包头市城区地下水化学空间分异及水文地球化学过程控制强度

Spatial Variation of Groundwater Chemistry and Controlling Intensity of Hydrogeochemical Processes in Urban Baotou

摘要

地下水是包头市的关键水资源，探明其水化学形成机制对水资源保护至关重要。为揭示包头市不同水文地质单元地下水化学形成机制，本文将研究区水体划分为冲洪积扇潜水、黄河冲积平原潜水及承压水三类，基于水化学图示法与数理统计开展了对比研究。结果表明，水化学类型空间分异显著，黄河冲积平原潜水及冲洪积扇潜水以Cl·SO₄-Ca·Mg型为主，承压水则以HCO₃-Ca·Mg型为主。水化学演化机制呈现清晰的递变规律：从山前冲洪积扇到中部平原，地下水化学机制的主导过程从溶滤–风化作用向蒸发浓缩-阳离子交换演进。具体而言，冲洪积扇潜水处于积极的水循环带，其水化学组分的形成与强烈的碳酸盐岩、硅酸盐岩风化，石膏溶滤，阳离子交换作用密不可分；黄河冲积平原潜水则处于径流末端，强烈的蒸发浓缩作用、阳离子交换作用共同主导了其Cl-Na型水的形成，其中蒸发盐岩溶解贡献显著；承压水化学组分主要受碳酸盐岩与硅酸盐岩的风化溶解及阳离子交换作用控制。除此之外，研究区地下水均不同程度地受人类活动影响。本研究明晰了不同含水层的水文地球化学路径，为包头市地下水的分区精准管理提供了科学依据。

Abstract

Groundwater constitutes a vital resource in Baotou City. It is important to investigate the formation mechanism of groundwater hydrochemistry to facilitate water resource conservation. In order to reveal the distinct formation mechanisms responsible for groundwater hydrochemistry in different hydrogeological units， water samples collected from the study area were categorized into three types： the alluvial-proluvial fan phreatic water samples， the Yellow River alluvial plain phreatic water samples and confined water samples. These groundwater data were analyzed using hydrochemical diagrams and mathematical statistics. The results indicated that groundwater types exhibited spatial differences： the phreatic water in the alluvial-proluvial fan and the Yellow River alluvial plain were mainly Cl · SO₄-Ca · Mg type， while the confined water was mainly HCO₃-Ca · Mg type. The mechanisms for hydrochemical evolution represented obvious grading regularity： from the alluvial-proluvial fan to the central plain， the dominant hydrochemical mechanisms evolved from rock weathering and minerals leaching to evaporative concentration and cation exchange. More specifically， the groundwater in the alluvial-proluvial fan cycled actively， and the chemical components were controlled by intense weathering of carbonate and silicate rocks， gypsum leaching and cation exchange. The Yellow River alluvial plain phreatic water was located at the end of the runoff pathway， in which case strong evaporation concentration and cation exchange dominated the formation of Cl-Na type water， with significant contributions from evaporite rock dissolutions. The chemical components of the confined water were mainly regulated by dissolutions of carbonate and silicate rocks and cation exchange. Additionally， the groundwater in the study area was affected by human activities in different degrees as well. This study clarifies the hydrogeochemical pathways in different aquifer systems， providing a scientific basis for the zonal management of groundwater in Baotou City.

Graphical abstract

关键词

地下水 / 水文地球化学 / 离子比值 / 包头市

Key words

groundwater / hydrogeochemistry / ion ratio / Baotou

0 引 言

地下水是宝贵的淡水资源，可作为重要的供水水源^［1］，对地处干旱半干旱、雨量稀少地区保持生态平衡、支持社会经济发展、保障城乡居民生活用水具有十分重要的意义^［2，3］。区域地下水水化学特征是水文循环与周围环境长期作用的结果，其可反映本地区地质和水文地质背景、地下水的演化特征及影响因素，这是了解本地区地下水系统循环更新路径的重要方式，也是保护地下水水源的基础^{［4 - 6］}。

