皮山河地表水和地下水水化学特征分析

梁冰++杨向荣++封丽华++李升

摘 要：采用水文地质调查和水化学技术，通过对皮山河流域地表水和地下水的补径排关系及水化学分析研究，探讨了皮山河流域地表水和地下水的水化学特征分布。结果表明，皮山河地表水从上游到下游矿化度整体呈上升趋势，而中间略有波动，西北支流和东北支流溶解性总固体（TDS）质量浓度范围分别为237.45～663.58mg/L和237.45～2306.10mg/L。

关键词：地表水；地下水；水化学

中图分类号：P342 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0176-04

引言

地下水水化学研究是水文地质学的重要研究内容之一。开展相关研究不仅对揭示地下水化学特征和水化学形成作用具有重要的学术意义，而且对地下水水资源保护和可持续开发利用具有重要的实际价值[1-3]。天然水的化学成分是水在循环过程中与周围环境长期相互作用的结果[4]。因此，天然水化学组成从一定程度上记录着水体形成、运移的历史，是了解地下水与地表水相互作用的一种“有效示踪方法”[4-5]。

1 研究区概况

1.1 气象

研究区地处亚洲内陆，塔里木盆地南缘，远离海洋，属典型的大陆性干旱气候。气候干燥，降水稀少，蒸发强烈，干旱多风，气温变化剧烈，昼夜温差大，年温差悬殊。

1.2 水文地质条件

1.2.1 地下水分布及其特征

流域内主要分布有碎屑岩类孔隙裂隙水及松散岩类孔隙水，分述如下：

（1）碎屑岩类孔隙裂隙水

分布于工作区南部的低山丘陵区，含水层岩性主要为新近系砂岩、粉砂岩、泥质砂岩、砾岩，次为古近系砾岩、砂岩等。单井涌水量小于100m3/d。

（2）松散岩类孔隙水

松散岩类孔隙水为单一结构潜水。含水层由上更新统-中更新统洪积、下更新统冰水沉积及全新统冲洪积层组成。含水层岩性具有明显的水平分带性：自山麓向平原在水平方向上，岩性由粗变细，即由卵砾石逐渐过渡为砂砾石、中粗砂、粉细砂和亚砂土。在垂直方向上：由单一的卵砾石层逐渐过渡为砂砾石、砂层、亚砂土互层。

1.2.2 地下水补给、径流、排泄条件

地下水主要接受南部山区侧向径流补给和区内垂直入渗补给（渠系、水库、水塘、田间入渗）。

山前冲洪积砾质平原为地下水补给-径流区，砾质平原中部至细土平原前缘为径流-排泄区。地下水由南向北运移，方向基本与河流流向一致。

从山前砾质平原区到细土平原前缘，随着含水层颗粒变细，运移速度变缓，细土平原至沙漠前缘为地下水排泄区，地下水溢出后形成沼泽、小型湖泊和泉水河，并通过蒸发、蒸腾排泄和侧向流入沙漠。

地下水在溢出带及平原河谷下游，以泉的形式排泄，汇入泉水沟及河道，潜水在水平径流的同时，垂向循环加强，以地面蒸发、植物蒸腾消耗为主。

2 研究区水化学分布特征

利用Piper三线图可判断某种水体水化学类型及各离子组分含量的比例关系等。[6]而水体和含水层介质中的离子交换反应通常用Chloro-Alkaline指数来研究[7-8]；当水中的Ca2+或Mg2+与含水层介质中的Na+或K+发生交换反应，Chloro-Alkaline指数为负值，如果发生反向离子交换，Chloro-Alkaline为正值。

皮山流域共取樣20个，其中地表水6个，地下水14个，现根据检测结果分析如下。

2.1 地表水水化学特征分析

皮山河流域共取地表水水样6个，由表1可以看出，从出山口到排泄区，地表水化学类型呈现出规律的变化。出山口水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na型水，沿河水流动方向水化学类型逐渐变化为SO4·CI-Na·Ca和SO4·CI·HCO3-Na·Mg型水。

河水矿化度沿河流流向整体呈递增趋势，由出山口向河流下游排泄区，矿化度波动较大。河流出山口处TDS为237.45mg/L，到科热铁热克乡村东水库达到最大值，为2306.10mg/L其主要原因为水库水的蒸发作用较为强烈。

