吐鲁番盆地平原区地下水水化学特征及水质评价

2022-04-15周金龙曾妍妍

干旱区研究 2022年2期

白凡，周金龙，曾妍妍

（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；3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052）

水资源是制约我国西北干旱地区社会经济可持续发展与生态环境建设最重要的因素之一［1］。新疆吐鲁番盆地属于典型的大陆性暖温带荒漠气候，降水稀少且大风频繁，故有“火洲”“风库”之称［2］。根据《2015年新疆水资源公报》显示，吐鲁番地区地下水供水量为7.87×108m3，占总供水量的58.4%，地下水是其主要的供水水源［3］。由于地下水过量开采，导致地下水位下降、坎儿井枯竭、地质环境变化等问题，水环境破坏现象突出［4］。开展区域地下水水化学特征及水质评价研究，是了解地下水系统循环更新路径的重要方法，是对当地居民用水安全的重要保障［5-6］。

竹娜等［7］运用统计分析、相关分析和Piper三线图阐述了吐鲁番盆地地下水水化学特征的变化。蒋万军等［8］运用Piper 三线图、氢氧稳定同位素、Gibbs 图及离子相关性分析等方法说明新疆吐哈盆地地下水的补给来源主要以大气降水为主，排泄以蒸发为主；溶滤作用、蒸发浓缩作用是地下水化学组分形成的主要影响因素。杨广焱等［9］采用单因子评价法和浓度对比法对新疆吐鲁番地区地下水质量及污染状况进行了评价，并从原生环境和人为因素两个方面分析了吐鲁番盆地地下水质量总体较差和水质污染的原因。袁月等［10］选取地下水开采潜力、生态敏感性、土壤盐渍化程度作为评价因子，运用层次分析法对吐鲁番地区地下水资源、生态和地质环境功能进行综合评价。目前有关吐鲁番盆地平原区的地下水水化学特征及水质评价的相关研究还十分有限。

本文依据吐鲁番地区2015 年（最近一次）全面的地下水污染调查数据，选取44组地下水检测数据（潜水33组、承压水11组），运用经典统计学、Piper三线图解法、Gibbs图解法和离子比值法对研究区地下水水化学特征及成因进行分析，并利用内梅罗指数法、改进内梅罗指数法和模糊综合评价法对研究区地下水质量进行评价，以期为当地地下水资源保护和可持续开发利用提供一定的科学依据和参考。

1 研究区概况

吐鲁番盆地地处新疆东部，包括高昌区、鄯善县和托克逊县。盆地南北宽约240 km，东西长约300 km，东部为库木塔格沙漠，南部为觉罗塔格山，北部为天山山脉，乌鲁木齐市位于盆地的西北方向，位于盆地中部的艾丁湖是吐鲁番盆地的最低点，海拔为-154 m［9］。吐鲁番盆地地处中纬度亚欧大陆腹地，属大陆性暖温带荒漠性气候，降水稀少，年降水量约16 mm，蒸发强烈，蒸发量高达3000 mm；夏季炎热，最高气温超过49.6 ℃，6—8 月平均最高气温均在38 ℃以上，因此，吐鲁番盆地自古有“火洲”之称；盆地光照充足，全年日照达3000 h以上，由于盆地气压低，这里也是全国有名的“风库”［2］。吐鲁番盆地属于天山山间拗陷盆地，火焰山呈东西向分布于盆地间，将盆地分为南、北两个盆地。北盆地埋藏分布有潜水和承压水，潜水主要埋藏分布在山前冲—洪积扇群的松散岩类孔隙水之中；承压水主要埋藏分布在北盆地东部的鄯善县七克台一带，主要为粗细颗粒沉积物相间的多层结构含水层。南盆地潜水基本上呈环带状沿盆地边缘分布，含水层岩性以松散砂、卵砾石为主；承压水主要埋藏分布在南盆地冲积—洪积—湖积平原之内，多为中粗砂、粉细砂及黏性土相间的多层结构含水层［11］，研究区水文地质及地下水取样点分布见图1。研究区地下水补给主要有平原区的降水、渠系水及田间灌溉水入渗补给和山间基岩裂隙水侧向径流补给。地下水的排泄方式以蒸发蒸腾、机井与坎儿井开采为主［12］。吐鲁番盆地地下水补径排关系如图2所示［13］。

图1 研究区水文地质及地下水取样点分布示意图Fig.1 Hydrogeologic and distribution of groundwater sampling points in the study area

