沧州地下咸水成因分析

2011-03-19荣慧峰殷文静杨学亮朱旭辉

地下水 2011年2期

荣慧峰,殷文静,杨学亮,朱旭辉,李演

(1.石家庄经济学院,河北石家庄 050031;2.河北省环境地质勘查院,河北石家庄 050031)

沧州市广泛开采利用浅层淡水和深层淡水,由于开采不合理,引发了一系列环境地质问题。淡水资源的短缺已成为制约沧州市经济发展的一个瓶颈,为了缓解淡水资源短缺的危机,改善生态环境,咸水资源作为新水源应该也必须得到重视。开发利用地下咸水是一项变“废”为宝、减轻危害、增加水资源、改善环境最为有效的措施之一。除肃宁、河间、任丘部分地带分布有全淡水区外,大部分地区广泛分布着咸水,资源丰富。

1 区域概况

沧州市位于河北省东部,东临渤海,南与山东省及衡水市交界,北接天津市、廊坊市,西与保定市相连。地理坐标为东经 115°42′～ 117°51′,北纬 37°28′～ 38°57′,东西长 187 km,南北宽 165 km,总面积14056 km2。本区属半干旱地区,主要为暖温带大陆性季风型气候,四季分明,季间温差变化显著。降水特点为年内分布不均,年际变化大。沧州市地势平坦,河流众多。东部滨海地区地势平坦,土地盐碱化非常严重。

沧州市第四系松散堆积物厚度约为 380～550m,多为陆相堆积及海陆交互相堆积,海兴一带有火山岩堆积,现由老至新简述如下:

下更新统(Q1):底界深度 380～550 m,为一套棕红、黄棕色夹灰绿色粘土、亚粘土、亚砂土,其间夹有锈黄色细砂、粉细砂;中更新统(Q2):底界埋深 250～420m,分上下两段:下段(Q21)底界为 250～420 m,为黄棕、灰绿色粘土、亚粘土、中细砂层。上段(Q22)底界为 170～350 m,为棕黄、灰绿色亚粘土、中细砂层;上更新统(Q3):底界 120～220m,为灰黄、灰、灰绿及少量浅棕黄色亚粘土、亚砂土、粉细砂层;全新统(Q4):底界 20～30m,岩性为灰黄、黄灰、灰褐色亚粘土夹细粉砂层,有 1～2层淤泥质亚粘土或泥炭,为海陆交互相沉积。

2 咸水分布特征

沧州市咸水的分布特点是分布广,厚度大。无论水平分布还是垂直分布均属河北平原之最,咸水几乎覆盖全区。咸水体由沿海到内地逐渐变薄,呈一楔形体置于浅层淡水与深层淡水之间,并在青县东北部和狼坨子附近出现全咸区。

水平分布:本区咸水从平面上看,就其分布特点可分三大区,西部地区包括任丘、肃宁及河间西部,以淡水为多,微咸水、半咸水呈孤岛状分布在淡水体之上,大于5g/L的咸水很少;中部的东光、吴桥、南皮、盐山南部、献县、泊头、河间东部、青县、沧县等广大地区,微咸水和半咸水分布甚广,沿古河道河间带呈北北东向条带状分布,大于 5g/L的咸水零星分布;青县—沧州—盐山一线以东地区广泛分布着大于 5g/L咸水和盐水,甚至在岐口附近有卤水分布。在咸水体上部漂浮有薄层凸镜体状微咸水、半咸水。浅层咸水由于受浅层淡水的切割影响,子牙河以西地区东西方向水平连续性较差,其余地区连续性较好,而深层咸水的分布连续性相对比较好。

垂直分布:本区咸水体在垂向分布上规律大致为:河间、肃宁一带存有封闭性咸水,咸水底界一般为 30～60 m左右;从河间东部一直到沿海地区具有连续性,西侧咸水底界一般为 50m左右,延伸到沧州附近 100 m左右,再延伸到东部海兴咸水底界可达 300 m,详见图 1:沧州市咸水分布纵断剖面示意图。

咸水体底板埋深受基底构造与海相层的多寡所制约,一般在构造接触部位、海相层多的部位,底板较深。所以咸水体底板埋深由西向东并非呈斜线直下,而是呈阶梯状逐步增大。

图1 沧州市咸水分布纵断剖面示意图

3 咸水成因分析

沧州市第四系咸水的形成,是河北平原第四纪时期的古气候条件、古地理地质环境及海侵活动等各种因素综合作用的结果。沧州有史以来共经历了渤海海进,海兴海进,黄骅海进,青县海进,沧西海进,献县海进,沧东海进。沧州以渤海为中心向内陆扩展,其中献县海进深入内地最远,由于海侵与海潮的影响,海水的大量盐分停留在松散沉积层之中,同时海退以后残留的海水保存在含水层内,致使地层易溶盐含量增高,因此直接影响到地下水的化学成分。本区咸水的分布与海相层紧密相关,海相层密集部位咸水体发育,海侵范围内必定有咸水分布。

3.1 从咸水入侵分析咸水成因

3.1.1 氯离子分布

地下水氯离子含量是研究咸水形成的主要指标之一。本区氯离子的分布有一定的规律性,深层咸水平面上自西向东水化学类型由硫酸◦氯化物型→氯化物◦硫酸盐型→氯化物型转变。浅层咸水氯离子含量总的趋势是由西向东逐步增大,详见图 2:地下水矿化度与离子毫克当量百分数关系曲线图。

