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Piper图解淮河流域江苏地区浅层地下水水质演化特征

P i per 图解淮河流域江苏地区浅层地下水水质演化特征

陆徐荣,周爱国,王茂亭,杨 磊,陆 华

(江苏省地质调查研究院,南京 210049)

摘要:

在收集213份20世纪80年代浅层地下水水质资料和616组现状采集样品的基础上,利用不同时期水化学组成在区域P i p er 三线图上的集合发生的位移现象,揭示20多年来该区浅层水的内在变化规律,同时利用水化学类型图、统计数据加以佐证,最后探讨区域浅层水演化的原因。研究结果表明,通过Piper 图示所表达的浅层地下水水质演化规律统计数据、绘制水化学类型分布图等方法相比较,分析更简洁、直观、通俗易懂。通过分析还发现,区内浅层地下水资源可以通过合理利用而改善水质,进而为人们提供理想的水源。

关键词:浅层地下水;水质分区;三线图;水化学类型中图分类号:P641112文献标识码:A

Characteristic anal ysis of phreati c water equality evolution by

Piper diagra m i n H uai he ri ver drai nage area ,Ji angsu province

Lu Xurong ,Zhou A iguo ,W ang M ao ti n g ,Yang Le,i Lu H ua

(G eology Surve y Instit ution of J iangsu P rov i nce ,N anj i ng 210049,China)

Abstract :On basis o f 213phreatic w ater qua lity data i n the eighties of last century and 616sa mp les .test

resu lts ,th is paper reveals the evo l u tion o f phreatic w ater i n m ore than t w o decades by usi n g the displace m ent in the d istrict P i p er diagra m o f w ater che m ica l co m positi o n i n different peri o ds ,w hich is supported by m aps of groundw ater hydr oche m ica l type and statistical data ,and the reason o f phreatic w ater evo l u tion i n this area is d iscussed .The resu lts sho w s that t h e evo l u ti o n o f phreatic w ater expressed by Piper diagra m is m ore concise ,intuitive and user -friendly than that using statistica l data and m aps o f groundw ater hydroche m ical type ,and the qua lity o f phreatic w ater can be artificially i m proved for pr ov i d i n g ideal w ater source .

Key w ords :phreatic w ater ,w ater quality div isi o n;P i p er d i a gra m ;g roundw ater hydroche m ica l types 收稿日期:2009-05-22;修订日期:2009-09-14

作者简介:陆徐荣(1967-),男(汉族),江苏海门人,

大学本科,高级工程师.

0 引言

淮河流域江苏地区为海安县海安镇)扬州市区以北的江苏省域,地处黄淮海平原的南缘,北接山东,西邻安徽,东滨黄海,南与长江三角洲过渡,行政区划包括徐州、连云港、宿迁、淮安、盐城及扬州、泰州、南通的部分地区。域内地表水系发育,河流纵横交叉,湖荡星罗棋布。落后的经济、匮乏的水资源等因素形成了该地区水资源利用上的多源化格局:南水北调的长江水、过境的淮河、沂沭泗水系、降雨、深层地下水、浅层地下水等。在广大的农村地区,由于经济发展水平、输水管道铺设滞后等原因,一家一户为开采形式的浅层水水井非常普遍,平均1~3家即有一眼,用于生活饮用的比例高达8215%,因此,研究该地区浅层地下水

水质演化趋势,指导人们合理地开发浅层水资源刻

不容缓。

1 区域浅层地下水概况

111 水文地质背景

淮河流域江苏地区浅层含水层以全新统、晚更新统地层为主:1丰沛平原浅层含水层岩性以亚砂土为主,宋楼、何桥有少量的淤泥质粉砂分布,亚砂土一般厚2~9m,风城)范楼)刘集)带厚达10

