新疆和田河流域绿洲区浅层地下水水化学特征及成因分析

2018-07-21周金龙齐万秋陈云飞

水资源与水工程学报 2018年3期

李玲，周金龙，齐万秋，陈锋，陈云飞

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052； 2.新疆工程学院，新疆乌鲁木齐 830023； 3.新疆水文水资源工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830052； 4.新疆地矿局第二水文地质工程地质大队，新疆昌吉 831100)

1 研究背景

地下水中的化学成分是地下水与外界环境长期相互作用的产物[1]，其形成与变化受气候条件、地层岩性、地形地貌、地表水及人类活动等因素控制[2]。识别地下水化学特征及影响因素是水文地球化学重要的研究内容之一。不同地区各种因素对地下水化学特征的影响程度不同[3]。干旱半干旱地区地下水化学成分受气候影响较为明显，卢颖等[4]采用因子分析法得出控制张掖盆地地下水化学成分形成与改变的主要因素是蒸发浓缩作用，其次是溶滤作用；Wen Xiaohu等[5]根据同位素特征及离子比例关系得出在额济纳盆地大部分地下水都经历了长时间的蒸发浓缩作用。Islam等[6]、Ma Fengshan等[7]研究表明，沿海地区地下水水化学特征主要受到海水入侵的影响，且地下水与海水混合作用的程度不同，主要离子成分也有所差别。王珺瑜等[8]、袁建飞等[9]研究表明，岩溶发育区地下水中化学成分主要来自碳酸盐岩的溶解。王晓曦等[10]发现在冲积海积平原区，地下水中阳离子含量的变化很大程度上受阳离子交替吸附作用控制。人类活动对地下水的干扰越来越强烈，吕路等[11]、刘君等[12]研究发现过量开采条件下，地下水的水化学类型及主要阴阳离子的含量都发生了一定程度的变化。

和田河流域绿洲区位于新疆维吾尔自治区(以下简称“新疆”)昆仑山北麓、塔里木盆地南缘，周围被广阔的沙漠、戈壁所包围，气候异常干旱，地下水与地表水转换频繁，地下水中的化学成分复杂多变。关于该区地下水水化学特征许多学者从不同角度进行了研究，但未对其成因进行系统分析，如赵长森等[13]、乔云峰等[14]、张晓伟等[15]对地下水中主要离子与综合参数的相关性进行了分析；刘敏[16]分析了地下水中化学成分的空间分布规律；张艳丽[17]从主要离子及水化学类型等方面对和田县地下水水化学特征进行了研究[17]。本文在前人研究成果的基础上，依托中国地质调查局项目“西北地区主要城市地下水污染调查评价”，运用描述性统计分析法、Piper三线图、Gibbs图和离子比值法等对和田河流域绿洲区浅层地下水水化学特征及其成因进行分析，以期为合理利用和保护地下水资源提供一定的理论依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

和田河流域绿洲区位于和田河中游，沿喀拉喀什河和玉龙喀什河分布，包括和田县、洛浦县、墨玉县与和田市“三县一市”。和田河流域属暖温带大陆性干旱沙漠气候，四季分明，光热资源丰富，多年平均降水量35.6 mm，实测年蒸发量2 159～3 137 mm。

和田河流域绿洲区水文地质条件比较简单，均为第四系孔隙潜水，在259.1 m勘探深度内没有揭露到承压含水层[18]。该区地表覆盖了巨厚的第四纪松散堆积物，一般厚度为500～600 m，主要由渗透性好的卵砾石、砂砾石、中粗砂、细砂和粉砂土等组成，没有区域性成层的黏性土，有利于地表水转化为地下水，是本区地下水的主要储存场所。下伏古近纪-新近纪地层，由渗透性差的砂质、粉砂质和泥质岩组成，构成了相对隔水的基底[19]。绿洲南部位于冲积平原中上部，沉积颗粒较粗，地势高，地下水水力坡度相对较大，为1‰～4‰；北部属于冲积平原尾部，沿两河呈条带状分布，与沙漠相毗邻，沉积颗粒细，地势平缓，水力坡度小于1‰。根据含水介质及水动力条件的不同，将绿洲浅层地下水系统划分为强径流区和弱径流区(见图1)。

图1 和田河流域绿洲区地下水采样点分布图

研究区干旱少雨，大气降水一般不会成为地下水的有效补给，地下水的主要补给来自河流、渠系及田间灌溉水的入渗，其次有山区基岩裂隙水的侧向补给。强烈的地面蒸发和植物蒸腾、侧向潜流补给北部沙漠区以及人工开采是该区地下水的重要排泄方式[19]。

2.2 采样点布置及测试

3 结果与分析

3.1 水化学参数统计特征

采用描述性统计分析法对研究区44组地下水样的检测数据进行整理和计算(结果见表1)，并依据统计结果对地下水水化学特征进行初步分析。

研究区浅层地下水pH值的均值为7.56，属于中性-偏碱性水，大部分地下水的pH值变化范围为6.5～8.5，符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，只有少数地下水的pH值较高，如H61、H62和H70的pH值分别为8.99、9.09和10.50。

EC和TDS可以反映出地下水中离子的含量，水中溶解的离子越多，地下水的TDS越高，导电性越好，其EC值也就越大[20]。如表1所示，地下水EC的均值为2496 μs/cm，TDS的均值1506.0 mg/L，超过了《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中的标准限值，表明该区地下水中离子含量较大。

