地下水化学组成的时空聚类分析与多级嵌套水流系统识别

水文地球化学是识别地下水流系统的重要方法,然而区域尺度上多级嵌套地下水流系统的复杂性使地下水化学组成的分析和解释难度增加。以鄂尔多斯北部盆地湖泊集中区典型的胡同察汗淖地下水流系统为例,基于丰水期和枯水期3个期次不同深度地下水样品的物理化学数据,应用时空聚类与主成分分析方法,揭示地下水化学组成的空间分布特征、变化规律及其作用机制,分析水化学时空聚类结果对多级嵌套地下水流系统划分的可行性。该聚类结果将地下水样品分为3类,其中C1为以Na-HCO₃型为主的深层地下水,具有偏负的氢氧同位素组成（δD < -70‰,δ18O < -9‰）和极低浓度的NO₃-;C2为Ca-HCO₃为主的浅层地下水,具有偏正的氢氧同位素组成（δD > -70‰,δ18O > -9‰）和高浓度的NO₃-;而C3呈无优势阳离子、δD和δ18O变化范围大且显著线性相关等深、浅地下水混合特征。呈南北条带分布在苏贝淖-胡同察汗淖排泄区的C2和部分C3水化学组成有一定的季节变化。研究验证了研究区受地形和湖泊排泄控制的浅层局部和深层区域地下水流系统的空间分布,识别了苏贝淖-胡同察汗淖排泄区受浅循环和深循环共同影响的强烈作用带,证明了水化学时空聚类方法识别多级嵌套地下水流系统的可行性。      

永城市浅层地下水污染分布特征及来源识别

为有效管理和保护永城市浅层地下水资源，维系水资源可续利用，必须查明其污染物的分布特征和来源。在对永城市浅层地下水采样分析的基础上，结合分析城市发展带来产业布局改变及土地利用类型分布对其造成的影响，研究其主要污染组分的来源及分布特征。结果表明:城市第二产业（工矿业）发展，GDP的增长与浅层地下水中ρ（SO₄2-）、ρ（NO₃-）上升存在相关性，城市工业及人口密集区与污染严重区位置趋于一致。浅层地下水污染的最主要来源是SO₄2-含量的上升，除了直接导致水质变差外，还会间接改变水文地球化学作用的强度，造成原本难溶的碳酸盐和硅酸盐的溶解量增大，使得ρ（TDS）进一步上升而改变水质。其次，NO₃-、COD也是浅层地下水主要的污染来源，其部分来源工业废水，部分来源于农业上农药和化肥的过量使用。      

盆地多级次地下水流系统盐分运移实验模拟

地下水年龄和滞留时间包含了地下水循环和演化的重要信息,被广泛用于盆地地下水循环模式的研究。使用多级次地下水流系统演示仪,实验模拟了三级水流系统模式中地下水年龄及滞留时间分布。研究发现,盆地底部、区域流线的下游、盆地滞留区最晚响应;浅部的局部水流系统稳定后的浓度值相对较低;中间水流系统相对深部的区域水流系统也较低,滞留区盐分积累,浓度值相对较大。盆地内部所有监测点的地下水年龄分布曲线都为单峰,区域水流系统的循环时间大于中间水流系统以及局部水流系统。在排泄区监测的滞留时间分布显示不同级次补给会产生早、中、晚峰,并且峰值与地下水流系统的级次性完全对应,可以通过排泄区的峰值判断地下水是从局部、中间或区域水流系统补给而来,以此判断污染物的来源。本研究成果对于地下水的循环演化和地下水流系统理论的完善具有一定的意义。      

隔档式构造区岩溶地下水流系统多级次嵌套结构的水化学识别

川东隔档式构造区岩溶地下水流系统表现出多级次嵌套结构的特征, 之前主要是定性的水文地质条件分析, 缺乏来自水化学方面的量化依据。利用41个浅层和19个深层岩溶水样的水化学资料开展分析, 发现浅层岩溶水为HCO₃-Ca·Mg型,ρ(Mg2+)较低, 深层岩溶水为SO₄-Ca·Mg型且ρ(Mg2+)明显偏高, 说明地下水在岩溶含水层中的滞留时间与ρ(Mg2+)具有正变关系。对典型剖面地下水流系统的分析表明, 优先采用ρ(Mg2+)来评价地下水滞留时间, 将地下水排泄点ρ(Mg2+)小于20, 50 mg/L分别作为划分局部-中间、中间-区域水流系统的依据。浅层岩溶水受地貌作用控制明显, 其中浅切沟谷泉点为局部地下水流系统的排泄点, 深切沟谷泉点一般属于中间或区域流动系统的排泄点。ρ(Mg2+)反映了泉水循环的滞留时间, 也能够反映钻孔所揭露的深循环特征。这种水化学识别方法可为相似岩溶区识别地下水流系统的多级次嵌套结构提供参考。      