~12m,单井涌水量5~150m 3

/d ,局部张五楼达

352m 3

/d ,TDS 为500~900m g /L ;o邳州)睢宁一

带主要为沂沭河沉积及现代的黄河泛滥沉积,含水层以亚砂土为主,层厚2~6m,单井涌水量50~ 700m3/d,TDS一般为300~500m g/L;?淮安)涟水一带为沂沭河、淮河、黄河交错沉积共同演绎的结果,含水层以亚砂土、粉砂为主,层厚3~9m,发育有多个粉砂砂丘,单井涌水量50~500m3/d,局部如淮安市果林场高达2255m3/d,水量十分丰富,TDS为300~800m g/L;?兴化西郊镇以南、江都真武镇以东的里下河地区,地层厚18~23m,砂层6~16m,含水层为亚砂土、粉砂互层,单井涌水量50~200m3/d,TDS一般为700~1000m g/L,兴化荻垛至姜堰俞垛一带1000~1300m g/L;?响水以南、阜宁)建湖)兴化以东的沿海地区,地层大于20m,最厚处40m左右,砂层10~25m,单井涌水量变化很大,从5m3/d至200m3/d不等,TDS 大部分地区大于1000m g/L。

由于淮河流域江苏地区浅层含水层颗粒大多极细,单井涌水量小,水中富含铁锰等物质,沿海地区TDS极高,加上水质易受地表各种因素影响,长期以来以水质较差、不易规模开采而被忽视。11220世纪80年代浅层水水质分布特征

11211TDS

TDS含量在20世纪80年代,213组浅层水样品的地区间差异很大,区域分布规律明显,由东向西大致可分为4个梯级:沿海地区浅层水大于2000m g/L的区域达11304km2,其中射阳、响水、连云港以东4920km2的区域超过10000m g/L,最高的连云港喉咀为48230mg/L,属于咸水;1000~ 2000m g/L的浅层水大片分布于地势低洼的里下河平原及北部咸淡水过渡带,面积10984k m2;500~ 1000m g/L的区域则主要分布于微倾斜平原、非沿海的黄泛平原地区;小于500mg/L的浅层水主要存在于山前倾斜平原区及洪泽湖至高邮湖一带,见图1。

图1淮河流域江苏地区浅层水TD S分布

11212水化学组成

在地下水水化学组成中,以N a+(+K+)、Ca2+、M g2+、HCO2-3、C l-、SO2-4等最主要的离子成分图来分析区域地下水的分布规律。

20世纪80年代浅层水沿区域水流方向从西到东具有以下的规律:阴离子遵循:HCO-3y H C O-3 +C l-y C l-+HCO-3y C l-;阳离子则为:C a+y Ca++N a+y Na++Ca+y Na+,成条带状分布,高邮)宝应)建湖)涟水)赣榆以西的广大平原地区以HCO3-Ca(#N a)型水为主,面积超过29000km2;占平原区面积的一半以上,局部为HCO3#C l-Ca#N a、H CO3-Ca#Na等类型,大丰)滨海)灌南)连云港以东沿海地区则C l-N a型水大量分布,面积达9812km2;中间间夹有C l#H CO3 -Ca(#N a)、C l#HCO3-Na#C a、H CO3#C l-Ca(#Na)等类型水,形态上狭而长,仅在里下河洼地区分布广泛,因为该域地势低洼,地下水径流速度缓慢,无机盐易于积累,因而TDS相对于临近地区为高,总体特点符合传统意义上地下水溶质含量从补给区)径流区)排泄区越来越高的分布特征,见图2。

Piper图解淮河流域江苏地区浅层地下水水质演化特征

图2淮河流域江苏地区浅层水水化学类型分布

11213浅层水水质形成基础

历史上区域水化学特征、TDS等呈梯级变化取决于原生沉积、地形、黄河泛滥等多种原因。

(1)原生沉积

原生沉积是全区浅层地下水水质演化、形成的物质基础,包括原生沉积时封存的原生态水及原生态水所处的含水层介质或运移通道介质间的溶滤作用等多种因素。

在以滨海相、浅海相、河口相为主的东部沿海地区,其海相、海陆交互相沉积的特点使浅层地下水中封存了大量的海水,TDS含量普遍较高,甚至大于10000m g/L,而以冲积、冲湖积、冲洪积为主的地区往往小于1000mg/L;区域上浅部地层中含大量的铁锰质结核,经过长时间的溶滤、离子交换作用,水中Fe2+、M n2+含量普遍大于011m g/L,面积分别超过40000km2和44000km2。

