喀什噶尔河流域平原区深层承压水咸化机理研究

王红太，周金龙,2，曾妍妍,2，范 薇,2，魏 兴,2，时雯雯

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆水文水资源工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830052)

地下水咸化已成为世界范围内水资源管理面临的严峻问题之一，表现为地下水中溶解物质大量富集，危及地下水资源的未来开发及利用。多位学者对不同地区的地下水盐分来源和咸化机理进行了研究，Sun等[1]对敦煌盆地地下水咸化过程进行了研究，结果表明地下水咸化过程由溶滤、蒸发和蒸腾作用主导。李成诚[2]对运城盆地高氟地下咸水成因机制进行了研究，结果表明控制深层地下水咸化的主要原因为古咸水补给和水岩相互作用。林丽等[3]在对塔里木盆地深层承压水研究过程中发现研究区深层承压水有咸化趋势，咸化原因为越流补给及开采不规范。地下水咸化的机理包括可溶性矿物的溶解、古咸水补给、蒸发浓缩过程、地下水水位抬升、离子交换吸附作用、海水入侵、咸水越流补给、人类活动(过度开采地下水、农业灌溉和化肥)等[4-6]。

喀什噶尔河流域平原区深居欧亚大陆腹地，远离海岸，水汽难以到达，气候干燥，该地区水资源量相对丰富，但时空分布不均，水资源总量的控制精度不高，属于水质型缺水[7]。近年来随着研究区经济社会的快速发展，水资源的需求量也持续增长，地表水资源明显供应不足，部分地区出现不合理开采地下水现象，使得地下水咸化更加严重，对居民生活饮水和农业灌溉产生了不利的影响。环境同位素δD和δ18O是研究水循环的理想示踪剂，可根据地下水中δD和δ18O的特征以及分析氘盈余值(d)和δ18O与TDS之间的关系，确定盐渍化过程及地下水咸化机理[8]。为了分析研究区深层承压水的咸化机理，指导深层承压水的合理开采及利用，本文基于水化学和环境同位素分析技术，揭示研究区深层承压水的补给来源和咸化机理，以期对该区地下水资源的合理开发、管理和利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

喀什噶尔河流域地处新疆维吾尔自治区西南部、塔里木盆地西部边缘，是新疆粮棉种植生产基地之一，属暖温带大陆干旱气候，降水稀少，蒸发量较大，地形复杂，水资源分布极不均匀，水文循环缓慢。喀什噶尔河是喀什地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州及新疆生产建设兵团第三师的重要供水来源地，居民日常生活用水多数依靠开采地下水，地下水资源的开发利用程度较高，已开采8.6154×108m3[9]。流域地势总体为西高东低，北部、西部、南部均为山区，海拔918～7 559 m，高程变化极大。研究区位于喀什噶尔河流域平原区，山前冲洪积平原和冲积平原为区域主要地貌类型[7,10-11]。研究区主要含水层系统为第四系松散岩类孔隙含水岩系，山前冲洪积平原为单一结构潜水区，岩性以卵砾石和砂卵砾石为主，山前冲洪积平原及冲积平原接触带岩性主要为砂砾石和砂卵砾石；冲积平原为多层结构的潜水-承压水区，岩性为亚黏土、砾砂、砂砾石、中粗砂、中细砂和粉细砂等[12-13]。

喀什噶尔河流域地下水径流由西向东，地下水主要接受大气降水、冰雪融水、地下水侧向补给、河道潜流入渗、河流补给，基岩裂隙水补给、水库入渗补给、渠系渗漏补给、暴雨洪流入渗、农田灌溉入渗补给和井泉水回归入渗补给等[12]。泉水排泄、侧向径流排泄、潜水蒸发蒸腾和人工开采等是研究区地下水排泄的主要方式[10]。