图2 地下水矿化度与离子毫克当量百分数关系曲线图

从图中还可说明影响地下水矿化度的最灵敏的水化学成分是 Cl-,其次为 Na+。据 Cl-分布特点分析,本区浅层咸水东部沿海可确认为以海相为主,蒸发浓缩使之更加矿化,而内陆则以蒸发浓缩大陆盐化相为主。

3.1.2 土层易溶盐的分布

本区土层易溶盐含量的水平分布由西向东逐步增大,开始由 0.05%以下到沿海高达 2.25%,尤其南运河以东的广大地区,多次受到海进的影响,土层易溶盐含量增高,因而形成了大片的盐碱地。在南运河以西地区,土层易溶盐含量垂向变化是自上而下由小→大→小变化,而运东地区则是由大→小的变化。所以土层易溶盐分布亦是海进影响的结果。土层易溶盐垂向分布的另一特点就是晚更新世的地层含盐量高,这完全是由于晚更新世气候干燥,气温较高,强烈蒸发浓缩的结果。从土层易溶盐的分布特点,可以确认咸水的形成主要是受到海进的影响,同时大陆盐化作用也是咸水形成的主导因素。

3.1.3 地下水碘含量

碘含量也可作为判断海相成因或与海相成因有关的地下水的一种方法。海相层中易溶性碘含量较高,一般为 0.1～0.5 ppm,且以海相淤泥层中含量最高,而陆相堆积物中碘含量比较低,为 0～0.1 ppm,以湖相、湖沼相淤泥质土含量相对较高。沧州东部地区湖积海积平原碘含量较高,以沿海一带为最高,西部碘含量一般较低,这表明地下水与海相起源密切相关,受到海相沉积影响。

3.1.4 咸化系数和钠氯系数

咸化系数〔Cl-/(HCO3-+CO3

2-)〕与钠氯系数〔rNa+/rCl-〕为地下水主要化学成分相互之间的比例关系。它们是概略表征地下水成因类型的两个特征系数。

(1)咸化系数分析:咸化系数是作为鉴别地下水是否受到海水入侵的标志。淡水的咸化系数小于 1,咸水的咸化系数大于 1,微咸水的咸化系数一般为 1-2,近海地区的咸化系数高。本区咸化系数的分布规律是:由沿海到内陆逐步减小,大致以南运河为界,东部咸化系数大于 3,而西部小于 3,由此可以认为,本区咸水运东受到多次海进影响,主要以海相为主,运西则以大陆盐化相为主。

(2)钠氯系数分析:钠氯系数作为判断海相成因或与海相成因有关的地下水的常用方法。一般海相成因的地下水钠氯系数小于 1,淡水或微咸水钠氯系数一般大于 1。本区的钠氯系数分布以南运河为界,运东小于 1,运西大于 1,由此不难看出运东的地下咸水与海相成因有关。

3.2 从咸水的同位素特征分析成因

氘、氧的组成:氘(D)、氧 -18(18O)分别用 δ值表示。δ值是指样品中某元素的稳定同位素比值相对于标准相应比值的千分偏差。即

根据计算结果将数据反映在 δD-δ18O相关图上,详见图 3:δD—δ18O相关图。由图可知,所取水样各点,几乎全部落在世界雨水线(δD=8δ18O+10)的右下方。根据各点所处的部位,可概括为三种情况:一是靠近海水部位如细实线所圈部分,属海水(δD、δ18O值接近于 0)成因咸水,这里既有深层咸水也有浅层咸水;二是沿世界雨水线向上分布(δ值偏正),处在蒸发线(斜率小于 8)附近的各点,说明以大气降水补给为主,属蒸发浓缩型咸水;三是沿世界雨水线向下分布(δ值偏负),位于世界雨水线与蒸发线交点附近的各点,说明以大气降水补给为主,由于气温效应,地下水形成的气温较低。

根据丹斯加尔德平均降水 δ值与平均气温的关系式:δ18O=0.695 t-13.6或 δD=5.6 t-100 计算出沧州市均衡试验场沧试 6地下水形成时的气温约为5.47℃-5.89℃。地下水中的氧 -18与氘均为稳定同位素,地下水的水化学成份在其演化过程中尽管水质不断变化,但稳定同位素的 δ值基本不变。从陆相淡水成份与海相成份比较来看,δD、δ18O值越小,海水成份所占比例就越大。我们对同位素测定结果与矿化度进行了初步分析:①沧州西部肃宁、任丘、河间西部等地浅层地下水以陆相淡水成份为主;在沧州中部及其东部地区,浅层咸水既有海水成份又有陆相淡水成份,自西向东海水成份所占比例逐渐递增,至冯家堡附近浅层地下水中海水成份已占主导地位。②第Ⅱ含水组中的咸水盐份多来自于海相沉积和地下水溶滤作用。由于蒸发浓缩作用,矿化度比较高,但咸水形成时期的气温效应、演化过程的蒸发效应,致使稳定同位素氧也发生了变化,变化幅度比较小,淡水混入程度比较低。③从地下咸水δ18O值的变化看,蒸发强度由西向东逐渐加剧,各时期的蒸发强度也有很大区别。④沿海地区形成的咸水,海水成份比例比较高,以海水为主要来源,少有淡水混入,而且蒸发强度比较大。总之,根据本区咸水的同位素特征,咸水的形成既有海相起源,又有大陆盐化作用,但两种因素在不同部位所占比例不同,综观全区浅层咸水东部海水成份要高于中部,而西部则以大陆盐化作用为主。