摘要：为了研究涞源盆地地下水的水质形成过程及其主要控制因素，在野外水文地質调查的基础上，对该区地下水的化学特征进行了分析，并利用水文地球化学软件PHREEQCC对地下水化学演化进行了反向模拟。结果表明：团圆向斜、东沟大宁断层和牌坊冯村断层等地质构造影响着地下水流场；方解石、白云石是决定研究区地下水化学演化的主要矿物；地下水中的主要化学成分及其化学演化与含水层岩性在空间上呈现一致性；人类活动可能造成了局部地下水中pH值、三氮、硫酸根和氯离子等指标的异常。
关键词：涞源盆地；地下水化学；水岩作用；PHREEQC；反向模拟；混合作用
中图分类号：P641.3 文献标志码：A 文章编号：
16721683（2014）05014106
Preliminary analysis of groundwater chemistry evolution in Laiyuan basin
MA Jianfei1，LI Wei2，LIU Yun2，LI Hongchao3，BI Erping3
（1.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CASS，Shijiazhuang 050061，China；
2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology，CGS，Baoding 071051，China；3.Beijing Key Laboratory of Water Resources and Environmental Engineering China University of Geoscience，Beijing 100083，China）
Abstract：In order to better understand the evolution process and main controlling factors of local groundwater quality in the Laiyuan Basin，the chemical characteristics of groundwater were analyzed based on the field hydrogeological investigation，and inverse simulation was performed to address the chemical evolution of groundwater using the hydrochemical software PHREEQC.The results showed that groundwater flow field is controlled by the geological structures such as Tuanyuan Syncline，DonggouDaning Fault，and PaifangFengcun Fault；calcite and dolomite are the main minerals involved in waterrock interactions；the main chemical constituents of groundwater and chemical evolution of groundwater are consistent with those of aquifer lithology in space；and the abnormality of pH and contents of nitrate，sulfate，and chloride are caused by human activities.
Key words：Laiyuan basin；groundwater chemistry；waterrock interaction；PRHEEQC；inverse simulation；mixing process
涞源盆地位于河北省保定市涞源县西北部，太行山北段东麓，涞源县城位于盆地中心。受地质构造、地形地貌、气候以及地下水超采等因素的影响[1]，该地区地下水资源匮乏，且已经严重制约了当地经济、社会的可持续发展。以往对该地区的研究多注重于地下水水量，很少关注地下水水质的演化规律[13]。而地下水水质与当地经济发展、居民生活紧密相关，开展地下水化学成分的调查和研究对于掌握自然地理条件和人类活动对地下水水质的影响，明确地球化学反应变化及地下水溶质运移特征，具有重要意义。
近年来迅速发展起来的反向水文地球化学模拟技术以质量守恒为基础理论，根据地下水化学资料来确定水体在演
化过程中可能发生的水岩相互作用[4]。余秋生等利用该方法，对南北古脊梁岩溶裂隙水系统划分的多种方案进行了验证，并发现所研究的两个含水系统间存在水力联系[5]；于艳青等通过水文地球化学反向模拟计算了郑家泉泉域补给区地下水与含水层之间的水岩作用，分析了各取样点的水力联系和补径排特征[6]；徐丹对五大连池富CO2泉水水文地球化学演化特征进行模拟，定量讨论了泉水中矿物的溶解沉淀[7]。
本文根据水文地质调查和水文地球化学调查结果，利用反向水文地球化学模拟的方法，对涞源盆地地下水化学成分的形成及其控制因素进行研究，探讨自然地理和人类活动对地下水化学成分的影响。
1 研究区概况
1.1 气象水文
涞源盆地处于温带半湿润季风气候区，多年平均气温83 ℃，历史最高气温38.8 ℃，最低气温-30.6 ℃；多年平均降水量564.6 mm[3]，降水的年际变化大，年内分配不均匀，其中7月-8月降雨量占全年的70%～80%；多年平均水面蒸发量1 229.3 mm[3]。
