甘肃敦煌地区疏勒河尾闾区地下水化学特征及成因分析

2022-02-19刘德玉贾贵义张伟喻生波魏玉涛

地质论评 2022年1期

刘德玉，贾贵义，张伟，喻生波，魏玉涛

1)甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室，兰州，730050；2)甘肃省地质环境监测院，兰州，730050

内容提要: 疏勒河尾闾区是护卫敦煌绿洲及文化的生态安全屏障，但是对地下水化学的研究相对较少。本次研究在野外调查及采样测试的基础上，综合运用数理统计、Piper三线图、离子相关性分析、Gibbs图及离子比例系数等方法明确了疏勒河尾闾区的地下水化学特征，并对其成因进行了分析。结果表明：疏勒河尾闾区地下水水质总体呈弱碱性，具有高溶解性总固体及高硬度的特征，水化学类型主要为Cl-·S-Na+型。地下水水化学演化是由蒸发浓缩作用主导，同时风化溶解和阳离子交换共同作用的结果。地下水中的Ca2+及Mg2+主要来自于蒸发岩及硅酸盐的溶解，Na+主要来源于岩盐溶解。高氟水的形成与片麻岩中普遍存在的黑云母矿物、蒸发浓缩主导的水文地球化学作用以及地势低洼的地形条件有关。成果不仅丰富了疏勒河流域内的地下水化学研究，亦可为敦煌绿洲生态安全屏障区的保护与建设提供科学依据。

疏勒河尾闾区地处甘肃敦煌盆地西部，为典型的西北内陆极端干旱区。研究区大部分位于敦煌西湖国家级自然保护区内部，其主要保护对象为湿地—荒漠生态系统以及野生动植物，范围自东向西包含后坑、小马迷兔、大马迷兔、湾腰、哈拉齐等地。研究区内独特的湿地生态系统不仅具有涵养水源的功能，而且还有效阻挡了库姆塔格沙漠东扩，是保卫敦煌绿洲和敦煌文化的强有力生态屏障。但是自20世纪50～60年代以来，在疏勒河上游修建了众多农田水利工程，大部分水资源被截流用于中、下游农田灌溉，流入尾闾区的水量急剧减少并经常断流，导致河道干涸、尾闾区旱化，仅在雨季泄洪时，有少部分地表水汇入。地表水资源的减少导致区内地下水位持续下降，湿地萎缩，植被退化，土地荒漠化及盐渍化程度加剧(袁海峰等，2009；杨俊仓等，2014)，生态屏障功能受到严重影响。在地表水资源相对匮乏的干旱地区，地下水资源具有不可替代的作用(魏水莲等，2017)。地下水作为维系干旱区湿地植被正常生长的关键因素，研究其化学组分特征及形成原因对于生态环境保护与恢复至关重要。

目前，国内学者在地下水开发利用程度较高的疏勒河流域中下游玉门—瓜州盆地开展的地下水化学研究较多，针对该地区的地下水化学演化规律(赵玮等，2015)、地下水化学特征及控制因素(张百祖等，2020)进行了较为系统的研究。疏勒河尾闾区自然环境条件相对原始，人烟稀少，地下水开发利用程度很低，已有研究多集中在盐渍土特征(魏玉涛等，2020；喻生波等，2020；刘普幸等，2012；张克新等，2012)、土壤水分特征(陈文业等，2015；张伟等，2020)、地下水资源开发利用评价(程旭学等，2008)、湿地演化(段浩等，2015)、植物群落生态特征(张继强等，2019)等方面，有关地下水化学的研究相对较少。本文通过野外调查及采样测试，研究了该区域的地下水化学特征及成因，并与流域中下游玉门—瓜州盆地已有的地下水化学研究成果(赵玮等，2015；张百祖等，2020)进行了对比分析。成果不仅丰富了疏勒河流域内的地下水化学研究，亦可为敦煌绿洲生态安全屏障区的保护与建设提供科学依据。

1 疏勒河尾闾区概况

1.1 基本情况

研究区范围北至疏勒河河谷与走廊北山交界一带，西至库姆塔格沙漠东缘，南至敦煌西湖国家级自然保护区的湾腰一带，东至玉门关一带，其距离敦煌市西约90 km(图1)。地理坐标为：92°50′～93°57′E，40°3′～40°28′N，面积约3130 km2。

研究区气候极端干旱，昼夜温差大，年平均气温9.9 ℃，年均降水量小于50 mm，蒸发量高达2500 mm以上。全年日照时间长，风沙多。区内主要河流为河西走廊三大内陆河之一的疏勒河，发源于疏勒南山和托来南山之间，自昌马峡出山，流经玉门、瓜州、敦煌等地，最终注入哈拉齐等尾闾。

图1 疏勒河尾闾区地理位置图Fig. 1 Geographical location map of the Shule River tail area

区域地势总体南北高，中西部低，海拔812～1315 m，靠近北山一带地势最高，南部湾腰一带地势最低。地貌类型主要可分为低山丘陵、冲洪(冲湖)积平原及沙漠戈壁。区内除沼泽湿地周边植被较为茂盛外，其余地区植被稀疏，生长有芦苇、柽柳、胡杨、骆驼刺、梭梭等植物。研究区生态环境极为脆弱，自然环境条件相对原始，基本为无人区。

