京津冀水源涵养区水化学环境分析
——以承德市兴隆县为例

2020-12-12 14:17鲁重生刘文波李志明任玉祥

水文地质工程地质 2020年6期

鲁重生，刘文波，李志明，武雄，康伟，任玉祥

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083;2.中国地质环境监测院，北京 100081; 3.承德市自然资源和规划局，河北承德 067000)

地处承德西南端的兴隆县毗邻京津唐承四市，是距离京津冀[1]最近的水源涵养区，境内发育多支河流并向京津地区输送水源。兴隆县以发展工、农、矿、果林、旅游业为重心，用水需求量大，然而，区内多年年均降水量呈下降趋势，年内季节性用水紧张[2]；且鹰手营子矿区排污、农业果林业用肥、矿山废渣堆放及农村生活污水使地表河流及地下水环境恶化。目前，已有学者对兴隆县典型河流和水库及其周边水体进行了污染物检测与源解析[3-4]、水质评价[5]及氮、磷输出的风险评价[6]，指出污染源主要是工厂“三废”和农药化肥，应进一步加强氮、磷输出的管理与治理，但水流自净能力强，水质尚好。已有研究着重于工作区及周边地表水体质量的评估，未将地表水、地下水和岩性条件作为相互关联的水体来研究[7]，更未从小流域尺度剖析水源涵养状况。

基于前人研究，本文以地质条件为背景，采用GIS空间分析方法，揭示了区内水环境的成生条件、主控地质因素[8]和水岩相互作用过程，旨在从水化学角度分析水源涵养状况，同时，还分析了区内地下水中锶、硒矿泉元素富集特征[9]，指出其独特的水源涵养条件，服务于安全供水[10]，为京津冀协同发展进程中城市发展、水资源配置及功能区划提供数据支撑。

1 研究区概况

1.1 自然地理条件

兴隆县位于承德市域西南端，北与承德县相望，东临滦河与宽城满族自治县毗邻，西接北京市密云县与平谷县，南与天津交界，县境东西长86 km，南北宽 57 km，总面积3 123 km2。因研究区独特的地质构造与地形地貌，发育了柳河、清水河、泃河、潵河及沙河等主要水系，流入北京、天津及省内临县，对京津冀水源涵养具有重要意义(图1)。

研究区属半湿润半干旱大陆性季风型山地气候，降水和蒸发具有明显的季节性差异，年均降水量为715.5 mm，年均月蒸发量为117 mm；降水集中在5—9月，占全年的71%；蒸发量集中在4—8月，占全年的63.9%；年平均气温为5.6 ℃，极端最高气温36.6 ℃，极端最低气温-28.6 ℃。

1.2 水文地质条件

区内含水岩组主要有碳酸盐岩裂隙岩溶类、变质岩孔隙-裂隙类、岩浆岩裂隙类、碎屑岩孔隙-裂隙类及松散岩孔隙类。碳酸盐岩类主要分布在中部，沿东西向展布，以长城系(Ch)白云岩、白云质灰岩及蓟县系(Jx)的灰质白云岩和白云岩为主，局部地区出露奥陶系(O)灰岩，富水性较好；变质岩分布在南部，东西向展布，主要以太古界(Ar)的斜长角闪岩和黑云斜长片麻岩为主，富水性一般；各期侵入岩则为早白垩纪(K1)侵入石英二长岩、太古代(Ar)侵入二长花岗岩、燕山期侵入正长斑岩、中元古界侵入花岗斑岩，富水性随储水构造不同呈现出较大差异性；碎屑岩分布在北部，东西向展布，中部地区零星分布，以长城纪的石英砂岩、中侏罗纪(J2)的粉砂岩夹砂岩及砾岩为主，富水性一般；松散岩类沿柳河、清水河、沙河等河流沟谷分布，以第四系(Q)砂砾石、卵砾石为主，与地表水关系密切，富水性随所处地貌部位不同而变化。

图1 研究区地理位置及水样点分布图Fig.1 Geographical location and distribution of the water samples

区内地下水来源以降水入渗补给为主，渗入地下的水随地形在基岩风化裂隙、构造裂隙或溶隙中径流，最终以泉流或侧向渗流方式进入沟谷，汇成河流出境，形成京津冀水源涵养区。

2 样品采集与测试

2019年6—8月，在研究区内采集水样共计79组，其中井水采样25组，泉水采样46组，地表水采样6组，尾矿水样2组(图1)。水样现场测试项目：气温、水温、pH、电导率(EC)、氧化还原电位(Eh)、溶解氧、TDS。现场对用于金属元素分析的水样进行加硝酸处理。

阴离子采用离子色谱仪(型号ICS-1100)测试；阳离子采用电感耦合等离子体发射光谱仪(型号ICP-OES(ICAP6300))测试；微量元素采用电感耦合等离子体质谱仪(型号 ICP-MS(Aglilent 7700))测试。误差控制在5%以内，测试精度为±0.001 mg/L。水样测试在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室完成。

3 结果与讨论

3.1 水化学类型及分布

图2 研究区水化学类型统计柱状图Fig.2 Statistical histogram of hydrochemical types

地表水、泉水和地下水水化学类型均以HCO3—Ca·Mg型为主，表现出同源性特征。地表水样品中，HCO3—Ca·Mg型水占66.7%；地下水样品中，HCO3—Ca·Mg型水15组(占60%)，其余合计占40%；泉水样品中HCO3—Ca·Mg型水30组(占65.2%)，其余类型合计占34.8%；泉水中有2组尾矿出流水样，均为SO4—Mg·Ca型水(表1)。

