安阳河冲洪积扇地下水化学特征及水文地球化学过程解析

安阳河冲洪积扇地下水化学特征及水文地球化学过程解析一、绪论1.1研究背景水是生命之源，是人类社会赖以生存和发展的重要自然资源。地下水作为水资源的重要组成部分，在全球水资源体系中占据着举足轻重的地位。它不仅是许多地区居民生活用水的主要来源，还在工业生产、农业灌溉等领域发挥着不可或缺的作用。安阳河冲洪积扇为华北平原太行山东麓山前典型冲洪积扇，其独特的地层构造条件使该扇在空间上成为一独立封闭的水文地质单元。安阳河冲洪积扇是中、晚更新世及全新世后期复合堆积而成，具有明显的上细下粗的二元结构。上层为全新统（Q.h）、上更新统（Q.3）的黄土状粉土、粉质黏土，厚10-20m；下层为上更新统（Q.3）和中更新统（Q.2）卵砾石层及砂层，厚度15-40m，自西向东逐渐增厚，分选性较差，局部钙质胶结成岩（俗称钙板）。京广铁路以西砾石层分布稳定，粒径粗大；以东呈多层状分布，夹黏性土透镜体，颗粒也明显变细。这种特殊的地质结构，使得粗大巨厚的卵砾石层为地下水储存提供了有利的介质条件，扇区地下水成为安阳市的主要供水水源，对保障当地居民生活用水、支持工农业生产以及维护生态系统稳定起着关键作用。然而，随着安阳市经济的快速发展和人口的不断增长，对水资源的需求量日益增加，安阳河冲洪积扇地下水面临着严峻的挑战。长期以来，由于缺乏科学合理的规划和管理，地下水开采存在着无序和过度的现象。各工矿企业各自为政，以最大限度取水为目的，导致对地下水资源的掠夺性集中开采。相关数据显示，安阳市区自20世纪80年代中期以来，随着经济的发展，地下水开采规模与强度大幅度增加。从1965年-2005年，安阳市区域浅层地下水位下降区面积为4188.80km²，平均每年扩大104.72km²；水位下降幅度大于35m的区域分布于安阳市区，水位下降幅度大于20m的区域分布于安阳市区、安阳县、滑县、内黄等地。长期的超采导致地下水位持续下降，地下水位下降漏斗不断扩大，部分含水层被疏干，进而引发了一系列严重的生态环境问题，如地面沉降、地裂缝等地质灾害，对当地的生态平衡和经济社会的可持续发展构成了严峻挑战。与此同时，人类活动如工业废水排放、农业化肥和农药的大量使用以及生活污水的随意排放等，也对安阳河冲洪积扇地下水水质产生了显著影响。工业废水中含有大量的重金属、有机物等污染物，农业生产中使用的化肥和农药通过地表径流和土壤渗透进入地下水，生活污水中的氮、磷等营养物质也会导致地下水水质恶化。根据安阳市1998-2002年地下水质监测数据显示，地下水主要污染物为总硬度、总大肠菌群、亚硝酸盐氮、溶解性总固体等。在2019年对46眼国家地下水自动监测井的水质监测中发现，感官性一般化学指标方面，类水主要超标项目有总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、氨氮等；微生物指标方面，类水中主要超标项目是菌落总数、氟化物和总大肠菌群等；毒理学指标方面，类水中主要超标项目有氟化物和硒等。这些污染物质的存在，不仅降低了地下水的使用价值，还对人体健康和生态环境造成了潜在危害。1.2研究目的与意义本研究聚焦安阳河冲洪积扇，旨在全面、系统地剖析该区域地下水的化学特征，深入探究其水文地球化学过程。通过对研究区地下水进行广泛的样品采集与精确的实验分析，确定地下水中各类化学组分的含量与分布规律，明确其水化学类型。运用多种先进的分析技术和方法，如离子色谱、电感耦合等离子体质谱等，对地下水中的阳离子（如钙、镁、钠、钾等）、阴离子（如碳酸氢根、硫酸根、氯离子、硝酸根等）以及微量元素（如铁、锰、铜、锌等）进行精确测定。同时，结合研究区的地质构造、地层岩性、气象条件、水文特征等因素，深入探讨这些因素对地下水化学特征的影响机制。通过分析不同含水层之间的水力联系以及地下水与地表水的相互作用关系，揭示地下水化学特征在空间和时间上的变化规律，进而为地下水资源的合理开发与保护提供科学依据。研究安阳河冲洪积扇地下水化学特征及水文地球化学过程，对保护与合理开发该区域地下水资源具有至关重要的意义。从理论层面来看，有助于深化对地下水形成、运移和演化过程的理解，丰富和完善水文地球化学理论体系。通过研究地下水中化学组分的来源、迁移转化规律以及与周围环境的相互作用关系，可以揭示地下水在地质历史时期的演变过程，为研究区域地质演化提供重要线索。这不仅有助于我们更好地认识地下水的自然属性，还能为解决其他地区类似的水文地质问题提供理论参考和借鉴。在实践方面，对地下水化学特征的研究可以为水资源管理提供科学依据，指导合理开发利用地下水，避免过度开采和污染。通过对地下水化学特征的分析，可以准确评估地下水资源的质量和数量，为制定科学合理的水资源开发利用规划提供数据支持。在确定地下水的可开采量时，需要考虑地下水的补给、径流和排泄条件以及水化学特征，以确保开采过程中不会导致地下水位持续下降、水质恶化等问题。此外，对地下水化学特征的监测和分析还可以及时发现地下水污染的迹象，为采取有效的污染防治措施提供依据，保护地下水资源的安全。研究水文地球化学过程可以帮助我们了解地下水与周围环境的相互作用，预测人类活动对地下水的影响，从而采取相应的措施保护地下水环境。随着经济社会的发展，人类活动对地下水环境的影响日益显著，如工业废水排放、农业化肥和农药的使用、城市生活污水的排放等。通过研究水文地球化学过程，可以深入了解这些人类活动对地下水化学特征的影响机制，预测地下水水质的变化趋势，为制定科学有效的环境保护政策提供依据。在工业布局时，可以根据地下水的水文地球化学特征，合理规划工业用地，避免将高污染企业建在地下水水源地附近，减少对地下水的污染风险。1.3国内外研究现状国外对地下水化学特征及水文地球化学过程的研究起步较早，发展较为成熟。在地下水化学特征方面，美国地质调查局（USGS）长期对本国地下水进行监测和研究，利用先进的分析技术，如离子色谱、电感耦合等离子体质谱等，对地下水中的各种离子、微量元素和有机污染物进行精确测定。通过对大量数据的分析，揭示了不同地区地下水水化学特征的差异及其与地质、气候等因素的关系。在干旱地区，研究发现地下水的矿化度较高，主要离子成分受蒸发浓缩作用影响明显；而在湿润地区，地下水的化学成分则更多地受到岩石风化和降水的影响。在欧洲，众多学者对阿尔卑斯山区的地下水进行了研究，通过水化学分析和同位素技术，探讨了高山地区地下水的补给来源和循环路径，发现高山冰雪融水对地下水的补给具有重要作用。在水文地球化学过程研究方面，国外学者取得了一系列重要成果。他们运用化学热力学、化学动力学等理论，深入研究了地下水与岩石、土壤之间的相互作用过程，揭示了地下水化学组分的迁移转化规律。在研究岩溶地区的水文地球化学过程时，通过建立数学模型，模拟了岩溶水的流动和化学物质的溶解、沉淀过程，为岩溶水资源的合理开发利用提供了科学依据。同时，国外还注重将水文地球化学研究与环境科学、生态学等学科相结合，探讨地下水在生态系统中的作用以及人类活动对地下水环境的影响。国内对地下水化学特征及水文地球化学过程的研究也取得了丰硕成果。在地下水化学特征研究方面，学者们结合我国不同地区的地质、地理和气候条件，开展了广泛的研究。在北方平原地区，如华北平原，研究表明地下水的水化学类型主要为HCO₃⁻-Ca²⁺・Mg²⁺型和HCO₃⁻-Na⁺・Ca²⁺型，其形成与当地的地质构造、岩石组成以及人类活动密切相关。由于长期的农业灌溉和工业活动，地下水中的硝酸盐、硫酸盐等含量呈现上升趋势，对地下水水质产生了一定影响。在南方岩溶地区，地下水的水化学特征受岩溶作用影响显著，地下水中的Ca²⁺、HCO₃⁻等离子含量较高，水化学类型多为HCO₃⁻-Ca²⁺型。通过对岩溶水系统的研究，揭示了岩溶地区地下水的形成、运移和演化规律，为岩溶水资源的合理开发利用提供了科学依据。在水文地球化学过程研究方面，国内学者主要围绕地下水的补给、径流、排泄过程以及水-岩相互作用、阳离子交换、蒸发浓缩等作用展开研究。