图2 吐鲁番盆地地下水补径排关系示意图Fig.2 Schematic diagram of groundwater recharge and drainage relationship in Turpan Basin

2 材料与方法

2.1 样品采集

地下水取样点分布于吐鲁番盆地平原区，取样时间为2015 年7 月，取样点控制面积为18092.3 km2，地下水取样点个数严格遵循《区域地下水污染调查评价规范》（DZ/T 0288—2015）［14］进行布设，共采集地下水水样44组（潜水33组，承压水11组）（图1），取样点密度为2.43 组·（10km2）-1，符合1:250000区域地下水污染调查评价的精度要求。

2.2 样品测试

2.3 研究方法

44 组水样阴阳离子平衡误差绝对值均小于5%，数据均可用于分析［16］。本文运用经典统计学、Piper 三线图解法、Gibbs 图解法和离子比值法对研究区地下水水化学特征及成因进行分析，并利用内梅罗指数法、改进内梅罗指数法和模糊综合评价法对研究区地下水质量进行评价。

3 地下水水化学特征及成因分析

3.1 地下水水化学特征

3.1.1 水化学成分含量由表1 可知，承压水水化学指标含量的变异系数明显小于潜水水化学指标含量的变异系数，说明潜水水化学指标含量的空间差异性较大。

表1 地下水水化学成分特征值Tab.1 Characteristic values of groundwater hydrochemical indexes

潜水水样的pH介于7.51～8.22，呈弱碱性。TDS变化范围为248.4～6616.6 mg·L-1，均值为1226.4 mg·L-1，按TDS 可将地下水类型划分为：淡水（TDS＜1 g·L-1）、微咸水（1 g·L-1＜TDS＜3 g·L-1）、咸水（3 g·L-1＜TDS＜10 g·L-1）、盐水（10 g·L-1＜TDS＜50 g·L-1）；其中淡水、微咸水、盐水分别占潜水水样的57.6%、36.4%、6.0%。水样中TH 的变化范围为60.0～2482.0 mg·L-1，均值为519.59 mg·L-1，其中极软水（TH≤75 mg·L-1）、软水（75 mg·L-1＜TH≤150 mg·L-1）、微硬水（150 mg·L-1＜TH≤300 mg·L-1）、硬水（300 mg·L-1＜TH≤450 mg·L-1）、极硬水（＞450 mg·L-1）分别占潜水水样的3.0%、12.1%、33.3%、15.2%、36.4%。

承压水样的pH介于7.87～8.38，呈弱碱性。TDS变化范围为209.8～1067.2 mg·L-1，均值为509.44 mg·L-1，其中淡水占90.9%、微咸水占9.1%。水样中TH 的变化范围为80.1～680.5 mg·L-1，均值为250.56 mg·L-1，其中软水、微硬水和极硬水分别占承压水水样的27.3%、54.5%和18.2%。

通过比较各离子含量均值可以得出地下水中阳离子以Na+为主，阴离子以SO42-为主。

3.1.2 地下水化学类型为了分析研究区的地下水化学类型，运用Origin和ArcGIS软件绘制Piper三线图及地下水水化学类型分区图（图3 和图4）。研究区的地下水水化学类型以SO4·Cl-Na·Ca 型和HCO3·SO4-Na·Ca 型为主，SO4·Cl-Na·Ca 型主要分布于鄯善县城以北区域，以及迪坎乡和七克台镇的东南区域；HCO3·SO4-Na·Ca 型主要分布在托克逊县的博斯坦乡和夏乡，高昌区以北的大河沿镇、红柳河园艺场、亚尔乡、葡萄沟街道和胜金乡，以及高昌区东南的三堡乡、二堡乡，鄯善县主要分布在火车站镇和七克台镇；其次为HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型，主要分布在托克逊县城以北和高昌区以南区域，由西向东呈带状分布在伊拉湖乡、郭勒布依乡、221团场和恰特喀勒乡。

图3 地下水水化学Piper三线图Fig.3 Piper diagram of groundwater hydrochemistry

图4 地下水水化学类型分区Fig.4 Zoning map of groundwater hydrochemical types

3.2 水化学成因分析

3.2.1 蒸发浓缩作用 Gibbs 图是一种半对数坐标图，可以直观判断出影响地下水化学形成作用的类型［4,17］。研究区潜水和承压水取样点均分布在Gibbs图的中部和右上部（图5），表明水化学特征受到了蒸发浓缩和岩石风化双重作用的影响。而大气降水对研究区的水化学特征几乎没有影响，这与研究区常年干旱、降水量少、蒸发强烈有关。

