本科毕业设计涞源盆地地下水系统划分及水质演化分析.docx
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本科毕业设计涞源盆地地下水系统划分及水质演化分析
分类号密级
中国地质大学（北京）
本科毕业论文
题目河北涞源盆地地下水系统划分及水质演化分析
英文题目Groundwatersystemclassificationandwater
qualityevolutionofLaiyuanbasininHebei
学生姓名外力·许库尔院（系）水资源与环境学院
专业地下水科学与工程学号1005093234
指导教师毕二平职称教授
2013年6月
中国地质大学（北京）本科毕业设计（论文）任务书
学生姓名
外力·许库尔
班级
10050932
专业
地下水科学与工程
导师姓名
毕二平
职称
教授
单位
水资源与环境学院
毕业设计题目
河北涞源盆地地下水系统划分及水质演化分析
毕业设计（论文）主要内容和要求：
1．了解涞源盆地地下水资源分布情况。
2．通过分析已有水文地质调查资料，查明了涞源盆地地下水补给、径流和排泄的基本信息。
3．通过对涞源盆地内地下水系统的划分，可以更好地对涞源盆地内地下水的基本情况进行分析和总结。
4．对水质演化进行初步分析并得出结论以及提出相关建议。
毕业设计（论文）主要参考资料：
[1]窦妍,2007,盐池地区地下水化学成分演化规律研究[硕士thesis],长安大学.
[2]蒋小伟,2011,盆地含水系统与地下水流动系统特征[博士thesis],中国地质大学（北京）.
[3]王广才,陶澍,沈照理,钟佐燊,2000,平顶山矿区岩溶水系统水-岩相互作用的随机水文地球化学模拟:
水文地质工程地质,p.9-12.
[4]王新峰,刘蕴,李伟,邓启军,曹红,2012,涞源盆地水文地质特征及缺水现状分析:
南水北调与水利科技,p.74-78.
[5]邢卫国,2009,保定西部山区地下水赋存环境与勘查方法研究[博士thesis],中国地质大学（北京）.
毕业设计（论文）应完成的主要工作：
1.收集相关资料，阅读有关文献
2.翻译英文文献
3.初步确立题目，构思论文体系，完成开题报告
4.选择性的学习所需知识，整理资料及数据
5.总结资料，撰写论文，提交知道老师并进行必要修改
毕业设计（论文）进度安排：
序号
毕业设计（论文）各阶段内容
时间安排
备注
1
收集相关资料，阅读有关文献
2013.01.18-2013.03.10
2
翻译英文文献
2013.03.11-2013.03.15
3
初步确立题目，构思论文体系，完成开题报告
2013.03.16
4
选择性的学习所需知识，整理资料及数据,完成中期报告
2013.04.27
5
总结资料，撰写论文
2013.04.16-2013.05.15
6
提交指导老师并进行必要修改
2013.05.16-2013.06.03
课题信息：
课题性质：
设计论文
课题来源：
教学科研生产其它
发出任务书日期：
2013年1月18日
指导教师签名：
年月日
教研室意见：
教研室主任签名：
年月日
学生签名：
摘要
涞源盆地位于保定西部太行山区。
由于地形地貌和气候等原因，涞源盆地地区地下水资源匮乏且分布不均。
通过对涞源盆地内地下水系统的划分，可以更好地对涞源盆地内地下水的基本情况进行分析和总结，对地下水资源的管理也可以起到一定的帮助作用。
同时，对涞源盆地内地下水水质演化的分析，可以了解地下水主要化学成分的成因。
本文通过分析已有水文地质调查资料，查明了涞源盆地地下水补给、径流和排泄条件，对涞源盆地内地下水系统进行了划分；对地下水水质演化特征进行了的初步分析。
主要结论如下：
1、涞源盆地东部分水岭为王安镇侵入岩体，南部分水岭为上元古界片麻岩隔水层。
新构造以导水为主，老构造以阻水为主。
在西北部团圆向斜，地下水流向向斜核部，故西北部地表水分水岭与地下水分水岭也趋于一致。
向斜倾末端为西南分水岭，地下水水位较高，地表水分水岭与地下水分水岭也基本一致。
因此认为涞源盆地为一个地表水与地下水分水岭基本一致的封闭盆地。
根据资料，本文将涞源盆地地下水系统分为两个亚系统，分别为孔隙水含水系统和裂隙水含水系统。
其中孔隙水含水系统分布于盆地内，主要由新生界构成，富水性较好；裂隙水含水系统主要分布于盆地四周基岩裸露地区，富水部位不严格受到地质构造的影响。
2、在综合地质和水文地质资料基础上，利用水文地球化学方法对涞源盆地的地下水化学特征进行了探讨。
近年来，涞源盆地地下水中TDS、Mg2+、HCO3-、SO42-离子的浓度有所升高，而Ca2+、K++Na+和Cl-离子的浓度有所降低。
径流条件与岩性构造是影响该区的地下水水化学成分的主要原因。
关键词：
涞源盆地；地下水系统；地质构造；水文地球化学
Abstract