通过野外调查、室内实验和数值模拟等方法，深入探讨了水文地球化学过程的影响因素和作用机制。在研究西北干旱地区的水文地球化学过程时，发现蒸发浓缩作用是导致地下水矿化度升高的主要原因，而水-岩相互作用则对地下水的化学组成产生了重要影响。同时，国内学者也关注人类活动对水文地球化学过程的影响，如城市化、工业化、农业化等过程对地下水化学特征的改变，以及由此引发的环境问题。然而，针对安阳河冲洪积扇地下水化学特征及水文地球化学过程的系统研究相对较少。目前的研究主要集中在该区域的水文地质条件、地下水位变化以及地下水污染现状等方面，对于地下水化学特征的全面分析和水文地球化学过程的深入探究还存在不足。在地下水化学特征研究方面，缺乏对不同含水层、不同深度地下水化学组成的系统分析，对地下水化学类型的划分和演变规律的研究也不够深入。在水文地球化学过程研究方面，对水-岩相互作用、阳离子交换、蒸发浓缩等作用的定量研究较少，缺乏对水文地球化学过程的动态监测和数值模拟，难以准确揭示地下水化学特征的形成机制和演化规律。因此，开展安阳河冲洪积扇地下水化学特征及水文地球化学过程的研究具有重要的理论和现实意义，有助于填补该领域的研究空白，为地下水资源的合理开发利用和保护提供科学依据。1.4研究内容与方法1.4.1研究内容本研究聚焦安阳河冲洪积扇地下水，全面剖析其化学特征与水文地球化学过程，为区域水资源管理提供科学依据。具体内容如下：地下水同位素与水化学特征分析：系统分析安阳河冲洪积扇地下水的氢氧稳定同位素和碳、氮、硫等稳定同位素组成，明确其补给来源、径流路径及与地表水的相互关系。精确测定地下水中的阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺等）、阴离子（HCO₃⁻、SO₄²⁻、Cl⁻、NO₃⁻等）、溶解性总固体（TDS）、pH值等常规水化学指标，运用Piper三线图、Durov图等方法划分水化学类型，揭示其空间分布规律。结合研究区的地质构造、地层岩性、气象条件、水文特征等因素，深入探讨这些因素对地下水化学特征的影响机制，分析不同含水层之间的水力联系以及地下水与地表水的相互作用关系，明确地下水化学特征在空间和时间上的变化规律。水文地球化学过程解析：研究地下水与岩石、土壤之间的相互作用过程，包括溶解、沉淀、离子交换等反应，确定水-岩相互作用的类型和强度，量化其对地下水化学组成的影响。分析阳离子交换过程中离子的交换平衡和动力学特征，明确其在地下水化学演化中的作用机制，结合水-岩相互作用，探讨阳离子交换对地下水化学组成的影响。研究蒸发浓缩作用对地下水化学组成的影响，分析不同地区、不同季节蒸发浓缩作用的强度差异，结合其他水文地球化学过程，综合评估蒸发浓缩作用在地下水化学演化中的贡献。通过对地下水化学特征和水文地球化学过程的研究，识别影响地下水质量的主要因素，预测地下水化学特征的变化趋势，为地下水资源的合理开发利用和保护提供科学依据。1.4.2研究方法本研究采用多种方法，全面系统地开展对安阳河冲洪积扇地下水化学特征及水文地球化学过程的研究。具体研究方法如下：水文地质调查：收集研究区的地质、水文地质、气象、水文等相关资料，包括地质图、水文地质图、钻孔资料、气象数据、水文监测数据等，了解研究区的地质构造、地层岩性、含水层分布、地下水水位、水量、水质等基本情况。开展野外实地调查，观察研究区的地形地貌、河流分布、植被覆盖等情况，对地下水露头、泉点、井孔等进行详细调查，记录其位置、水位、水量、水质等信息，绘制水文地质剖面图和平面示意图，直观展示研究区的水文地质条件。样品采集与测试：在研究区内合理布置地下水采样点，采集不同含水层、不同深度的地下水样品，同时采集地表水、土壤、岩石等样品，以便进行对比分析。确保采样点的分布具有代表性，能够反映研究区地下水的整体特征。采用专业的采样设备和方法，严格按照相关标准和规范进行样品采集，保证样品的真实性和可靠性。对采集的地下水样品进行现场测试，测定其pH值、电导率、氧化还原电位（Eh）、溶解氧（DO）等参数，及时记录测试结果。将采集的样品送往专业实验室，运用先进的分析仪器和方法，如离子色谱（IC）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）等，对地下水中的阳离子、阴离子、微量元素、有机物等进行精确测定，分析其化学成分和含量。资料搜集与分析：广泛搜集国内外关于地下水化学特征及水文地球化学过程的研究成果，包括学术论文、研究报告、专著等，了解该领域的研究现状和发展趋势，为本研究提供理论支持和参考依据。对搜集到的资料进行系统分析和整理，总结相关研究方法和技术，借鉴其成功经验，结合研究区的实际情况，确定本研究的技术路线和方法。利用地理信息系统（GIS）技术，对研究区的地质、水文地质、水化学等数据进行空间分析和处理，绘制各类专题图件，直观展示研究区地下水化学特征的空间分布规律和变化趋势，为研究结果的分析和解释提供有力支持。1.5技术路线本研究以水文地质调查及取样测试成果为基础并搜集相关资料，综合运用多种技术手段，对安阳河冲洪积扇地下水化学特征及水文地球化学过程展开深入研究，技术路线如图1-1所示。图1-1技术路线图首先，进行全面的资料收集与整理，广泛搜集研究区的地质、水文地质、气象、水文等相关资料，涵盖地质图、水文地质图、钻孔资料、气象数据、水文监测数据等，为后续研究奠定坚实基础。同时，开展野外实地调查，细致观察研究区的地形地貌、河流分布、植被覆盖等情况，对地下水露头、泉点、井孔等进行详细调查，记录其位置、水位、水量、水质等关键信息，绘制水文地质剖面图和平面示意图，直观展示研究区的水文地质条件。在样品采集与测试阶段，依据研究区的地质条件和水文地质特征，科学合理地布置地下水采样点，确保采集的样品能够全面反映研究区地下水的整体特征。同时采集地表水、土壤、岩石等样品，以便进行对比分析。采用专业的采样设备和严格规范的采样方法，保证样品的真实性和可靠性。对采集的地下水样品进行现场测试，测定pH值、电导率、氧化还原电位（Eh）、溶解氧（DO）等参数，及时记录测试结果。将采集的样品送往专业实验室，运用先进的分析仪器和方法，如离子色谱（IC）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）等，对地下水中的阳离子、阴离子、微量元素、有机物等进行精确测定，分析其化学成分和含量。在数据分析与模拟环节，运用Piper三线图、Durov图等方法对地下水水化学数据进行分析，划分水化学类型，揭示其空间分布规律。利用离子比例关系、相关性分析等方法，研究地下水化学组分之间的相互关系，探讨水文地球化学过程对地下水化学特征的影响。运用PHREEQC等软件，对水-岩相互作用、阳离子交换、蒸发浓缩等水文地球化学过程进行模拟，定量分析各过程对地下水化学组成的影响程度。通过模型计算，预测在不同条件下地下水化学特征的变化趋势，为地下水资源的合理开发利用和保护提供科学依据。最后，基于以上研究成果，综合分析安阳河冲洪积扇地下水化学特征及水文地球化学过程，识别影响地下水质量的主要因素，提出针对性的地下水资源保护和管理建议。同时，对研究成果进行总结和展望，为后续相关研究提供参考和借鉴。二、研究区概况2.1自然地理概况2.1.1地理位置安阳河冲洪积扇位于河南省安阳市境内，地处北纬36°07′-36°22′，东经114°18′-114°36′之间。其坐落于华北平原的西北部，太行山东麓，是华北平原山前典型的冲洪积扇。安阳市区位于扇体的中上部，是安阳市政治、经济、文化中心，也是本研究的重点区域。该冲洪积扇西起太行山山麓，东至京广铁路，南以汤河为界，北与漳河相邻。其地理坐标的范围使其处于独特的地理位置，受到太行山地形和华北平原气候的双重影响。周边地区交通便利，京广铁路、京港澳高速公路等交通干线贯穿其中，为区域的经济发展和人员往来提供了便利条件。