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摘要:针对地下水过量开采导致水资源短缺而严重遏制了呼和浩特市生态经济持续发展的现状,以呼和浩特市平原区为研究对象,对呼和浩特市浅层地下水进行系统取样分析,综合运用描述性分析,相关性分析,折线和饼图图示法,全面系统地研究了呼和浩特市浅层地下水水化学特征与矿化度演变规律。研究结果表明:①呼和浩特市浅层地下水中HCO.32-和Ca2+平均浓度为333525 mg/L和 829704 mg/L,两值均较大,变异系数较小,反映了它们在地下水中的绝对含量较高,为地下水中的主要离子。②地下水中的Na+和Mg2+离子主要是来自各种硫酸盐,重碳酸盐和盐酸盐,地下水中的Ca2+离子主要来自各种硫酸盐和盐酸盐。地下水的矿化度高低主要是由水中的Mg2+和Cl-的浓度来控制的。③沿地下水水流方向, 主要离子并不遵循随流程的增加而浓度增加的趋势,而是与地下水温呈现显著的负相关性。HCO.32-和Ca2+离子与地下水温度的负相关最为显著,即温度越低时,离子的浓度反而越高。 
  关键词:水文化学;浅层水;矿化度;呼和浩特
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呼和浩特市浅层地下水水化学特征演变规律
2011-07-29 16:16:13 来源:学术论文网 作者:王丽娟,王文中 【 】 浏览:692次 评论:0
 
 
  Hydrochemical Characteristics and Variation of Mineralization for the Groundwater in Hohhot Country
  ZHANG Yi-long,WANG Li-juan, WANG Wen-zhong,LI Zheng-hong,YU Juan,CAO Wen-geng,LONG Wen-hua, MIAO Qing-zhuang, WANG Zhe
  (The Institute of Hydrogeology and Enviromental Geoloy,CAGS, Shijiazhuang 050061,China)
  Abstract: According to excessive exploitation of groundwater caused the shortage of water which seriously halt the Ecological and economic sustainable development of Hohhot. This paper was systematically sampled and analyzed the shallow groundwater of Hohhot's plain. Descriptive analysis and correlation analysis were synthetically use to comprehensively and systematically study the Groundwater chemical's law and the salinity evolution's character. Research results shown as follows:First,the average concentration of HCO.32-and Ca2+which are derived fromthe shallow groundwater of Hohhot are 333.525 mg/L and 82.970 mg/L , the values of the HCO.32-and Ca2+’s average concentration are bigger and coefficient of variation are smaller. Secondly, Through the correlation analysis, we know that the Na+ and Mg2+of the underground water mainly come from the various Sulfate, bicarbonate and hydrochloride, and the Ca2+ of the underground water mainly come from all sorts of sulfate and hydrochloride. The discretion of the underground water salinity is mainly controlled by the concentrations of the Mg2+and Cl-which are come from the underground water. The third, along the groundwater flow direction, the mainly ion concentrations bid not follow the trend which is with the increase of flow to increase, but and the underground water temperature present significantly negative correlation. The negative correlation of the HCO.32-, Ca2+ and groundwater temperature are the most significant, that means when the temperature is lower, the concentration of the ions is higher.
