河北省地下水流動(dòng)系統(tǒng)水化學(xué)類型演變

河北省位于中國(guó)華北地區(qū)，總面積18.8萬(wàn)km2。70年代以來(lái)，由于大量開發(fā)利用地下水，加之山區(qū)地表水80%以上被水庫(kù)控制，使得地下水開采量成了河北省地下水系統(tǒng)的主要輸出量。并且，隨著地下水位大幅度下降，地下水流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生了變化，從而引起地下水水化學(xué)變化。

1 研究區(qū)概況

河北省背倚高山，東臨渤海。北部和西部為燕山、太行山山地，東部為平原。山地自東北至西南成弧形分布，環(huán)抱平原。據(jù)地貌成因及形態(tài)特征，可分為高原、山地、盆地、平原四種地貌類型；地層除普遍缺失上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、下石炭統(tǒng)，其它地層發(fā)育齊全；地下含水系統(tǒng)按地下水賦存條件和含水介質(zhì)的空隙特征劃分為松散巖類孔隙含水層系統(tǒng)、碳酸鹽巖類巖溶含水層系統(tǒng)、基巖類裂隙水含水層系統(tǒng)。

2 地下水開采狀況

建國(guó)初期的1949-1957年，工農(nóng)業(yè)處于恢復(fù)階段，地下水開采量約30多億m3；1958-1964年，農(nóng)業(yè)開始發(fā)展，地下水開采量達(dá)40億-50億m3；1965-1979年，農(nóng)業(yè)大發(fā)展階段，這一階段由于降水量偏少、氣候偏干旱，地下水開采量達(dá)到129.52億m3；1980-1995年，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空前發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，已成為制約社會(huì)發(fā)展的主要因素，地下水開采量逐漸增大，至1995年地下水開采量達(dá)到160億m3；1996-2009年，工農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展，水資源供需矛盾更加突出，地下水開采量每年達(dá)160-170億m3；2010-2015年，省政府出臺(tái)了最嚴(yán)格水資源管理制度的指導(dǎo)意見(jiàn)，節(jié)約型社會(huì)深入開展，外調(diào)水（南水北調(diào)中線工程、引黃入冀補(bǔ)淀工程）工程進(jìn)展順利，地下水開采量略有下降，每年約140-150億m3。

目前，地下水開采利用量占水資源總利用量的75%。深層地下水本應(yīng)作為控制開采或后備開采的水源，但實(shí)際開采量一直是有增無(wú)減，與70年代初的6-7億m3開采量相比，增長(zhǎng)了5倍之多。地下水開采井?dāng)?shù)量在70年代初僅有35萬(wàn)眼左右，到2014年達(dá)到333.03萬(wàn)眼。

3 地下水流動(dòng)系統(tǒng)變化

河北省地下水流動(dòng)系統(tǒng)，從宏觀上概括為兩大系統(tǒng)，即壩上高原內(nèi)陸河水文系統(tǒng)所控制的封閉性地下水流動(dòng)系統(tǒng)和海-灤河水文系統(tǒng)所控制的開啟型地下水流動(dòng)系統(tǒng)。壩上高原內(nèi)陸河水文系統(tǒng)主要以山地-山前斜地-內(nèi)陸湖泊（洼地）構(gòu)成的地下水補(bǔ)給-徑流-排泄系統(tǒng)，地下水集中排泄到內(nèi)陸湖泊；海-灤河入海水文系統(tǒng)是一個(gè)以山地-平原-海洋構(gòu)成地下水補(bǔ)給-徑流-排泄系統(tǒng)，包含不同層次中間與局部補(bǔ)給-排泄系統(tǒng)及不同規(guī)模的地下水流動(dòng)系統(tǒng)，如河北平原，山區(qū)的黑龍洞、威州泉、淶源泉等巖溶地下水盆地以及張家口、蔚縣-陽(yáng)原、涿鹿等山間盆地[1]。

