新疆莎车县地下水化学特征及形成机制

杨 鹏，丁国梁，王振山，吕恒阳

(新疆兵团设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引言

莎车县位于新疆叶尔羌河流域中上游，是新疆第一人口大县，随着莎车县经济社会的快速发展，各业对水资源的需求不断增加，单一的地表水源已经不能满足日益增长的用水需求，地下水资源的重要性及不可替代性越来越突出。

地下水的水化学成分主要受含水层的岩性、地下水补给、径流、排泄条件及人类工程活动影响等控制，其在一定程度上能够反映出该地区地下水是如何演变而成的。为了合理科学的利用地下水资源，对地下水进行有效保护，对本地区地下水化学特性和控制因素的了解，就显得尤为重要。张杰[1-3]等对叶河流域的地表水水化学特征及其控制因素进行了研究，结果表明叶尔羌河地表水中的离子主要受岩石风化、蒸发结晶和阳离子交换的影响,其中石膏和岩盐的溶解占据了岩石风化作用的主要过程。武倩倩[4]等对叶尔羌河流域地下水补给来源进行了研究，指出流域地下水不是来自大气降水的直接入渗，而是地表水体渗漏补给。林丽[5]等研究了叶河浅层地下水化学特征及形成机制，得出地下水中离子主要来自岩盐、硫酸盐和硅酸盐等矿物的风化和溶解的结论。而关于莎车县地下水化学组分及特征的研究工作相对较少。因此，本文以莎车县为研究区，通过对莎车县地下水的化学特征进行研究，了解地下水中各类离子的含量、来源及形成机理，从而为该地区地下水的合理利用及保护提供指导和建议。

1 材料与研究方法

1.1 莎车县概况

叶尔羌河流域位于塔里木盆地的西南面，灌区总面积为753.39万亩，灌区东西两侧位于塔克拉玛干沙漠、布古里沙漠和托克拉克沙漠之间,是新疆西部干旱区最大的灌区，莎车县灌区位于叶河中上部，是叶河流域平原灌区中最大的子灌区。

莎车县地处塔里木盆地的西部，叶河冲积平原中上游。总面积8 956.7 km2，山丘区面积约为3 163.8 km2，平原面积为5 792.9 km2(其中荒漠区面积2 292.9 km2)。全县地势总体由南向北倾斜，以喀群站为界，南部为山区，北部为平原区。平原区东部毗邻塔克拉玛干大沙漠，西部为布古里沙漠，中部沿叶尔羌河两侧10～20 km的范围为人工绿洲灌区，灌区灌溉面积183.4万亩，该区同时也为地下水的主要开发利用区。

莎车县属于暖温带大陆性气候，气候干燥，雨量稀少，蒸发大，年平均气温13.3℃，极端高温41℃，极端低温-27℃。1954-2018年平均降水量为55.93 mm，年均蒸发量达到2 235.6 mm(E601型)，主要集中在3-9月。

莎车县地下水赋存于叶尔羌河流域冲洪积平原第四纪松散沉积物之中，含水层类型由单一结构孔隙潜水转为多层结构承压水。地下水埋深南部多大于30 m，除叶尔羌河西侧绿洲区由于受人工开采的影响，地下水埋深在10～20 m之间外，其余大部分地区地下水埋深普遍在3～10 m。地下水总体径流方向与河流走向基本一致，呈SW-NE向，水力坡度由南向北递减。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与测试

本研究于2018年5月-2019年9月期间对莎车县进行地下水样采集，共采集水样53组，全部为浅层地下水样品，地下水采样点分布如图1所示。

水样采集均取自农灌机井中，为保证采集的地下水为新鲜水及源头水，采样均在机电井抽水至少10 min以后且保证水清沙净条件下，直接在出水泵管的管口进行采集。为了防止样品成分发生改变，取样所用盛样容器均采用未经污染的500 ml聚氯乙烯瓶，采集前用拟采集的新鲜水体清洗瓶体及瓶盖至少3次以上，采集时水体全部充满容器，不留气泡。样品经过采集完成以后，随即放入温度恒定在4℃中的冷藏箱，并在24h内送至试验检测中心完成检测。

样品具体检测由新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司试验检测中心完成，CO3-和HCO3-使用双指示剂中和测定[6]，Cl-采用硝酸银滴定法进行测定[7]，SO42-离子含量采用乙二胺四乙酸二钠-钡滴定法方法测定，Na+和K+离子含量通过火焰发射光谱法测定，Ca2+、Mg2+离子含量通过乙二胺四乙酸二钠滴定进行测定[8-11]，TDS使用烘干测定法(105℃)测定。

1.2.2 研究方法

描述性梳理统计分析采用SPSS软件进行，水化学参数箱线图、Piper三线图和离子相关性图用Origin软件绘制，通过以上图表，揭示莎车县的地下水化学类型、组分含量及其特征。为分析地下水化学成因，本次利用Grapher软件绘制了Gibbs图，同时采用氯碱指数及离子比值加以辅助分析。

