半干旱区水文地球化学演化规律及成因研究 ——以土默川平原为例

论文摘要

在干旱半干旱地区,地下水是人们生产生活的重要水源。而由于人类干扰或自然因素影响往往使其地下水水质向恶化方向发展,水质性缺水日益严重。土默川平原作为内蒙古自治区人口集中、工农业生产最发达的地区,其水资源短缺问题已成制约经济可持续发展的瓶颈。近年来由于大规模开采地下水,使区域水资源平衡遭到严重破坏,引起了诸如含水层疏干、承压水水质恶化、地表水流量减少、生态退化等一系列的环境地质问题。同时,该区高氟、高砷地下水分布广泛,饮水型氟、砷中毒问题严重威胁着当地居民的健康状况。本研究以土默川平原为例,通过野外调查、实验、模拟及地下水流动系统分析,揭示半干旱区域地下水化学演化规律、高砷高氟水成因、季节变化对地下水水质的影响机理,以期为半干旱地区水资源可持续利用提供科学依据。通过研究,本文提出了地下水和土壤的含盐量对岩土中砷化物的释出有重要影响,地下水和岩土中的含盐量的升高对岩土中砷化物的释出具有明显促进作用的新观点;对地下水分枯、丰季节采样分析,揭示了半干旱区地下水水质随季节变化的原因,特别是阐释了TDS、硫酸根、碳酸氢根等随季节变化的机制。具体研究结论如下:（1）土默川平原是三面环山一面临水的开阔平原,第四系孔隙含水层为该区地下水的主要赋存场所。平原区周围山前地带以较粗粒径的冲洪积物为主,形成了上下连通的潜水含水层;平原中部受中更新统上段淤泥质沉积物分割,分为潜水和承压含水层双层结构。（2）地下水总体呈还原的弱碱性环境;潜水和承压水潜宏量离子的平均质量浓度排序均为,Na+>Ca2+>Mg2+>K+,HCO3->Cl->SO42-。（3）北部大青山和东部蛮汉山山前倾斜平原一带,属于区域地下水的补给径流区,潜水水质主要受水-岩相互作用影响;黄河和大黑河冲湖积平原区,属于区域地下水的滞留排泄区,地下水水质主要受蒸发浓缩作用影响。整个土默川平原大部分区域,承压水水质主要受水-岩相互作用影响,仅东南部的湖积台地一带,可能是含、隔水层呈薄层叠置分布,新近系泥岩富含可溶盐,在抽水过程中容易溶入地下水,因此表现为蒸发浓缩型。（4）大青山和蛮汉山山前倾斜平原区（补给区）地下水呈现氧化环境,Eh值较高（>50 mV）,COD较低（<1 mg/L）,地下水中氮化物以硝态氮为主;大黑河沿岸及其以西区域属于地下水的滞留排泄区,地下水呈现还原环境,Eh值较低（<-50 mV）,COD较高（>3 mg/L）,地下水中氮化物以铵态氮为主。相关性分析表明,潜水和承压水中硝态氮浓度均与pH和COD呈负相关与Eh值呈正相关;潜水和承压水中铵态氮浓度均与pH值和COD呈正相关与Eh值呈负相关。（5）受气候、古沉积环境、水文地球化学、地下水流场的影响土默川平原在东南部的湖积台地区域分布有高氟水。潜水和承压水氟化物最高浓度分别为7.2mg/L和11.2 mg/L。新近系中新世以来蛮汉山多次玄武岩喷发为高氟水的形成提供了物质来源,地下水的弱碱性环境、高Na+、低Ca2+使岩层中的氟化物进入地下水中并随地下水迁移;地下水排泄区水位埋深浅,蒸发强烈使氟化物在这些地方进一步富集。（6）潜水高砷区主要分布在哈素海周围,最高浓度为200.3μg/L;承压水高砷区主要分布于大黑河下游,最高浓度为162.3μg/L。黄河和大黑河冲湖积平原区岩土全盐量、地下水含岩量高,地下水的弱碱性、富含有机质的还原环境为砷化物的富集提供了条件。在地下水径流缓慢,铁、锰氧化物和氢氧化物还原性溶解以及HCO3-的竞争吸附影响下使砷化物的浓度进一步提高。（7）淋滤实验发现,pH值在8.04-8.33左右的弱碱性环境,最有利于砷化物的释出,过高或过低的pH值（在4-12间）均对砷化物的释出有抑制作用。随土壤和地下水中盐含量（TDS）的升高,有利于砷化物从土壤中的释出,特别是TDS浓度大于3000 mg/L以上时盐效应作用明显。（8）该区地下水中含盐量受季节变化影响明显,降水对岩土中可溶盐的淋滤和对地下水中盐分的稀释作用的相对强弱,是导致丰枯水期地下水宏量离子浓度发生变化的主要原因。降水的偏酸性对潜水pH值的季节变化有明显影响。雨季地表污染物容易随降水进入潜水含水层,这是导致雨季平原中部地下水位埋深浅的区域COD和氨氮浓度升高的主要原因。