DO和Eh可以指示地下水的氧化还原状态，通常情况下，DO值在3.5～13.5 mg/L，Eh值大于400 mV，为高氧化环境的特点；没有溶解氧，Eh为负值时，地下水处于还原状态[1]。研究区地下水的Eh最小值为7 mV，均值为194 mV，DO最大值为7.35 mg/L，均值为2.75 mg/L，表明地下水大多处于氧化状态。该区浅层地下水样均为潜水，直接通过包气带跟大气相通，且包气带岩性多为砂石，透气性好，故地下水与大气中的氧气接触密切，大多具有一定的氧化能力。

表1 地下水检测指标的描述性统计

注：EC单位为μs/cm，Eh单位为mV，pH无量纲，其余指标单位为mg/L。

TH的均值为620.9 mg/L，超过了《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中的标准限值。研究区地下水硬度高除了与Ca2+、Mg2+有关外，还受到TDS的影响。TH与TDS的Pearson系数r=0.829，表明TH与TDS呈正向显著相关，即随着TDS的升高，TH也不断增加。这是因为若地下水的TDS升高，水中离子的总量增加，离子强度就显著增强，那么在强电解质作用下水中钙、镁碳酸盐的溶解度增加，更多的Ca2+、Mg2+进入到浅层地下水中，从而导致硬度升高[21]。

3.2 常见离子及TDS空间分布特征

由图2可知，沿地下水流程，各常见离子的含量和TDS均不断增加，越靠近沙漠区含量越高，其中Na++K+、SO42-、Cl-的含量高且变化波动状况一致，Ca2+和Mg2+的含量较低，增幅也小。

图2 地下水中常见离子含量及TDS变化曲线图

3.3 水化学类型

4 讨论

影响研究区地下水中化学成分的形成过程主要有蒸发浓缩作用、溶滤作用、阳离子交替吸附作用及人类活动等[24]。

图3 不同深度地下水中常见离子及TDS的平均含量

图4 和田河流域绿洲区地下水Piper三线图

Gibbs图是判断地下水化学成分形成与变化影响因素的一种重要手段，从图中能直接反映出地下水中化学成分的形成过程属于“大气降水型”、“岩石风化型”还是“蒸发浓缩型”[25-26]。将研究区强径流区和弱径流区的地下水样分别投在Gibbs图上，如图5。从图5可以看出，绝大多数水样落在ECD和RWD范围内，没有水样落在APD的范围，表明影响研究区地下水化学成分形成与变化的主要因素是蒸发浓缩作用，其次是岩石风化作用，基本不受大气降水的影响；弱径流区的水样大多数落在ECD区域，表明地下水中的化学成分受蒸发浓缩作用的控制更为显著。

图5 和田河流域绿洲区地下水Gibbs图

4.1 蒸发浓缩作用

4.2 溶滤作用

图6 地下水中主要离子比值关系图

4.3 阳离子交替吸附作用

由图2可知，Ca2+与Na+的含量沿地下水流程的变化规律正好相反，Na+增多时Ca2+在减少，Na+减少时Ca2+在增加，这可能与地下水发生了Na+和Ca2+之间的交替吸附作用有关。离子比值法可用来判断是否发生了阳离子交替吸附作用，当γNa+/γCl-比值等于1时，表明地下水中的Na+来源于沉积岩中岩盐的溶解，当γNa+/γCl-比值大于1时，表明地下水中的Na+还有其他来源，可能来自于Ca-Na的离子交换[30]。图7为地下水中Cl-与γNa+/γCl-的关系图，由图7可知，88.6%的水样γNa+/γCl-比值大于1，表明研究区内绝大部分地下水都发生了阳离子交替吸附作用。岩土颗粒越细，比表面积越大，阳离子交替吸附作用越强烈[1]。从强径流区到弱径流区，沉积的岩土颗粒越来越细，由此可推断沿地下水流程Na+和Ca2+之间的交替吸附作用越来越强烈。但由图7可发现，弱径流区浅层地下水的γNa+/γCl-值更靠近等值线，且当Cl-含量不断增加时，γNa+/γCl-值却不断降低，两者同时说明Na+和Ca2+之间的阳离子交替吸附作用的强度沿地下水流程并非越来越强烈。这是由于当地下水中Na+含量较高且超过岩土颗粒表面可交换阳离子的平衡浓度时，会抑制Ca2+与岩土颗粒所吸附的Na+交替吸附[31-32]。

图7 地下水中Cl-与γNa+/γCl-比值关系图

4.4 人类活动的影响

绿洲区为和田地区重要的农业生产基地，农牧业灌溉用水量占总用水量的95%以上[33]。由于绿洲内有些地方的灌溉方式相对落后，多为串灌、漫灌等，2014年农田实灌毛用水量高达915.6 m3/亩[33]。此外灌区内大部分水利工程修建时间都较久远，内部渠道防渗率依然较低，导致灌溉水利用系数很低，约为45%[34]。大量的水除就地蒸发外，则通过包气带渗入地下含水层，引起地下水水位抬升，在强烈的蒸发作用下，产生土壤盐渍化问题。绿洲北部地下水埋藏较浅，土壤盐渍化问题更为严重，土壤中的积盐通过灌溉水及地表水的入渗作用进入到地下水中，成为绿洲北部弱径流区地下水中离子含量及TDS更高的另一个重要因素。