(2)地形因素

地形因素决定了研究区浅层水的径流速度。丘陵、山前倾斜平原等地TDS含量最低,这类地区浅层水径流条件好于平原地区,水中的矿物质易被雨水等地表水体交换并流失,TDS含量往往小于500 m g/L,而广大的平原地区地势平缓,水力坡度极小,TDS含量介于500~1000m g/L之间。

(3)黄河泛滥

由于黄河泛滥,改变了浅层水的正常补径排关系,地下水排泄不畅,大大延缓了浅层水自然进程,难以被外界置换,内陆局部地区浅层水出现了大于1000m g/L的现象,甚至出现了大量的盐碱地。2评价方法与分区

211评价方法

区域浅层地下水演化规律研究一直是一个难题,其原因是:区域面积大,地形起伏较大,构造复杂;受外界条件如降雨、河流侧向补给影响大;浅层地下水径流速度缓慢,其演变规律十分复杂;浅层含水砂层不发育,系统性较差。目前广泛运用的计算机模拟技术主要适用于小区域、含水砂层发育的深层地下水,对于补径排条件极为复杂、大区域浅层地下水水质演化规律研究却并不适用。

本文主要利用不同时期水质变化在Piper图上发生的位置变化,佐以水化学类型图、统计数据分析进行区域地下水水质演化趋势研究:首先,收集往年水质资料,根据溶解性总固体含量、地形地貌、地层等因素进行分区,绘制各自所在区域P i p er三线图;然后采集现状水质资料,将现状水质分别叠加至各自所在区的三线图上,即不同时期的地下水水质类型叠加至一张三线图上,利用水质在三线图中的位移进行地下水水质演化规律研究,最后,通过区域上的水化学类型分布图、统计数据等加以佐证和说明。

212评价分区

通过区域水文地质条件研究,确定以下分区原则:(1)由于TDS是水中矿物质的总代表,因此以TDS分区为主;(2)分区时参考水化学类型的分布;

(3)适当考虑地形、地貌、地质等因素,使分区更自然,符合地下水的运移规律。全区共分为8个区

Piper图解淮河流域江苏地区浅层地下水水质演化特征

(图3):沿海区(1区);海陆过渡(2区);里下河

洼地区(3区);淮河干流区(4区);新东赣山前倾

斜平原区(5区);新东赣丘陵区(6区);徐州低山

丘陵区(7区)和丰沛平原区(8区)。

3水质演化特征

311区域水质的变化特征

从三线图(图4、5、6)可以看出区域浅层地

下水变化趋势具有明显的地域性,高邮)宝应)涟

水)灌云)赣榆一线以东地区水质淡化明显;以西

的新东赣丘陵和湖荡地区咸化,西北地区基本保持

稳定。图3区域水化学背景分区

图4淮河流域江苏地区三线图

31111水质淡化区

从图4可以看出以下三个特点:(1)包括1、2、3区等在内的东南沿海地区水质点集合在三线图上由咸水区向淡水区发生了位移,且幅度很大;

(2)水质点集合在P i p er图上位移的幅度具有规律性,其中最东部的1区已完全脱离了原来所在的咸水区域,演化为半咸水、微咸水,向西2、3区变化幅度逐渐变小,大约一半的区域与先前重合,移动了50%左右;(3)发生了大规律淡化的同时,阳离子毫克当量百分比却几乎与原来相差无几,变化的主要为阴离子的毫克当量百分比,其中沿海的1区C l-由70%~100%下降至20%~70%,而HCO-3则由小于20%增长至20%~70%。2、3区C l-毫克当量百分比由35%~85%下降为10%~ 70%,与之对应的是HCO-3毫克当量百分比的大幅增加,由10%~45%增加为30%~80%(图4中、右)。