图1 地下水取样点分布图

2 结果与分析

2.1 地下水化学组份特征

采用SPSS软件对53组地下水样(取样机井深度80～120 m)的九项离子含量指标进行描述性统计分析，地下水化学组分统计结果见表1，地下水化学参数箱线图见图2。

统计结果表明，莎车县地下水样pH值在6.8～8.1之间，平均值7.4，均为中性水；TDS(矿化度)变化范围在388.0～5 922.0 mg/L之间，平均值1 669.6 mg/L，淡水(TDS<1 g/L)、微咸水(1～3 g/L)和咸水(3～10 g/L)分别占取样数量的30.2%、60.4%和9.4%；总硬度(TH)值在249.8～1 874.0 mg/L之间，其中微硬水(150～300 mg/L)、硬水(300～450 mg/L)和极硬水(>450 mg/L)分别占取样数量的5.7%、20.7%和73.6%。表明莎车县地下水为高硬度、微咸水为主的中性水。

地下水中阳离子含量表现出Na++K+>Ca2+>Mg2+，阴离子含量表现出：SO42->Cl->HCO3-+CO32-。由此可得出莎车县的地下水中阳离子以Na+、K+和Ca2+为主，阴离子以SO42-、Cl-为主。

图2 地下水化学参数箱线图

2.2 离子相关性分析

对莎车县地下水中的各项离子进行了相关性分析，可以分析各离子之间是否有关联，来源是否相同。采用SPSS软件进行相关系数的计算，相关系数计算结果见表2，从表中可以看出，水样中SO42-与各阳离子之间表现出了显著相关，与Na+、Mg2+和Ca2+的相关系数也分别达到0.945、0.824和0.823。Na+与各阴离子之间表现出了显著相关，与Cl-和SO42-的相关系数达到0.966和0.945。各阴离子之间Cl-和SO42-的相关系数为0.918。分析莎车县的区域地质资料，发现莎车县地层中广泛分布有白云石、石膏和芒硝等蒸发盐类矿物，根据这一现象，进一步推断地层中的蒸发盐类矿物的风化溶解是控制莎车县地下水化学成分主要因素。

本次分析同时发现，地下水矿化度(TDS)与各阴阳离子之间相关性也较好，其中SO42-、Na+、Cl-与矿化度的相关系数分别达到0.975、0.966、0.908，表明这几种离子的浓度大小与空间分布对TDS的大小和分布有着重要的影响。各离子与矿化度的相关系数性排序为SO42->Na+>Cl->Mg2+>Ca2+>HCO3-。

表1 地下水化学组分统计表(n=53)

除变异系数外，其余单位均为：mg/L

表2 莎车县地下水离子浓度相关系数图

图3 地下水Piper三线图

2.3 地下水水化学类型特征

基于莎车县范围内53组地下水化学成分化验结果，绘制莎车县地下水Piper三线图(图3)，从图中可以反映出莎车县地下水主导阳离子是Na+和Mg2+，平均含量分别为45%、36%；主导阴离子是Cl-和SO42-，平均含量分别为35%、30%。

此外，采用舒卡列夫顺序命名法对莎车县地下水化学类型进行分类，绘制地下水水化学类型分区见图4。从图中可以看出，莎车县地下水化学类型以SO4·Cl-Na·Mg型、HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3·SO4-Mg和Cl·SO4-Na·Mg型等为主。地下水在径流过程中，由于受到各项补给的影响，尤其是地表水体的渗漏补给，在空间分布上呈现出明显的分带规律：由南向北，由近河地带到远离河谷地带，地下水化学类型由HCO3-SO4型逐渐向SO4-HCO3型和SO4-Cl型转变。具体为：阔什艾日克乡以南的近河地带为地下水化学类型为HCO3-SO4型，该乡以北及远离河道地带的为SO4-Cl型，而在莎车县西部和东部的绿洲与荒漠的过渡带区域，水化学类型为Cl-SO4型。

2.4 地下水的矿化度特征

利用surfer软件采用利用克里金插值法绘制莎车县地下水矿化度分区图见图5，分区结果表明，莎车县地下水矿化度的空间变化规律基本一致与水化学类型空间变化规律一致，即在地下水径流的过程中，主要受到地下水的补给条件影响，尤其是地表水的渗漏补给，呈现出明显的分带规律，沿着地下水的径流方向，地下水中的矿化度逐渐增高；垂直于叶尔羌河河道，随着距河道的距离的增加，矿化度逐渐增高。分析认为，主要与叶尔羌河道的渗漏补给有关，叶尔羌河河水矿化度较低，而河水渗漏又是莎车县地下水的主要补给源，河水大量补给地下水，使得地下水被淡化，故而矿化度较低。而距离河道较远的地带，地表水体的补给作用减弱，仅能有限的接收农田灌溉水的入渗补给，故矿化度更接近本底值。在灌区外围，由于地下水埋深较浅，地下水蒸发作用强烈，导致水中的矿物离子不断富集，造成地下水矿化度较高。