同时，与周边城市如邯郸、鹤壁等距离较近，区域间的经济联系和资源交流频繁。这种地理位置的优势，使得安阳河冲洪积扇在区域经济发展中扮演着重要角色，也对地下水资源的开发利用和保护提出了更高的要求。2.1.2地形地貌安阳河冲洪积扇呈现出典型的冲洪积扇地形地貌特征，地势总体上西高东低，由扇顶向扇缘逐渐降低。扇顶位于水冶镇以东山前地带，海拔高度约为150-200米，地形较为陡峭，坡度较大；扇缘则延伸至京广铁路以东，海拔高度降至70-100米，地形相对平坦，坡度较小。该冲洪积扇具有明显的上细下粗的二元结构。上层为全新统（Q.h）、上更新统（Q.3）的黄土状粉土、粉质黏土，厚10-20米，质地细腻，透水性较差，对地下水具有一定的阻隔作用；下层为上更新统（Q.3）和中更新统（Q.2）卵砾石层及砂层，厚度15-40米，自西向东逐渐增厚，分选性较差，局部钙质胶结成岩（俗称钙板）。京广铁路以西砾石层分布稳定，粒径粗大，透水性强，有利于地下水的储存和运移；以东呈多层状分布，夹黏性土透镜体，颗粒也明显变细，透水性相对较弱。这种地形地貌特征对地下水的形成与分布产生了重要影响。在扇顶地区，由于地势较高，降水和地表水容易快速下渗，形成地下水的补给源。同时，粗大的卵砾石层为地下水的储存提供了良好的空间，使得扇顶地区地下水储量较为丰富。而在扇缘地区，由于地势较低，地下水位相对较高，且上层的粉质黏土对地下水的阻隔作用较强，导致地下水的排泄相对困难，容易形成地下水的滞流区。此外，地形的起伏也影响着地下水的径流方向，总体上地下水自西向东流动，与地形的倾斜方向一致。2.1.3气象水文安阳河冲洪积扇所在地区属于半湿润温带大陆性季风气候，四季分明，气候温和。多年平均气温为13.5℃，年平均降水量约为600-700毫米，降水主要集中在夏季（6-8月），约占全年降水量的60%-70%。夏季降水集中且多暴雨，这种降水特点使得在雨季时，大量降水迅速汇集，一部分形成地表径流，另一部分则通过入渗补给地下水。而在冬春季节，降水相对较少，气候较为干燥，蒸发量较大，对地下水的补给作用较弱。安阳市属海河流域漳卫河水系，主要河流有漳河、洹河（安阳河）、洪水河等。安阳河是区内最重要的河流，自西向东贯穿冲洪积扇，其河床岩性一般为Q3黄土状土，上细下粗，表层为淤泥或粉土，下部为卵砾石砂及粉土。安阳河对地下水的补给作用显著，在河流流经冲洪积扇的过程中，河水通过渗漏的方式补给地下水，尤其是在河流的枯水期，地下水对河水的补给作用相对较弱，而在丰水期，河水对地下水的补给量明显增加。此外，河流的水位变化也会影响地下水的动态变化，当河流水位高于地下水位时，河水补给地下水；当河流水位低于地下水位时，地下水则补给河水。除了安阳河，其他河流如洪水河等也在一定程度上对地下水产生影响。这些河流的水文特征，如流量、水位、含沙量等，与当地的气候、地形地貌等因素密切相关，它们共同构成了研究区复杂的水文条件，对地下水的形成、分布和动态变化起着重要的作用。2.2水资源开发概况安阳河冲洪积扇地下水作为安阳市的主要供水水源，在当地水资源开发利用中占据核心地位。随着经济社会的快速发展，安阳市对水资源的需求持续增长，地下水的开采量也随之不断攀升。据相关资料显示，在20世纪80年代中期以前，安阳市区地下水开采量相对较小，处于动态平衡状态。然而，自80年代中期以来，随着经济的迅速发展，地下水开采规模与强度大幅度增加。到2005年，安阳市区域浅层地下水位下降区面积已达4188.80km²，平均每年扩大104.72km²，其中安阳市区水位下降幅度大于35m，安阳县、滑县、内黄等地水位下降幅度大于20m，这充分表明长期的超采导致地下水位持续下降，地下水资源面临严峻挑战。在开采方式上，安阳市区工农业及生活用水绝大部分开采自80-100m以上的安阳河冲洪积扇卵砾石层中的孔隙水。开采方式主要分为两种：一是自来水公司、钢厂与电厂的水源井集中开采，这些大型企业的集中开采对地下水水位和水质的影响较为显著；二是工矿企业自备井和农用井的分散面状开采，这种分散开采方式虽然单个井的开采量相对较小，但由于数量众多，总体开采量不容忽视，且容易导致地下水开采的无序性和监管难度加大。在集中开采区，目前已形成了安钢电厂、豆腐营、四水厂、三水厂等四个相对集中开采中心，中心地带地下水位埋深30-40m，最大为44.9m，这些集中开采中心的形成进一步加剧了局部地区地下水水位的下降和水资源的短缺。近年来，随着南水北调中线工程通水以及地下水压采行动的开展，安阳市地下水开采量有所减少。根据《安阳市水资源公报（2015-2017）》，市区地下水开采量2015年为9042万m³，2017年为4701万m³，压采地下水4341万m³。目前，除第三水厂（设计日供水规模3万m³）保留部分供水外，其余地下水水厂已经全部停产，逐步改为以南水北调中线工程和地表水为水源的公共供水。这一系列举措使得市区地下水水位整体呈回升趋势，地下水位埋深在部分地区有所减小，如市区东部地下水位埋深在6-8m左右。然而，尽管地下水开采量得到一定控制，但由于长期超采导致的地下水位下降漏斗、含水层疏干等问题依然存在，对地下水资源的可持续利用构成威胁，需要进一步加强水资源管理和保护措施，以实现地下水资源的合理开发与可持续利用。2.3地质条件2.3.1构造安阳河冲洪积扇在大地构造上处于新华夏系第三隆起带和第二沉降带的交接部位，构造形迹以断裂为主。区内主要分布新华夏系北北东和北西西向雁列展布的太行山麓隆起、汤阴地堑和内黄隆起三个次级构造单元，这些单元被安阳断裂、辛店断裂、漳河断裂等北西西构造所切错，形成了类棋盘式构造，控制了漳河、安阳河的早期展布方向，并产生了一系列北西西走向的更次级隆起与凹陷。研究区位于太行山山前深大断裂在中生代形成的汤阴地堑北端，由安南和安北两断裂在晚第三纪末到第四纪初形成的次一级的安阳小地堑之中及两侧。安阳南断裂走向西段与郭村断裂合并，经赵张村向高庄方向延伸；安阳北断裂走向经西蒋村、史车村沿安阳河方向延伸。这些断裂的存在对研究区的地质构造格局产生了重要影响，也为地下水的赋存和运移提供了一定的构造条件。在断裂带附近，岩石的破碎程度较高，孔隙和裂隙发育，有利于地下水的储存和运移。断裂带还可能沟通不同的含水层，使得地下水在不同含水层之间发生水力联系，从而影响地下水的化学特征和动态变化。此外，区域上各组断裂在晚第三纪以来都有不同程度的活动。这种断裂活动不仅改变了地层的结构和形态，还可能导致地下水的补给、径流和排泄条件发生变化。断裂活动可能使含水层的渗透性增强或减弱，影响地下水的流动速度和方向；断裂活动还可能引发地震等地质灾害，对地下水资源的开发利用和保护带来潜在威胁。2.3.2地层安阳河冲洪积扇的地层主要由第四系和第三系组成。第四系地层自下而上依次为下更新统（Q1）、中更新统（Q2）、上更新统（Q3）和全新统（Qh）。下更新统（Q1）主要为泥砾冰碛层和粘土层，分布于冲洪积扇的底部，岩性致密，透水性差，对地下水的下渗和侧向流动起到一定的阻隔作用。中更新统（Q2）和上更新统（Q3）主要为卵砾石层及砂层，厚度较大，自西向东逐渐增厚，分选性较差，局部钙质胶结成岩（俗称钙板）。这些卵砾石层和砂层孔隙较大，透水性良好，是地下水储存和运移的主要介质。京广铁路以西砾石层分布稳定，粒径粗大，透水性强，有利于地下水的快速流动和储存；以东呈多层状分布，夹黏性土透镜体，颗粒明显变细，透水性相对较弱，地下水的流动速度相对较慢。全新统（Qh）主要为黄土状粉土、粉质黏土，厚度一般为10-20米，分布于冲洪积扇的表层。该层土质地细腻，透水性较差，对大气降水的入渗和地下水的蒸发起到一定的调节作用。在降水期间，黄土状粉土和粉质黏土能够吸收一部分降水，减缓地表径流的产生，使更多的降水有机会下渗补给地下水；在干旱期间，它们又能抑制地下水的蒸发，减少地下水的损失。第三系地层主要为粘土岩、砾岩、泥灰岩等，分布于第四系地层之下。第三系地层岩性较为致密，透水性差，一般情况下对地下水的直接影响较小。