沂蒙山区典型断陷盆地岩溶地下水系统特征: 以莱芜盆地为例

2011年以来，中国地质调查局在沂蒙山区组织实施了1:5万标准图幅水文地质调查4万余km2，并在严重缺水村镇开展了大量的找水打井示范工作，获得了较为丰富的地质数据，对断陷盆地地下水流系统取得了新认识。受中新生代构造影响，沂蒙山区发生断裂褶皱、伸展滑脱及岩浆侵入活动，形成一系列"南超覆北断陷"的地堑-半地堑盆地，并最终形成现今典型的"盆-山"岩溶水文地质结构，及以盆地为单元的相对独立的岩溶地下水流系统。为研究沂蒙山区地下水流系统发育特征，选择莱芜盆地为典型研究区，基于野外地质调查，通过综合分析盆地南北两侧地貌单元、含水岩组立体空间分布及地下水水位、水化学及同位素结果等，探讨了沂蒙山区典型"盆-山"结构塑造的多级岩溶地下水流系统特征。结果表明，莱芜盆地岩溶地下水由盆地外围向盆地中心呈"向心式"径流；受人类活动影响、地质构造控制和含水层分布制约，盆地南北两侧地下水流系统特征存在差异:盆地南部发育中间和局部两级地下水流系统；盆地北部则仅发育单一的局部地下水流系统，但占有已勘查论证的近1/2的地下水水源地。此外，研究发现在大汶河最低侵蚀基准面，区域滑脱构造及热液混合作用拆离的空隙，与岩层面、层间裂隙、顺层溶蚀空隙等共同构成立体的岩溶地下水网络，影响着岩溶水循环途径及深度。以此认识为指导，实施的探采结合井成井率达到86%，强化了地下水流系统理论在北方基岩山区水文地质工作中理论与实践的结合。      

松嫩平原地下水水流系统研究

据氢氧稳定同位素和地下水年龄分布,松嫩平原地下水流动模式呈现局部地下水流、中间性地下水流（二级流动系统）和区域性地下水流（一级流动系统）,局部地下水流系统存在于整个平原的浅部,为现代水循环系统,以垂向流动为主,深度一般为50m,山前倾斜平原可达100m以下。区域地下水流存在于深部承压含水层,参与现代水循环较少,地下水年龄老,以侧向水平径流方式流向盆地中心。     

洞庭湖平原西部地区浅层承压水中铵氮的来源与富集机理

洞庭湖平原西部地区浅层承压含水层是当地主要的地下水开采层,却面临严重的水质型缺水问题,其中以铵氮异常最为典型,但目前对于其来源和富集机制的认识十分薄弱。以洞庭湖平原西部为研究区,沿区域地下水流方向对地下水样品进行水文地球化学分析,旨在查明地下水中铵氮的来源,揭示地下水流动对铵氮富集的控制机理。结果表明:NH₄-N质量浓度为0.05~16.75 mg/L,且与DOC、HCO₃-、As、Fe2+、Mn、P质量浓度呈现较好正相关性;而高质量浓度的NH₄-N对应着很低质量浓度的Cl-、SO₄2-、NO₃-和很低的Cl/Br比值,可以推测浅层承压水中的铵氮主要由天然有机质矿化作用产生,而非人为输入。沿着地下水流向,NH₄-N和As、Fe2+、Mn质量浓度均显著升高,说明由于水流越来越滞缓,含水介质颗粒越来越细,沉积物有机质越来越富集,含氮有机质矿化作用逐渐增强,使得NH₄-N质量浓度逐渐升高,并形成了还原性逐渐增强的地下水环境,相关地球化学过程产生的还原性组分（砷、铁、锰等）也逐渐富集。本研究进一步丰富了地下水原生铵氮的成因理论,可为当地的供水安全保障提供理论基础。      

