皮山河流域水文地球化学空间分布特征及演化规律

阿依简·波拉提汗，李 升，陈 峰

(1. 新疆阿勒泰地区水利水电勘测设计院，新疆 阿勒泰 836500；2.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；3.新疆地矿局第二水文工程地质大队，新疆 昌吉 831100)

地下水是携带大量能量和环境信息与其周围环境密切联系的水资源重要的组成部分，地下水水化学记录着时空变化和分布过程所经历的水与岩石、水与大气之间的密切关系[1]。地下水组成分布形成演化、运移规律刻画了地下水水文地球化学演化过程和水化学分带特征[2]。

皮山河流域属新疆和田地区皮山县境内，是典型西北旱区中小型河流之一，许多学者对流域内地下水资源分布，水化学等方面有些研究，但对地下水演化与形成因素的认识不足。梁冰等[3]利用水化学特征分析对皮山河上下游地表水地下水矿化度及水化学类型进行描述。郭新[4]等运用稳定同位素解释皮山河各水体氘氧同位素出现的季节性及补给来源差异。

在区域水文调查的基础上，了解和探明区域地下水资源分布，水文地球化学特征及演化规律，解决本区出现的水资源与生态、环境与经济发展出现的矛盾，提出合理科学的水资源开发方案和建议。为此，以皮山河流域为研究对象，探讨不同水体水文地球化学分布和演化特征，揭示地下水演化规律与控制因素。

1 研究区概况

皮山河流域处于塔里木盆地南部，属皮山县境内源于喀拉昆仑山，河流由南往北流动最终抵于塔克拉玛干大沙漠[5]。气候条件属典型的大陆性干旱气候特征，降雨少蒸发大，常有大型风尘天气，年平均年降水量为46.6mm，主要降水集中在夏季，呈山区多平原少特征[6]。由于区域内发育隐伏断裂，构成不同地质、地貌及水文地质单元，可将其分为中低山、山前冲洪积砾质平原、细土颗粒平原。区内广泛分布第四系松散堆积物，由山前向平原区逐渐增厚，松散沉积物由山前单一卵、砾、砂石向下游平原区过渡为中粗砂、砂、亚砂土、亚黏土和黏土的多层结构，其含水层赋存形式依次为单一结构潜水及潜-承压多层结构。

研究区河流发源于高山区，冰雪融化、降水为上游地表水地下水主要补给源。由于皮山河下游改造成渠，渠系密集，地下水埋深较浅，地下水主要接受上游地下水侧向补给，渠系、田间入渗等。地表水地下水流向是由南向东径流，地下水排泄以人工开采开发、蒸发蒸腾为主。

2 样品采集和测试

图1 研究区地下水取样分布图

3 结果与分析

3.1 水文地球化学空间统计特征

图2 研究区地下水水化学类型piper图

表1 皮山河地下水主要离子统计表 单位：mg/L

图3 皮山河地下水Gibbs图

3.2 地下水形成因素分析

3.2.1Gibbs图分析

通过Gibbs图可以直观判断地下水水化学组分形成主要趋于大气降水(APD)，岩石风化(RWD)或蒸发浓缩影响型(ECD)[7]。

3.2.2水文地球化学反向模拟

为刻画出地下水成分演化规律，进一步利用水文地球化学模拟来反演水流路径上所发生的化学反应，确定反应路径中矿物及气体等溶解或沉淀[8]。通过起始，终点水样浓度、各矿物饱和指数来检验模拟反应结果是否合理，见表2。

(1)选取模拟剖面

水文地球化学模拟要求反应过程中起末水样处于上、下游关系，即同一水流路径为基础。结合研究区特征与地下水动力特征，共选择4条模拟剖面，分别在冲洪积砾质平原(Ⅰ)，细土平原(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。研究区第四系主要由砂砾石、中粗砂及亚黏土等组成。据前人研究及离子来源分析，含水层中主要矿物有钠长石、伊利石、方解石、白云石、石膏、盐岩等作为“可能矿物相”，另外考虑空隙潜水处于开放系统，黏土矿物分布广泛，故将CO2(气)、H2O(蒸发因素)和CaX2、 NaX，列为可能矿物相。利用Phreeqc软件建立水化学模型，其中不确定系数设为小于5%。由于含水层岩性复杂，导致水流路径上矿物相反应的多样性，即模拟结果存在多解性[9]。因此，模型参数要符合热力学和化学原理，同时与地层、含水层矿物、实际水文地质条件、水质分析结果相互统一[10]。

