张掖盆地不同水体TDS变化规律及其水文循环指示意义

陈明聪

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 前言

TDS是水中总溶解固体含量，它直接反映了水的咸化程度[1]，是地下水水化学长期演变的最终结果，也是表征水文地球化学作用过程的重要参数，可集中反映区域水文地球化学特征[2]。干旱半干旱地区地下水盐化是影响和控制地下水环境的重要因素，已在全球范围内引起了广泛的关注和重视。地下水盐化是指地下水总溶解固体(TDS)和所有化学组分浓度的增加，沿着地下水流方向从补给区到排泄区发生相应的变化[3]。我国西北内陆干旱盆地平原区松散沉积层地下水的咸化过程主要是大陆盐化过程，溶滤和蒸发作用是其主要表现形式[1]。

李文鹏等[4]将内陆干旱盆地平原区地下水划分为四级地下水流系统，即山前局部地下水流系统(Ⅰ)、区域地下水流系统(Ⅱ)、滞流地下水流系统(Ⅲ)和细土平原区易变的局部地下水流系统(Ⅳ)。山前局部地下水流系统(Ⅰ)的地下水接受补给条件好，径流交替积极，以盐分溶滤作用为主。在区域地下水流系统(Ⅱ)和易变的局部地下水流系统(Ⅳ)共同作用下，地下水和地层中的盐分在水平方向上从盆地边缘向中心迁移和聚集，在垂向上则从深部向浅部迁移和聚集，这就是为什么盆地中部广大地区地下水具有上咸下淡的普遍特点以及深部存在由盆地边缘向中部延伸的舌状淡水带的主要原因。

孙芳强等[5]研究了鄂尔多斯盆地白垩系地层的水化学特征，并以此为依据研究了水化学对地下水循环的指示意义。于静洁等[6]、宋献方等[7]和宋洋等[8]利用水化学和同位素数据，分别研究了永定河、潮白河和柳江盆地东宫河流域地下水的循环特征。刘蔚等[9]研究了黑河流域水体的水化学特征，认为地下水体化学特征在气候与地质因素的影响下形成自南向北3个基本带：一是山区裂隙水及山前砾石带重碳酸盐带；二是山前冲、洪积、湖积平原硫酸盐带；三是荒漠区及积盐洼地氯化物带。丁宏伟等[10]认为河西走廊平原区地下水化学成分呈现水平和垂直分带性，主要是受溶滤和大陆盐化作用共同影响，依据走廊平原地下水的矿化程度， 自南而北可划分出三个基本水化学带： 淡水带、咸水覆盖下的淡水—微咸水带和咸水带，张掖盆地多数地区位于淡水带。黑河中游灌区地下水化学成分具有空间分异特征[11-12]，地表水与地下水主要水化学类型从东南向西北都经过了由HCO3-－SO42-型水向SO42-－HCO3-型水，再向SO42-－Cl-型水演化的过程[13]。王丹丹等[14]研究了额济纳盆地生态输水期间和间歇期地下水的水化学成分变化，研究表明，地下水的水化学类型并未改变，但是TDS、总硬度和主要离子含量有了明显的增加。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。地下水与地表水相互转化过程，水中溶解的物质伴随水量的交换同步进行。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”[15-16]，同样，可以将水体的TDS参数作为张掖盆地不同水体水循环的示踪剂。综上所述，在以往张掖盆地的地下水循环研究中，仅从区域的角度给出了地下水水化学特征的变化规律，对于张掖盆地主要地表水体在水循环中的作用，以及盆地不同部位地下水TDS分布特征的高精度研究，尚未见此类报道。

地下水资源作为水资源的重要组成部分和表现形式，在西北干旱区具有不可替代的作用，许多地区甚至是唯一的可用水源[4]。地下水的TDS是其能否成为资源的重要参数。因此，研究西北内陆盆地地下水的TDS变化规律，对于研究区域水文地球化学演化和开发利用区域地下水资源具有重要意义。