已有诸多学者开展了对于地下水化学特征的研究，章光新等^［7］通过对东北松嫩平原地下水进行研究，指出蒸发浓缩、风化溶滤、阳离子交换及人类活动是地下水水质变化的主控因素；姜体胜等^［5］对北京平谷平原区地下水进行了分析，得出岩石风化与水岩相互作用是潜水水化学类型的主控因素；张春潮等^［6］通过对三姑泉岩溶地下水水化学特征开展研究发现：岩溶地下水补给来源主要为大气降水；艳艳等^［8］在西北盐湖流域开展的地下水水化学研究表明，该地区地下水水化学形成的主导因素为蒸发浓缩作用、地质因素、碳酸盐岩溶解；曾小仙等^［4］的研究指出，影响石河子市潜水化学特征的主要因素为岩石风化作用及蒸发浓缩作用，影响承压水的主要因素为风化作用。然而，现有的研究未根据水文地质单元对地下水进行分类分析，导致结论缺乏针对性。分布于不同水文地质单元的地下水，其化学特征的形成条件不尽相同，构造的开启程度、岩石成分、人类活动等均不同程度地影响着水化学成分的形成^［9］。因此，对不同水文地质单元地下水化学特征的影响因素进行分类分析显得十分必要。

包头市地处干旱-半干旱地区，乌拉山和大青山以南地处三湖河平原和呼包平原，地下水对该地区的经济建设和社会发展起到了非常重要的支撑作用^［2，10］，随着地区人口密度的加大、城镇建设和国民经济的发展，供需矛盾日益增加，地下水位逐年下降，对人类健康及生态环境都造成了一定影响^{［2，11，12］}。前人的研究集中于地下水动态变化及原因^{［12 - 14］}、水文地质特征^［11］、地下水水质变化^{［13，15 - 18］}、地下水资源管理等^{［2，19 - 22］}，而未对包头市地下水水化学进行系统性分析。为了合理开发水资源，进行水化学特征及成因分析是十分必要的^［4］。本文将对包头市地下水根据不同水文地质单元分类，利用水化学成分图示法、数理统计法等分析包头城区不同水文地质单元地下水化学特征和形成演化机制。研究成果将为更好地保护地下水资源提供科学依据^［6］。

1 研究区地理和地质概况

包头市地处内蒙古自治区西部，所选研究区西邻巴彦淖尔市乌拉特前旗，东与土默特右旗相接，北侧为大青山、乌拉山，南抵黄河。研究区以北为山岳区，是包头市区地下水的补给区。山南侧为倾斜平原，主要为冲洪积扇平原，研究区南部为沿黄分布的黄河冲积平原，研究区位置及地貌见图1（a）和（b）。

包头市地处中纬度地区，气候干旱，降水较少，蒸发量大，多西北风。该地区多年平均气温7.5 ℃，最高气温可达39.2 ℃，最低气温为-31.4 ℃。多年平均降水量在310 mm左右，多集中于7—9月，占全年降水量的66%左右。多年平均蒸发量为2270 mm左右。

研究区内主要含水层有两个：一是上部以更新统至全新统砂砾卵石为主的含水层（Q_p³—Q_h含水层），二是以中更新统下部砂砾石为主的含水层（称为Q_p¹含水层），其上分布有中更新统上部（Q_p²）淤泥质粘土，为隔水顶板^［15］。潜水含水层分布于山南的广大地区，主要由山前冲洪积扇砂砾石和黄河冲积砂组成^［16］。山前倾斜平原地下水含水层颗粒粗，径流条件好，水流通畅；黄河冲积平原由于含水层多为中细砂或粉细砂，径流条件较差，潜水流向主要为由北向南（图2和3）。承压水的径流条件较好，承压水径流方向从宏观来看基本上由北向南或由东北流向西南。研究区潜水主要受大气降水补给、山区基岩裂隙水侧向径流补给及地表水渗入补给；排泄方式为侧向径流排泄、人工开采蒸发排泄、越流补给承压水。承压水主要补给方式是：北部山区的侧向径流补给、混采井的越流补给；排泄途径主要是人工开采。