区域上TDS的变化证实了这一变化,1、2、3区浅层水TDS含量20多年来下降很快。20世纪80年代1区、2区平均分别为18694m g/L、3502m g/L,现状仅为1822m g/L、1598m g/L,里下河地区则由1362m g/L下降为925m g/L,部分地区已演化为淡水,符合东部地区浅层水淡化、从东向西逐渐变小的趋势。

水化学类型分布也与之吻合。在20世纪80年代,沿海地区9813km2的面积为C l-N a(#Ca)型水(图2),现状中仅在灌云东部等地区有少量分布,面积只有20世纪80年代的1/10,其余皆已演变成C l#H CO3-Na(#C a)型水,水中HCO-3毫克当量百分比已大于25%。东台市区、盐城市区、滨海县等地由C l#HCO3-N a#Ca型水演变成H CO3#CL -Na(#Ca)型水,由半咸水演变成了微咸水,甚至为淡水。里下河地区原为H CO3(#C l)-Na(# Ca)、HCO3(#C l)-C a(#N a)型水演变为HCO3-

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图5淮河流域江苏地区三线图图6淮河流域江苏地区三线图

N a(?C a)、H CO3-Ca(#N a)型水,C l含量已不足阴离子总量的25%。

31112水质咸化区域

高邮)宝应)涟水)灌云)赣榆一线以西地区在20世纪80年代广泛分布有H CO3-Ca(#N a)型水,TDS大多小于500m g/L,历经22余年后,从图5可以看出,包括淮河干流区、新东赣丘陵等地区(4区、8区)的水质集合向咸化方向发生了移动。该类地区有一个共同的特点,即H CO-3由大于70%~100%演化为35%~90%,SO2-4由小于10%增加至0~35%,C l-由小于25%增加至10%~ 50%,但H C O-3仍占居主导地位。水化学类型图的变化也验证了这一点,该类地区由H CO3-C a(# N a)型水演变为H CO3#C l-C a(#Na)型水(图2), TDS也发生了改变,淮河干流区、新东赣丘陵等地均值分别由369m g/L、314m g/L上升至664m g/L、574m g/L。

31113水质稳定区域

包括5、6、7区在内的淮安市)宿迁市)徐州市一带,浅层水水化学特征保持相对稳定,两个时期的水质点集合在三线图所处区域的形状、位置几乎一致(图6),20世纪80年代TDS平均765m g/ L,现状为736m g/L,没有明显的变化,局部地区C l-有小幅增加,少数地区由H C O3-Ca(#N a)型水演变为H CO3#C l-C a(#N a)型水(图2),水化学类型趋于复杂化。

312浅层水水质演变特征原因探讨

过去20多年区域浅层水水质变化幅度很大,存在着必然因素。

能改变浅层水水质的作用方式不外乎自然演化和人类活动影响等两种。自然演化包括降雨、地表水等低TDS含量水体对浅层地下水的补给后,与浅层地下水发生混合、离子交换作用,可使浅层地下水淡化或咸化。20世纪80年代所取水样已经历千百年的自然交换、人类活动的影响。东部沿海浅层水埋深仅5~10m,局部淡化的情况说明这种作用非常缓慢,也就是说,短期内(仅20多年)使浅

Piper图解淮河流域江苏地区浅层地下水水质演化特征

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层水水质发生巨大变化缘于外力作用的结果。研究发现,开采地下水、农业灌溉可能是沿海地区大规模水质淡化的决定因素,人类活动的加剧、工业化飞速发展、农药的大量使用则是局部TDS含量升高的原因。

31211淡化原因分析

(1)农业灌溉为发生大规模水质淡化提供了水源

淮河流域江苏地区性当地水资源紧缺,境内降水量年际变幅大,年内分布不均匀,客水丰枯变化很大,使得这一地区既经常遭受洪涝灾害,又经常出现干旱,加上黄河泛滥,浅层水的排泄不畅,出现了大片的盐碱地。