2 研究区概况

张掖盆地地处河西走廊中段，西靠临泽，东至山丹、民乐，南为祁连山，北依龙首山，气候特征表现为热量充足，日照长，温差较大，属于大陆荒漠性气候[17]，年降水量＜200mm，年水面蒸发量＞2 050mm[18]。区内地形地貌平坦，南高北低，地貌上分为祁连山山前冲洪积戈壁平原和盆地中部冲洪积细土平原以及北部龙首山山前戈壁平原[19]。祁连山山前洪积扇及细土平原规模大，扇顶部水位埋深＞200m，潜水含水层由单一厚层状粗颗粒的卵砾石及砂砾石组成。至扇中地带，水位埋深50～150m，含水层中含泥质渐多，及扇缘和细土平原南部，水位埋深10～50m，含水介质颗粒渐细，由单一的潜水含水层渐变为多层的潜水—承压水含水岩组。北部龙首山山前冲洪积扇及细土平原规模小[20]。

盆地内富水性最丰富的地段是黑河洪积扇中下部，单井(降深5m)出水量＞5 000m3/d，其次是扇缘带盆地及黑河沿岸地带，单井出水量3 000～5 000m3/d，南北山前最差，＜1 000m3/d[21]。

张掖盆地地下水的主要补给来源是黑河、梨园河以及走廊上游河流的入渗补给，地下水的流动方向与地势变化的方向基本一致，即从东南方向流向西北方向，最后在新华镇西北方向区域侧向流出张掖盆地，进入酒泉东盆地。受黑河和梨园河入渗补给的影响，在两条河的下游平原堡镇和临泽县一带分别有泉水溢出，成为了地下水排泄的一种重要方式。

祁连山发育的河流在祁连山前戈壁带强烈渗漏补给地下水，主要河流有黑河及其支流山丹河、梨园河等。在干旱季节及雨量较少的年份，黑河在312国道黑河大桥至高崖水文站段水量极小。河水补给地下水后即向水头较低处流动，在甘州区靖安乡和临泽县新华乡以泉水或自流井的形式流出地表。

3 研究方法

2014年，笔者在张掖盆地开展了水文地质调查工作(见图1)，选取了大量地表水和地下水调查点以及勘探孔，并进行化学成分测试分析。取样原则是沿平行于和垂直于地下水流动方向开展取样，对于没有采集到样品的区域收集前人数据综合分析。勘探孔利用封隔器技术进行分层取样。通过分析水平方向和垂直方向地下水的TDS变化规律，分析了张掖盆地不同水体之间的循环转化。

图1 研究区交通位置图及取样点分布图

4 分析

4.1 河流的TDS特征

河水是该区域地下水的重要补给来源，因此首先分析河水的TDS特征，对于研究整个盆地的地表水和地下水的循环具有指示和控制作用。

黑河干流和梨园河是张掖盆地两条较大的河流，发源于祁连山，汇水面积较大，其年平均径流量分别为16.8×108m3/a和2.48×108m3/a，大磁窑河和小磁窑河同样发源于祁连山，但是汇水面积较小，流量较小，一般年径流量＜0.2×108m3/a(见下表)。从下表中可以看出，河流的大小不同，明显的显示出出山口河水TDS的不同，大河流(黑河、梨园河)河水的TDS较低，一般低于300mg/L，而小河流河水的TDS较高，接近1 000mg/L。

河水的来源主要是冰雪融水和山间降水，冰雪融水和降水形成地表径流，汇集后进入河道。地表径流与基岩相互接触，发生溶滤作用，从而TDS较降水有一定的升高。因为是在相同的地区，所以蒸发强度相同。大河流的流量大，一定的蒸发对其TDS影响不明显；小河流的流量较小，小到了在自然条件下几乎被蒸干的地步，受蒸发后剩余的河水量很小，从而导致小河流河水的TDS较高。