表1 各类取样点中水化学类型数量统计表

图4 岩性与水化学类型分布图Fig.4 Distribution map of lithology and hydrohemistry types注：图中H、C、M、N、Cl、S分别代表HCO3、Ca、Mg、Na、Cl、SO4。

图3 研究区水化学Piper图Fig.3 Piper diagram of hydrochemistry in the study area

进一步的GIS空间分析[13]结果表明(图4)，水化学类型为HCO3—Ca·Mg和HCO3—Ca的水样多位于灰岩或白云岩为主的碳酸盐岩地区，沿北马圈子镇、上石洞乡、陡子峪乡、大水泉乡、南木门一带分布；SO4—Ca(泉水2XL-63)、HCO3·SO4—Ca(泉水2XL-34、井水2XL-61)、HCO3·SO4—Ca·Mg(井水XL-52、井水2XL-153)、SO4·HCO3—Ca·Mg(泉水2XL-61)型水分布在变质岩及侵入岩地区，沿茅山镇—八卦岭—半壁山镇一带分布；SO4·HCO3—Na·Ca·Mg(地表水2XL-28)、SO4—Ca(泉水2XL-139)型水分布在鹰手营子矿区以北碳酸盐岩和碎屑岩地区，主要受工矿活动控制；SO4—Mg·Ca(尾矿水WR-149、WR-151及地表水2XL-104)型水集中在安子岭乡刘家庄废弃硫铁、铅锌矿周边。

研究区水化学类型与岩性展布状况有高度一致性，工矿活动对水化学类型产生一定的影响。

3.2 水化学环境及成因

针对79组水样进行分析，钠氯系数的最大值为6.87，最小值为0.27，均值为0.98(表2)。14组水样(地表水1组、井水5组、泉水8组)落在钠氯系数值大于1区域，为大气降水淋滤所致，其中，井水水样2XL-57、XL-52受大气降水淋滤作用影响最大，说明其含水岩体的开启程度较高，与周边岩层裂隙发育相关，更易携带易溶盐。14组水样(地表水3组、井水3组、泉水8组)的钠氯系数值在1附近，为岩盐层溶滤作用的结果。48组水样(地表水2组、井水16组、泉水30组)散布在海水钠氯系数线(0.85)下方，表明这部分水非本地来源，而是处于径流途中，水岩作用和阳离子交替吸附作用较充分，2XL-97为断层泉水，沿破碎带运移距离较长，水岩作用造成矿物质聚集；2XL-53取自大口井，出露岩性为石英砂岩，较高的TDS反映出脆性岩石发育的裂隙为地下水运移和水岩相互作用提供了条件(图5a)。

图5 研究区离子比例系数与TDS关系图Fig.5 Relationship between ion proportional coefficient and TDS in the study area

表2 离子比例系数统计表

基于以上研究，进一步采用氯碱指数(CAI)确定离子交换的方向和强度[17-18]，以讨论地下水、泉水是否与所流经的岩石发生Ca2+、Mg2+与Na+、K+交替吸附作用。表达式为：

CAI-Ⅰ=[r(Cl-)-r(Na++K+)]/r(Cl-)

(1)

CAI-Ⅱ=[r(Cl-)-r(Na++K+)]/

(2)

区内多数水样CAI-I、CAI-II值小于或等于0(图6)，表明地下水中的Ca2+、Mg2+与含水岩组中Na+、K+发生交换，使水中的Na+、K+含量增高。

相比于Na+/Cl-比值(图7a)关系曲线，(Na++K+)/Cl-比值(约为1.75)集中在y=x线上方(图7b)，说明除岩盐溶解外，含钠、钾的硅铝酸盐矿物(钠长石、钾长石)，或蒸发岩盐矿物(芒硝)在径流途中不断被水解、溶滤，阳离子交换促进Na+、K+从岩浆岩的长石类矿物中释放出来[18-19]。

图6 研究区氯碱指数分布图Fig.6 Distribution map of chlor-alkali index in the study area

图7 离子比值关系图Fig.7 Relationship among ion ratios

3.3 水源涵养条件分析

筛除尾矿水异常指标值，对研究区77组水样进行描述性统计(表3)，研究区水样pH值在7.3～9.0之间，均值为8.04，为弱碱性环境，氧化还原电位(Eh)在79.5～120.0 mV之间，均值为94.6 mV，变异程度小(CV=0.09)，表明涵养区的地下水环境[23]为稳定的氧化环境。

表3 研究区测试指标含量描述性统计

图8 各流域典型样点分布图Fig.8 Distribution of the typical samples in various watersheds

水中适量的锶(Sr)和硒(Se)是有益于人体的“健康”元素。研究区的地下水和泉水中，均检测到Sr元素和Se元素富集。79组水样中，富Sr水样(≥0.4 mg/L)5组，富Se水样(0.01～0.05 mg/L)12组，同时富Sr、Se水样5组，富Sr或富Se但含超限指标(Se>0.05 mg/L、Sb>0.005 mg/L、Br>0.01 mg/L)水样21组[25](图10)。富Sr、Se的水样多分布在研究区南部青松岭、大碌洞等变质岩区及东部诗上庄、羊羔峪等碳酸盐岩下伏侵入岩区(图11)。Sr、Se等有益元素富集体现出京津冀水源涵养的优势水化学背景，目前对于其富集的初步研究为矿泉水利用开发提供数据支撑。Sr、Se元素富集与水岩作用的关系还在进一步研究中。