2 采样与研究方法

2024年8月（丰水期）对研究区潜水和承压水进行了系统采样，共采集潜水样66个，采样位置见图1（b）。其中，42个冲洪积扇样（编号为S1-S42），24个黄河冲积平原样（编号为H1-H24）；承压水样30个（编号为C1-C30）。采样前，采样瓶用待采集的水样进行三次润洗，样品采集于聚乙烯瓶或玻璃瓶中。

对水样的K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-、总溶解固体（TDS）、pH、NO₃^-等进行了检测。测定方法分别为：pH采用玻璃电极法；Ca²⁺和Mg²⁺采用乙二胺四乙酸二钠滴定法；K⁺采用火焰发射光谱法，Na⁺采用火焰原子吸收分光光度法，使用仪器为原子吸收分光光度计（AvantaA6587）；HCO₃^-使用滴定法；Cl^-采用银量滴定法；SO₄^2-采用乙二胺四乙酸二钠-钡滴定法；TDS采用重量法；NO₃^-采用紫外分光光度法，使用仪器为紫外可见光分光光度计（T6 18-1650-01-0692）。

为了检验水化学分析数据的可靠性，将每个取样点的数据代入公式（1）^［9］进行检验：

E=\frac{\sum m_{\mathrm{c}}-\sum m_{\mathrm{a}}}{\sum m_{\mathrm{c}}+\sum m_{\mathrm{a}}}×100(1)

式中，E为相对误差（%）；m_c及m_a分别为阳离子及阴离子的毫克当量总数/升。经将水质数据带入Eq（1）计算得：阴阳离子平衡相对误差（E）范围为0.07% ~ 4.18%，平均为2.43%，均在5%以内，测试精度为±0.001 mg/L，数据可靠。

3 结 果

3.1 地下水化学特征

3.1.1 主要离子组分数理统计结果

依据水文地质结构将研究区地下水水质样品分3类进行统计，分别是冲洪积扇潜水、黄河冲积平原潜水和承压水，各检测指标统计结果见表1。总溶解固体（TDS）反映了水中溶解组分的量，总硬度反映了水中Ca²⁺和Mg²⁺的含量^［9］。如表1所示，总体来说，黄河冲积平原潜水总硬度和TDS较大，冲洪积扇潜水次之，承压水这两项指标相对较小。黄河冲积平原潜水总硬度为冲洪积扇潜水总硬度的1.23倍，是承压水总硬度的2.98倍，相比较黄河冲积平原潜水总硬度和冲洪积扇潜水总硬度较为接近。三组样品的pH值较为接近（冲洪积扇潜水pH范围为7.16 ~ 8.30，平均值为7.74；黄河冲积平原pH范围为7.49 ~ 8.38，平均值为7.72；承压水pH范围为7.61 ~ 8.29，平均值为7.97），承压水的pH相对较高。研究区地下水呈弱碱性，pH的空间变化较小，这和曾小仙等^［4］的研究结果基本一致。Ca²⁺含量为：冲洪积扇潜水>黄河冲积平原潜水>承压水。其他离子含量均为：黄河冲积平原潜水>冲洪积扇潜水>承压水。

3.1.2 地下水化学类型

Piper三线图^［23］可以解释很多水化学问题^［4，9］。由图4可知，黄河冲积平原潜水水质点大部分落在菱形的中间及右侧，主要属于Cl·SO₄-Ca·Mg型，占样品总数的41.67%，其次为Cl-Na型水，占样品总数的25.00%；冲洪积扇潜水水质点大部分落在菱形中间及左侧，主要为Cl·SO₄-Ca·Mg型水，占样品总数的42.85%，其次为HCO₃-Ca·Mg型水，占样品总数的38.10%；承压水水质点大部分落在菱形左侧，与冲洪积扇潜水不同的是，其位置偏左下，而冲洪积扇潜水水质点落在偏左上侧，水化学类型以HCO₃-Ca·Mg型为主，占样品总数的50.00%，其次为HCO₃·Cl-Na型，占样品总数的26.67%。