图4 莎车县地下水化学图

图5 莎车县地下水矿化度分区图

2.5 地下水化学形成机制分析

地下水的化学成分在径流过程中经历了复杂而漫长演变过程,受到多种多样偶然因素的影响和制约。在地下水体环境中，含盐类矿物的溶解和蒸发浓缩可以改变地下水的化学成分，这些含盐类矿物包括碳酸、硫酸及硅酸盐。此外，大气降水、矿物岩石风化等也可改变地下水的化学成分。

为了定性判断对地下水化学成分影响的主导因子，可通过绘制Gibbs图直观地反映地下水的离子成分是倾向于“降水型”、“矿物风化型”，还是“蒸发-浓缩型”。Gibbs图是一种坐标关系图，其纵轴为TDS的对数，横轴为γNa+/γ(Na++Ca2+)或γCl-/γ(Cl-+HCO3-)。在Gibbs图中，水样点落在右下角区域时，说明该水样点水化学离子成分主要受大气降水影响，属于降水型；水样点落在左中部区域时，说明该水样点水化学离子成分主要受岩石风化影响，属于矿物风化型；水样点落在右上角区域时，说明该水样点水化学离子成分主要受蒸发浓缩影响，属于蒸发-浓缩型。

根据莎车县各地下水取样点的水化学成分，将各取样点展点到Gibbs图中，从图6中可以看出，水样点多落在的右上角的蒸发浓缩作用控制(ECD)区域，也有部分水样点落在中上部，略靠近于RWD区域。表明莎车县地下水水化学离子成分主要受蒸发-浓缩作用控制，其次是受岩石风化作用，未受到大气降水作用影响。这与莎车县干旱少雨，多年平均降水量55.93 mm基本上是相互呼应的。

图6 地下水化学Gibbs分布图

2.6 阳离子交替吸附

阳离子交换作用也对地下水化学成分的变化起到重要作用。在含水层中，吸附于岩石和土壤表面的阳离子和水中的其它阳离子发生了离子交换，从而改变了地下水的化学成分。本次采用氯碱指数(CAI1和CAI2)进一步分析研究莎车县地下水中阳离子的交替吸附作用：

CAI1= Cl--(Na++K+)/ Cl-(meq/L)

(1)

CAI2= Cl--(Na++K+)/ SO42-+ HCO3-+ CO32-+NO3-(meq/L)

(2)

假若CAI1与CAI2均大于0，则反映出水中的Na+、K+与含水层岩土体中的Ca2+、Mg2+发生了交替吸附；若小于0，则反映出水中的Ca2+、Mg2+与含水层岩土体中Na+、K+的发生了交替吸附。CAI绝对值越大，说明阳离子交换效果越强[5]。

地下水氯碱指数计算结果数理统计分析见表3，所有水样点CAI1、CAI2值均大于0，CAI1值最大为42.48，CAI2值最大为42.34，表明莎车县地下水中的阳离子成分确实与含水层岩土体中的离子发生了交替吸附。由此可以证明，阳离子交替吸附作用也是影响莎车县地下水化学组分的重要因素。

表3 地下水氯碱指数计算结果数理统计分析(n=53)

3 结语

(1)莎车县地下水pH介于6.8～8.1，均为中性水；TDS浓度介于388.0～5922.0 mg/L，淡水(TDS<1 g/L)、微咸水(1～3 g/L)和咸水(3～10 g/L)分别占取样数量的30.2%、60.4%和9.4%；总硬度介于249.8～1874.0 mg/L，微硬水(150～300 mg/L)、硬水(300～450 mg/L)和极硬水(>450 mg/L)分别占取样数量的5.7%、20.7%和73.6%。离子当量浓度关系为Na++K+>Ca2+>Mg2+、SO42->Cl->HCO3-+CO32-。

(2)莎车县地下水化学类型以SO4·Cl-Na·Mg型、HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3·SO4-Mg和Cl·SO4-Na·Mg型等为主。受地下水的径流补给影响，地下水化学类型在空间分布上具有明显的规律：由南向北，由近河地带到远离河谷地带，地下水化学类型由HCO3-SO4型向SO4-HCO3型和SO4-Cl型过渡。

(3)莎车县地下水淡水、微咸水和咸水分别占地下水水样的30.2%、60.4%和9.4%，地下水TDS平面空间分布呈现明显的分带规律，矿化度由南部的小于0.5 g/L沿着地下水的径流方向逐渐增高至2 g/L；垂直于河道方向，由近河地带的0.5～1 g/L，逐渐向远离河道的地带升高至3～5 g/L。

(4)蒸发、浓缩作用是控制莎车县地下水化学成分的主要因子，其次是受岩石风化作用。此外，阳离子交替吸附作用也对地下水化学组分的形成起到重要作用，含盐矿物的溶解为地下水提供了Na+和Cl-，酸盐和硅酸盐等蒸发岩矿物的溶解为地下水提供了丰富的Ca2+、Mg2+。