新疆阿克苏典型山前洪积扇内高氟地下水的化学特征及氟富集机制

在内陆干旱区,作为重要饮用水源的地下水常面临氟含量超标问题。查明内陆干旱区高氟地下水的分布规律,了解氟在地下水中的富集过程及其影响因素,既可丰富高氟地下水的研究体系,也是保证内陆干旱区饮水安全的重要基础。以新疆阿克苏地区典型山前洪积扇——依格齐艾肯河-喀拉玉尔滚河河间地带为研究区,基于水文地球化学调查结果,刻画了高氟地下水的分布区;结合氟离子含量与特征性水化学指标间的关系,揭示了高氟地下水的成因机制。结果表明:①地下水中氟含量的变化范围为0.8~6.1 mg/L,83%的水样氟含量超过《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）规定的上限（1.0 mg/L）;②总体上,氟含量沿地下水流动路径逐渐增大,低氟地下水（ρ（F-）≤1.0 mg/L）分布在国道314以北的补给区,高氟地下水（ρ（F-）>1.0 mg/L）分布在国道314以南的径流区和排泄区;③高氟地下水的水化学类型以Cl·HCO₃-Na型为主,而低氟地下水则以Cl·SO₄-Na型为主,高氟地下水相比于低氟地下水优势阴离子偏向于HCO₃-;④地下水的pH值范围为7.9~8.9（均值为8.4）,表明其处于弱碱环境中。地下水中ρ（F-）与pH值呈正相关,此外构成浅层含水层的上更新统沉积物中含有黑云母、氟磷灰石等矿物,其表面存在一定数量的可交换F-,这表明水中OH-与矿物表面F-间的阴离子交换可能对氟的富集有一定贡献;⑤地下水的F-含量与Ca2+含量呈负相关,即高氟地下水中ρ（Ca2+）小于低氟地下水。考虑到氟化钙（CaF₂）是自然界中的主要含氟矿物,也是地下水中氟的主要来源,ρ（F-）与ρ（Ca2+）间的这种负相关指示着高氟地下水中可能存在去Ca2+、Mg2+作用,如阳离子交替吸附或碳酸盐岩沉淀等。研究区地下水样中ρ（F-）与ρ（Mg2+）间也呈负相关关系,且和ρ（F-）与ρ（Ca2+）间的关系高度相似,也佐证了高氟地下水中去Ca2+、Mg2+作用的存在;⑥绝大部分地下水样品都位于氯碱性指数图的负值区域,且ρ（F-）与CAI-1和CAI-2均呈较好负相关,CAI-1和CAI-2都随ρ（F-）的增大而减小,这表明高氟地下水中存在Ca2+、Mg2+与Na+间更强的交换作用,对氟富集起着重要作用。地下水中ρ（F-）与SAR间呈较好正相关关系,且高氟地下水样的SAR均值（5.71）远大于低氟地下水SAR均值（1.67）,这也进一步证明高氟地下水中的Ca2+、Mg2+与含水介质的Na+间存在强烈的交替作用,对氟的富集起着重要作用;⑦所有地下水样中的萤石均处于未饱和状态,且萤石的饱和指数（SI）与F-含量间呈现较好的正相关,这表明地下水对含氟矿物（主要是萤石）的持续溶解应是导致研究区地下水中氟富集的主要原因。与之相反,研究区所有地下水样中的方解石均处于过饱和状态（SI>0）。这表明CaCO₃的沉淀可能促进了CaF₂的溶解,导致地下水中氟离子质量浓度增高;⑧研究区低氟地下水的δ18O值介于-11.20‰~-10.67‰间,平均值为-10.94‰,而高氟地下水的δ18O值介于-11.65‰~-11.21‰间,平均值为-11.49‰,即低氟地下水较高氟地下水富集δ18O。此外,F-质量浓度较低（ρ（F-）≤3.0 mg/L）的地下水样中δ18O值与F-质量浓度呈负相关,即低氟地下水具有更正的δ18O值;F-质量浓度较高（ρ（F-）≥4.8 mg/L）的地下水样中δ18O值与F-质量浓度的相关性不显著,随F-质量浓度的增高,δ18O值基本维持不变。以上表明蒸发浓缩作用对地下水中氟的富集贡献较小;⑨研究区地下水中ρ（F-）/ρ（Cl-）比值与ρ（F-）间呈现正相关,即ρ（F-）/ρ（Cl-）比值随ρ（F-）增高呈增大趋势,这也说明地下水中氟富集的主要原因是含氟矿物的溶解,而不是蒸发浓缩作用。此外,Gibbs图也提供了证据:研究区地下水样基本处于水岩作用主导区域,表明地下水化学特征（包括氟的富集）主要受水岩作用控制,蒸发浓缩影响很小。总之,地下水中氟的富集主要由溶解作用引起,OH-与矿物表面F-间的交换也有贡献,但蒸发浓缩作用影响微弱。含氟矿物持续溶解的驱动机制是阳离子交替吸附（地下水中Ca2+与岩土颗粒表面Na+之间）及方解石沉淀所引起的地下水中Ca2+的衰减。      