1.2 样品采集与测定

图1 喀什噶尔河流域平原区深层承压水采样点分布图

利用SPSS 19对各化学指标之间的相关性进行分析。利用AquaChem 3.7中phreeqc模块计算各矿物的饱和指数(SI)，Grapher 11制作离子比例图，综合利用矿物饱和指数和离子比探讨喀什噶尔河流域平原区深层承压水咸化成因。

2 结果与分析

2.1 深层承压水咸化概况

图2 喀什噶尔河流域平原区深层承压水咸化主要指标年际变化

2.1.2 咸化程度 2016年深层承压水咸化系数计算公式如下：

SC<1为淡水，SC在1～2之间为微咸水，SC>2为咸水，SC越大咸化程度越高[14]。表1列出了喀什噶尔河流域平原区13组深层承压水取样点咸化系数，由表1看出，研究区共计6组水样咸化系数<1，分别为喀什市1组、疏勒县2组、岳普湖县3组；3组水样咸化系数处于1～2之间，分别为疏勒县1组、英吉沙县1组、阿图什市1组；4组水样咸化系数>2，分别为喀什市1组、伽师县3组。研究区淡水、微咸水、咸水的比例分别为46.1%、23.1%、30.8%。

表1 喀什噶尔河流域平原区13组深层承压水取样点咸化系数

2.2 深层承压水水化学类型分析

图3 研究区深层承压水水化学组分含量

图4 研究区深层承压水Piper三线图

2.3 深层承压水的δD与δ18O分布特征

全球大气降水线方程(GMWL)为：δD=8δ18O+10，喀什噶尔河流域平原区大气降水线方程(LMWL)为：δD=8δ18O+15[16]。利用喀什噶尔河流域平原区地下水的δD与δ18O数据，绘制了δD-δ18O关系图(图5)，喀什噶尔河流域平原区深层承压水具有低氢氧稳定同位素的特点，δD值变化区间为-92.7‰～-58.2‰，平均值为-76.9‰，δ18O值变化区间为-12.8‰～-7.8‰，平均值-10.6‰。研究区深层承压水氢氧稳定同位素组成分布于全球大气降水线两侧，表明大气降水为其补给来源，属大气成因[17]。两组水样点落于地区降水线左侧，表明该地下水在运移过程中与周边的CO2发生了水气相互作用，大部分水样点位于地区降水线之下，表明深层承压水受到一定的非平衡蒸发的影响，然而深层承压水不大可能经历强烈的蒸发浓缩作用，因此认为深层承压水可能受到上层潜水、浅层承压水的越流补给，地下水与含水介质发生了水岩相互作用[17-18]。

图5 研究区深层承压水氢氧同位素图

2.4 深层承压水的咸化机理

2.4.1 蒸发作用 深层承压水的氘盈余值“d”反映样品偏离当地大气降雨线的程度，d与TDS的关系可用来区别蒸发和溶滤作用对水体的影响[17,19]。研究区深层承压水d值变化范围为-1.50‰～18.70‰，平均值为7.68‰，空间变化大，仅一个样品d值小于0，表明其受到了强烈的蒸发作用[20]。研究区d值随TDS的增加有增加趋势(图6)，表明研究区地下水受蒸发作用影响小；研究区大部分水样点δ18O随着TDS增加而降低，表明地下水咸化与水岩相互作用因素有关[20]。

图6 研究区深层承压水δ18O、d与TDS的关系图

图7 研究区深层承压水样离子比例系数图

表2 研究区深层承压水中离子相关性

计算各矿物的饱和指数(SI)以确定地下水中矿物的溶解和沉淀情况[23]。研究区地下水中白云石SI值范围在-6.62～-2.65之间，方解石SI值范围在-3.08～-1.68之间，文石SI值范围在-3.22～-1.82之间，石膏SI值范围在-4.75～-2.27之间，硬石膏SI值范围在-4.97～-2.49之间，岩盐SI值范围在-9.80～-6.24之间(图8)。各矿物的饱和指数均为负值，表明矿物在地下水中可进行进一步溶解，且饱和指数均随着TDS增加而增加，表明碳酸盐矿物、硫酸盐矿物和岩盐的溶解是深层承压水咸化的主要原因。

