，其开启程度直接影响到承压水的交替快慢，开启程度较好的承压盆地地下水交替快，向淡化方向演化，而开启程度差的承压盆地地下水交替慢，向盐化方向演化；对因含水层岩性发生相变或尖灭形成的承压斜地而言，其承压区地下水远离补给区和排泄区，水交替缓慢或几乎停滞，会向盐化方向演化，而补给区和排泄区矿化度低，水质趋淡。

2.2 地下水化学成分演化方向的变化

地下水化学成分演化方向具有一定的趋势性，当影响地下水化学演化的因素发生变化时，或有新的影响因素叠加干扰时，地下水化学演化方向也会随之改变。

气候是影响地下水化学演化的因素之一，气候的变化会导致地下水化学演化方向改变。从较长地质历史时期来看，气候有明显的冷暖干湿变化，如在第四纪地质历史时期，地球上曾多次发生冰期和间冰期的交替变化。当冰期转化为间冰期时，原来干旱的气候变得湿润，地下水亦由盐化向淡化方向发展；当间冰期转化为冰期时，原来湿润的气候变得干旱，地下水化学成分由淡化向盐化方向发展；但在较短的时期内，气候通常围绕其平均状态波动变化，地下水化学的演化方向不会改变；短期的季节变化，仅会使地下水矿化度略有升高或降低，也不能改变其演化方向。

当承压含水层因地壳运动形成新断裂构造时，断层的出现往往会改变地下水原来的径流方向，或增强地下水的排泄，或使地下水径流停滞。地壳运动也会影响到区域地貌的变化，当地貌发生变化时，区域外动力地质作用随之变化。这些变化都会改变地下水化学的演化方向。

气候、地质和地貌的变化需要经历较长的地质历史时期，因此在自然条件下地下水化学的演化方向短期不会改变。但在局部范围内，人类的活动可以在较短时间内影响和改变地下水的补给、径流和排泄，如农业灌溉[8]、兴修水库、跨流域调水、地下注水、地下抽水和疏干排水等工程，这些人为活动可改变地下水的交替状况，使地下水的演化方向改变。

地下水化学成分的变化是地下水动态的一种表现，在一定的时期内，影响因素的变化往往引起区域地下水量增多或减少，伴随地下水量的收支变化，地下水有些化学成分会减少，有些化学成分会增多，盐量的收支亦会发生变化，从而引起地下水矿化度的变化。地下水化学成分的动态变化实质是地下水盐量收支不平衡的结果。

3 结语

地下水化学成分是地下水与环境长期相互作用的产物，反映了该地区地下水的演化历史。在地下水化学的形成过程中，水与岩土进行了复杂的物理化学及生物作用，如溶滤作用、浓缩作用、脱酸作用、混合作用和阳离子交换吸附作用等。由于气候，地貌和岩性等地下水化学成分的影响因素在一定范围内具有分带性，受其影响的地下水在空间分布上亦具有分带性；在自然环境下，影响地下水化学的因素在一定的时期内不会有显著改变，地下水化学的演化亦具有趋势性。影响地下水化学成分的因素由于某种原因也会发生变化，地下水的补给、径流和排泄的条件也相应地随之改变，其分带性和趋势性规律就会出现异常和变化，特别是人类活动的影响，能使这种规律在较短时期内受到干扰和破坏。

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[3] 潘宏雨，马锁柱，刘连成. 水文地质学基础[M]. 北京：地质出版社,2007．

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[8] 屈忠义，林雪松，冯兆忠. 内蒙古河套灌区解放闸灌域地下水水质与硝态氮时空变化研究[J].水利水电科技进展，2010，32(2):40-44．

(本文责任编辑 王瑞兰)

Analysis of Temporal and Spatial Variation of Chemical Composition of Groundwater

DONG Binfang

(Department of Surveying and Mapping Engineering, Changjiang Institute of Technology, Wuhan 430212, China)

Abstract：In this paper, the temporal and spatial variations of chemical composition of groundwater are analyzed. It is pointed out that the influence factors such as climate, landform and lithology have an effect on the underground water. The causes of abnormal zoning of groundwater chemical composition are explained. At the same time, it also shows that the factors that affecting the groundwater chemistry will not change significantly in a certain period，the evolution of groundwater chemistry is also a trend. Otherwise, the evolution direction of groundwater will change.

Keywords：groundwater; chemical composition; zonation tendency

收稿日期：2017-03-31;

修回日期：2017-04-15

作者简介：董宾芳(1971)，男，硕士，副教授，主要从事水文地质的教学与研究工作。

中图分类号：P641.3

文献标识码：A

文章编号：1008-0112(2017)08-0027-03