主要河流河水的TDS值

4.2 剖面Ⅰ方向(SW-NE)地下水的TDS变化

首先分析从祁连山至龙首山方向(SW-NE)即垂直于走廊走向方向地下水TDS的变化。取样点的TDS变化如图2。

图2 剖面Ⅰ地下水TDS变化规律图

通过图2不同调查点的TDS对比可以看出，地下水的TDS总体处于上升的趋势。在溢出带上游，地下水的TDS具有上升趋势，说明河水在祁连山前入渗补给地下水后，与围岩发生溶滤作用，导致地下水的TDS有了一定的升高；到溢出带的下游，地下水的TDS具有明显的上升趋势，尤其是到了龙首山前，部分区域地下水的TDS＞1 000mg/L，与祁连山前地下水的TDS有明显差异，反应了走廊南北两侧补给源的不同。祁连山山体高大，雨水充沛，在漫长的第四纪沉积物的形成过程中，形成了一个相对难溶的环境[22]，因而地下水的TDS上升缓慢；龙首山雨水较少，山前的棱角状—次棱角状沉积物也表明，该区域并未接受大规模的冲积和搬运，因此围岩中可溶性物质相对较高，从而导致龙首山前地下水TDS较高，水质与祁连山前的地下水明显不同。

4.3 剖面Ⅱ(SE-NW)地下水TDS变化

图3为沿走廊方向(由东南向西北)的地下水TDS变化曲线。从图3可以看出，沿走廊方向在石岗墩一带，地下水未受河水入渗影响之前，随着地下水的流动，地下水的TDS有上升趋势，反应了地下水与围岩之间的溶滤作用。随着地下水的流动，由于受到黑河和梨园河的影响，地下水的TDS在两河河道处有了明显的下降，两河影响带最低点ZY396和HQ3的TDS与河水无异，表明了河水通过河床强烈渗漏补给地下水，反应了该区域河流—含水层系统的特征[23]。

图3 沿走廊方向取样点TDS变化图

4.4 垂向TDS对比

垂向对比分析中使用了勘探孔分层抽水和溢出带不同井深的样品数据。侯光才等[24]在中国地质调查项目“鄂尔多斯盆地地下水勘查”研究中使用了封隔器技术开展分层取样，效果明显。勘探孔利用封隔器进行分层抽水，可以认为上下层的水样分别代表含水层上、下段的水质情况。溢出带不同层位分析中分别采用了20～30m的井和100m的机民井，同样可以将这些水样分别视为含水层上、下段的代表。

勘探孔的数据分析见图4。从图4中可以看出，HQ9、HQ10、HQ13的上下层水的TDS基本一致，究其原因，这三个点位于地层岩性单一结构区，为单一砂砾石，渗透性极好，极好的导通性导致上下层水质情况几乎一致。

图4 不同深度样品TDS对比图

HQ1、HQ4、HQ6、HQ7、HQ8-2、HQ11、HQ12这些点上层水的TDS明显高于下层水，究其原因，这些点基本都位于多层结构区，上下含水层都有厚约10m的粘土层作为隔水层，由于地下水的深层循环和顶托补给作用，导致上层的TDS高于下层。

新华镇、蓼泉乡、板桥镇三个调查点浅井的TDS和相同位置深井的TDS有明显的区别，浅井的TDS要高于深井的TDS，井水TDS随着井深的增加而减小。形成这一特征的原因是这三个地点处于地下水流线上升区，存在深层地下水对浅层水的顶托补给，由于溶滤作用和浅层地下水的蒸发浓缩作用，导致浅井的TDS较高，深井的TDS较低。

5 结论

(1) 调查研究表明，张掖盆地地表水和地下水TDS普遍不高，基本都属于淡水。

(2) 张掖盆地的河流—含水层系统特征明显，河水与含水层之间存在密切的联系，作为地下水的重要补给来源，河水对地下水的影响明显。

(3) 地下水TDS横向变化规律：地下水在流动过程中，在不受河流、山前侧向补给等情况下，TDS有增大的趋势，反映了地下水在径流过程中的溶滤作用；在受到河水、山前侧向补给后，则地下水会显示出补给源的特征。

(4) 地下水TDS垂向变化规律：在富水性较好的单一结构区，地下水水质在垂向上差别不大，几乎一致；在多层结构区和排泄带附近，不同深度地下水的TDS具有差异，随着深度的增大，地下水的TDS降低，反映了地下水的顶托补给作用。

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