论文目录

作者简历

摘要

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第一章绪论

1.1 问题提出

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状及存在的问题

1.3.1 地下水化学特征及演化规律研究

1.3.2 高砷地下水分布特征及演化机理研究

1.3.3 高氟地下水分布特征及演化机理研究

1.3.4 存在的问题

1.4 研究目标、研究内容、技术路线及创新点

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容

1.4.3 研究方法及技术路线

1.4.4 创新点

第二章研究区概况

2.1 地理位置

2.2 气象、水文

2.3 地形地貌特征

第三章土默川平原水文地质条件

3.1 水文地质条件概况

3.2 含水岩组分布特征

3.2.1 第四系上更新统—全新统含水岩组

3.2.2 第四系中更新统下段含水岩组

3.2.3 第四系下更新统含水组

3.2.4 古近系和新近系含水组

3.2.5 白垩系下统含水组

3.3 含水系统类型及特征

3.3.1 第四系孔隙含水系统

3.3.2 玄武岩孔隙-裂隙含水系统

3.3.3 淤泥质粘性土层

3.4 地下水富水性分布特征

3.4.1 潜水富水性分布特征

3.4.2 承压水富水性分布特征

3.5 地下水的形成与循环条件

3.5.1 山前倾斜平原潜水

3.5.2 平原中部潜水

3.5.3 平原中部承压水

第四章土默川平原地下水化学特征空间分布和成因机制研究

4.1 地下水样品的采集和测试

4.2 地下水主要化学组分含量、分布特征及成因

4.2.1 化学指标统计分析

4.2.2 水文地球化学特征及成因

4.3 地下水化学特征及成因机制

4.3.1 水化学类型分析

4.3.2 水化学类型及成因机制分析

4.3.3 地下水水化学分带及其意义

4.4 小结

第五章土默川平原高氟、高砷地下水形成机理研究

5.1 高氟水的水化学特征及其富集过程

5.1.1 高氟水的浓度分布特征

5.1.2 地下水流场及古沉积环境对高氟水形成的影响

5.1.3 高氟水形成的水文地球化学因素

5.2 高砷水的水化学特征及其富集过程

5.2.1 高砷水的浓度分布特征

5.2.2 地下水流场及古沉积环境对高砷水形成的影响

5.2.3 高砷水形成的水文地球化学因素

5.3 小结

第六章岩土中砷化物释出影响因素实验及模拟分析

6.1 淋滤实验

6.1.1 实验目的

6.1.2 实验方法

6.1.3 实验结果分析

6.2 饱和-非饱和带砷运移模拟

6.2.1 概念模型

6.2.2 数学模型、求解方法及软件

6.2.3 数值模型

6.2.4 结果与讨论

6.3 小结

第七章土默川平原丰枯水期水化学变化机制研究

7.1 水样采集与分析

7.2 地下水化学基本特征

7.2.1 潜水水化学基本特征

7.2.2 承压水水化学基本特征

7.3 地下水主要化学组分的季节变化及原因

7.3.1 降水的稀释和淋溶作用

7.3.2 氧化还原作用

7.3.3 水岩相互作用

7.3.4 生产活动的作用

7.4 地下水化学类型及其变化成因

7.4.1 潜水舒卡列夫分类

7.4.2 承压水舒卡列夫分类

7.4.3 潜水piper三线图分类

7.4.4 承压水piper三线图分类

7.5 小结

第八章结论及建议

8.1 结论

8.2 建议及展望

8.2.1 建议

8.2.2 展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘白薇

导师: 唐仲华

关键词: 地下水,高氟水,高砷水,水文地球化学,水岩相互作用,土默川平原

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地质学

单位: 中国地质大学

分类号: P641.3

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000182

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