江苏省江水北调工程自1961年开始建设江都泵站,经过40年的建设,现已建成9个梯级,20座正规泵站,区内有效灌溉面积达300多万公顷,占耕地面积的90%[1]。灌溉面积的大量增加使原先土壤中盐分溶解于灌溉水中而被排泄,起到了洗盐的作用,在20世纪90年代初根治了曾广泛分布的盐碱地,浅层水失去了一个大量提供盐分的补给源,同时又给浅层地下水提供了较为丰富的淡水补给资源。

(2)浅层水资源的大量开采利用是浅层水发生大规模淡化提供了交换空间

开采地下水将浅层水中较高的TDS水抽出,降低了地下水位,促进了低矿化雨水、河水、灌溉水的补充,从而降低了浅层水中的矿物质含量,使得浅层水淡化。

经调查,在20世纪80年代以前,淮河流域江苏平原地区,基本没有污染源,人们大多以河水为主要的生活用水水源,辅以少量的浅层水井,每村仅1~2口井,改革开放后,区内工业发展很快,河水受到不同程度的污染,人们不得已寻求新水源,选择开采方便、水质尚好的浅层水作为水源,并在20世纪90年代达到了几乎每户一井的状况。在水质较差的沿海地区,农户首先开采的是淡化带,淡化带开采后浅层含水层接受低矿化地表水体的能力大为提高;从20世纪90年代始,尘封数千年、埋深10~30m的浅部咸水层作为海产品经济、方便的养殖水源迅速发展,从而为接纳地表低TDS 含量水体提供了交换空间,为形成新型浅层水循环系统提供了可能。

31212咸化区域形成原因

(1)咸化区域本身天然水化学背景含量极低,多为200~400mg/L,已接近于河水,上升空间极大。

(2)20世纪80年代,淮河干流区浅层水TDS 的含量较低,但经常被污染的淮河水对当地农田的灌溉及对浅层水的侧向、垂直补给作用,使环洪泽湖地区的TDS存在大量超过1000m g/L的样点[2]。

(3)工业污染对浅层地下水的影响越来越大。在20世纪80年代,新东赣丘陵SO2-4含量均值仅为1514mg/L,近20多年来工业发展速度并不快,但SO2-4含量迅速上升至8517m g/L,,经分析,日益频繁的酸雨可能是SO2-4含量大面积上升的原因之一。

(4)施用农药、化肥等农业活动日趋频繁,直接威胁着浅层地下水。以农业为主导经济,农药、化肥施用量较高,并成为区域地下水最直接的污染源。

区内浅层水污染以SO2-4、NH+4、NO-3、NO-2、COD等为主,其中最常施用的氮肥其所含的NH+4、NO-3等成分较易转移到地下水中,在新东赣、沿海地区、沿淮干流等地部分地区污染率几乎达到100%。因水质取样点往往远离农田,浅层水在径流通道中流动至取样点时,通道中各种有机质的分解作用、运移介质的吸附作用等已使NH+4、NO-3等离子含量大幅下降,实际浅层地下水所受的污染程度应大于调查测试结果。

因此污染物的大量排放是山前倾斜平原、淮河干流区TDS上升的主要原因。

4小结

通过以上分析,我们可以得出以下几个观点:

(1)利用Piper图解可以简洁明了、直观形象、通俗易懂地展现地下水水质演化规律;

(2)淮河流域江苏地区性近20年浅层水发生大规模变化,经分析主要是由人类活动引起。例如,沿海地区水田的大面积推广洗去了土壤中的盐分,并提供了大量的低TDS水源,民间浅层水大规模的开采加快了地下水的循环速度,促进了浅层水的新陈代谢;

(3)短期内浅层水大范围变化的结果表明,浅层水加以合理的利用后,水质可望得以改良,形成良性循环,以弥补地区水资源的严重不足。

参考文献

[1]黄海田,张寒,黄亚明等,从电价和供电保障看电力对江水

北调工程的支持[J].电力技术经济,2007,12(6).

[2]陆徐荣,王茂亭,周爱国等,淮河水污染对环洪泽湖地区浅

层地下水影响规律初探[J].地下水,2007,9(5).