新疆塔里木盆地浅层地下水水化学特征及形成原因

潘希哲

（新疆维吾尔自治区地质环境监测院，新疆乌鲁木齐830000）

水资源短缺是制约我国西北干旱区社会经济可持续发展与生态环境建设最关键的因素之一[1]。新疆塔里木盆地气候干旱，地表水短缺，地下水资源成为生产生活中最重要的水源[2]，而浅层地下水存在的高矿化度、高硬度等问题一定程度上制约了地下水开发利用[3]。关于塔里木盆地地下水水化学特征已有较多研究：周金龙对新疆平原区浅层地下水水质进行了评价[3]，李玲分析了和田河流域浅层地下水水化学特征及形成原因[4]，魏兴分析了喀什三角洲地下水化学特征及其演化规律[5]，彭李晖分析了焉耆盆地开都河北岸潜水水化学演化规律[6]，这些研究从不同角度不同尺度分析了地下水化学特征，但未对盆地整体地下水化学成因进行系统分析。本文结合前人研究成果，利用塔里木盆地采集的118个地下水样品测试结果，并综合气候、地形、岩性等因素，从整个盆地尺度上对浅层地下水化学特征及其形成原因进行分析阐述。

新疆整体划分为准噶尔盆地和塔里木盆地两个一级水文地质单元，一级水文地质单元又划分为多个二级水文地质单元，其中塔里木盆地平原区划分为14个二级单元[7]。塔里木盆地地下水总体上由盆地周围南、北、西三个方向向中间沙漠侧向径流，再向东最终流向罗布泊（图1）。

1 样品采集和测试

水样来源于国家地下水监测工程运行维护与地下水质监测项目在塔里木盆地采集的118组水样，采样区域包括盆地北面、西面及西南面的11个水文地质单元，由于井位分布限制，和田河流域以东人口稀少的区域和沙漠腹地没有采样点。

118个采样井深度为50~200m，全部为潜水和浅层承压水，由于盆地潜水和浅层承压水存在较好的水力联系[5]，本文将其整体视为浅层地下水进行分析。样品由新疆地矿局第一水文工程地质大队完成测试，测试项目共35项，本文主要选取了常规离子进行分析。

2 结果

采用舒卡列夫分类方法，根据阴离子含量将地下水划分为七种水化学类型：HCO3型、HCO3SO4型、HCO3SO4Cl型、HCO3Cl型、SO4型、SO4Cl型、Cl型。由水化学类型点状图可以发现水化学类型具有一定的空间分布规律，为了清晰呈现这种规律，结合水化学类型和矿化度将该图分成两个区域：一个是中低矿化度的重碳酸盐和硫酸盐水区域，包括HCO3型、HCO3SO4型、HCO3SO4Cl型、HCO3Cl型、SO4型水，采样点矿化度全部小于3g/L；另一个是高矿化度的氯化物水区域，包括SO4Cl型、Cl型水，采样点矿化度普遍大于3g/L,部分大于10g/L。由于HCO3型水点只有5个，且零星分布，不单独划分区域。

从图2可以看出，盆地尺度上，水化学类型与地形地貌呈现出统一分带性：流域上游零星分布低矿化度的重碳酸盐水，过渡地带分布中等矿化度硫酸盐水，到流域中下游沙漠边缘则主要分布高矿化度氯化物水。

部分二级水文地质单元存在一些特殊性：开都河流域和和田河流域呈现的水化学特征与盆地整体分带性似乎不一致，两个流域地下水以低矿化度的重碳酸盐水为主；SO4型水主要集中分布在喀什噶尔河流域。

本文将对以上水化学特征形成原因进行讨论。

3 讨论

3.1 相关性分析

地下水常规离子相关性分析有助于理解各成分含量变化的影响关系。按照之前的区域划分对重碳酸盐硫酸盐水和氯化物水两部分分别进行相关性分析[8]。

中低矿化度的重碳酸盐硫酸盐水相关系数矩阵（表1）显示，与TDS相关性最强的离子是SO42-和Mg2+、Ca2+，相关系数都超过0.84，其次Cl-和Na+也有较大贡献，表明该类型地下水中主导矿化度变化的离子是SO42-和Ca2+、Mg2+，Cl-和Na+也有一定程度影响；同时，Ca2+、Mg2+与SO42-有较强的相关性，相关系数都超过0.85，表明Ca2+、Mg2+随着SO42-在地下水中的变化而变化。

表1 重碳酸盐硫酸盐水水化学成分相关系数矩阵

高矿化度的氯化物水相关系数矩阵（表2）显示，与TDS相关性最强的离子是Cl-和Na+，相关系数都超过0.99，表明该类型地下水中主导矿化度变化的离子是Cl-和Na+；同时，Cl-与Na+有极强的相关性，相关系数达到0.995，表明Na+在地下水中随着Cl-的增加而增加；TDS、Cl-与HCO3-相关系数为负数表明HCO3-随着TDS、Cl-增加呈减少趋势。

表2 氯化物水水化学成分相关系数矩阵

以上结果显示地下水中TDS和主要离子成分之间存在对应关系，出现这种对应关系的主要原因是地 下水中各种成分溶解度不同。随着TDS增大，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出，TDS继续增大时，钙、镁的硫酸盐饱和析出，导致TDS高的水中便以氯和钠占主导，碳酸盐含量较少[9]。