依據(jù)已有資料顯示：不論是壩上高原內(nèi)陸河地下水流動(dòng)系統(tǒng)，還是海-灤河地下水流動(dòng)系統(tǒng)中的巖溶泉域地下水流動(dòng)系統(tǒng)、山間盆地地下水流動(dòng)系統(tǒng)，除局部流場(chǎng)因環(huán)境因素（降水量減少、開采量增大、礦坑排水等）的影響改變外，多年來(lái)雖基本上保持了原有的地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件，但地下水水位總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；海-灤河地下水流動(dòng)系統(tǒng)中的河北平原地下水流動(dòng)系統(tǒng)由于環(huán)境因素影響，形成了多個(gè)以地下水位降落漏斗為中心的地下水流場(chǎng)，已不再保持天然狀態(tài)下的流場(chǎng)特征。

4 地下水流動(dòng)系統(tǒng)水化學(xué)演化

地下水流動(dòng)系統(tǒng)的化學(xué)成分與濃度，是在長(zhǎng)期地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程中，經(jīng)過(guò)溶濾、陽(yáng)離子交替-吸附、蒸發(fā)濃縮、脫碳酸和混合作用等形成的，其主要受地形-地貌、氣象、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件等綜合因素的控制。地下水化學(xué)特征隨時(shí)間與空間的不斷變化而變化[3]。20 世紀(jì)80年代之后, 隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空前發(fā)展， 地下水開采量逐漸增加，地下水的天然狀態(tài)被打破, 使地下水水化學(xué)產(chǎn)生了一定變化。

4.1 地下水礦化度及水化學(xué)類型變化

4.1.1 壩上高原內(nèi)陸河地下水流動(dòng)系統(tǒng)

地下水流動(dòng)系統(tǒng)水化學(xué)礦化度及水化學(xué)類型規(guī)律主要受地形條件控制，且反映出內(nèi)陸湖地下水補(bǔ)、徑、排的基本格局。低山丘陵或熔巖臺(tái)地區(qū)，是淺層地下水的補(bǔ)給區(qū)，地形起伏較大，降水入滲后迅速下下游徑流，水化學(xué)類型較單一，以HCO3-Ca(Ca·Mg)水為主；進(jìn)入平原至各個(gè)淖（察汗淖、安固里淖、九連城淖爾最為明顯），徑流滯緩，加之垂直蒸發(fā)較多，水化學(xué)類型向復(fù)雜類型過(guò)渡，由HCO3·Cl-Na(或Na·Mg、Mg·Na、Na·Ca·Mg等) 過(guò)渡為Cl·HCO3-Na(或Na·Mg、Na·Ca)，部分（察汗淖）為Cl -Na·Mg (或Mg·Na、Na·Ca)。

礦化度具有由丘陵山區(qū)或熔巖臺(tái)地區(qū)向淖中心逐漸遞增的規(guī)律：低山丘陵或熔巖臺(tái)地區(qū)，礦化度一般小于0.5g/L；各個(gè)淖的外圍礦化度均大于1g/L；察汗淖、安固里淖周邊一般為2-5g/L。

隨著環(huán)境因素的變化，壩上高原礦化度及水化學(xué)類型局部發(fā)生一些變化，但水化學(xué)類型由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、礦化度遞增的演變方向未變，其變化規(guī)律仍受控于地下水流動(dòng)系統(tǒng)，但隨著環(huán)境因素的變化，部分地區(qū)水化學(xué)特征發(fā)生改變，特別是察汗淖、安固里淖、黃蓋淖一帶水化學(xué)類型發(fā)生了變化。

4.1.2 海-灤河地下水流動(dòng)系統(tǒng)

4.1.2.1 燕山與太行山山區(qū)

總體上屬于海灤河地下水流動(dòng)系統(tǒng)的補(bǔ)給區(qū)。徑流途徑短，就近溢出，水化學(xué)循環(huán)交替強(qiáng)烈，水化學(xué)類型分布相對(duì)比較簡(jiǎn)單，以HCO3-Ca(Ca·Mg)型水為主，在山間盆地（張家口-宣化盆地、懷來(lái)-涿鹿盆地、蔚縣-陽(yáng)原盆地）演變?yōu)镠CO3- Na· Mg (Ca·Na· Mg、Ca·Mg·Na、Na)型水，局部因人為因素（多為礦山開采）影響為HCO3·SO4-Ca(Ca·Mg)型水或其他水化學(xué)類型，呈島狀、點(diǎn)狀分布。