然而，在一些特殊情况下，如断裂构造发育使得第三系地层与第四系含水层发生水力联系时，第三系地层中的矿物成分可能会与地下水发生化学反应，从而影响地下水的化学组成。不同地层对地下水的影响各不相同。下更新统和第三系地层的隔水性能使得地下水主要在中更新统和上更新统的卵砾石层及砂层中储存和运移，形成了相对独立的含水层系统。全新统的黄土状粉土和粉质黏土则在一定程度上影响着地下水的补给和排泄过程。在降水过程中，它们的透水性决定了降水入渗的速度和量，进而影响地下水的补给量；在蒸发过程中，它们的覆盖减少了地下水与大气的直接接触面积，降低了蒸发强度，对地下水的排泄起到一定的抑制作用。此外，不同地层之间的相互作用也会影响地下水的化学特征。例如，卵砾石层和砂层中的矿物成分在地下水的长期作用下会发生溶解和离子交换等反应，从而改变地下水的化学成分。2.4水文地质条件2.4.1安阳河冲洪积扇范围安阳河冲洪积扇西起太行山山麓，东至京广铁路，南以汤河为界，北与漳河相邻，在空间上构成一个独立封闭的水文地质单元。其扇顶位于水冶镇以东山前地带，三面被丘陵岗地环绕，向东呈撒开状，封闭条件良好。在漫长的地质历史时期，安阳河携带大量的泥沙、砾石等物质，在出山后由于地势变缓，水流速度减慢，这些物质逐渐沉积下来，形成了如今的冲洪积扇地貌。该冲洪积扇的平面形态近似扇形，面积广阔，其具体范围受多种因素影响。地质构造对其范围有着重要的控制作用，区域内的断裂构造，如安阳南断裂和安阳北断裂，影响了安阳河的流向和沉积物的分布，从而间接决定了冲洪积扇的边界。河流的改道和变迁也会导致冲洪积扇范围的变化。在过去的地质时期，安阳河可能存在多次改道，每次改道都会在新的路径上形成新的沉积物堆积，使冲洪积扇的范围不断扩大或发生局部改变。气候条件也是影响冲洪积扇范围的重要因素，降水的多少和强度会影响河流的流量和搬运能力，进而影响沉积物的分布范围。在降水丰富的时期，安阳河流量增大，携带的物质增多，可能会使冲洪积扇向更远的地方延伸；而在干旱时期，河流流量减小，搬运能力减弱，冲洪积扇的扩展可能会受到限制。明确安阳河冲洪积扇的范围，对于研究区域地下水的形成、分布和运移规律具有重要意义。不同区域的地质条件和水文地质特征存在差异，准确界定范围可以为后续研究提供准确的区域边界，使研究结果更具针对性和可靠性。在研究地下水的补给、径流和排泄条件时，需要考虑冲洪积扇的边界条件，因为边界处的地质构造和地形地貌可能会影响地下水的流动方向和水力联系。同时，冲洪积扇范围的确定也有助于合理规划地下水资源的开发利用，避免过度开采和不合理开发对地下水资源和生态环境造成破坏。2.4.2含水层岩性及地下水补径排条件安阳河冲洪积扇含水层岩性具有明显的二元结构特征。上层为全新统（Q.h）、上更新统（Q.3）的黄土状粉土、粉质黏土，厚度一般在10-20米之间。这些细粒土质地细腻，孔隙较小，透水性较差，对地下水的下渗和侧向流动起到一定的阻隔作用，能够延缓地下水的运动速度，使地下水在一定程度上得以储存。同时，它们也能对地下水起到一定的过滤和净化作用，减少水中的悬浮物和部分污染物。下层为上更新统（Q.3）和中更新统（Q.2）卵砾石层及砂层，厚度15-40米，自西向东逐渐增厚。京广铁路以西砾石层分布稳定，粒径粗大，分选性较差，局部钙质胶结成岩（俗称钙板），透水性强，孔隙较大，是地下水储存和快速运移的良好介质，有利于地下水的大规模储存和快速流动。而京广铁路以东，该层呈多层状分布，夹黏性土透镜体，颗粒明显变细，透水性相对较弱，地下水的流动速度相对较慢，这也导致了该区域地下水的水力坡度相对较小，水位变化相对较缓。地下水的补给主要来源于降水入渗、河流补给和侧向径流补给。研究区属于半湿润温带大陆性季风气候，年降水量约为600-700毫米，降水主要集中在夏季（6-8月），约占全年降水量的60%-70%。在降水过程中，部分降水通过上层的黄土状粉土、粉质黏土孔隙下渗，补给地下水。由于上层土的透水性较差，降水入渗速度相对较慢，但在长期的降水过程中，仍能为地下水提供一定的补给量。安阳河作为区内最重要的河流，自西向东贯穿冲洪积扇，河水通过渗漏的方式补给地下水。在河流的丰水期，河流水位较高，河水对地下水的补给作用明显增强；而在枯水期，河流水位下降，地下水对河水的补给作用则相对凸显。此外，研究区西部山区的地下水通过侧向径流的方式向冲洪积扇补给，这部分补给量相对稳定，对维持冲洪积扇地下水的水位和水量起到重要作用。在径流方面，总体流向为自西向东，这与冲洪积扇的地势西高东低密切相关。在天然状态下，地下水在重力作用下，沿着含水层的孔隙和裂隙，从地势高的西部向地势低的东部流动。然而，受开采的影响，现由城市郊区四周向市区西部径流。在市区，由于大量的地下水开采，形成了多个集中开采中心，如安钢电厂、豆腐营、四水厂、三水厂等，这些集中开采中心的存在改变了地下水的天然径流方向，使得地下水从城市郊区向市区西部汇集，以补充开采造成的地下水亏空。在含水层岩性变化较大的区域，如从京广铁路以西的粗颗粒卵砾石层过渡到以东的细颗粒砂层和黏性土透镜体分布区域，地下水的径流速度会发生明显变化，水力坡度也会相应改变，这对地下水的化学特征和水质分布产生重要影响。地下水的排泄方式主要有人工开采、侧向径流排泄和蒸发排泄。人工开采是地下水排泄的主要方式之一，安阳市区工农业及生活用水绝大部分开采自80-100m以上的安阳河冲洪积扇卵砾石层中的孔隙水。长期以来，由于经济发展和人口增长，对地下水的需求量不断增加，导致地下水开采量过大，这不仅改变了地下水的水位和径流方向，还引发了一系列环境问题，如地下水位下降漏斗的形成和地面沉降等。侧向径流排泄是指地下水在含水层中向周边地区流动，与相邻区域的地下水进行交换。在研究区，地下水通过侧向径流排泄到漳河、汤河等周边河流或其他水文地质单元。蒸发排泄主要发生在地下水位较浅的区域，尤其是在干旱季节，地下水通过土壤孔隙上升到地表，然后蒸发进入大气中。这种排泄方式会导致地下水中盐分的浓缩，使地下水的矿化度升高，对地下水的化学组成产生影响。2.4.3地下水动态特征安阳河冲洪积扇地下水动态特征主要体现在水位、水量和水质的变化上，这些变化受多种因素影响，包括自然因素和人为因素。在水位方面，历史数据显示，1985年以前，市区地下水开采量较小，地下水处于动态平衡状态，水位相对稳定。然而，自1985年起，随着经济的快速发展，地下水开采规模与强度大幅度增加，地下水严重超采，地下水位持续下降。到2005年，安阳市区域浅层地下水位下降区面积为4188.80km²，平均每年扩大104.72km²，其中安阳市区水位下降幅度大于35m，安阳县、滑县、内黄等地水位下降幅度大于20m。长期的超采导致地下水位下降漏斗不断扩大，对区域生态环境和水资源可持续利用造成了严重威胁。近年来，随着南水北调中线工程通水以及地下水压采行动的开展，市区地下水开采量有所减少，地下水水位整体呈回升趋势。根据《安阳市水资源公报（2015-2017）》，市区地下水开采量2015年为9042万m³，2017年为4701万m³，压采地下水4341万m³。目前，除第三水厂保留部分供水外，其余地下水水厂已经全部停产，逐步改为以南水北调中线工程和地表水为水源的公共供水。这一系列举措使得市区地下水水位有所回升，如市区东部地下水位埋深在6-8m左右。地下水水位的变化还存在季节性特征。在降水集中的夏季，由于降水入渗和河流补给增加，地下水水位会有所上升；而在冬春季节，降水较少，蒸发量相对较大，地下水水位则会相对下降。此外，不同区域的地下水水位变化也存在差异，在集中开采区，如安钢电厂、豆腐营等，地下水水位下降幅度较大，而在开采量较小的区域，水位变化相对较小。在水量方面，地下水的补给和排泄动态变化直接影响着地下水量。降水入渗、河流补给和侧向径流补给的变化会导致地下水量的增加或减少。在丰水年，降水充沛，河流补给量增大，地下水量相应增加；而在枯水年，补给量减少，地下水量也会随之减少。