LaiyuanbasinislocatedinthemountainousareasofWesternBaoding.Becauseoftopographyandclimateandotherreasons,ThedistributionofLaiyuanbasingroundwaterisunevenandthegroundwaterresourceisscarcity.ThroughthedivisionofLaiyuanbasingroundwatersystem,theanalysisandsummaryofLaiyuanbasingroundwaterbasicconditionswillbebetterandthemanagementofgroundwaterresourcescanhelptoalleviatetheproblemoflocalgroundwaterresource.Atthesametime,accordingtotheLaiyuanbasingroundwaterqualityanalysisofevolution,canfindthesourceofthechemicalcompositionofgroundwater,andhelptoalleviatetheproblemofthelackofgroundwaterresourcesthattowasexacerbatedbypollution.Inthispaper,throughtheanalysisofthehydrogeologicalsurveydata,thebasicinformationongroundwaterrecharge,runoffanddrainageofLaiyuanbasinwerediscussedandthegroundwatersystemwasclassified.Meanwhile,thewaterqualitydatain2005and2011wereanalyzed,andtheevolutionofwaterqualityareanalyzed.Thefollowingconclusionsweredrawn:
1）EastLaiyuanbasinwatershedasWangAnzhenpluton,southernpartofthewaterridgeUpperProterozoicgneissaquifugeandfoundanewstructurethattotheguidewaterandoldstructuretoblockwater.Northwestreunionsyncline,undergroundwaterflowtothecoreofsyncline,sothewestnorthofsurfacewaterandundergroundwatershouldalsobethesame.SoitconsideredthattheLaiyuanbasinisaclosedbasinandthesurfacewaterandundergroundwaterarebasicallythesame.Accordingtothedata,thegroundwatersysteminLaiyuanbasinisdividedintotwosubsystems,respectively,theporewateraquifersystemandfissurewateraquifersystem.Theporewateraquifersystemdistributioninthebasin,mainlycomposedofCenozoic,andrichinwater;Fissurewateraquifersystemaremainlydistributedinthesurroundingbedrockexposedareas,richwaterareaisnotuniform,strictlyaffectedbygeologicalstructure.
2）Onthedataofcomprehensivegeologicalandhydrogeological,chemicalcharacteristicsofgroundwaterinLaiyuanbasinarediscussedbyusinghydrogeochemicalmethodandfoundoutthepreliminaryconclusionsofgroundwaterinLaiyuanbasinthattheTDS,,Mg2+,HCO3-,andSO42-ionswareincreased,whiletheconcentrationofCa2+,K++Na+andCl-ionsweredecreased.Groundwaterqualityhasbecomeworseyearbyyear.Thetopographyandgeologicalstructureisthemainreasonofgroundwaterchemicalcompositionofthearea.