主要离子组分平均值的stiff图见图5，由图可知，冲洪积扇潜水和承压水的stiff图比较类似，说明二者水化学性质较相近^［24］，阴离子主要以Cl^-和HCO₃^-为主，而阳离子则表现为：冲洪积扇潜水以Mg²⁺和Ca²⁺为主，承压水则以Na⁺和Ca²⁺为主；相比较而言，黄河冲积平原潜水stiff图较为特殊，其离子浓度比冲洪积扇潜水和承压水高，阳离子以Na⁺和Mg²⁺为主，阴离子以Cl^-和HCO₃^-为主。黄河冲积平原潜水的阳离子含量分布较为特殊，对比前人研究成果^{［24 - 26］}，其呈现的Na⁺>Mg²⁺>Ca²⁺在其他地区未有出现。

4 讨 论

4.1 地下水化学成分的形成

4.1.1 水化学组分的控制作用

Gibbs图依据离子比值及TDS对水体中水化学组成的控制作用进行了分类^{［26 - 29］}，分别是：降雨控制型、岩石风化作用型和蒸发浓缩作用型^［6，30］，其可表示地下水中不同离子的大气输入、岩石风化作用及蒸发浓缩效应等起源机制和变化的趋势过程^{［6，23，31］}。由图6（a）可知，承压水水质点有20%落于蒸发浓缩作用控制区，40%落于岩石风化作用控制区；冲洪积扇潜水水质点有11.90%落于岩石风化作用区，52.38%落于蒸发浓缩作用控制区；黄河冲积平原潜水水质点基本都落于蒸发浓缩作用控制区。部分水质点落于模型范围之外（图6（b）），落于模型之外的点受到了人类活动影响^［10］，研究区冲洪积扇扇中及扇缘人类活动以工业为主；黄河冲积平原人类活动以农业为主，由表1可知黄河冲积平原NO₃^-浓度最高（最大值：519.66 mg/L），而NO₃^-主要来源于农业中的化肥^［32］，这也证实了该区域潜水受农业施肥影响^{［33，34］}。冲洪积扇潜水和承压水水质点随着c（Na⁺）/c（Na⁺+Ca²⁺）值的增加，TDS含量变化较小，可能是存在阳离子交换作用^［6］。相比较而言，黄河冲积平原潜水埋藏较浅，蒸发浓缩作用较为强烈^［35］，而位于地下水径流上游的冲洪积扇潜水除受蒸发浓缩作用影响外还受到岩石风化作用影响。承压水化学组分主要受控于岩石风化作用。与此同时，该研究区地下水均不同程度地受到了人类活动影响，早些年的生活污水及工业废水的渗入导致了潜水水质的变化，而承压水的污染主要是混采井导致的^［16］。

4.1.2 岩石风化作用

Gaillardet等^［36］提出利用Ca²⁺/Na⁺与Mg²⁺/Na⁺、Ca²⁺/Na⁺与HCO₃^-/Na⁺关系可判别硅酸盐岩、蒸发盐岩、碳酸盐岩单一岩性风化溶滤对水体溶质的影响^{［37， 38］}。因此，我们绘制了Ca/Na-Mg/Na及Ca/Na-HCO₃/Na图（图7（a）和（b）），用于评估主要风化作用对地下水化学成分的相对贡献量^{［24，36，39］}。由图7（a）和（b）可得，相比其他两类水质点，冲洪积扇潜水采样点更偏向于碳酸盐岩风化区，其位于碳酸盐岩及硅酸盐岩风化区之间；承压水亦位于碳酸盐岩及硅酸盐岩风化区之间，但其更偏向于硅酸盐岩风化区；黄河冲积平原潜水采样点基本位于硅酸盐岩及蒸发盐岩风化区之间。因此，潜水在径流过程中，其化学组分逐渐由受碳酸盐岩风化和硅酸盐岩风化作用控制过渡为受硅酸盐岩风化作用和蒸发盐岩风化作用控制。而承压水水化学成分受硅酸盐岩风化和碳酸盐岩风化作用控制。