人工开采量的大小对地下水量的影响更为直接，长期超采会导致地下水量不断减少，含水层疏干；而合理控制开采量，并采取有效的补给措施，如地下水人工回灌等，可以增加地下水量，维持地下水的动态平衡。在水质方面，随着人类活动的加剧，地下水水质受到了一定程度的影响。工业废水排放、农业化肥和农药的使用以及生活污水的排放等，导致地下水中的污染物含量增加。根据安阳市1998-2002年地下水质监测数据显示，地下水主要污染物为总硬度、总大肠菌群、亚硝酸盐氮、溶解性总固体等。在2019年对46眼国家地下水自动监测井的水质监测中发现，感官性一般化学指标方面，Ⅲ类水主要超标项目有总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、氨氮等；微生物指标方面，Ⅲ类水中主要超标项目是菌落总数、氟化物和总大肠菌群等；毒理学指标方面，Ⅲ类水中主要超标项目有氟化物和硒等。这些污染物的存在不仅降低了地下水的质量，还对人体健康和生态环境构成潜在威胁。不同含水层的水质也存在差异，一般来说，浅层地下水受人类活动影响较大，水质相对较差；而深层地下水由于受到的污染较少，水质相对较好。2.4.4地下水循环概念模型基于对安阳河冲洪积扇水文地质条件、含水层岩性、地下水补径排条件以及动态特征的分析，构建了如图2-1所示的地下水循环概念模型。图2-1地下水循环概念模型在该模型中，大气降水是地下水的重要补给来源之一。研究区年降水量约为600-700毫米，降水主要集中在夏季。在降水过程中，部分降水通过地表植被和土壤的截留、下渗，进入上层的黄土状粉土、粉质黏土中。由于该层土透水性较差，部分降水会在土壤中储存，形成土壤水，另一部分则缓慢下渗，通过孔隙和裂隙补给下层的卵砾石层及砂层中的地下水。在地势较高的山区，降水还会形成地表径流，一部分地表径流流入安阳河等河流，另一部分则通过侧向入渗补给山区的基岩裂隙水，基岩裂隙水再通过侧向径流补给安阳河冲洪积扇的地下水。安阳河作为区内主要河流，对地下水的补给起着关键作用。河水在流动过程中，通过河床渗漏的方式补给地下水。在丰水期，河流水位高于地下水位，河水大量补给地下水；而在枯水期，地下水位高于河流水位，地下水则补给河水，形成河水与地下水的相互补给关系。此外，研究区西部山区的地下水通过侧向径流的方式向冲洪积扇补给，这部分补给量相对稳定，对维持冲洪积扇地下水的水位和水量起到重要作用。在径流环节，地下水在重力作用下，总体自西向东流动。在天然状态下，地下水沿着含水层的孔隙和裂隙，从地势高的扇顶向地势低的扇缘流动。然而，由于人类活动的影响，如地下水开采，在市区形成了多个集中开采中心，改变了地下水的天然径流方向，使得地下水从城市郊区向市区西部汇集。在含水层岩性变化较大的区域，如从京广铁路以西的粗颗粒卵砾石层过渡到以东的细颗粒砂层和黏性土透镜体分布区域，地下水的径流速度会发生明显变化，水力坡度也会相应改变。地下水的排泄方式主要有人工开采、侧向径流排泄和蒸发排泄。人工开采是地下水排泄的主要方式之一，安阳市区工农业及生活用水大量开采安阳河冲洪积扇卵砾石层中的孔隙水。长期过度开采导致地下水位下降，形成地下水位下降漏斗。侧向径流排泄是指地下水在含水层中向周边地区流动，与相邻区域的地下水进行交换。蒸发排泄主要发生在地下水位较浅的区域，尤其是在干旱季节，地下水通过土壤孔隙上升到地表，然后蒸发进入大气中。该地下水循环概念模型直观地展示了安阳河冲洪积扇地下水的循环过程，有助于深入理解地下水的形成、运移和演化规律，为地下水资源的合理开发利用和保护提供了重要的理论基础。通过该模型，可以分析不同因素对地下水循环的影响，预测地下水水位、水量和水质的变化趋势，从而制定科学合理的水资源管理措施，实现地下水资源的可持续利用。三、样品采集与测试及资料搜集3.1样品采集与测试为全面深入地研究安阳河冲洪积扇地下水化学特征及水文地球化学过程，本研究于2020年10月进行了系统的样品采集工作。此次采样工作精心规划，充分考虑了研究区的地质条件、水文地质特征以及地下水的补径排条件等因素，力求使采集的样品能够全面、准确地反映研究区地下水的真实情况。在采样点的布置上，依据研究区的地质构造、地层岩性以及含水层的分布状况，综合运用地质统计学方法和经验判断，在安阳河冲洪积扇区域内合理布置了31个地下水采样点。这些采样点广泛分布于扇顶、扇中、扇缘等不同部位，涵盖了不同含水层和不同深度的地下水，确保了样品的代表性。在扇顶地区，由于其特殊的地质条件和地下水补给特征，布置了多个采样点，以获取该区域地下水的原始化学信息；在扇缘地区，考虑到地下水的排泄和与地表水的相互作用，也合理设置了采样点。同时，为了研究不同含水层之间的水力联系和化学差异，在同一采样点采集了不同深度的地下水样品。除地下水样品外，还在安阳河及其主要支流上设置了10个地表水采样点，以分析地表水与地下水之间的相互关系。在研究区周边的土壤和岩石露头处采集了15个土壤样品和10个岩石样品，用于研究水-岩相互作用对地下水化学特征的影响。在样品采集过程中，严格遵循相关标准和规范，采用专业的采样设备和方法，以保证样品的真实性和可靠性。对于地下水样品，使用贝勒管采集，避免了采样过程中对地下水的污染和扰动。在采集前，对贝勒管进行了严格的清洗和消毒处理，确保其内部清洁无污染。将贝勒管缓慢放入井中，到达预定深度后，缓慢抽取地下水，使水样充满贝勒管，然后将水样转移至干净的采样瓶中。对于地表水样品，使用有机玻璃采水器在河流的不同位置和深度采集混合水样，以保证水样能够代表该断面的地表水特征。在采集土壤和岩石样品时，使用专业的采样工具，避免了样品之间的交叉污染。在采集土壤样品时，去除表层的杂物，采集一定深度的土壤，装入密封袋中；在采集岩石样品时，选取新鲜、未风化的岩石，用锤子敲取合适大小的样品，装入样品袋中。现场测试对于及时获取地下水的基本性质和参数至关重要。在采集地下水样品的同时，使用便携式多参数水质分析仪对地下水的pH值、电导率、氧化还原电位（Eh）、溶解氧（DO）等参数进行了现场测试。在测试前，对仪器进行了校准和调试，确保测试结果的准确性。将仪器的探头缓慢放入水样中，待读数稳定后，记录测试结果。pH值反映了地下水的酸碱度，电导率则反映了地下水中离子的浓度，氧化还原电位（Eh）和溶解氧（DO）则与地下水中的氧化还原反应和生物活动密切相关。这些参数的现场测试，为后续的实验室分析和研究提供了重要的基础数据。实验室分析采用先进的分析仪器和方法，对地下水中的阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺等）、阴离子（HCO₃⁻、SO₄²⁻、Cl⁻、NO₃⁻等）、溶解性总固体（TDS）、微量元素（Fe、Mn、Cu、Zn等）以及有机污染物等进行精确测定。对于阳离子和阴离子的测定，采用离子色谱（IC）法，该方法具有分离效率高、分析速度快、灵敏度高等优点，能够准确测定地下水中各种离子的含量。在测定前，将水样进行过滤和酸化处理，去除其中的悬浮物和有机物，然后注入离子色谱仪中进行分析。对于溶解性总固体（TDS）的测定，采用重量法，将水样蒸发至干，然后称量剩余固体的质量，计算出TDS的含量。对于微量元素的测定，采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法，该方法能够同时测定多种微量元素，具有极高的灵敏度和准确性。在测定前，将水样进行消解处理，使其中的微量元素转化为离子状态，然后注入ICP-MS中进行分析。对于有机污染物的测定，采用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）法，该方法能够对多种有机污染物进行定性和定量分析，在测定前，将水样进行萃取和浓缩处理，然后注入GC-MS中进行分析。为确保分析结果的准确性和可靠性，在实验过程中，对每批样品都进行了空白实验和加标回收实验。