Keywords：
LaiyuanBasin；groundwatersystem；geologicalstructure；hydrogeochemistry；
目录
1.绪论1
1.1研究背景1
1.2国内外研究现状2
1.3研究目的及研究意义3
1.4研究内容与技术路线3
2.研究区概况4
2.1自然地理概况4
2.2地质条件5
3.地下水系统的划分8
3.1调查区水文地质条件8
3.1.1地下水的补给、径流和排泄条件8
3.1.2地质构造对地下水补给、径流和排泄的影响9
3.1.3地质构造对地下水富集的影响10
3.2地下水含水系统的划分11
3.2.1孔隙水系统12
3.2.2裂隙水系统12
3.2.3孔隙水系统与裂隙水系统的水力联系12
4.地下水化学演化初步分析13
4.1地下水化学特征13
4.1.1地下水化学结果分析13
4.1.2地下水化学类型15
4.2地下水化学演化分析15
5.结论与建议18
5.1结论18
5.2建议18
致谢19
参考文献20
1.绪论
1.1研究背景
涞源县位于河北省保定地区西北部，太行山北端，取涞水源头之意。
总面积2448平方km。
东北距北京160km，东距天津210km，东南距保定89km。
涞源县属全山区县，境内群山起伏，沟谷纵横，海拔1000米以上的山峰78座，1500米以上的山峰32座，2000米以上的山峰5座，尤其是位于县中南部的白石山，海拔2096米，最为雄伟壮观。
整个地势西北高，东南低。
涞源县河流，主要有拒马河和唐河两大河流，均属于大清河水系，总长79.65km，总流量19.24m3/秒。
涞源气候宜人，属暖温带半湿润季风气候区，山地气候特点显著，年最高平均气温21.8℃（7月）。
涞源境内很早就有人类繁衍生息，据出土文物考证，早在中石器时代就已有人类在拒马源一带生活，到商周时期已形成一定规模。
如今涞源享改革开放之天时，县委县、政府以其得天独厚的丰富资源，地理位置，四通八达的交通网络，功能齐全的配套设施以及宽松的环境，优惠的政策，确立了农业富民，矿业富县。
在我国，大型盆地往往是重要的粮食生产基地，通常还蕴藏着丰富的能源和矿产资源。
随着社会发展和工农业用水增加，地下水资源的开发利用规模也口益加大，引发了一系列地质环境问题，如区域性地下水位下降、地面沉降、以及土壤和生态系统退化等，危及供水安全、粮食安全和重大工程安全。
华北平原近几十年的大规模地下水开采，形成了面积达7.3万平方km的深层地下水“大漏斗”，占华北平原总面积的52%（张兆吉等.,2009）。
河北来源盆地水资源开发与生态环境保护的矛盾己成为制约当地社会经济发展的重要问题。
深入认识大型盆地地下水循环规律是解决以上问题的基础。
新中国成立以来，我国先后完成了全国1:
100万、1：
50万比例尺的水文地质普查，1:
20万区域水文地质调查，对全国的水文地质条件有了初步认识，但其调查的广度和深度较为局限（韩再生等，2001）。
随着地下水开采强度的增大以及人类活动对地表、地下水文条件的改变，原有水文地质调查成果己经无法满足盆地地下水循环规律研究的需要。
上述工作为认识盆地地下水循环规律提供了丰富的基础资料。
随着认识的不断深入，人们意识到大型盆地的水文地质勘查还缺乏相关的基础理论支撑（蒋小伟,2011）。
盆地地下水研究可以追溯到上个世纪40年代。
Hubbert（1940）对区域地下水流动特征作了分析，加深了人们对盆地地下水流动规律的认识。
在此基础上，Toth（1963）通过解析解研究发现，由于地下水位的起伏，均质各向同性的潜水盆地中可以发育局部、中间和区域三个不同级次的地下水流动系统，创立了基于重力驱动的地下水流动系统理论。
Toth（1980）提出“重力穿层流动”，将地下水流动系统理论推广到非均质介质。
地下水流动系统理论揭示了地下水各个部分的内在联系，在水文地质、石油和矿产勘探、地热开采、核废料处置、生态水文以及环境保护等一系列地学领域得到了广泛应用。
地下水流动系统理论较好地刻画了盆地尺度地下水的循环模式，是指导区域地下水研究的有力工具。