4.1.3 溶滤作用

大气降水渗入基岩后，对矿物进行淋滤，形成的地表水或基岩裂隙水具有了特定的化学成分，由于CO₂含量和水岩作用时间不同，碳酸盐岩和蒸发盐岩的风化程度也会有所不同，使得地下水中的化学组分发生相应改变^{［40，41］}。矿物饱和指数（SI）可反映地下水中矿物发生溶解或沉淀的反应趋势^{［4，6，9，42］}。由表2及图8（a）和（b）可知承压水方解石和白云石饱和指数最高，分别为-0.43和-0.81；黄河冲积平原潜水次之，冲洪积扇潜水再次之。方解石和白云石的饱和指数可反映含水层的水交替速度，饱和指数越低，含水层渗透性更好、水交替更快^［9］，冲洪积扇相对位于地下水补给区，地下水更新较快^［43］；而承压水含水层构造相对较封闭，地下水更新速度较慢。承压水石膏饱和指数相对较低，黄河冲积平原潜水石膏饱和指数较高，冲洪积扇潜水最高（图8（c）），潜水含水层中分布有芒硝透镜体，其主要成分为Na₂SO₄、CaSO₄，其遇水反应生成硫酸钠溶液和生石膏^［44］，石膏的溶解使得石膏饱和指数升高。承压水岩盐饱和指数较低，冲洪积扇潜水岩盐饱和指数与其相近并略高（图8（d）），黄河冲积平原潜水岩盐饱和指数最高。相比之下，黄河冲积平原石膏饱和指数较低而TDS最大，说明该地区蒸发盐岩快速溶解导致离子瞬时富集，未达饱和即随径流迁移。由图8（a）-（d）可知，TDS与方解石、白云石饱和指数无明显相关性，而与石膏、岩盐饱和指数呈正相关关系，说明石膏与岩盐溶解是水中离子的主要来源^［6，28］。

离子比值法也可反映不同岩石风化对主要化学组分来源的影响^{［45，46］}。由图9（a）可知，部分水质点（主要是黄河冲积平原潜水）落于1∶1线上，说明Na⁺源于地下水中岩石矿物的风化溶解^［4，10］，大部分冲洪积扇潜水水质点落在1∶1线之下或在1∶1线上，这部分区域地下水化学组分受控于矿物盐类的风化和溶滤作用^［10］。由图9（b）可知，大部分冲洪积扇潜水水质点落于1∶1线之上，表明Ca²⁺和Mg²⁺主要来源于方解石和白云石溶解^［10］；而大部分黄河冲积平原潜水及承压水水质点落于1∶1线下，对于这部分水质点，硅酸盐岩及蒸发盐岩溶解占主导作用^［10］。由图9（c）可知，大部分冲洪积扇潜水及黄河冲积平原潜水水质点落于1∶1线之上，其地下水中化学成分主要来自蒸发盐岩溶解；而承压水水质点大部分落于1∶1线之下，其地下水中化学成分主要来自碳酸盐岩溶解^［10］。

通过以上分析可知，大部分地区的方解石和白云石相对水溶液未饱和，少部分地区处于过饱和状态；研究区潜水和承压水石膏与岩盐相对水溶液未饱和。冲洪积扇潜水（补给区）的地下水化学组分主要源于石膏溶解，石膏的溶解导致Ca²⁺和SO₄^2-的增加^［9，47］，其自北向南径流至排泄区，水化学组分逐渐过渡为由岩盐溶解控制，水中的离子组分也逐渐以Na⁺和Cl^-为主。而承压水化学组分主要源于方解石和白云石溶解。