拒马河发源自涞源盆地，属于大清河水系，为常年性河流，在研究区內干流长45.65 km，流域面积1 656 km2。径流量季节变幅较大，历年平均径流量1.03亿m3（1950年-1999年）。
1.2 地层岩性及地质构造
研究区内地层主要如下。
沉积岩：蓟县系雾迷山组中细晶白云岩、含燧石条带白云岩，厚度约900 m，分布于研究区西北部、东部及东南部；寒武系馒头组紫红色泥岩、生物碎屑灰岩，厚度约150 m，与下伏地层呈平行不整合接触；寒武系中上统巨厚层泥晶灰岩、鲕粒灰岩、生物碎屑灰岩，厚度约200 m；奥陶系泥晶灰岩、白云质灰岩，见零星燧石结核；第三系（50～500 m）胶结砾岩、砂质页岩；第四系（100～150 m）为冲洪积砂砾石、卵砾石、冲洪积土[1]。
火成岩：晚侏罗世至早白垩世黑云母花岗岩、中粒花岗闪长岩、石英闪长岩[1]。
变质岩：新太古代阜平群变质岩系，主要为黑云斜长片麻岩、黑云钾长片麻岩；太古界五台群变质岩组，主要为黑云石英片岩、角闪片岩[1]。
团圆向斜呈北东40°方向展布，枢纽位于水石塘-谷家庄一带，核部地层由奥陶系马家沟和亮甲山组构成。研究区内区域断层主要发育两组：（1）牌坊-冯村压扭性断裂，北东70°展布，倾向北西；（2）东沟-大宁压扭性断裂，走向北东40°，倾向南东[3]。
1.3 水文地质概况
研究区东部分水岭为侵入岩体，南部分水岭为上元古界片麻岩隔水层，东沟-大宁断层为隔水边界，限制了涞源盆地西北的地下水补给，因此研究区是一个较为封闭的水文地质单元。
按地下水类型，可将涞源盆地分为基岩裂隙水区和孔隙水区两个水文地质区。
（1）基岩裂隙水区，主要分布于盆地四周中高山地区，由蓟县系到奥陶系的灰岩和白云岩组成，寒武系馒头组泥岩是仅有的隔水岩层[89]。含水层富水性不均匀，严格受到地质构造控制，且大部分地区裂隙发育较差，接受降雨补给能力弱。
（2）孔隙水区，主要分布于盆地中心。北部以第四系冲洪积砂砾石、卵砾石为主，形成潜水含水层，富水性相对较好，局部分布有第三系承压水；南部以第三系砾岩、砂页岩为主，形成富水性较差的潜水含水层[10]。
降水入渗为研究区地下水的主要补给方式[2]。地下水流场多受到地质构造的控制[1113]。基岩地区受团圆向斜影响，研究区北部地下水向向斜核部汇集，再向涞源盆地以两种方式排泄：（1）以泉水的形式汇集于冲沟河谷中；（2）以裂隙水侧向径流的形式在山前直接补给涞源盆地孔隙水。南部基岩地下水向向斜核部汇集的过程中，受到牌坊冯村断层和寒武系泥岩隔水层的阻挡而大量涌出地表形成泉。涞源盆地中心的孔隙地下水由四周向中心汇集，最终于以泉群或散流的方式排泄于拒马河[13]。
图1 研究区采样点分布及模拟路径
Fig.1 Sampling locations and simulated paths
2 地下水化学特征
在详细调查研究区水文地质条件的基础上，2011年8月（丰水期）对区内潜水进行了采样分析。共设置19个采样点（包括人口密集地区），其中9个基岩裂隙水取样点，孔深度60～255 m，控制着涞源盆地四周的基岩山区；10个松散岩类孔隙水取样点，孔深度22～86 m，均匀分布在涞源盆地。水样测定及质量控制按照《地下水污染调查评价规范》、由中国地质调查局水文地质环境地质调查中心完成。水样测试数据统计结果见表1。
综上所述，基岩岩性决定了盆地内部冲洪积物中的矿物分布，进而影响到盆地孔隙水水质的变化。因为研究区西北部灰岩分布较东南部分广，所以剖面②方解石由于更接近饱和，剖面④和剖面⑤的方解石已处于过饱和状态，阳离子交换以Ca2+/Na+交换为主；剖面③的白云石更趋于饱和，阳离子交换以
从表5可以看出，在裂隙水和孔隙水混合作用的影响下，剖面⑥的地下水水质演化反向模拟结果也有所不同。随着混合水中裂隙水比例的减少，模拟路径上方解石由沉淀0241 mmol/L转变为溶解0.234 mmol/L；白云石由溶解0173 mmol/L转变为沉淀0.134 mmol/L；石膏的沉淀趋势加强；其余各项的溶解/沉淀趋势也有微小变化。
究其原因，可能是由于LY14样品为奥陶系灰岩裂隙水，地下水中方解石饱和度较高，而LY17取样点含水层为松散冲洪积物，来源于西北部山区，矿物成分相对多样化，因此随着裂隙水比例的减少，混合地下水中方解石饱和度逐渐降低，白云石、石膏等矿物的饱和度升高，从而出现剖面⑥的模拟结果。但是，由于实际混合比例未知，以上机理只是推测。
4 结论
通过对研究区内地下水水化学成分的分析，以及对基岩裂隙水和松散岩类孔隙水的水岩作用反向模拟，认为影响研究区地下水水质演化的主要因素是地质构造和含水层岩性：团圆向斜和断层控制着地下水的径流方向和径流途径上水岩作用的反应矿物；以灰岩和白云岩为主的含水层岩性决定了方解石和白云石是整个研究区内对地下水影响最大的两类矿物。地下水中各主要离子的空间分布，以及参与阳离子交换的主要离子，与含水层岩性的空间分布呈现较好的一致性。推测硝酸根离子主要是通过农业生产活动进入地下水环境中，同时人类生产活动也可能造成了局部pH值、硫酸根和氯离子浓度的异常。
参考文献（References）：
[1]
王海宁，乔光建.涞源岩溶地下水系统泉水量变化特征分析[J].南水北调与水利科技，2011（6）：5457，68.（WANG Haining，QIAO Guangjian.Variations of spring volume of the karst groundwater system in the Laiyuan Region[J].SouthtoNorth Water Diversion and Water Science& Technology.2011（6）：5457，68.（in Chinese））