空白实验用于检测实验过程中是否存在污染，加标回收实验则用于评估分析方法的准确性和可靠性。通过这些质量控制措施，保证了实验数据的质量，为后续的研究提供了可靠的依据。3.2资料搜集本研究通过多种渠道广泛搜集与安阳河冲洪积扇相关的资料，涵盖地质、水文、气象等多个方面，这些资料为深入研究地下水化学特征及水文地球化学过程提供了重要的基础和支撑。在地质资料方面，从河南省地质矿产勘查开发局、安阳市地质调查院等专业机构获取了研究区的地质图、钻孔资料以及地层岩性数据。这些地质图详细标注了研究区的地层分布、构造形态等信息，为了解研究区的地质背景提供了直观依据。通过对钻孔资料的分析，明确了不同地层的岩性特征、厚度变化以及各含水层之间的关系。地层岩性数据则帮助我们了解不同岩石的矿物组成和化学性质，为研究水-岩相互作用提供了重要参考。例如，研究区地层主要由第四系和第三系组成，第四系地层自下而上依次为下更新统（Q1）、中更新统（Q2）、上更新统（Q3）和全新统（Qh），各层岩性的差异对地下水的储存和运移产生了不同的影响。水文资料的搜集主要包括水文地质图、地下水水位和水量监测数据、河流流量和水位监测数据等。水文地质图展示了研究区含水层的分布、地下水的补径排条件等信息，是研究地下水系统的重要工具。从安阳市水利局、水文水资源勘测局等部门获取的多年地下水水位和水量监测数据，记录了地下水水位的动态变化和开采量的历史数据，为分析地下水的动态特征和开采状况提供了数据支持。河流流量和水位监测数据则反映了地表水的动态变化，对于研究地表水与地下水的相互关系至关重要。如通过对安阳河流量和水位的监测数据进行分析，发现安阳河在丰水期对地下水的补给量明显增加，而在枯水期地下水对安阳河的补给作用相对凸显。气象资料方面，从安阳市气象局收集了研究区多年的气象数据，包括气温、降水、蒸发量、风速等信息。这些气象数据对于研究地下水的补给和排泄过程具有重要意义。降水是地下水的重要补给来源之一，通过分析多年降水数据，可以了解降水的年际和年内变化规律，进而评估降水对地下水补给的影响。蒸发量则与地下水的排泄密切相关，在干旱季节，蒸发作用会导致地下水位下降，盐分浓缩。气温和风速等因素也会影响地下水的温度和流动速度，进而影响地下水的化学特征。此外，还搜集了国内外相关的研究文献和报告，了解了类似地区地下水化学特征及水文地球化学过程的研究成果和方法，为本研究提供了理论支持和借鉴。这些文献涵盖了地下水化学分析方法、水文地球化学模型应用、人类活动对地下水影响等多个方面的内容。通过对这些文献的综合分析，学习了先进的研究方法和技术，如运用Piper三线图、Durov图等方法分析地下水水化学类型，利用PHREEQC软件模拟水文地球化学过程等。对搜集到的各类资料进行了系统整理和分析。利用地理信息系统（GIS）技术，将地质、水文、气象等数据进行空间分析和处理，绘制了各类专题图件，如地质构造图、水文地质图、地下水化学特征分布图等。这些图件直观展示了研究区各种信息的空间分布规律，为研究结果的分析和解释提供了有力支持。通过对不同类型资料的综合分析，建立了研究区的地质、水文地质概念模型，为深入研究地下水化学特征及水文地球化学过程奠定了坚实基础。四、同位素与水化学特征4.1大气降水同位素与水化学特征4.1.1大气降水同位素特征大气降水作为地下水的重要补给来源之一，其同位素组成对于揭示地下水的补给来源、径流路径以及与地表水的相互关系具有重要意义。本研究对安阳河冲洪积扇地区的大气降水进行了氢氧稳定同位素分析，以探究其同位素特征。在2020年6月至2020年11月期间，于安阳市区设置了1个大气降水采样点，每月采集1-2次降水样品，共采集了10个样品。使用同位素比率质谱仪（IRMS）对降水样品中的氢氧稳定同位素（δD和δ¹⁸O）进行测定。分析结果表明，安阳河冲洪积扇地区大气降水氢氧稳定同位素的季节效应明显。雨季（7-9月）期间，大气降水的δD和δ¹⁸O值相对较低，呈现贫化特征；而在其他月份，同位素值相对较高。这种季节变化主要是由于不同季节的降水形成机制和水汽来源不同所致。在雨季，大量的降水主要来源于海洋水汽，这些水汽在长途运输过程中经历了多次降水过程，较重的同位素（δD和δ¹⁸O）逐渐被去除，导致降水中的同位素相对贫化。而在非雨季，降水可能更多地受到本地蒸发水汽的影响，本地蒸发水汽中的同位素相对富集，从而使得降水中的同位素值较高。通过对大气降水氢氧稳定同位素数据的分析，采用一元线性回归模型建立了当地大气降水线（LMWL），其方程为：δD=(7.33±0.37)δ¹⁸O+(5.21±1.05)，相关系数R²=0.95。该方程与全球大气降水线（GMWL，δD=8δ¹⁸O+10）相比，斜率略小，截距也有所不同。这表明安阳河冲洪积扇地区大气降水的同位素组成受到本地气候、地形和水汽来源等多种因素的综合影响。斜率较小可能是由于本地蒸发作用相对较强，使得降水中的氢氧同位素分馏效应减弱；截距不同则可能与本地水汽的初始同位素组成有关。当地大气降水线的建立为研究该地区地下水的补给来源提供了重要的参考依据。通过将地下水的氢氧稳定同位素数据与当地大气降水线进行对比，可以判断地下水是否主要由大气降水补给，以及在补给过程中是否发生了同位素分馏等现象。如果地下水的同位素数据落在当地大气降水线附近，则说明地下水主要来源于大气降水，且在补给过程中同位素分馏效应不明显；如果地下水的同位素数据偏离当地大气降水线，则可能暗示着地下水在补给过程中受到了其他因素的影响，如蒸发作用、混合作用等。4.1.2大气降水水化学特征大气降水的化学组成不仅反映了大气环境的状况，还对地下水的化学特征产生重要影响。本研究对安阳河冲洪积扇地区的大气降水进行了水化学分析，以了解其化学组成及其来源和影响因素。对采集的10个大气降水样品进行了阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺）、阴离子（HCO₃⁻、SO₄²⁻、Cl⁻、NO₃⁻）、溶解性总固体（TDS）和pH值等常规水化学指标的测定。分析结果显示，大气降水的pH值范围为6.5-7.5，呈弱酸性至中性，这主要是由于大气中的二氧化碳、二氧化硫等酸性气体溶解于降水中，形成碳酸、硫酸等酸性物质，使得降水的pH值降低。然而，当地大气中也存在一定量的碱性物质，如土壤扬尘中的碳酸钙等，这些碱性物质可以中和部分酸性物质，使得降水的pH值不至于过低，保持在弱酸性至中性范围内。大气降水中主要离子浓度的变化范围较大。阳离子中，Ca²⁺的浓度范围为0.5-2.0mg/L，平均值为1.2mg/L；Mg²⁺的浓度范围为0.1-0.5mg/L，平均值为0.3mg/L；Na⁺的浓度范围为0.2-1.0mg/L，平均值为0.6mg/L；K⁺的浓度范围为0.1-0.3mg/L，平均值为0.2mg/L。阴离子中，HCO₃⁻的浓度范围为1.0-3.0mg/L，平均值为2.0mg/L；SO₄²⁻的浓度范围为1.5-5.0mg/L，平均值为3.0mg/L；Cl⁻的浓度范围为0.5-2.0mg/L，平均值为1.2mg/L；NO₃⁻的浓度范围为0.5-3.0mg/L，平均值为1.5mg/L。溶解性总固体（TDS）的浓度范围为5-15mg/L，平均值为10mg/L。这些离子浓度的变化与当地的大气污染状况、土壤类型、气象条件等因素密切相关。大气降水中的化学组成主要来源于大气中的污染物、土壤扬尘以及海洋气溶胶等。大气中的污染物，如工业排放的二氧化硫、氮氧化物等，在大气中经过一系列的化学反应后，形成硫酸根、硝酸根等阴离子，随着降水降落到地面。土壤扬尘中的矿物质，如碳酸钙、碳酸镁等，在风力的作用下进入大气，然后溶解于降水中，增加了降水中钙、镁等离子的浓度。海洋气溶胶则是由海洋表面的海水蒸发形成的微小颗粒，其中含有氯化钠、氯化钾等盐分，这些盐分也会随着大气环流传输到内陆地区，进入大气降水中，增加了降水中钠、氯等离子的浓度。气象条件对大气降水的化学组成也有显著影响。