西北内陆盆地浅层地下水温度场及动态类型: 以酒泉东盆地为例

温度是地下水的固有属性，地下水温度场和动态特征是地下水流系统的外在表现。为揭示地下水开采等人类活动影响下西北内陆盆地浅层地下水温度场特征与地下水流系统的关系，基于多点位、长序列、高精度的地下水温度监测数据，在酒泉东盆地开展了地下水温度场及动态特征研究。结果表明:酒泉东盆地浅层地下水温度9.33~20.77℃不等，平均水温为13.54℃，自地下水补给区至排泄区，沿地下水径流方向，浅层地下水温度逐渐升高；循环深度相近的不同地下水流系统对比表明，浅层地下水温度与地下水动力条件呈负相关，地表水入渗补给大、水动力条件强的水流系统地下水平均温度低，入渗补给小、水动力条件弱的地下水平均温度高；浅层地下水温度动态受自然地下水循环和地下水开采等人类活动共同影响，从山前地下水补给区到中游绿洲区再到下游排泄区，浅部地下水温度动态可划分为4种基本类型，依次分别为河流补给型、水温稳定型、开采相关型、正弦波动型。      

敦煌盆地地下水水化学特征及水质评价

通过对敦煌盆地38个地下水样品的采集和测试,运用描述性统计法和因子分析法对地下水的化学特征及其成因进行了分析。在此基础上,利用美国农业部(USDA)评价方法和Wilcox图解法对地下水质进行了评价。研究结果表明:敦煌盆地浅层地下水中主要阳离子为Ca2+、Na+、Mg2+,主要阴离子从补给区→径流区→排泄区由HCO₃-→SO₄2-→Cl-转换;深层地下水中阳离子以Na+、Mg2+为主,阴离子主要为Cl- 、SO₄ 2-、HCO₃-,且三者含量较为接近;影响盆地内地下水化学特征的主要因素为蒸发浓缩作用和矿物的溶解作用;水质评价结果显示,可作为农作物灌溉用水的水样约占总水样的26.3%,分布在党河洪积扇扇顶补给区、扇中与扇缘径流区和盆地东南部细土平原径流区。      

不同地下水流系统模式渗流场和温度场的互相影响

在地热资源丰富的地区，需要研究不同地下水流系统发育模式下渗流场和温度场的互相影响。基于二维潜水盆地多源汇的数值模拟和室内砂箱实验，改变降雨入渗强度，通过砂箱底部加温研究上下边界不同温度差条件下的渗流场和温度场的变化。研究结果表明:①随着降雨入渗强度加大，地下水流速增大，地下水流系统由单一区域系统向复杂的局部+区域、局部+中间+区域多级嵌套系统转化，水流对温度的再分配影响变大；②补给区等温线受下降水流影响下移，排泄区等温线受上升水流影响上抬，其中区域补给区和区域排泄区温度变化幅度最大；③砂箱底部加热后，含水层潜水面下降，地下水流速增大，流线循环深度整体变大，滞留带范围缩小。温度差是地热丰富地区的地下水流系统研究中不可忽视的驱动力。      

