新密市双洎河流域超化段地下水化学演变特征

何欣琳 孙学静 苏建仓 占亮

摘 要：【目的】地下水是新密市超化镇的重要用水来源。研究新密市双洎河流域超化段岩溶地下水化学类型的历史演变特征，可为地下水的安全管理使用提供科学依据。【方法】通过收集20世纪60年代、80年代和2021年的地下水化学资料，进行地下水化学组分的历史演变特征对比分析。【结果】研究区岩溶地下水化学类型主要为HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型水。多年来，研究区大部分岩溶地下水的水化学类型没有改变。相较于20世纪，2021年研究区整体TDS水平有所增高，局部岩溶地下水中的Na+和SO42-含量上升，地下水化学类型种类增多。【结论】岩溶水化学组分的变化与地表水的下渗补给等自然条件和煤矿开采、采空区的形成等人类影响关系密切。污染通道的封堵和定期的水质监测是保护岩溶地下水的重要措施。

关键词：地下水；地下水化学类型；双洎河流域超化段；演变特征

中图分类号：P641      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）05-0091-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.019

Characteristics of Groundwater Chemical Evolution in the ChaoHua Section of Shuangji River Basin in Xinmi City

HE Xinlin1，2 SUN Xuejing1，2 SU Jiancang1，2 ZHAN Liang1，2

（1. Henan Academy Of Geology， Zhengzhou 450016， China; 2. Henan Key Laboratory of Prevention and Remediation of Groundwater Pollution， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： [Purposes] Groundwater is an important source of water for Chaohua Town in Xinmi City， and its hydrochemical composition directly affects the water safety and quality of life of residents. [Methods]In order to search the historical evolution characteristics of karst groundwater chemical types in the Chaohua section of the Shuangji River Basin in Xinmi City， this article collected groundwater chemical data from the 1960s， 1980s， and 2021， and conducted a comparative analysis of the historical evolution characteristics of groundwater chemical components. [Findings] The results indicate that：The chemical types of karst groundwater in the study area are mainly HCO3-Ca type and HCO3-Ca·Mg type water. And the types have not changed over the years.Compared to the previous century， the overall TDS level in the study area increased in 2021， with an increase in the content of Na+ and SO42-in local karst groundwater and an increase in the types of groundwater chemical types. [Conclusions] The changes in the chemical composition of karst water are closely related to natural conditions such as surface water infiltration， as well as human impacts such as coal mining and goaf formation. Blocking pollution channels and regular water quality monitoring are important measures to protect karst groundwater.

Keywords：groundwater； chemical types of groundwater； Chaohua section of Shuangji River Basin； characteristics of evolution

0 引言

地下水是水資源的重要组成部分，是保障人类正常生活和社会经济发展的重要自然资源［1］。人类社会的高速发展不仅在水量上，更在水质上对地下水造成了一定影响，引发了一系列相关的地下水问题。研究地下水化学历史演变的时空特征、揭示地下水演化机制，对地下水的可持续利用具有重要意义［2-8］。

新密市超化镇煤矿开采历史悠久，在煤矿开采疏排水的影响下，地下水位相比20世纪60至70年代的自然水平显著下降约100 m。近年来，煤炭行业去产能，中小型煤矿关停并转，煤矿排水量下降，取水量大幅度减少，地下水水位逐步上涨。研究区多年来降雨较为稳定，2021年郑州“7·20”特大暴雨之后研究区内碳酸盐岩岩溶水位急剧上升。

本研究通过研究不同时期新密市超化镇地下水的水化学类型和溶解性总固体的历史变化，分析总结研究区的水化学变化趋势，探究水化学组分变化因素，为地下水的安全管理使用提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理

新密市位于中原腹地郑州市西南，北望黄河、西依嵩山，贯通郑汴洛、连接许平南。研究区位于平陌超化次级岩溶水系统单元，总面积为159 km2。

研究区处于温带半干旱大陆性季风气候区，四季分明，降雨主要集中在每年的6至9月。研究区地理位置示意如图1所示。双洎河是研究区唯一的一条主干河流，也是Ⅰ级水系，支流有洧水河、绥水河、红眼河、里泉河等，无外源输入性河流过境。

1.2 水文地质

根据研究区的地质构造、地貌、含水层组、地下水赋存条件和动力特征，考虑水文、气象等因素，将研究区内地下水含水岩组按地下水类型分为松散岩类孔隙水含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组和碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组（如图2所示）。其中普遍分布在研究区内的为碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水层，该层也是本研究的目标含水层。

研究区内裂隙岩溶水的岩层有：寒武系中统徐庄组泥质条带灰岩；张夏组鲕状灰岩；上统崮山组厚层状鲕状白云岩；长山组薄层状白云岩；凤山组粗晶白云岩、白云质灰岩；奥陶系马家沟组厚层状石灰岩；石炭系太原组与页岩；煤层互层的石灰岩（如图3所示）。从富水特征和分布的比重等方面区分，凤山组，马家沟组是研究区内最主要的裂隙岩溶水含水层。

岩溶地下水的补给以大气降水为主，同时接受双洎河上游洧水河流沿溶洞及裂隙转入地下的补给。地下水的主体流向为自西向东。人工开采及矿井排水为该地区地下水的主要排泄方式。

2 数据来源

为分析研究区地下水化学类型的历史演变特征，本研究收集了河南省地质局水文地质工程地质大队1961年绘制的密县地下水水文化学图和20世纪80年代的地下水化学资料，绘制了20世纪60年代和80年代研究区部分区域的岩溶地下水化学组分相关图件。并根据2021年获取的枯水期（3月）、丰水期（10月）的地下水化学数据，绘制了两期岩溶地下水的地下水化学类型图及溶解性总固体（Total dissolved solids，TDS）分区图。