3.2 比例系数分析

吉布斯图横坐标为γ（Na+）/γ（Na++Ca2+）,纵坐标为矿化度，通过图中点的位置可以反映出该水点属于降水控制型、岩石风化型或蒸发浓缩型[10-11]。按照上文分区，将塔里木盆地流域上游和流域中下游地带地下水分别用两种符号在吉布斯图中表示，图3显示，菱形水点主要位于左侧和中间，正方形水点主要位于图右上方。左侧菱形水点表明流域上游较低矿化度的地下水具有较小的γ（Na+）/γ（Na++Ca2+）比值，属于岩石风化型；右上方正方形水点表明流域中下游较高矿化度的地下水具有较大的γ（Na+）/γ（Na++Ca2+）比值，属于蒸发浓缩型；图中间部分正方形水点和水点有一定程度交叉，该部分为径流过渡带。

图3 塔里木盆地地下水吉布斯图

Gibbs图呈现的结果与塔里木盆地气候、地形、岩性及地下水水位埋深特征吻合。

山前坡度大，含水层岩性颗粒粗大，含水层孔隙度大，地下水径流速度自然较大，因此山前流域上游以溶滤作用为主，强烈的溶滤作用使地下水以重碳酸盐和硫酸盐为主。具体原理如下：溶滤作用首先使最易溶的氯化物溶解至水中，随着溶滤作用持续进行，岩层中的氯化物由于转入水中而贫化，此时较难溶的钙、镁的硫酸盐甚至重碳酸盐溶解至水中成为主要成分[9]。由于流域上游地下水主要的补给来源于低矿化度的中高山区大气降水，溶解了少量难溶盐之后矿化度依然较低。

沙漠边缘地形平缓，含水层颗粒细小，水流速度迟缓，包气带岩性颗粒细小并且水位埋深浅有利于地下水毛细作用，干旱的气候加剧了地下水蒸发蒸腾排泄，因此持续的浓缩和积累作用导致沙漠边缘形成盐水甚至卤水，地下水成分以Cl-和Na+为主。原理如下：流动的地下水将溶滤获得的组分从补给区源源不断向排泄区运输，钙、镁的重碳酸盐和硫酸盐由于溶解度低，随着浓缩作用达到饱和析出，于是地下水成分便以Cl-和Na+为主[9]。中下游地下水中随着上游离子的不断积累矿化度逐渐增大。

3.3 特殊性分析

开都河流域16个水样以低矿化度的重碳酸盐水为主,显示出与盆地其它流域不同的特征，除G116和G119为SO4Cl型 咸 水 外，其 它14个 为HCO3、HCO3SO4、HCO3SO4Cl、HCO3Cl型淡水及微咸水，该特征与地下水的补给和排泄有关。淡水和微咸水点分布于博斯腾湖西面和北边，为湖区上游，该区域地下水主要接受开都河、清水河、曲惠河、乌什塔拉河等河流及田间灌溉水入渗补给，由于河流和田间灌溉水矿化度都较低，加之地下水径流迅速，埋深较大，因此矿化度也较低，近半个世纪来潜水呈现淡化趋势[6]。两个咸水点位于博斯腾湖西南面，该区域地势低洼，地下水埋深较浅，为蒸发浓缩区[12]，因此具有较高的矿化度。

喀什噶尔河流域19个水样中SO42-普遍含量较高，除G174为HCO3Cl型 外，其 余18个 为HCO3SO4、HCO3SO4Cl、SO4、SO4Cl型，该现象较为特殊。前人利用δD、δ18O和δ34S同位素分析，该区域SO42-主要来源于蒸发岩石膏、芒硝等溶解，河流冲积平原潜水中SO42-还存在化肥淋滤污染，承压水受到潜水混合作用及细菌还原硫酸盐作用影响[13]。

和田河流域上游地下水为HCO3SO4Cl型淡水，靠近沙漠的三个点为HCO3Cl型微咸水，并没有形成Cl-主导的高矿化度水，这一点与盆地整体规律似乎不符。进一步分析三个点所处位置，虽然距离沙漠非常近，但G247位于和田地区大面积绿洲的西北部，距离最近的沙漠仍有5km，G195和G196位于喀拉喀什河和玉龙喀什河之间，前人利用Q型聚类分析法对和田地区89组水样分析，这两处分别属于冲洪积平原和河间地块[14]。冲洪积平原为地下水补给径流带，含水层颗粒较粗，地下水径流条件好，因此地下水矿化度较低；河间地块由于两条河流的存在，推测未受到强烈蒸发浓缩作用的影响，地下水与地表水交替频繁，因此化学成分相近。三个点位置处于沙漠边缘，实则属于径流带，G195距离河流出山口约120km，径流带延伸较远。

4 结论

（1）塔里木盆地整体水化学特征：流域上游为低矿化度的重碳酸盐水，过渡地带分布中等矿化度硫酸盐水，到流域中下游沙漠边缘则主要分布高矿化度氯化物水。这种分带性特征形成的内因是地下水对各种成分溶解度不同，外因是盆地不同区域具有不同的气候、地形、岩性及水位埋深条件，分别形成流域上游溶滤作用和流域下游浓缩作用。

（2）二级水文地质单元特殊性：开都河流域地下水由于接受低矿化度河流和田间灌溉水入渗补给，地下水矿化度也较低，成分以重碳酸盐为主；喀什噶尔河流域大量分布的SO42-主要来源于山区钙质粉砂岩、细砂岩和石膏等盐类矿物等溶解；和田河流域沿河流自山前向下，补给径流带延伸较远，地下水矿化度沿流程增幅缓慢。