河北省地下水流动系统水化学类型演变

河北省位于中国华北地区，总面积18.8万km2。70年代以来，由于大量开发利用地下水，加之山区地表水80%以上被水库控制，使得地下水开采量成了河北省地下水系统的主要输出量。并且，随着地下水位大幅度下降，地下水流动系统发生了变化，从而引起地下水水化学变化。

1 研究区概况

河北省背倚高山，东临渤海。北部和西部为燕山、太行山山地，东部为平原。山地自东北至西南成弧形分布，环抱平原。据地貌成因及形态特征，可分为高原、山地、盆地、平原四种地貌类型；地层除普遍缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统，其它地层发育齐全；地下含水系统按地下水赋存条件和含水介质的空隙特征划分为松散岩类孔隙含水层系统、碳酸盐岩类岩溶含水层系统、基岩类裂隙水含水层系统。

2 地下水开采状况

建国初期的1949-1957年，工农业处于恢复阶段，地下水开采量约30多亿m3；1958-1964年，农业开始发展，地下水开采量达40亿-50亿m3；1965-1979年，农业大发展阶段，这一阶段由于降水量偏少、气候偏干旱，地下水开采量达到129.52亿m3；1980-1995年，工农业生产空前发展，水资源供需矛盾日益突出，已成为制约社会发展的主要因素，地下水开采量逐渐增大，至1995年地下水开采量达到160亿m3；1996-2009年，工农业持续发展，水资源供需矛盾更加突出，地下水开采量每年达160-170亿m3；2010-2015年，省政府出台了最严格水资源管理制度的指导意见，节约型社会深入开展，外调水（南水北调中线工程、引黄入冀补淀工程）工程进展顺利，地下水开采量略有下降，每年约140-150亿m3。

目前，地下水开采利用量占水资源总利用量的75%。深层地下水本应作为控制开采或后备开采的水源，但实际开采量一直是有增无减，与70年代初的6-7亿m3开采量相比，增长了5倍之多。地下水开采井数量在70年代初仅有35万眼左右，到2014年达到333.03万眼。

3 地下水流动系统变化

河北省地下水流动系统，从宏观上概括为两大系统，即坝上高原内陆河水文系统所控制的封闭性地下水流动系统和海-滦河水文系统所控制的开启型地下水流动系统。坝上高原内陆河水文系统主要以山地-山前斜地-内陆湖泊（洼地）构成的地下水补给-径流-排泄系统，地下水集中排泄到内陆湖泊；海-滦河入海水文系统是一个以山地-平原-海洋构成地下水补给-径流-排泄系统，包含不同层次中间与局部补给-排泄系统及不同规模的地下水流动系统，如河北平原，山区的黑龙洞、威州泉、涞源泉等岩溶地下水盆地以及张家口、蔚县-阳原、涿鹿等山间盆地[1]。

依据已有资料显示：不论是坝上高原内陆河地下水流动系统，还是海-滦河地下水流动系统中的岩溶泉域地下水流动系统、山间盆地地下水流动系统，除局部流场因环境因素（降水量减少、开采量增大、矿坑排水等）的影响改变外，多年来虽基本上保持了原有的地下水补给、径流、排泄条件，但地下水水位总体呈现下降趋势；海-滦河地下水流动系统中的河北平原地下水流动系统由于环境因素影响，形成了多个以地下水位降落漏斗为中心的地下水流场，已不再保持天然状态下的流场特征。

4 地下水流动系统水化学演化

地下水流动系统的化学成分与浓度，是在长期地质历史发展过程中，经过溶滤、阳离子交替-吸附、蒸发浓缩、脱碳酸和混合作用等形成的，其主要受地形-地貌、气象、地质构造及水文地质条件等综合因素的控制。地下水化学特征随时间与空间的不断变化而变化[3]。20 世纪80年代之后, 随着工农业生产空前发展， 地下水开采量逐渐增加，地下水的天然状态被打破, 使地下水水化学产生了一定变化。

4.1 地下水矿化度及水化学类型变化

4.1.1 坝上高原内陆河地下水流动系统

地下水流动系统水化学矿化度及水化学类型规律主要受地形条件控制，且反映出内陆湖地下水补、径、排的基本格局。低山丘陵或熔岩台地区，是浅层地下水的补给区，地形起伏较大，降水入渗后迅速下下游径流，水化学类型较单一，以HCO3-Ca(Ca·Mg)水为主；进入平原至各个淖（察汗淖、安固里淖、九连城淖尔最为明显），径流滞缓，加之垂直蒸发较多，水化学类型向复杂类型过渡，由HCO3·Cl-Na(或Na·Mg、Mg·Na、Na·Ca·Mg等) 过渡为Cl·HCO3-Na(或Na·Mg、Na·Ca)，部分（察汗淖）为Cl -Na·Mg (或Mg·Na、Na·Ca)。