地下水硫酸盐溯源的进展、问题和发展趋势

识别地下水溶解性硫酸盐来源及其生物地球化学循环过程是保障饮用水安全和水生态安全的重要前提, 对于地下水资源的管理和保护具有重要的意义。在广泛查阅文献的基础上, 总结了不同地下水硫酸盐来源δ34S_SO4和δ18O_SO4值域范围; 综述了地下水硫酸盐溯源及硫生物地球化学循环过程解析的研究进展, 指出了存在问题和发展趋势。地下水硫酸盐来源识别方法经历了水化学方法→单同位素→双同位素→多同位素和多示踪剂定性识别→定量评估的发展历程; 因特定地域来源的硫、氧同位素差异和生物地球化学转化过程等因素的影响, 地下水硫酸盐溯源尚存在较大的不确定性。建议在地下水流系统框架上结合土地利用分布, 布置采样点采集污染源和地下水样品, 测定水化学和硫酸盐的硫氧同位素值及其他辅助性示踪剂同位素值或浓度, 利用多学科、多方法充分融合研究区水文地球化学、渗流场、土地利用等信息, 解析地下水硫酸盐的来源及其贡献, 以支撑地下水资源保护和污染防治的科学实施。      

鲁中南水文地质区水源地防污性评价

地下水防污性能评价是研究和预防地下水污染的一种有效途径,为了评价山东省鲁中南水文地质区重点地下水水源地防污性能,本文采用DRASTIC评价模型对区内112个水源地地下水防污性能进行评价研究。研究表明,区内大部分岩溶水源地和孔隙水源地防污性能处于中等以上,且岩溶水源地整体防污性能要高于孔隙水源地。岩溶水水源地防污性能具有明显的区域性特点,不同水文地质亚区岩溶水源地防污性能差异较大,且岩溶水系统功能分区是影响岩溶水源地防污性能的重要因素。孔隙水源地受含水层岩性、水位埋深,包气带厚度等因素控制,防污性能相对较差。本研究将为鲁中南水文地质区地下水资源保护划分、地下水资源合理开发利用提供科学依据。     

江汉平原地下水化学特征及水流系统分析

江汉平原水质性缺水问题日益突出,识别江汉平原地下水流系统分布模式,对地下水资源的合理利用与保护具有重要意义.选取江汉平原典型区域,综合水文地质条件、水动力场及水化学同位素指标深入分析地下水补给过程、水岩作用及滞留时间.得出由于碳酸盐岩的溶解,研究区的地下水化学类型属于HCO3-Ca (Mg)型.地下水中典型离子随深度增加逐渐降低,同位素随深度增加逐渐偏负,表现出地下水流系统呈局部与区域水流系统的特点,系统深度界限在10~20m.独立而复杂的局部水流系统在平枯水期地下水向河渠地表水排泄.根据3H的含量,局部水流为现代水,水循环交替迅速.受地形控制,中深层地下水总体由西和西北向东和东南径流,汇入汉江和长江,为区域水流系统.由于补给源的高程效应,区域水流的18O值存在明显分区,指示不同的补给来源与水流路径.山前丘陵区基本为现代水,向平原腹地纵深至汉江和长江排泄区,地下水年龄在几百年至6000a不等,水循环交替缓慢.研究发现江汉平原低洼排泄区存在区域水流的顶托补给,可为原生劣质水的分布与聚集研究提供依据.     

Applying multivariate statistics for identification of groundwater chemistry and qualities in the Sugan Lake Basin,Northern Qinghai-Tibet Plateau,China

The Sugan Lake Basin is located in the inland arid region of northwestern China,in which groundwater is of great significance to human and ecology.Therefore,it is necessary to understand the chemical characteristics and quality of groundwater in the basin.Based on samples collected from 35 groundwater wells in Sugan Lake Basin,the spatial distribution characteristics of groundwater chemistry,main hydrogeochemical processes and groundwater quality have been discussed in this paper by using the multivariate statistics and hydrochemistry analysis methods.The results showed that the groundwater is weakly alkaline,and its total dissolved solid(TDS)and total hardness(TH) are high,with the average values of 1244.03 mg/L and 492.10 mg/L,respectively.The types of groundwater are mainly HCO_3~--SO_4~(2-)-Ca~(2+)type in the runoff area and Cl~--SO_4~(2-)-Na~+type in the catchment area.Rock weathering and ion exchange are the main controlling factors of regional groundwater chemistry,followed by evaporative crystallization,and human activities have less impact on groundwater.The spatial difference of groundwater quality is obvious,the water quality of the catchment area is not suitable for drinking,and the suitability for plant growth is also poor.The groundwater in the runoff area can be used for drinking,but the hardness is slightly higher,which is more suitable for ecological purpose.