[2] 李志先.利用降水量推算涞源泉流量方法的探讨[J].水文地质工程地质，1984（2）：4850.（LI Zhixian.Disscussion on calculation methods of spring volume by using the precipitation data [J].Hydrogeology and Engineering Geology，1984（2）：4850.（in Chinese））
[3] 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心.涞源县拒马源泉群地质遗迹保护和开发利用评价报告[R].2007.（Center for Hydrogeology and Environmental Geology，CGS.Protection，development and utilization of Jvma spring groups geological relics in Laiyuan[R].2007.（in Chinese））
[4] 肖维，许模.地球化学模拟方法在地下水系统划分中的应用[J].人民长江，2009，40（19）：3032.（XIAO Wei，XU Mo.Application of geochemistry simulation method in division of underground water system [J].Yangtze River，2009，40（19）：3032.（in Chinese））
[5] 余秋生，张发旺，韩占涛，等.地球化学模拟在南北古脊梁岩溶裂隙水系统划分中的应用[J].地球学报，2005，26（4）：375380.（YU Qiusheng，ZHANG Fawang，HAN Zhantao，et al.Application of geochemical modeling in the plotting of karst fissure water system in the NorthSouth Archaic Uplift，Ningxia China.[J].Acta Geoscientica Sinica，2005，26（4）：375380.（in Chinese））
[6] 于艳青，余秋生，张发旺，等.应用水文地球化学方法分析郑家泉域水文地质条件[J].水文地质工程地质，2005（5）：1719.（YU Yanqing，YU QiuSheng，ZHANG Fawang，et al.Application of hydrogeochemical methods to analyzing the hydrogeological conditions of the Zhengjiaquan Spring catchment [J].Hydrogeology & Engineering Geology，2005（5）：1719.（in Chinese））
[7] 徐丹.PHREEQC在五大连池富CO2冷矿泉成因分析中的应用[J].地下水，2010，32（1）：810，90.（XU Dan.Application of PHREEQC on analysis of the genesis of CO2 rich cold mineral springs in Wudalianchi [J].Groundwater，2010，32（1）：810，90.（in Chinese））
[8] 王亚军.河北涞源矿山地质环境影响程度综合评价[J].矿产勘查，2010（6）：586591.（WANG Yajun.The comprehensive evaluation about the degree of the influence of mining geology environment in Laiyuan county，Hebei province[J].Mineral Exploration，2010（6）：586591.（in Chinese））
[9] 丁原章.河北淶源王安镇一带地质报告[J].北京地质学院学报，1959（5）：6374.（Ding Yuanzhang.Geologycal report of Wangan country in Laiyuan，Hebei [J].Journal of Beijing Geological College，1959（5）：6374.（in Chinese））
[10] 王新峰，刘蕴，李伟，等.涞源盆地水文地质特征及缺水现状分析[J].南水北调与水利科技，2012，10（6）：2630.（WANG Xinfeng，LIU Yun，LI Wei，et al.Analysis of hydrogeological conditions and water shortage status in the Laiyuan Basin[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2012，10（6）：2630.（in Chinese））
[11] 张恒，李晓.四川西北部漳腊盆地地下水化学特征研究[J].地球与环境，2004（Z1）：3944（ZHANG Geng，LI Xiao.Chemical characteristics of groundwater in the Zhangla Basin，northwestern Sichuan[J].Earth and Environment，2004（Z1）：3944.（in Chinese））