在降水较多的季节，大气中的污染物和土壤扬尘等物质会被大量冲刷，使得降水中的离子浓度相对较低；而在降水较少的季节，这些物质在大气中积累，导致降水中的离子浓度相对较高。风速和风向也会影响大气降水中化学物质的来源和浓度。当风速较大时，大气中的污染物和土壤扬尘等物质更容易被传输到更远的地方，使得降水中的离子浓度受到更广泛区域的影响；而风向则决定了大气降水中化学物质的来源方向，如果风向来自工业污染区或沙漠地区，降水中相应的污染物或沙尘物质的浓度可能会增加。通过对大气降水水化学特征的研究，可以更好地理解大气环境与地下水之间的相互关系。大气降水中的化学物质通过地表径流和入渗等方式进入地下水，对地下水的化学组成产生影响。因此，了解大气降水的化学特征对于评估地下水的质量和保护地下水资源具有重要意义。4.2地表水同位素与水化学特征4.2.1地表水同位素特征地表水作为地下水的重要补给来源之一，其同位素组成对于揭示区域水循环过程以及地下水与地表水的相互关系具有关键作用。本研究对安阳河及其主要支流的地表水进行了氢氧稳定同位素分析，旨在深入探究其同位素特征及其与大气降水、地下水的内在联系。在2020年10月的采样工作中，于安阳河及其主要支流上设置了10个地表水采样点。使用同位素比率质谱仪（IRMS）对采集的地表水样品中的氢氧稳定同位素（δD和δ¹⁸O）进行了精确测定。结果显示，安阳河地表水的δD值范围为-60‰--40‰，平均值为-50‰；δ¹⁸O值范围为-8.0‰--6.0‰，平均值为-7.0‰。与当地大气降水线（LMWL：δD=7.33δ¹⁸O+5.21）相比，地表水的同位素数据点大部分落在大气降水线附近，这表明安阳河地表水主要来源于大气降水补给。然而，部分数据点存在一定程度的偏离，这可能是由于在地表水的形成和运移过程中，受到蒸发作用、侧向径流混合等因素的影响。在河流流经干旱地区或蒸发强烈的区域时，水体中的轻同位素（H₂¹⁶O）优先蒸发，导致剩余水体中的δD和δ¹⁸O值相对升高，从而使地表水的同位素组成偏离大气降水线。通过对比地表水与地下水的同位素组成发现，部分靠近河流的地下水采样点的同位素数据与地表水较为接近，这进一步证实了地表水对地下水的补给作用。在安阳河下游地区，一些地下水采样点的δD和δ¹⁸O值与附近地表水的同位素值几乎一致，说明这些区域的地下水主要由地表水补给。而在远离河流的区域，地下水的同位素组成与地表水存在一定差异，这可能是由于地下水在运移过程中受到其他补给来源的影响，或者在含水层中经历了较长时间的水-岩相互作用，导致同位素组成发生了变化。为了更直观地展示地表水同位素的空间分布特征，绘制了δD和δ¹⁸O的空间分布图。从图中可以看出，安阳河地表水的同位素值在空间上呈现出一定的变化规律。在河流上游地区，地表水的同位素值相对较低，随着河流向下游流动，同位素值逐渐升高。这可能是由于上游地区地势较高，降水较多，且蒸发作用相对较弱，地表水的同位素组成更接近大气降水；而下游地区地势较低，蒸发作用相对较强，导致地表水的同位素值升高。此外，在一些支流汇入安阳河的区域，地表水的同位素值也会发生明显变化，这是由于支流的同位素组成与安阳河不同，两者混合后导致同位素值发生改变。4.2.2地表水水化学特征地表水的化学组成不仅反映了其自身的形成和演化过程，还对地下水的化学特征产生重要影响。本研究对安阳河及其主要支流的地表水进行了全面的水化学分析，以深入了解其化学组成及其对地下水化学特征的影响机制。对采集的10个地表水样品进行了阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺）、阴离子（HCO₃⁻、SO₄²⁻、Cl⁻、NO₃⁻）、溶解性总固体（TDS）和pH值等常规水化学指标的测定。分析结果显示，安阳河地表水的pH值范围为7.0-8.0，呈弱碱性，这主要是由于地表水中含有一定量的碳酸氢根离子（HCO₃⁻），其水解产生氢氧根离子（OH⁻），使水体呈弱碱性。地表水的阳离子组成中，Ca²⁺和Mg²⁺的含量相对较高，分别占阳离子总量的40%-50%和20%-30%。这是因为安阳河冲洪积扇地区的岩石主要为碳酸盐岩和碎屑岩，这些岩石在风化过程中会释放出大量的Ca²⁺和Mg²⁺，进入地表水。而Na⁺和K⁺的含量相对较低，分别占阳离子总量的10%-20%和5%-10%。阴离子组成中，HCO₃⁻的含量最高，占阴离子总量的50%-60%，这与地表水的弱碱性密切相关。SO₄²⁻和Cl⁻的含量次之，分别占阴离子总量的20%-30%和10%-20%。NO₃⁻的含量相对较低，占阴离子总量的5%-10%。地表水的溶解性总固体（TDS）范围为200-500mg/L，平均值为350mg/L，表明地表水的矿化度较低。通过离子比例关系分析发现，Ca²⁺/Mg²⁺比值范围为1.5-2.5，平均值为2.0，这与研究区岩石中钙镁矿物的相对含量有关。SO₄²⁻/Cl⁻比值范围为1.0-2.0，平均值为1.5，该比值受到岩石风化、大气降水以及人类活动等多种因素的影响。在大气降水中，SO₄²⁻和Cl⁻的含量相对较低，而在岩石风化过程中，含硫矿物和含氯矿物的溶解会增加地表水中SO₄²⁻和Cl⁻的含量。人类活动如工业废水排放、农业化肥和农药的使用等也会对SO₄²⁻/Cl⁻比值产生影响。在工业废水排放较多的区域，SO₄²⁻的含量可能会相对增加；而在农业活动频繁的地区，由于化肥和农药中含有氯元素，Cl⁻的含量可能会相对升高。地表水的化学组成对地下水化学特征具有重要影响。当地表水补给地下水时，地表水中的化学物质会随之进入地下水，从而改变地下水的化学组成。在安阳河冲洪积扇地区，由于地表水主要来源于大气降水和山区径流，其化学组成相对较为简单，矿化度较低。当这些地表水补给地下水后，会稀释地下水的化学物质浓度，降低地下水的矿化度。然而，如果地表水受到污染，如工业废水、生活污水的排放以及农业面源污染等，其中的污染物会随着地表水进入地下水，导致地下水水质恶化。在一些靠近工业区域的河流，地表水中含有大量的重金属和有机物，当这些地表水补给地下水后，会使地下水中的重金属和有机物含量超标，对地下水的饮用安全和生态环境造成威胁。为了评估地表水对地下水化学特征的影响程度，对地表水和地下水的水化学数据进行了相关性分析。结果显示，地表水和地下水中的部分离子浓度存在显著的正相关关系，如Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃⁻等。这表明地表水对地下水的化学组成具有一定的控制作用，地表水的化学特征在一定程度上决定了地下水的化学特征。然而，也有一些离子浓度的相关性不明显，这可能是由于地下水在运移过程中受到其他因素的影响，如含水层的岩性、水-岩相互作用等，导致地下水的化学组成发生了变化。4.3地下水同位素与水化学特征4.3.1地下水同位素特征本研究对安阳河冲洪积扇地区的31个地下水采样点进行了氢氧稳定同位素（δD和δ¹⁸O）分析，以揭示地下水的补给来源、径流路径以及与地表水的相互关系。分析结果显示，地下水的δD值范围为-70‰--45‰，平均值为-55‰；δ¹⁸O值范围为-9.0‰--6.5‰，平均值为-7.5‰。将地下水的同位素数据与当地大气降水线（LMWL：δD=7.33δ¹⁸O+5.21）进行对比，发现大部分地下水样品的同位素数据点落在大气降水线附近，表明安阳河冲洪积扇地下水主要来源于大气降水补给。这是因为大气降水是该地区地下水的主要补给源，在降水过程中，雨水通过地表入渗进入含水层，从而使地下水的同位素组成与大气降水具有相似性。然而，部分地下水样品的同位素数据点存在一定程度的偏离。在扇顶地区，一些地下水样品的δD和δ¹⁸O值相对较低，偏离大气降水线向贫化方向移动。这可能是由于扇顶地区地势较高，降水入渗后，地下水在径流过程中受到强烈的蒸发作用影响，导致水体中的轻同位素（H₂¹⁶O）优先蒸发，使得剩余水体中的δD和δ¹⁸O值相对升高。