1.2 地层岩性

前第四系主要分布在山地及盆地基底，地层岩性包括：太古代—古元古代(Ar—Pt1)的片麻岩、斜长角闪岩、大理岩、黑云母石英片岩等；奥陶系—志留系(O—S)的石英片岩、大理岩、黑云母斜长片麻岩等；二叠系(P)的角斑岩、流纹岩、砾岩、灰岩透镜体；新近系(N)的砂质泥岩、砂砾岩、砂岩。

第四系地层主要分布于冲洪(冲湖)积平原区，地层时代从下更新统(Qp1)、中更新统(Qp2)、上更新统(Qp3)、全新统(Qh)均有分布，岩性主要有亚砂土、亚黏土、粉细砂、细砂、中砂、粗砂等，多呈互层关系。在哈拉齐一带还有淤泥层及盐硝分布。

1.3 水文地质

区域内的地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水，含水层岩性主要为中细砂及含砾中砂，可分为潜水、承压水两种类型。潜水水位埋深普遍在1～3 m，在湖积洼地区域一般小于1 m，在东南部的二墩村一带埋深20～30 m。含水层颗粒从南到北渐细，厚度由南、东向北、西方向变薄。潜水含水层厚度一般小于20 m，承压含水层厚度大多在30～50 m。地下水补给来源主要有：疏勒河地下潜流补给、多坝沟等南部沟谷河流侧向径流补给、少量北山基岩裂隙水及雨洪补给。地下水径流缓慢，在保护区湿地与疏勒河河道两侧地下水浅埋区以蒸发蒸腾排泄为主。

图2 疏勒河尾闾区采样点分布图Fig. 2 Distribution map of sampling points in the tail area of the Shule River

2 地下水样品采集及测试

2.1 地下水样品采集

本次研究于2015年11月～2016年8月在研究区内共采集地下水样品83组，其中浅井样品79组，钻孔样品4组。采样点井深1～45 m，地下水位埋深0.5～22 m，地下水类型为第四系松散岩类孔隙水，采样点分布情况见图2。地下水样品严格按照《地下水环境监测技术规范(HJ/T164-2004)》进行采样、保存和运送，由具备CMA资质的甘肃地质工程实验室完成样品测试工作。

图3 疏勒河尾闾区TDS含量空间分布图Fig. 3 Spatial distribution of TDS content in the tail area of the Shule River

2.2 地下水样品测试

3 结果与分析

3.1 地下水化学特征

3.1.1地下水化学参数统计分析

研究区地下水的pH、溶解性总固体(TDS)、总硬度、K+、Cl-等12项水化学指标见表1、表2。由表1、表2可知该区地下水的pH值介于6.8～8.7，平均值为7.6，总体呈弱碱性。总硬度值介于90.1～11009.0 mg/L，平均值为3097.3 mg/L，以极硬水(>450 mg/L)居多，占比83.2%，其次为硬水(300～450 mg/L)及微硬水(150～300 mg/L)，占比均为6.0%，软水(<150 mg/L)占比最小，为4.8%。

TDS值变化范围大，为453.1～58972.0 mg/L，平均值为16184.1 mg/L。其中，盐水(10～50 g/L)占比较大，为49.4%，其次为咸水(3～10 g/L)及微咸水(1～3 g/L)，占比分别为22.9%及13.3%，少部分为淡水(<1 g/L)及卤水(>50 g/L)，占比分别为8.4%及6.0%。通过TDS含量空间分布图(图3)可得出：沿着疏勒河流向，自研究区东部的玉门关到西部的哈拉齐，TDS含量总体呈上升趋势，区内大部分地下水为高TDS的盐水，低TDS的淡水零星分布于玉门关—后坑一带的沼泽湿地区。

pH值的变异系数最小(0.1)，说明其空间变异性小、离散程度低、相对稳定。但除pH值外，其余10项指标的变异系数均较大(0.7～2.2)，说明这些水化学指标的含量存在着较强—强的空间变异性，影响因素较为复杂，离散程度较高。

3.1.2地下水化学类型分析

表2 疏勒河尾闾区地下水化学参数统计特征值Table 2 Statistical eigenvalues of hydrochemical parameters in the tail area of the Shule River

图4 疏勒河尾闾区水化学Piper三线图(图中各离子的单位是mg/L)Fig. 4 Piper trigram of hydrochemistry in the tail area of the Shule River(the unit of the ions in figures is mg/L)

表3 疏勒河尾闾区地下水化学类型统计值Table 3 Statistics of hydrochemical types in the tail area of the Shule River

表4 疏勒河尾闾区地下水化学参数相关系数矩阵Table 4 Correlation coefficient matrix of hydrochemical parameters in the tail area of the Shule River