表2 地下水反向模拟计算结果

(2)水文地球化学反向模拟结果

在冲洪积砾质平原，模拟路径P36→P60水样点，潜水中方解石、白云石饱和指数从负到正，逐渐向饱和发展，石膏、盐岩处于溶解状态。模拟结果为水体中方解石、白云石、石膏、盐岩溶解，Ca2+被吸附，Na+加入到水体中，同时CO2(g)、H2O(g)溶解，使终点水样中各离子含量逐渐增大。表明反应路径上主要以矿物溶解为主。

在细土平原，模拟Ⅱ、Ⅲ剖面，路径P4-P21上有两个模拟结果，其中模型1中没有体现在水体中方解石的状态。故选取模型2结果。潜水中方解石、白云石处于饱和状态，SI值逐渐增大。石膏、盐岩处于溶解状态。模拟结果为水体中方解石、白云石、石膏、盐岩逐渐沉淀，CO2(g)、H2O(g)逸出，分别达到15.06mmol/L、329.3mol/L。CaX2沉淀，Ca2+被吸附量达到11.86 mmol/L。表明在细土平原沿水流路径，潜水主要以蒸发为主，发生Ca2+置换Na+作用。

承压水模拟路径上，方解石沉淀，Na+被吸附，Ca2+被溶解在水中。白云石、石膏、盐岩、CO2(g)和H2O(g)溶解，使水体中除了Na+、K+之外，其余离子浓度增大。表明承压水路径中主要以矿物的溶解为主，蒸发不明显，反映出承压水环境相对封闭。

3.3 水文地球化学演化规律分析

总结得出皮山河流域典型剖面上的水文地球化学演化规律：不同地貌单元具有不同水化学特征及分布规律，并且每个单元之间具有联系和连续性特征。山前冲洪积砾质平原地表水渗漏补给地下水，地表水地下水流向一致，从南向北流动。地下含水介质颗粒粗，水动力条件较好，地下水矿化度在0.2～3.1g/L，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na或SO4·HCO3·Cl-Mg·Ca·Na型，矿物及CO2溶解，地下水形成主要以溶滤作用为主。细土颗粒平原，潜水主要接受上游含水层的侧向补给，部分受灌溉入渗影响。地下含水介质逐渐变细，水动力条件逐渐变差，水位埋深变浅接近地表，水分蒸发，CO2逸出，蒸发岩溶解影响较大，地下水矿化度逐渐增大，在皮山农场附近潜水出现矿化度为18.6 g/L，Cl·SO4-Na型超咸水，地下水形成主要受蒸发-结晶影响较大，伴随着离子交换作用影响。承压水主要接受上游含水层的侧向补给，矿化度较小，地下水组分受溶滤作用影响较大。

4 结论

(1)从山前砾质平原至细土平原区，地下水矿化度逐渐增大，水化学类型由HCO3·SO4-Ca·Na→SO4·Cl·HCO3-Na·Ca型演变为Cl·SO4-Na型。不同地貌单元，地下水各组分关系呈细土平原潜水>细土平原承压水>山前冲洪积砾质平原特点。

(2)反向模拟结果表明，随着地下水径流方向，水中CO2、H2O逐渐逸出，潜水中各矿物由溶解向沉淀状态发展，潜水形成由溶滤作用向蒸发浓缩作用逐渐显著，并伴有Ca2+被吸附的离子交换作用；承压水中溶解作用显著。

(3)研究为皮山河流域水资源管理、开发利用及水利、生态功能分区提供有效依据。对该地区建立水源地及安全饮水工程建设具有一定指导意义。