3 地下水化学类型演变及成因

3.1 地下水化学类型演变特征

研究区20世纪60年代、80年代的地下水化学类型分别如图4、图5所示，2021年枯水期、丰水期的岩溶水化学类型如图6、图7所示，具体水化学组分特征见表1。

20世纪60年代和80年代，研究区岩溶地下水化学类型较为单一，仅存在HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca型水，其中以HCO3-Ca型水为主。20世纪80年代时，地下水化学类型种类相较于60年代时没有改变，但岩溶水中Mg2+的含量有所增加，优势水化学类型由HCO3-Ca型变为HCO3-Ca·Mg型。

截至2021年，研究区岩溶地下水的主要水化学类型仍为HCO3-Ca·Mg型水，但水化学类型种类增多。枯水期时，研究区存在7种水化学类型，分别为HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg，HCO3·SO4-Ca型水，丰水期在枯水期的基础上又新增了HCO3·SO4- Na·Ca·Mg型水。

与20世纪相比，2021年地下水化学类型的变化主要在于Na+和SO42-的局部升高。由图6和图7可知，平陌镇东侧地下水Na+含量较高，枯水期时Na+、Ca2+、Mg2+三大阳离子占比相近，呈HCO3-Na·Ca·Mg型水，丰水期时，由于Na+和SO42-占比的增加，呈HCO3·SO4-Na·Ca型水。研究区东部双洎河多处支流附近亦在2021年丰水期表现出SO42-增高的现象。

3.2 地下水TDS演变特征

20世纪60年代的地下水矿化度分区如图8所示。据已有资料，20世纪80年代的地下水矿化度在研究区东北部范围内均处于300～350 mg/L范围内，故未绘制矿化度分区。2021年枯水期、丰水期的岩溶水TDS分区如图9、图10所示。

经分析，20世纪60年代，研究区东北部地下水TDS普遍低于500 mg/L，且以低于300 mg/L为主。与1961年对比，2021年时，研究区岩溶地下水中的溶解性总固体（TDS）存在明显上升。枯水期时，过半区域地下水TDS超过500 mg/L，在已获取的数据中，最低值为298.3 mg/L，最高值为753 mg/L，平均值為501.01 mg/L。经过2021年郑州“7·20”特大暴雨后，岩溶地下水TDS水平在该年10月份表现出整体升高，TDS最低值为362 mg/L，平均值594.16 mg/L，最高值可达1 470 mg/L。

3.3 地下水化学演变成因分析

研究区岩溶水含水介质主要为灰岩、白云岩，经水—岩相互作用，地下水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型水。

若按地下水的舒卡列夫分类法来定义地表水，则研究区内地表水主要为HCO3·SO4型水，TDS为244～851 mg/L。枯水期时，阳离子以Na+为主。经6至7月雨季，特别是郑州“7·20”特大暴雨后，地表水中Ca2+的含量增加，成为地表水中的主要阳离子之一，水化学类型呈HCO3·SO4-Na·Ca型水。空间上，洧水河自西向东流，在平陌-超化径流路径上，即自上游至下游，地表水的水流量逐渐减少，在超化镇莪沟村一带断流，河流通过岩溶塌陷进入地下岩溶系统。

从空间特征上可以发现，高钠、高硫酸根型的地下水也多处于靠近地表水体的区域，Na+和SO42-含量因接受地表水的补给而有所升高。与此同时，当地存在较多煤矿采空区， 郑州“7·20”特大暴雨补给煤矿采空区，与煤系地层中的铁矿物发生氧化溶解作用，交互反应产生高硫酸根水，再串层补给岩溶水，产生了局部的高硫酸根岩溶水。

4 结论及建议

①近六十年来，研究区地下水中Mg2+含量增加，主要水化学类型由HCO3-Ca型变为HCO3-Ca·Mg型。随着地表水的入渗及煤矿采空区的交互补给，岩溶地下水的化学类型种类变多，局部呈现高钠、高硫酸根的地下水类型。

②与20世纪相比，2021年研究区岩溶地下水中的溶解性总固体存在明显上升，研究区内，西南部、东部及平陌镇TDS水平较高。

③地下水的演化一方面与水—岩相互作用时间的加长有关，含水层中更多的成分溶解进地下水，矿化度增高。另一方面受人类的生产、生活的影响，煤矿业和养殖业的开展，工业、农业废水的排放导致地下水中各离子含量的增高，地下水化学类型也变得更为复杂。

参考文献：

［1］王瑞. 松嫩平原地下水水化学特征及演化机理研究［D］.长春：吉林大学，2015.

［2］冯娟. 开采条件下德州地区地下水水质演化研究［D］.青岛：中国海洋大学，2011.

［3］刘燕.福州市沿海县市区浅层地下水化学类型及水质评价研究［J］.海峡科学，2021（6）：74-78.

［4］刘桂英.廊坊市地下水化学类型变化特征分析［J］.内蒙古水利，2021（10）：23-24.

［5］刘永梅，杜建国，崔月菊，等. 内蒙古东部辽-蒙交界地区地下水化学类型及成因分析［C］//中国地震学会地震流体专业委员会2021年学术年会论文摘要，2021：51-53.

［6］刘文波. 河套平原地下水化学特征研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2015.

［7］王凌芬. 宁南固原岩盐矿区域地下水化学环境研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2012.

［8］苏俏俏. 典型煤矿区地下水水化学分层分类及混合机制研究［D］.焦作：河南理工大学，2022.