Witherspoon（1967）利用数值解讨论了地下水流动系统的影响因素，进一步完善了地下水流动系统理论。
我国积累的各大盆地水文地质资料为深入研究盆地地下水流动规律提供了丰富的数据来源。
在应用地下水流动系统理论过程中，人们发现该理论在许多方面还有待进一步完善，如地下水流动系统的水动力学特征、年龄分布及其影响因素的认识不够深入，不同级次地下水流动系统的精确划分还缺少既完善又简便的方案。
1.2国内外研究现状
涞源盆地属于半干旱地区。
涞源一带在不断轻微上升，而涞源盆地上升的速度较慢，相对于四周山地来说在徐徐下沉，粗大的树木随着盆地下降理入地下形成了煤。
四周的降水，或从地上或从地下聚到盆底，形成了拒马河。
目前，国内外关于松散层孔隙水的研究程度较深，主要研究趋势己由资源勘查转为水质管理、环境影响评价等方向。
在国内，经过长期地下水勘查实践，形成了蓄水构造理论、新构造控水理论和波浪镶嵌构造理。
蓄水构造理论由刘光亚教授提出，认为蓄水构造必需同时具备三个要素：
a.构成蓄水构造的含水介质一透水的岩层或岩体；b.构成蓄水构造的隔水边界一相对的隔水岩层或岩体；c.地下水的补给和排泄条件，即具有透水边界、补给水源和排泄出路。
新构造控水理论该理论由南京大学的肖楠森教授创立，认为新构造运动是地壳运动中最晚的一次构造运动，它改变了各个地区的自然历史条件，控制着各个地区地下水的活动和地下水资源的分布。
新构造找水是在局部构造上，利用新构造控水理论及相应的径迹探测裂隙水的方法，可以确定最佳井位和最佳取水深度，在一系列严重缺水地区和地质条件复杂的基岩山区，找到了地下水，取得了巨大的社会经济效益。
在国外，对于基岩裂隙水研究主要集中基岩裂隙的非均质性研究，由于发展阶段和供水需求上的差异，发达国家在基岩裂隙水供水水文地质勘查理论方面的研究成果很少（邢卫国,2009）。
地下水的补给、径流、排泄是地下水循环的三个基本环节（林学钰等，2005）。
一般认为，地下水在径流过程中，与介质相互作用，水质也会发生相应变化，其径流强度受补给区与排泄区的水力梯度以及介质渗透性等因素控制。
人们最初将介质概化为含水层与隔水层，并认为隔水层是绝对不透水的，含水层是地下水的基本功能单元。
“越流”现象发现以后，人们意识到含水层与相对隔水层组合而成的地下水含水系统才是地下水的基本功能单元。
关于水流和水质的研究，TothX（1963）采用解析解获得了均质各向同性盆地二维剖面上的水头分布，通过绘制流网初步分析了盆地中地下水的流动规律和水化学特征，逐步发展了地下水流动系统理论（蒋小伟,2011）。
水文地球化学是水文地质学的一部分，它是在水文地质学与地球化学基础发展起来的，以地下水化学成分的形成以及各种化学元素在其中迁移、富集与分散规律作为主要研究内容的一门学科。
国内外对水体化学演化的研究方法和手段概括起来有三种：
1）野外调查通过野外调查可以认识化学组分的时空变化特征，水岩介质特征，地球化学条件，水动力条件，并从理论上对组分的形成做出推断。
2）水化学数据资料分析。
在地下水系统演化中对水化学数据资料进行分析，国内外已有多本专著讨论。
3）模拟实验及计算机数值模拟。
一般是在野外调查的基础上，通过室内的物理模拟试验恢复实际水岩反应系统中化学组分的迁移和转化，通过改变模拟条件实现一系列特定条件下的水岩反应，并由此分析水化学组分实际条件下的成因机理。
而20世纪60年代初开始的计算机数值模拟技术解决了复杂的水化学环境和多种类的化学反应因素模拟。
国内近几十年来，水文地球化学的研究方法和成果被应用在地热勘察，有医疗意义的矿水的寻找，与地下水质有关的地方病的调查和防治、地下水污染及水化学形成的机制等等方面，取得了丰富的实际研究资料和成果。
水文地球化学模拟工作正在逐渐受到重视，水文地球化学模型也得到了很好的应用。
其中，我国在运用模型研究水一岩相互作用的研究成果最多，例如：