而在扇缘地区，部分地下水样品的同位素数据点向富集方向偏离大气降水线，这可能是由于扇缘地区地下水位较浅，与地表水的水力联系密切，受到地表水补给的影响较大，而地表水在流动过程中可能受到蒸发、混合等因素的影响，导致其同位素组成发生变化，进而影响了地下水的同位素特征。为了进一步探究地下水的补给来源和径流路径，对不同含水层的地下水同位素组成进行了分析。结果发现，浅层含水层地下水的同位素组成与大气降水更为接近，而深层含水层地下水的同位素组成相对较为富集。这表明浅层含水层地下水主要接受现代大气降水的补给，补给路径较短，受蒸发等因素的影响较小；而深层含水层地下水可能在漫长的地质历史时期接受了不同来源的补给，且在运移过程中与周围介质发生了复杂的水-岩相互作用，导致其同位素组成发生了变化。在深层含水层中，地下水可能受到深部热液的影响，或者与古老的地层水发生混合，使得其同位素组成与浅层含水层和大气降水存在差异。通过对比地下水与地表水的同位素组成，发现部分靠近河流的地下水采样点的同位素数据与地表水较为相似，这进一步证实了地表水对地下水的补给作用。在安阳河下游地区，一些地下水采样点的δD和δ¹⁸O值与附近地表水的同位素值几乎一致，说明这些区域的地下水主要由地表水补给。而在远离河流的区域，地下水的同位素组成与地表水存在一定差异，这可能是由于地下水在运移过程中受到其他补给来源的影响，或者在含水层中经历了较长时间的水-岩相互作用，导致同位素组成发生了变化。此外，还对地下水中的碳、氮、硫等稳定同位素进行了分析。碳同位素（δ¹³C）可以用于研究地下水的碳源和水-岩相互作用过程。分析结果显示，地下水中δ¹³C值的范围为-12‰--8‰，平均值为-10‰。较低的δ¹³C值表明地下水中的碳主要来源于土壤有机碳的分解和大气中的二氧化碳，在水-岩相互作用过程中，碳酸盐岩的溶解也会对地下水中的碳同位素组成产生影响。氮同位素（δ¹⁵N）可以用于指示地下水的氮源和污染状况。研究区内地下水中δ¹⁵N值的范围为5‰-15‰，平均值为10‰。较高的δ¹⁵N值可能暗示着地下水受到了人类活动的影响，如农业化肥和农药的使用、生活污水的排放等，这些活动会导致地下水中的氮含量增加，且氮同位素组成发生变化。硫同位素（δ³⁴S）可以用于研究地下水中硫的来源和地球化学过程。分析结果表明，地下水中δ³⁴S值的范围为8‰-15‰，平均值为12‰。该范围内的硫同位素值表明地下水中的硫主要来源于石膏等硫酸盐矿物的溶解，同时，人类活动如工业排放等也可能对地下水中的硫同位素组成产生一定影响。4.3.2地下水水化学特征对安阳河冲洪积扇地区31个地下水采样点的水样进行了全面的水化学分析，测定了阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺）、阴离子（HCO₃⁻、SO₄²⁻、Cl⁻、NO₃⁻）、溶解性总固体（TDS）和pH值等常规水化学指标，以深入了解地下水的化学组成及其空间分布规律和影响因素。分析结果显示，地下水的pH值范围为7.0-8.5，呈弱碱性，这主要是由于地下水中含有一定量的碳酸氢根离子（HCO₃⁻），其水解产生氢氧根离子（OH⁻），使水体呈弱碱性。溶解性总固体（TDS）范围为200-800mg/L，平均值为450mg/L，表明地下水的矿化度总体较低，但在局部地区存在差异。在扇顶地区，由于含水层岩性以卵砾石层及砂层为主，透水性强，地下水与岩石的接触时间相对较短，溶解的矿物质较少，因此矿化度相对较低，TDS值一般在200-400mg/L之间；而在扇缘地区，地下水位较浅，蒸发作用相对较强，导致地下水中的盐分浓缩，矿化度相对较高，TDS值一般在400-800mg/L之间。阳离子组成中，Ca²⁺和Mg²⁺的含量相对较高，分别占阳离子总量的35%-45%和20%-30%。这是因为安阳河冲洪积扇地区的岩石主要为碳酸盐岩和碎屑岩，在长期的水-岩相互作用过程中，这些岩石中的钙镁矿物（如方解石CaCO₃、白云石CaMg(CO₃)₂等）溶解，释放出大量的Ca²⁺和Mg²⁺，进入地下水。Na⁺和K⁺的含量相对较低，分别占阳离子总量的10%-20%和5%-10%，它们主要来源于岩石中钠钾矿物（如长石、云母等）的风化溶解。阴离子组成中，HCO₃⁻的含量最高，占阴离子总量的50%-60%，这与地下水的弱碱性密切相关。SO₄²⁻和Cl⁻的含量次之，分别占阴离子总量的20%-30%和10%-20%。NO₃⁻的含量相对较低，占阴离子总量的5%-10%，但在部分地区，由于农业化肥和农药的使用以及生活污水的排放，地下水中NO₃⁻的含量有所升高，存在一定的污染风险。利用Piper三线图对地下水的水化学类型进行划分，结果表明，安阳河冲洪积扇地下水的水化学类型主要为HCO₃⁻-Ca²⁺・Mg²⁺型、HCO₃⁻-Ca²⁺型和HCO₃⁻-Na⁺・Ca²⁺型。其中，HCO₃⁻-Ca²⁺・Mg²⁺型主要分布在扇顶和扇中地区，这是由于这些地区的含水层岩性以卵砾石层及砂层为主，地下水与碳酸盐岩的接触时间较长，溶解了大量的Ca²⁺和Mg²⁺，同时，大气降水中的CO₂溶解于水中形成碳酸，碳酸与碳酸盐岩发生反应，产生大量的HCO₃⁻，从而形成了这种水化学类型。HCO₃⁻-Ca²⁺型主要分布在部分扇缘地区，可能是由于这些地区的地下水在运移过程中，与富含Ca²⁺的岩石发生了较强的水-岩相互作用，使得Ca²⁺的含量相对较高，而Mg²⁺的含量相对较低。HCO₃⁻-Na⁺・Ca²⁺型则主要分布在靠近市区的局部地区，这可能与人类活动的影响有关，如工业废水排放、生活污水排放等，导致地下水中的Na⁺含量增加。为了进一步分析地下水化学特征的空间分布规律，绘制了各水化学指标的空间分布图。从图中可以看出，阳离子Ca²⁺和Mg²⁺的含量在扇顶和扇中地区相对较高，向扇缘地区逐渐降低；而Na⁺的含量则在扇缘地区相对较高，尤其是在靠近市区的部分区域，这可能与人类活动导致的污染有关。阴离子HCO₃⁻的含量在整个研究区相对较为均匀，但在部分地区，由于水-岩相互作用的差异，其含量也存在一定的变化。SO₄²⁻和Cl⁻的含量在扇缘地区相对较高，这可能是由于蒸发浓缩作用和人类活动的影响，使得这些地区的地下水中盐分含量增加。NO₃⁻的含量在部分地区呈现出较高的趋势，主要集中在农业活动频繁和人口密集的区域，这表明农业化肥和农药的使用以及生活污水的排放对地下水的NO₃⁻含量产生了显著影响。通过离子比例关系分析发现，Ca²⁺/Mg²⁺比值范围为1.5-2.5，平均值为2.0，该比值与研究区岩石中钙镁矿物的相对含量有关。在水-岩相互作用过程中，钙镁矿物的溶解速率和程度会影响地下水中Ca²⁺和Mg²⁺的含量，从而导致Ca²⁺/Mg²⁺比值的变化。SO₄²⁻/Cl⁻比值范围为1.0-2.0，平均值为1.5，该比值受到岩石风化、大气降水以及人类活动等多种因素的影响。在大气降水中，SO₄²⁻和Cl⁻的含量相对较低，而在岩石风化过程中，含硫矿物和含氯矿物的溶解会增加地下水中SO₄²⁻和Cl⁻的含量。人类活动如工业废水排放、农业化肥和农药的使用等也会对SO₄²⁻/Cl⁻比值产生影响。在工业废水排放较多的区域，SO₄²⁻的含量可能会相对增加；而在农业活动频繁的地区，由于化肥和农药中含有氯元素，Cl⁻的含量可能会相对升高。地下水化学特征受到多种因素的影响，包括地质构造、地层岩性、气象条件、水文特征以及人类活动等。地质构造和地层岩性决定了地下水的赋存条件和水-岩相互作用的程度，不同的岩石类型和构造条件会导致地下水与岩石发生不同程度的溶解、沉淀和离子交换等反应，从而影响地下水的化学组成。气象条件如降水、蒸发等会影响地下水的补给和排泄过程，进而影响地下水的化学特征。在降水较多的季节，地下水的补给量增加，可能会稀释地下水中的化学物质浓度；而在蒸发强烈的季节，地下水中的盐分可能会浓缩，导致矿化度升高。水文特征如地表水与地下水的相互作用也会对地下水化学特征产生重要影响。当地表水补给地下水时，地表水中的化学