图8 TDS与饱和指数的关系

2.4.3 阳离子交换作用 钠吸附比(SAR)通常用于衡量灌溉水中钠离子的危害程度，SAR越高水中含Na+越多。在进行农业灌溉时，使用咸化的地下水会引起土壤的次生盐渍化，同时SAR可以反映地下水在混合作用下水岩(土)之间的阳离子交换作用[24]，其公式为：

研究区SAR范围在1.69～26.18之间，由图9看出，研究区深层承压水中SAR随着TDS的增加而增加，表明离子交换作用明显，Ca2+置换含水介质所吸附的部分Na+，导致水中Na+升高，使得地下水趋于咸化。

图9 深层承压水中SAR与TDS的关系图

3 讨 论

在内陆干旱半干旱地区，深层承压淡水是生活用水、工业用水及农业灌溉用水最重要的来源。随着塔里木河综合治理工程的实施，灌区地表水引水量逐年减少，对地下水资源的依赖程度逐年增加。据《新疆维吾尔自治区水资源公报(2004—2016)》，喀什地区2016年地下水开采量为2.155×109m3，较2004年扩大1.550×109m3[25]。地下水咸化与人类活动的影响关系是相互的，长期大规模开采深层地下淡水会导致地下水质量降低(增加地下水盐度)，从而影响农业发展；农业活动密集的区域易发生土壤盐渍化，该现象与长期使用劣质高盐度地下水进行灌溉有关，同时由于盐可能会在系统中循环再利用，使得地下水和土壤进一步被污染[26]。长期使用高盐度的灌溉水会使植物细胞性脱水和死亡，地下水咸化也会引起微量元素增加，在超过植物的耐受能力时，就会降低农作物产量或引起病害[27]。喀什地区是农业大区，主要种植玉米、小麦和棉花等农作物，研究区深层承压水中微咸水、咸水比例达53.9%，咸化现象严重，在使用咸水进行灌溉时适当施加氮肥有利于提高盐胁迫下玉米及棉花的产量，而适当地使用微咸水对小麦进行灌溉可以实现增产的效果，其中至关重要的是制定合理的灌溉制度，考虑研究区气候干燥、蒸发强烈，利用自然降水对土壤进行淋盐措施实施较困难，建议采用咸-淡水轮灌制度[28-31]。

本文对比了2011、2014年和2016年3期深层承压水水样的水化学数据年平均值变化，计算了2016年深层承压水的咸化程度，并采用数理统计、同位素分析、相关性分析和Phreeqc模型模拟研究了深层承压水咸化的原因。然而，本文地下水采样点的布置分布不均且同位素采样没有包含附近河水、城镇生活污水、工厂排污水和农业活动排水等样品。地下水水化学性质受自然因素与人为因素共同影响，本文着重分析了研究区地下水受自然因素的影响，对人为因素尚缺乏分析。在后续研究中需要优化现场采样方案，开展多年水样巡回取样分析，将附近河水、城镇生活污水、工厂排污水和农业活动排水等进行同位素采样分析，以期进一步明确地下水咸化受人为因素影响的程度。同时，研究建议的咸-淡水轮灌方法尚未进行现场试验，可考虑进一步开展多年的田间试验及模拟，对本文结论进行验证与补充。

4 结 论

3)深层承压水δD值变化范围为-92.7‰～-58.2‰(平均值-76.9‰)，δ18O值变化范围为-12.8‰～-7.8‰(平均值-10.6‰)。深层承压水补给来源为大气降水，受到上覆潜水、浅层承压水的越流补给。d值变化范围为-1.50‰～18.70‰，平均值7.68‰。研究区深层承压水受蒸发作用影响小，地下水咸化与水岩相互作用因素有关，离子交换作用明显。导致研究区深层承压水咸化的重要因素是硫酸盐、岩盐等蒸发岩矿物的溶滤。