[12] 張海永，李选利，田金伟.山西大同盆地地下水化学场特征及其演化问题浅析[J].华北国土资源，2008（1）：6264.（ZHANG Haiyong，LI Xuanli，TIAN Jinwei.Characteristics and preliminary analysis on evolution of groundwater chemistry in Datong Basin，Shanxi Province [J].North China Land and Resource，2008（1）：6264.（in Chinese））
[13] 韓冬梅.忻州盆地第四系地下水流动系统分析与水化学场演化模拟[D].北京：中国地质大学，2007.（Han Dongmei.Analysis of groundwater flow system and modeling of hydrogeochemical evolution in Xinzhou Basin，China[D].Beijing：China University of Geosciences，2007.（in Chinese））
[14] 孙芳强，侯光才，窦妍，等.鄂尔多斯盆地白垩系地下水循环特征的水化学证据以查布水源地为例[J].吉林大学学报：地球科学版，2009，39（2）：269275，293.（SUN Fangqiang，HOU GuangCai and DOU Yan et al.Hydrogeochemstry evidence of groundwater circulation features in Ordos Cretaceous Basin（A Case Study in Chabu well field） [J].Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2009，39（2）：269275，293.（in Chinese））
[15] 王大纯.水文地质学基础[M].第一版.北京：地质出版社，1995.（WANG DaChun.Basis of hydrogeology [M].1st Edition.Beijing：Geology Press，1995.（in Chinese））
[16] 王东胜，沈照理，钟佐燊，等.石家庄平原地下水化学演化的质量平衡模拟[J].地质论评，1997（4）：434440.（WANG DongSheng，SHEN ZhaoLi，ZHONG ZuoShen，et al.Mass balance modeling of the evolution of groundwater chemistry in the Shijiazhuang plain[J].Geological Review，1997（4）：434440.（in Chinese））
[17] 徐中华，李云峰，姜凌，等.鄂尔多斯盆地南区环河组地下水水岩作用研究[J].干旱区资源与环境，2009，23（9）：160168.（XU ZhongHua，LI YunFeng，JIANG Ling et al.Geochemicalmodeling of Huanhe Water bearing layers in south Ordos Basin[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2009，23（9）：160168.（in Chinese））
[18] Federico C，Pizzin L，Cinti D，et al.Inverse and forward modelling of groundwater circulation in a seismically active area（Monferrato，Piedmont，NW Italy）：Insights into stressinduced variations in water chemistry [J].Chemical Geology，2008，248：1439.
[19] 崔先伟，吴健华，李培月，等.泾源县地下水演化及其地球化学模拟[J].南水北调与水利科技.2010，8（5）：99104.（CUI Xianwei，WU Jianhua，LI Peiyue et al.Evolution and geochemical modeling of groundwater in Jingyuan County[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2010，8（5）：4245.（in Chinese））
[20] Bogli，A.Karst hydrology and physical speleology[M].Springer Berlin Heidelberg，1980.
[21] Qian H.，and Li P.Mixing corrosion of CaCO3 in natural waters[J].EJournal of Chemistry，2011，8：11241131.
[22] Qian H，and Li P.Proportion dependent mixing effects of CaCO3 in natural waters[J].Asian Journal of Chemistry，2012，24：22572261.
[23] Chen J，Qian H，and Li P，et al.Mixing precipitation of CaCO3 in natural waters[J].Water，2013，5：17121722.