山區(qū)地表分水嶺一帶區(qū)域，地下水礦化度小于0.2g/L，廣大中低山及丘陵區(qū)為0.2-0.5g/L，山間盆地區(qū)多在0.5-1.0g/L，蔚縣-陽(yáng)原盆地局部＞1.0g/L，最大值為2.52g/L。

隨著環(huán)境因素的變化，河北省山區(qū)水文地球化學(xué)特征局部發(fā)生一些變化，如邢臺(tái)市西部、石家市西部井陘礦區(qū)一帶HCO3·SO4-Ca（Ca·Mg）型水范圍相對(duì)90年代初呈增大趨勢(shì)，保定市西北部一帶出現(xiàn)HCO3·SO4-Ca（Ca·Mg）型水等，但大體仍以HCO3- Ca（Ca·Mg）型水為主，礦化度演變方向未變。

  4.1.2.2 河北平原區(qū)

屬于海灤河地下水流動(dòng)系統(tǒng)的徑流-排泄區(qū)，由于大規(guī)模開采地下水，地下水流動(dòng)系統(tǒng)的演變使地下水的水質(zhì)也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致地下水水化學(xué)條件發(fā)生了很大的變化。

（1）淺層地下水

屬于海灤河地下水流動(dòng)系統(tǒng)的徑流、排泄區(qū)，見(jiàn)圖1，山前平原以重碳酸型水為主，多為重碳酸鈣鎂型水；中部平原以重碳酸鹽、硫酸鹽(或硫酸鹽、重碳酸鹽)型水，硫酸鹽、氯化物（或氯化物、硫酸鹽）型水，重碳酸鹽、氯化物（或氯化物、重碳酸鹽）型水為主；濱海平原為氯化物型水，沿海一帶為氯化物鈉型水。礦化度山前平原一帶＜1g/L，為全淡水區(qū)；中部平原水化學(xué)類型比較復(fù)雜，古河道帶或者地下水垂直交替強(qiáng)烈地區(qū)一般＜2g/L，在河間帶或河道不發(fā)育地段、河間洼地、扇間洼地一般2-3 g/L，局部＞3g/L（多呈閉合環(huán)狀）；濱海平原礦化度＞3g/L，為咸水分布

隨著河北平原淺層地下水開采量不斷增加，地下水的天然水化學(xué)平衡過(guò)程被打破，水化學(xué)類型相應(yīng)發(fā)生改變，見(jiàn)表1。總體來(lái)看：硫酸鹽·氯化物（或氯化物·硫酸鹽）型水分布范圍總體有所擴(kuò)大，氯化物·重碳酸鹽型水分布范圍總體有所縮小。

有咸水區(qū)由于淺層淡水和微咸水的開采量加大，使得咸水與淺層淡水和深層淡水的水位差增大，水質(zhì)混合作用使得淺層淡水的水質(zhì)咸化，礦化度含量增大，不同礦化度地下水的分布面積也有所變化，見(jiàn)表2。2016年和1975年相比，＜2g/ L面積減少5762km2,2-3g/ L面積減少2884km2，3-5g/ L的面積均有所增加。

（2）深層地下水

山前平原區(qū)以重碳酸型水為主；中東部平原區(qū)河間市-冀州市一帶出現(xiàn)重碳酸鹽·氯化物·硫酸鹽型水或氯化物·硫酸鹽型水或氯化物·硫酸鹽·重碳酸鹽型水，平鄉(xiāng)縣-大名縣一帶為重碳酸鹽·硫酸鹽型水或重碳酸鹽·氯化物型水，其它地帶仍以重碳酸型水為主；濱海平原為重碳酸鹽·氯化物型水→氯化物·重碳酸鹽型水→氯化物型水。礦化度由山前平原小于0.5g/L，漸變?yōu)橹胁科皆?.5-1.0g/L之間，到濱海平原1.0-1.5g/L，逐漸增加。