衡水地区深层地下水水化学特征及其演化过程

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2018.03.14

摘要/Abstract

摘要：

衡水地区多年超采深层地下水,形成了以衡水市区为中心的区域地下水降落漏斗,改变了初始的水动力场和水化学场。运用聚类分析、Piper三线图、Gibbs图、氯碱指数、离子相关关系方法分析了该地区历史时期和现阶段深层地下水的水文地球化学特征及其演化规律,探讨了水化学组分的来源及形成机制。结果表明:该地区深层地下水水化学演化受到了较大的人类活动影响,根据Q型聚类分析将研究区划分为补给、径流、排泄3个水化学分区。20世纪70年代到现阶段,随降落漏斗产生发展,研究区形成了新的局部补径排关系,加强了地下水对围岩的溶滤作用,导致研究区水化学场发生了变化,径流区地下水水化学类型由Cl·HCO₃-Na、HCO₃·Cl-Na和SO₄·Cl-Na转化为SO₄·Cl-Na和Cl·SO₄-Na,排泄区地下水水化学类型由Cl·HCO₃-Na和Cl-Na转化为Cl-Na。Gibbs图和离子关系显示,研究区现阶段深层地下水在降落漏斗影响下,水化学组分主要受岩石风化、阳离子交替吸附和脱碳酸作用控制。

关键词: 衡水地区, 地下水降落漏斗, 水化学特征演化, 溶滤作用, 形成机制

Abstract:

The groundwater depression cone around Hengshui is formed from the over-exploitation of deep groundwater, which changes the original hydrodynamic and hydrochemical fields. Cluster analysis, Piper and Gibbs diagrams, chlor-alkali index and ion correlation method are used to analyze the chemical characteristics and evolution of deep groundwater in the Hengshui area. The results show that the chemical evolution of deep groundwater is substantially influenced by human activities. The study area is divided into the recharge area, runoff area and drainage area using Q-type cluster analysis. A new route of groundwater supply, runoff and drainage, which strengthened the wall rock dissolution, is created with the development of depression cone since the 1970s. Major hydrochemical types of the runoff area have switched from Cl·HCO₃-Na, HCO₃·Cl-Na and SO₄·Cl-Na to SO₄·Cl-Na and Cl·SO₄-Na, whereas those of the drainage area have switched from Cl·HCO₃-Na and Cl-Na to Cl-Na. Gibbs diagrams and ion correlation suggest that the present hydrochemical characteristics of the study area are mainly affected by the wall rock dissolution, cation exchange and decarbonation.

Key words: Hengshui area, groundwater depression cone, hydrochemical characteristic and evolution, dissolution, formation mechanism

中图分类号:

P641

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图/表 10

图1 研究区水文地质简图及采样点分布(等水头线据张兆吉等[30]修改)

Fig.1 Hydrogeological sketch map of the study area and distribution of groundwater sampling sites

图2 研究区水化学分区图 (等水头线据张兆吉和费宇红[30], 2009)

Fig.2 Hydrochemical fields of the study area

图3 现阶段各区深层地下水主要指标含量特征

Fig.3 Characteristics of the major indicative contents of deep groundwater at present

图4 历史时期各区深层地下水主要指标箱型图

Fig.4 Box plot of the major indicative contents of deep groundwater in the past

图5 深层地下水历史时期(a)和现阶段(b)Piper三线图

Fig.5 Piper diagrams of historic (a) and present (b) deep groundwater

图6 研究区深层地下水埋深及1980—2003年水位变差图(据张兆吉等修改[30])

Fig.6 Potentiometric surface and depth variation of the Hengshui deep groundwater (1980—2003)

图7 石家庄—衡水2005年地下水14C年龄剖面图(据张兆吉等[30]修改)

Fig.7 Shijiazhuang-Hengshui 14C age profile (modified from Zhang et al.[30])

图8 研究区深层地下水Gibbs图

Fig.8 Gibbs diagrams of the Hengshui deep groundwater

图9 研究区深层地下水HCO3-/Na+、Ca2+/Na+关系图

Fig.9 Hydrochemical relationships of HCO3- vs.Na+ and Ca2+ vs.Na+ of the Hengshui deep groundwater

图10 研究区深层地下水氯碱指数与TDS关系图

Fig.10 Chlor-alkali index of the Hengshui deep groundwater

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