4.1.4 阳离子交换作用

岩土颗粒表面带有负电荷，可吸附阳离子，水中阳离子与岩土颗粒吸附的阳离子进行交换为阳离子交换吸附作用^［1］。由图9（d）可知，研究区地下水水质点的（Ca²⁺+Mg²⁺）-（SO₄^2-+Cl^-）与Na⁺+K⁺-Cl^-呈显著负相关关系，因此阳离子交换吸附作用对地下水化学组分的形成也有很大贡献^［24］，冲洪积扇潜水落于左上部，其他两类水质点落于右下部，表明冲洪积扇潜水阳离子交换吸附程度相对较低，而承压水和黄河冲积平原潜水阳离子交换吸附作用较为强烈^{［24，48］}。黄河冲积平原潜水位于径流末端，水流滞缓，含水层岩土颗粒较小，易发生阳离子交换吸附作用；而冲洪积扇潜水水交替迅速，地质构造开启性较好，岩土颗粒相对较粗，比表面积较小，不利于阳离子交换作用的发生^［1］。

为了进一步探索阳离子交换强度及交换方向，我们进行了氯碱指数计算^{［49，50］}，计算结果见图10。

CAI–1=[Cl-(Na+K)]/Cl(2)

CAI–2=[Cl-(Na+K)]/(SO₄+HCO₃+NO₃)(3)

由图10可知，黄河冲积平原潜水只有2个点氯碱指数大于0，承压水只有1个点氯碱指数大于0，而冲洪积扇潜水则有13个点氯碱指数大于0。所以，大部分水质点发生的阳离子交换反应均为Ca²⁺和Mg²⁺置换土壤颗粒表面的Na⁺和K^{+［24，39］}，而少部分冲洪积扇潜水则发生相反的反应。且氯碱指数绝对值与阳离子交换程度成正比，绝对值越大，阳离子交换程度越高^［50］，由图10可知，承压水和黄河冲积平原潜水的点距0点较远，氯碱指数绝对值较大，这表明，承压水及黄河冲积平原潜水阳离子交换程度较高。

5 结 论

（1）研究区地下水pH为弱碱性。黄河冲积平原潜水总硬度和TDS最高，其次为冲洪积扇潜水，承压水再次之。主要离子中，Ca²⁺含量为：冲洪积扇潜水>黄河冲积平原潜水>承压水。其他离子含量均为：黄河冲积平原潜水>冲洪积扇潜水>承压水。

（2）研究区水化学类型空间分异显著：冲洪积扇潜水和黄河冲积平原潜水主要为Cl·SO₄-Ca·Mg型水，而次要地下水化学类型从补给区向排泄区由HCO₃-Ca·Mg型向Cl-Na型过渡；承压水水化学类型主要为HCO₃-Ca·Mg型。

（3）水化学演化机制呈现清晰的递变规律：从山前冲洪积扇到中部平原，地下水化学机制的主导过程从溶滤-风化作用向蒸发浓缩-阳离子交换演进。承压水化学组分主要受碳酸盐岩与硅酸盐岩的风化溶解及阳离子交换作用控制；冲洪积扇潜水水化学成分形成受碳酸盐岩、硅酸盐岩风化与石膏溶滤控制；黄河冲积平原潜水则处于径流末端，主要控制作用为蒸发浓缩、阳离子交换。

展望未来，可对各类型水样进行进一步细分，例如将中洪积扇水样分为扇顶、扇中、扇缘，或可分为枯水期、丰水期。为了更好地研究水化学过程，应更有针对性地取样，从而得到更精准的认识及研究成果。

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基金资助

内蒙古自治区地质调查研究院地下水环境监测项目（内地环项［2024］NMGDXS-JC-08）