3.1.3地下水离子相关性分析

3.2 地下水成因分析

3.2.1地下水Gibbs图

图5 疏勒河尾闾区地下水Gibbs图Fig. 5 Gibbs diagram of groundwater in the tail area of the Shule River

Gibbs图常用来定性分析地下水化学组分的成因及变化趋势，判断地下水是否受蒸发浓缩、岩石风化或者大气降水作用的控制(高帅等，2019)。通过绘制研究区地下水Gibbs图(图5)可分析得出：大部分采样点分布于蒸发浓缩作用控制区域，少部分分布于岩石风化作用控制区域。由此说明，研究区地下水化学组分的形成主要受控于蒸发浓缩作用影响，其次为岩石风化作用，大气降水作用影响较小。另外，还有个别采样点分布于Gibbs图的范围之外，表明研究区地下水除受上述作用的影响外，还可能受到其它因素的影响，如阳离子交替吸附作用(孙英等，2019)。

3.2.2离子比例系数

图6 疏勒河尾闾区离子比例系数图Fig. 6 Ion proportion coefficient map of the tail area of the Shule River

3.2.3高氟水成因分析

如前文所述，研究区内浅层高氟水的分布较为广泛，局部地段地下水中的F-离子含量高达3～5 mg/L。根据F-离子质量浓度空间分布图(图7)，其高值区主要分布在疏勒河以北的山前冲洪积平原以及玉门关—后坑、大马迷兔—湾腰—哈拉齐一带的洼地湖塘周边。

图7 疏勒河尾闾区F-离子质量浓度[ρ(F-)]空间分布图Fig. 7 Spatial distribution of fluorine ion mass concentration [ρ(F-)] in the tail area of Shule River

高氟水的形成一般主要与其原生地质环境背景有关。研究表明，片麻岩中黑云母含量达20%～40%，而云母类矿物中含易溶性氟本底值很高(高丽，2002)。研究区南、北两侧的走廊山脉基岩区广泛分布太古代—古元古代的片麻岩、黑云母石英片岩以及奥陶系—志留系的黑云母斜长片麻岩。富含黑云母的岩石矿物为地下水中的氟离子提供了丰富的物质来源，而研究区蒸发浓缩主导的水文地球化学作用是驱动氟离子向浅层地下水中迁移、富集的重要影响因素，地势低平的汇水洼地为氟的累积提供了有利的地形条件，该地区地下水位埋深浅，地下水径流滞缓，在垂向强烈的蒸发作用影响下，有利于盐分的浓缩和氟的大量富集(巴建文等，2021)。

4 讨论

本次研究主要对疏勒河尾闾区的地下水化学特征及成因进行了研究分析，通过与地处研究区上游的玉门—瓜州盆地已有的地下水化学研究成果进行对比分析，研究两者在地下水化学特征及成因机制方面的异同，可以进一步系统揭示疏勒河尾闾区地下水化学参数的变化特征及演化规律。

(1)疏勒河流域中—下游玉门—瓜州盆地地下水的TDS平均含量为972 mg/L(赵玮等，2015)，到尾闾区TDS平均含量陡然增加，达到16184 mg/L，相差16倍之多。与我国内陆河流域地下水演化具有沿着地下水流动方向TDS含量缓慢增大的规律(Wen Xiaohu et al.，2012)略有不同的是：本次研究发现从疏勒河中下游到尾闾区地下水的TDS含量快速增加，呈现加速咸化的发展趋势。

(3)中—下游的玉门—瓜州盆地的地下水水化学演化是由蒸发浓缩作用、岩石风化溶解和阳离子交换共同作用的结果(赵玮等，2015；张百祖等，2020)，与尾闾区的演化模式相同。不同之处在于，中下游盆地地下水水化学演化的主控因素是岩石风化溶解作用(张百祖等，2020)，尾闾区则是蒸发浓缩作用占主导。

(4)岩盐、石膏、芒硝等蒸发岩的溶解对中—下游玉门—瓜州盆地地下水化学成分的形成起主导作用(赵玮等，2015；张百祖等，2020)，与尾闾区相同。

除此之外，需要说明的是：本次研究结果是基于2015年11月～2016年8月的采样数据分析所得。在2017年，随着“疏勒河河道恢复与归束工程”的投入使用以及双塔水库生态流量的不断下泄，干涸的疏勒河河道恢复了生机，地表水沿河道向下游持续径流，直达尾闾区西端哈拉齐一带，河道两岸及保护区内的天然植被逐渐恢复，湿地面积扩大，保卫敦煌绿洲及文化的生态屏障功能得到有效增强。地表径流量的加大势必增强了对尾闾区地下水的侧向径流补给量以及增大了地下水径流速度，除了会引起地下水位上升外，大量地表水的混入，会使得尾闾区地下水原有的TDS、硬度、pH等化学指标的含量、水质情况以及水化学类型随之发生较大变化。而本次研究成果可作为大规模生态输水工程实施前的地下水化学参数对照值，可作为下一步开展相关调查研究工作的基础。