  Key words: Hydrological chemistry;superficial groundwater ;mineralization;Hohhot
  呼和浩特市位于内蒙古自治区中东部,河套断陷盆地最东北部,北有大青山天然屏障,东及东南被蛮汉山环抱,盆地三面环山呈簸箕形状,向西南敞开,地势东北高,西南低。呼和浩特市地处我国北方内陆干旱半干旱地区,人均占有水资源量只有412 m3,是全国人均占有量的1/6,为全国严重缺水城市之一,水资源问题是该区域生态经济持续发展的瓶颈。有关呼和浩特市地下水水化学特征方面的研究,已有少量报道,但主要集中在2000年之前。2000年后的研究主要集中在对呼和浩特市地下水位动态以及砷氟等地方病方面,如2002年,刘怡敏等对呼和浩特市地下水位动态及影响因素进行了分析;2009年杨亮平等对呼和浩特市地下水位动态变化及趋势进行了预测研究;2009年李浩,梁秀芬等对呼和浩特市(地区)高砷地下水进行调查研究,查明地下高砷水的形成机制,以期控制地方性砷中毒。而近些年,呼和浩特市经济发展迅速,日益增长的水资源需求和地下水污染问题以及频发的供水安全事件,迫切需要对区域内的地下水资源进行质量评价,而地下水水化学研究是地下水资源质量评价的重要内容。
  本研究分析了2009年呼和浩特市地下水中的主要离子含量和水化学特征,探讨了1988年以来地下水矿化度的变化趋势,目的是研究随着工农业和生活需水量的增加促使开采量的增大以及多年来气候变化对矿化度变化趋势的影响,旨在为呼和浩特市制定合理的发展计划和维护生态环境稳定提供科学依据。1 研究区概况
  研究区主要是指呼和浩特行政区内的平原区(包括山前倾斜平原、黄河和大黑河冲积平原),呼包平原的东北部,在行政区划上包括呼和浩特市所辖规划区(新城区、赛罕区、玉泉区、回民区)、土默特左旗、托克托县、清水河县、和林格尔县及武川县。研究区范围:x:530 500~591 000;y:4 493 500~4 540 500,土地总面积17 224 km2,气候属于内陆干旱半干旱地区[1]。
  呼和浩特市浅层地下水系统是一个比较复杂的开放系统。按地下水赋存条件,可分为山前冲洪积平原和冲湖积平原,黄河冲湖积平原和湖积台地4个水文地质区;区内地下水的补给主要来自山区的侧向径流补给及平原内降水的入渗,地下水的排泄主要靠蒸发和开采消耗。
  2 采样及测试方法
  2.1 采样及测试
  在研究区共布置了46个浅层水取样点,其中包括水文化学剖面(沿地下水流方向)上的8个观测井(图1),分别在2009年的9月份取样,TDS是使用上海雷磁水质分析仪现场测试完成。
  2.2 数据处理
  数据处理综合采用了统计软件SPSS 17.0对地下水中的主要离子含量进行了统计学和相关性分析[2],同时绘制了折线图和圆形图对地下水流方向上离子化学特征和浅层水矿化度演化进行了直观的分析。
  3 结果与分析
  3.1 描述性统计分析
  对2009年呼和浩特市范围内的46个观测井水样的有关水化学参数进行统计分析,得到地下水主要离子特征见表1。Table 1 Statistics of hydrochemical parameters of groundwater for Hohhot County in 2009 (n=46)
  水化学参数最小值最大值平均值标准差变异系数
  水温(℃)8.02112.9889.837320.9584990.097435
  TDS/(g·L-1)0.270.820.44880.171240.381551
  K+/(mg·L-1)0.627.592.361.431480.606559
  Na+/(mg·L-1)13.3165.244.46138.46850.865219
  Ca2+/(mg·L-1)39.7915882.970431.834110.38368
  Mg2+/(mg·L-1)15.3467.5131.344613.440090.428785
  Cl-/(mg·L-1)7.79138.344.812935.584010.794057
  SO.42-/(mg·L-1)4.53233.158.354652.257880.895523
  HCO.3-(mg·L-1)215.2651.5333.52595.33640.285845
  CO.32-/(mg·L-1)0203.426.4131.875146
  F-/(mg·L-1)0.11.160.4350.228850.526092
  溶解性总固体/(mg·L-1)262.4952.7495.6207.24010.41816
  pH值7.578.687.99710.372390.046566