河水常量离子组分的变化规律与TDS大致相同，离子含量不断升高，但其离子组分所占百分比有所变化。阳离子中优势离子由Ca2+逐渐变化为Na+，而二者含量远远大于Mg2+，阴离子中HCO3-一直占主导地位，分别为Cl-和SO42-的1.47倍和1.25倍。

2.2 浅层地下水水化学特征分析

皮山河流域浅层水随着水流方向水化学类型从HCO3·SO4·CI-Ca·Na型水逐渐变为SO4·Cl·HCO3-Na·Mg和Cl·SO4-Na·Mg型水。TDS整体趋势先减小后增大，总体呈上升态势，在JFX21达到最大，为2658.50mg/L。

皮山河流域潜水中的主要离子成分沿径流方向整体上升，阳离子中的优势离子由Ca2+转化为Na+，与地表水的变化规律相同，证明二者有密切的水力联系。而阴离子中的优势离子由最初的HCO3-逐渐变为SO42-，分别为SO42-和Cl-的1.51倍和1.34倍。

2.3 水文地球化学参数

特定的水文地球化学参数可以刻划水动力特点和水化学演化趋势，其中rCl-/rCa2+比值作为刻划水动力特点的参数，可以反映不同水文地质单元的水动力特征，rMg2+/rCa2+及rNa+/rMg2+比值反映了矿化作用的强弱，rCl-/rHCO3-、rCl-/rSO42-比值可作为反映阴离子演化过程及组分分配等变化的水文地球化学参数，rNa+/rCl-则反映了大陆盐化过程。

由表3可知：皮山河流域潜水，rCl-/rCa2+在上游较为平稳，但在下游呈现出波动性，由此表明，由南向北水动力条件比较复杂，与TDS变化规律一致。Cl-在滞缓的水动力带中富集，矿化度升高。rNa+/rMg2+“两极分化”，分别处于0.02～0.41和0.95～1.13范围内。endprint

rCl-/rHCO3-、rCl-/rSO42-整體呈增长趋势，与Piper三线图反应结果一致。

rNa+/rCl-范围较小，反映了大陆盐化过程及Na+、Cl-相对含量的增长情况。总体来看，Na+与Cl-含量比值较为平稳，水质向盐化方向发展，变化较为稳定。

3 水化学空间分布特征

由图3可知，由上游至下游，地表水由Ca和HCO3一端向Mg和SO4一端演化，地下水由Ca和HCO3一端向Na和SO4一端演化。说明二者在出山口接受相同的补给，推测地表水的Mg2+的急剧上涨与浅层地下水的侧向径流补给有关，而地下水Na+含量的上升是由于细土平原带地下水位埋深较浅，蒸发作用强而且有盐岩溶解而导致。同时SO42-含量上升，而Ca2+的含量下降，Mg2+的含量上升，推测未发生明显的白云石溶解现象，而有硫酸镁岩石的溶解。

Chloro-Alkaline指数为负值，表明地表水在径流过程中水体中的Ca2+与河床介质中的Na+发生离子交换，使得地表水中Na+浓度大于Cl-的浓度。由表4可知，皮山河上中下游的Chloro-Alkaline均为正值，呈现出反向阳离子交换作用，推测河流上游河床介质中Na+含量少而Ca2+含量多，河水主要以溶解含Ca2+矿物为主。

4 结束语

从皮山河上游至下游，地表水水化学类型由HCO3·SO4-Ca·Na型水逐渐变化为SO4·CI-Na·Ca和SO4·CI·HCO3-Na·Mg型水，阳离子中优势由Ca2+变为Na+，阴离子中HCO3-一直都是优势离子。浅层地下水的水化学类型由HCO3·SO4·CI-Ca·Na型水变为SO4·Cl·HCO3-Na·Mg和Cl·SO4-Na·Mg型水，阳离子中的主导离子由Ca2+变为Na+，阴离子中的主导离子由HCO3-变为SO42-。

地表水和地下水接受相同的补给来源，二者水化学演化过程出现不同推测是因为浅层地下水测向补给地表水，使地表水中的Mg2+含量上升，而同时Na+和Mg2+发生了离子交换作用，使皮山河中下游地表水的水化学特征异于地下水。浅层地下水水化学特征变化的主要机制来源于岩盐，硫酸镁岩石等的溶解，同时受蒸发浓缩作用的影响。

参考文献：

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