王珍岩（2003）等运用反向地球化学模拟理论证明渤海莱州湾南岸第四纪地下卤水是由古海水经强烈蒸发浓缩后被沉积物埋藏，并在赋存过程中发生水一岩相互作用，使地下水出现方解石、石膏及CO2气体的过饱和析出，并伴随与沉积物的多项阳离子交换反应（王珍岩等.,2003）；阿里木·吐尔逊等根据不同化学组分在坝基岩一水系统中的相互转化规律，建立了坝基老化的反向地球化学模型，并将该模型应用到了新安江大坝右坝段坝基老化分析中;张建立等突出用化学热力学模拟恢复水文地球化学环境的方法，在分析齐家水源地实际情况的基础上，界定了齐家水源地的水文地球化学环境指标（阿里木·吐尔逊,2008）。
李义连等通过分析娘子关泉域岩溶水的水文地质条件、岩溶发育规律以及水文地球化学特征，并用PHREEQC模拟该区可能的化学条件及相应条件下的矿物溶解状态，推测出地下水与其溶解矿物所处极限状态应为饱和状态，而实际应处于非饱和状态，若计算为过饱和状态，则应可能是分析数据错误所致（李义连等.,2002）；郭永海、沈照理等运用质量平衡模型研究河北平原从山前到滨海整个水流路径上所发生的水文地球化学作用以及水岩间质量交换（郭永海等.,1997）；王焰新等利用质量平衡反应模型，模拟山西柳林泉域岩溶地下水系统中的水一岩相互作用（王焰新等.,2004）；王广才等应用随机水文地球化学模拟方法，对平顶山矿区地下水系统中水一岩反应状态进行了随机水文地球化学模拟和评价（王广才等.,2000）。
另外，地热方面的研究，例如：
陈宗宇对天津塘沽热田的地热回灌试验进行了地球化学模拟，确定回灌对储层性质的影响等（陈宗宇,1998）。
总体上看，国内的水文地球化学模型的发展一直都比较薄弱，对于水文地球化学的应用面仍然较窄，应该进一步提高国内水文地球化学的开发和应用水平（窦妍,2007）。
1.3研究目的及研究意义
涞源盆地受地质构造、地形地貌、气候以及地下水超采等因素的影响，地下水资源匮乏。
水资源问题已经严重制约了当地经济、社会的可持续发展。
通过对涞源盆地地层、构造对地下水补给、径流和排泄规律影响的研究，划分涞源盆地地下水含水系统和地下水流动系统，从而可以更好地对其地下水赋存、排泄等基本情况进行总结，帮助当地进行地下水资源的开发利用。
与此同时，以往对该地区的研究多注重于地下水水量，很少关注研究区内地下水水质的演化规律。
而当地的自然地理条件以及人类活动对地下水水质的影响有可能加剧地下水资源匮乏的现状。
由于地下水水质与当地经济发展、居民生活紧密相关，因此对地下水化学成分的调查和研究具有重要意义。
通过对地下水化学成分的调查以及地下水化学演化规律的分析，能够一定程度上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。
1.4研究内容与技术路线
本文通过对涞源盆地及四周基岩地区的地层岩性、地质构造以及地下水补给、径流和排泄过往研究资料的总结，对其地下水系统进行划分，归纳了各地下水系统的基本情况。
同时，对地下水化学成分的形成及其控制因素进行了研究，并对自然地理和人类活动对地下水化学成分的影响进行讨论。
通过收集与分析气象、水文、地质与水文地质资料，讨论研究区地下水补给、径流和排泄条件。
同时基于水文地球化学资料分析了地下水化学演化特征。
2.研究区概况
2.1自然地理概况
河北省涞源县位于太行山、燕山、恒山三山交汇处，是拒马源、涞水源、易水源三源发祥地。
全县总面积2448km2，辖17个乡镇，285个行政村，平均海拔1000m左右。
东邻涞水、易县，南接唐县、顺平、阜平，西界山西省灵丘县，北与河北蔚县相连，涞源县位于河北省保定地区西北部，太行山北端。
东经114°20′~115°05′，北纬39°01′~39°40′。
总面积2448km2。
东北距北京160km，东距天津210km，东南距保定89km，山西大同市256km。
调查区位于涞源县西部（图2-1），区内包括涞源镇、留家庄乡、水堡镇、走马驿镇、南马庄乡、白石山镇以及上庄乡的一部分，总面积1200km2，占涞源县面积的50%，地理坐标为东经114°22′10″-114°49′11″，北纬39°36′4″-39°24′9″，南北
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