  NO.3-/(mg·L-1)0.2155.537.667195.33642.531026 从表1中可以看出在阳离子(Ca2+、Mg2+、 K+、Na+)中Ca2+的含量相对较高,平均为82970 4 mg/L,K+的含量最低,平均为236 mg/L;对于阴离子HCO.3-的平均值达到了333525 mg/L,标准差为95336 4,两值均较大,变异系数较小,反映了其在地下水中的绝对含量较高,为地下水中的主要阴离子。而CO.32-的平均值仅为3.42 mg/L,即其在地下水中相对其他阴离子含量最低。出现这种现象的原因是地下水中碳酸存在的形态受pH影响, 在偏酸、偏碱及中性水中HCO.3-占优势,且在pH=834时,HCO.32-达到最高值。本次现场测试结果在整个研究区范围内pH在8.19~775之间, K+、Na+、Cl-、SO.42-和CO.3-的变异系数均较大,表明其在地下水中的含量变幅较大,表明它们是地下水中随环境变化的敏感因子,决定地下水盐化的作用的主要变量。HCO.3-和 Ca2+的变异系数相对都较小,表明它们在地下水中的含量相对比较稳定。 3.2 离子相关性
  表2为呼和浩特市平原区2009年地下水中8大离子(CO.32-、HCO.3-、Cl-、SO.42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+),F-、pH值、矿化度、水温和溶解性总固体的Pearson相关系数。
  从表2中可以看出,阴离子HCO.3-、Cl-和SO.42-、与阳离子Na+和Mg2+的相关性显著,相关系数在0.7以上,这表明地下水中的Na+和Mg2+离子主要是来自各种硫酸盐,重碳酸盐和氯酸盐。阴离子Cl-、和SO.42-与阳离子Ca2+的相关性也是比较显著,相关系数在0.5以上,表明地下水中的Ca2+离子主要来自各种硫酸盐和氯酸盐。pH值与CO.32-呈现显著的正相关性,相关系数达到了0896,即表明地下水的pH值主要由CO.32-含量的多少决定。TDS与Mg2+和Cl-的相关关系最为显著,相关系数达到09以上,与CO.32-之间呈负相关性,并且与K+、F-之间的相关性较差,这说明地下水的矿化度高低主要是由水中的Mg2+和Cl-的浓度来控制的。
  3.3 补给水流方向上水化学特征
  2009年9月,在呼和浩特市采集46个观测井水样,采样过程中用GPS记录样点的地理坐标。呼和浩特市地下水主要的补给来源为来自山区的侧向径流补给及平原内降水的入渗,地下水的排泄主要靠蒸发和开采消耗。地下水运动方向是由东北向西南。根据采样点的位置,沿地下水补给水流方向选取8个观测井水样(分别是:①西黄合少乡黑沙兔村②黄合少乡添密湾村③金河镇后三突村④金河镇八拜村⑤金河镇后白庙村⑥小黑河镇杨家营村⑦小黑河镇郭家营村⑧小黑河镇乌兰巴图村),进行主要离子浓度变化分析。方向是由东北向西南[4-6]。地下水中水温、pH值及主要离子浓度沿地下水水流方向的变化趋势,见图2。
  图2 2009年地下水中主要离子浓度,水温及pH值沿地下水水流方向的变化趋势
  Fig.2 Changing trends of major ion concentrations,temperature and PH along the groundwater flow direction in 2009
   从图2可见2009年呼和浩特市地下水中主要离子沿补给地下水流动方向并不遵循随流程的增加而浓度增加的趋势。而是与地下水温呈现显著负相关性,HCO.32-和Ca2+离子与地下水温度的负相关最为显著,即温度越低时,离子的浓度反而越高。这可能是因为研究区地层主要以碳酸盐地层为主,碳酸盐岩主要由方解石(CaCO.3)和白云石[CaMg(CO.3).2]这两种矿物组成。因此,碳酸盐岩地区的地下水化学成分的形成主要由方解石和白云石溶解和沉淀控制,而在一定的二氧化碳分压(PCO.2)下,地下水的温度控制着这两种矿物的溶解和沉淀,但这两种矿物与大多数矿物不同,它们的溶解度不是随温度的升高而增大,相反,温度越低,溶解度越高,故出现了温度越低的取样点,HCO.32-和Ca2+离子含量越高的现象。从图2中也可以看出沿地下水流方向所有的取样点,阴离子都以HCO.3-为主,其次是SO.42-,而Cl-离子浓度很低,这也完全符合碳酸盐地区地下水的一般特点。研究区所有水样的pH值,均在7~8之间,说明该地区含水层为开系统。
  4 结论
  ①呼和浩特市浅层地下水中阳离子Ca2+的含量相对较高,阴离子HCO.3-含量最高,说明研究区范围内的地下水中主要离子为HCO.3-和Ca2+。且HCO.3-和Ca2+也是地下水中含量相对稳定的离子。
  ②通过相关性分析,可知地下水中的Na+和Mg2+离子主要是来自各种硫酸盐,重碳酸盐和氯酸盐,地下水中的Ca2+离子主要来自各种硫酸盐和氯酸盐。地下水的pH值主要由CO.32-含量的多少决定。地下水的矿化度高低主要是由水中的Mg2+和Cl-的浓度来控制的。
  ③呼和浩特市地下水中主要离子沿补给地下水流动方向并不遵循随流程的增加而浓度增加的趋势。而是与地下水温呈现显著地负相关性,HCO.32-和Ca2+离子与地下水温度的负相关最为显著,这一特点符合碳酸盐地区地下水的一般特点。
  参考文献:
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