矿化度具有由丘陵山区或熔岩台地区向淖中心逐渐递增的规律：低山丘陵或熔岩台地区，矿化度一般小于0.5g/L；各个淖的外围矿化度均大于1g/L；察汗淖、安固里淖周边一般为2-5g/L。

随着环境因素的变化，坝上高原矿化度及水化学类型局部发生一些变化，但水化学类型由简单到复杂、矿化度递增的演变方向未变，其变化规律仍受控于地下水流动系统，但随着环境因素的变化，部分地区水化学特征发生改变，特别是察汗淖、安固里淖、黄盖淖一带水化学类型发生了变化。

4.1.2 海-滦河地下水流动系统

4.1.2.1 燕山与太行山山区

总体上属于海滦河地下水流动系统的补给区。径流途径短，就近溢出，水化学循环交替强烈，水化学类型分布相对比较简单，以HCO3-Ca(Ca·Mg)型水为主，在山间盆地（张家口-宣化盆地、怀来-涿鹿盆地、蔚县-阳原盆地）演变为HCO3- Na· Mg (Ca·Na· Mg、Ca·Mg·Na、Na)型水，局部因人为因素（多为矿山开采）影响为HCO3·SO4-Ca(Ca·Mg)型水或其他水化学类型，呈岛状、点状分布。

山区地表分水岭一带区域，地下水矿化度小于0.2g/L，广大中低山及丘陵区为0.2-0.5g/L，山间盆地区多在0.5-1.0g/L，蔚县-阳原盆地局部＞1.0g/L，最大值为2.52g/L。

随着环境因素的变化，河北省山区水文地球化学特征局部发生一些变化，如邢台市西部、石家市西部井陉矿区一带HCO3·SO4-Ca（Ca·Mg）型水范围相对90年代初呈增大趋势，保定市西北部一带出现HCO3·SO4-Ca（Ca·Mg）型水等，但大体仍以HCO3- Ca（Ca·Mg）型水为主，矿化度演变方向未变。

  4.1.2.2 河北平原区

属于海滦河地下水流动系统的径流-排泄区，由于大规模开采地下水，地下水流动系统的演变使地下水的水质也随之发生变化，导致地下水水化学条件发生了很大的变化。

（1）浅层地下水

属于海滦河地下水流动系统的径流、排泄区，见图1，山前平原以重碳酸型水为主，多为重碳酸钙镁型水；中部平原以重碳酸盐、硫酸盐(或硫酸盐、重碳酸盐)型水，硫酸盐、氯化物（或氯化物、硫酸盐）型水，重碳酸盐、氯化物（或氯化物、重碳酸盐）型水为主；滨海平原为氯化物型水，沿海一带为氯化物钠型水。矿化度山前平原一带＜1g/L，为全淡水区；中部平原水化学类型比较复杂，古河道带或者地下水垂直交替强烈地区一般＜2g/L，在河间带或河道不发育地段、河间洼地、扇间洼地一般2-3 g/L，局部＞3g/L（多呈闭合环状）；滨海平原矿化度＞3g/L，为咸水分布

随着河北平原浅层地下水开采量不断增加，地下水的天然水化学平衡过程被打破，水化学类型相应发生改变，见表1。总体来看：硫酸盐·氯化物（或氯化物·硫酸盐）型水分布范围总体有所扩大，氯化物·重碳酸盐型水分布范围总体有所缩小。

有咸水区由于浅层淡水和微咸水的开采量加大，使得咸水与浅层淡水和深层淡水的水位差增大，水质混合作用使得浅层淡水的水质咸化，矿化度含量增大，不同矿化度地下水的分布面积也有所变化，见表2。2016年和1975年相比，＜2g/ L面积减少5762km2,2-3g/ L面积减少2884km2，3-5g/ L的面积均有所增加。

（2）深层地下水

山前平原区以重碳酸型水为主；中东部平原区河间市-冀州市一带出现重碳酸盐·氯化物·硫酸盐型水或氯化物·硫酸盐型水或氯化物·硫酸盐·重碳酸盐型水，平乡县-大名县一带为重碳酸盐·硫酸盐型水或重碳酸盐·氯化物型水，其它地带仍以重碳酸型水为主；滨海平原为重碳酸盐·氯化物型水→氯化物·重碳酸盐型水→氯化物型水。矿化度由山前平原小于0.5g/L，渐变为中部平原0.5-1.0g/L之间，到滨海平原1.0-1.5g/L，逐渐增加。