图5 地下水水化学Gibbs图Fig.5 Gibbs plots of groundwater hydrochemistry

3.2.2 基于离子比分析采用离子比值法进一步分析地下水中各化学成分的来源。

当γ(Na++K+)/γCl-＞1 时，地下水中的Na+和K+主要受到岩盐溶解的影响，反之为硅酸盐溶解的影响［18］。由图6a可知，大多数潜水和承压水取样点都位于y=x之上，有少量的潜水取样点位于y=x之下，说明研究区地下水中的Na+和K+主要来自岩盐的溶解，少量潜水中的Na+和K+来自硅酸盐的溶解。

图6 地下水离子比值相关图Fig.6 Correlation diagram of iron ratio in groundwater

4 水质评价

4.1 评价过程实例

内梅罗指数法和改进内梅罗指数法的水质评价过程较为简单，本文略去上述2 种方法的评价过程；模糊综合评价法较上述2种方法评价步骤多，且计算量较大。本文主要介绍模糊综合评价法的评价过程。以研究区D7取样点（承压水）为例，评价过程描述如下。D7取样点的检测数据如表2所示。

表2 D7取样点的水质检测数据Tab.2 Water quality test data at D7 sampling point /(mg·L-1)

4.1.1 建立评价因子集和评价集评价因子集为：

4.1.2 建立评价因子的权重矩阵AD7 取样点的各评价因子的权重计算结果见表3。

表3 D7取样点各因子权重计算结果Tab.3 Weight calculation results of each factor at D7 sampling point

评价因子的权重矩阵A为：

A=[0.111 0.113 0.093 0.068 0.128 0.067 0.030 0.029 0.187 0.168 0.006]

D7取样点模糊评价矩阵为：

4.1.4 建立评价结果矩阵B由模糊数学模型：B=A·R计算出评价矩阵B7。

隶属度最大的一项所对应的水质级别为模糊综合评价的等级［24］。0.638 最大，则D7 取样点的水质等级为Ⅰ级。

按照同样的方法计算出研究区其他43 个取样点的水质等级。评价结果见表4。

表4 模糊综合评价法的评价结果Tab.4 Evaluation results of fuzzy comprehensive evaluation method

5 结果与分析

3 种方法的评价结果见表5。在内梅罗指数法中，Ⅲ类及以上水质点有25 个，约占总取样点的56.8%，而Ⅳ类、Ⅴ类水质点有19 个，约占总取样点的43.2%。在改进内梅罗指数法中，Ⅲ类及以上水质点有27 个，约占总取样点的61.3%，而Ⅳ类水质点有17 个，约占总取样点的38.7%，无Ⅴ类水。在模糊综合评价法中，Ⅲ类及以上水质点有32 个，约占总取样点的72.7%，而Ⅳ类、Ⅴ类水取样点有12个，约占27.3%。

表5 3种方法水质评价结果Tab.5 Water quality evaluation results of three methods

由表5 可以看出，不同方法间的评价结果有一定的差异，改进内梅罗指数法和模糊综合评价法与《地下水质量标准》（GB/T 14848-93）中推荐的内梅罗指数法（F值评分法）的评价结果契合度为56.8%、52.3%。改进内梅罗指数法和内梅罗指数法的评价结果一致性最好，但是内梅罗指数法中的Ⅳ、Ⅴ类水占比最高为43.2%，是因为内梅罗指数法在计算综合评分值时，过于突出单项组分的最大值对地下水的影响程度，而且认为所有的评价因子对地下水质量的影响程度是相同的［25］，而改进内梅罗指数法赋予不同评价因子权重值，削弱了最大值的影响，Ⅳ、Ⅴ类水占比较内梅罗指数法有所下降，为38.7%。模糊综合评价法中的Ⅳ、Ⅴ类水占比最低为27.3%，是因为其通过构建隶属度函数充分考虑了各级水质标准的接近程度，又考虑了评价因子的权重，更加综合的反映水质情况，得到较好的水质评价结果［26］。

从评价结果上来看，Ⅲ类及以上水质占比由高到低为：模糊综合评价法、改进内梅罗指数法、内梅罗指数法。依据模糊综合评价法的评价结果绘制地下水质量分区图（图7）。吐鲁番盆地平原区地下水大部分为Ⅲ类及以上水质，Ⅳ、Ⅴ类水主要分布在托克逊县的博斯坦乡和鄯善县以东的火车站镇和七克台镇。