干旱半干旱地区地下水水化学特征及成因

武超，禤映雪，张涵，敦宇，吴国庆，曹英杰,5

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 050061；2.中国地质调查局/河北省地下水污染机理与修复重点实验室，石家庄 050061；3.中山大学环境科学与工程学院，广州 510006；4.中山大学广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，广州 510006；5.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东 珠海 519080)

干旱半干旱地区地下水的可持续利用关系到区域生态安全与粮食安全[1]。随着经济社会建设的快速发展，地下水资源开采量日益增大，使供水短缺问题变得更加突出[2-3]。由水质恶化导致的水资源问题比水量减少更加严重[4-5]。影响水质的因素可概括为自然因素和人为因素。自然因素包括气候、地貌、水文地质、构造背景、补给类型、岩石类型及风化程度等多种因素[6]，深入揭示自然因素的影响对认识区域水文地球化学演变具有重要意义[7]。人为因素在自然因素影响的基础上进一步改变水质，甚至导致水质恶化。干旱区和半干旱区降水量稀少，地表水资源匮乏，地下水成为当地供水的主要水源。受干旱气候影响，其水文地球化学特征较湿润区存在显著差异，受蒸发浓缩作用影响，总溶解性固体(TDS)较高，主量离子化学计量特征也存在显著差异。开展干旱和半干旱区地下水水化学研究不仅对阐明地下水的起源与形成具有重要的科学意义，而且对科学合理地进行地下水开发与保护具有重要价值[8-11]。

乌拉盖地区降水量稀少，蒸散发强烈，受蒸发浓缩影响，地下水具有天然盐化趋势，同时农牧业及农村生活造成地下水污染，对地下水资源安全供给造成潜在威胁。据此，综合水化学计量分析、多元统计分析、空间统计分析及氧化还原分析等手段开展区域水文地球化学特征研究，识别影响地下水水化学组成的自然因素和人为因素，以期为地下水合理开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区乌拉盖地区位于内蒙古自治区东北部(东经118°44′～119°50′，北纬45°29′～46°38′)，东西宽90 km，南北长937 km，总面积约5 014 km2，见图1。地势东北高西南低，主要由低山丘陵、沟谷和平滩地组成，坡度一般在10°～15°，海拔855.1～1 334.9 m。主要植被覆盖为草甸草原和典型草原，其中以草甸草原为主。

图1 研究区地下水分区及采样点Fig.1 Groundwater subzone and sampling sites

研究区气候属中温带半干旱性气候，四季交替明显，昼夜温差大。多年(1955—2014年)平均气温0.63 ℃，冰冻期10月份上旬至翌年6月份，最大冻结深度可达3.28 m。多年平均日照时数3 062.3 h，日照百分率69.1%，多年平均风速17.7 m/s。

综合地形地貌及水文地质特征，将研究区划分为3个水文地质分区：分区1(色也勒钦河)、分区2(乌拉盖河上游)及分区3(乌拉盖河中游)。水文地质钻探表明，含水层在埋深约50 m具有局部不连续的低渗透性黏土层，导致深层(埋深>50 m)地下水具有微承压性。据此，以埋深50 m为界将样品划分为浅层(埋深≤50 m)和深层(埋深>50 m)地下水。具有供水意义的含水层为第四系松散岩孔隙含水层，主要分布于沟谷平原和枝状沟谷上，如乌拉盖冲洪积平原、色也勒钦河冲洪积平原。含水层由上更新统砾砂石、含砾砂组成，结构松散，底板为上更新统黏土或砂质黏土，隔水性好。自沟谷上游到下游，含水层颗粒由粗变细，水位埋深由深变浅。

1.2 样品采集与分析

样品采集。根据水文地质勘察规范并综合考虑水文地质单元分区特征，于2019年9月采集地下水样品103组(图 1)，其中，分区1样品数为41个，分区2样品数为32个，分区3样品数为30个。采样前抽取至少3倍钻孔体积的地下水，确保样品代表性。样品经0.45 μm滤膜过滤后密封保存于500 mL聚乙烯样品瓶中，低温送至实验室置于4 ℃冰箱冷藏保存。现场通过全球卫星定位系统获得采样点经纬度坐标。

多元统计分析。利用IBM SPSS 20.0对地下水水化学组分进行因子分析，采用对数变换改善数据的正态性。因子旋转采用Varimax法，因子得分采用线性回归方法计算。

2 结果与讨论

2.1 地下水水化学特征

2.1.1水化学总体特征

2.1.2水化学分区及分层特征

各分区(分区1、2和3)不同层位(浅层及深层)地下水基本参数及主量离子分布特征见图 2。双因素方差分析表明，TDS表现为较强的分区变异性(p<0.05)，垂向分层差异不显著(p>0.05)：分区3的TDS最高，均值约为917 mg/L；分区1次之，约为426 mg/L；分区2最低，约为372 mg/L。地下水pH则表现为分层异质性(p<0.05)，空间分区差异不显著(p>0.05)：浅层pH普遍低于深层，深层pH均值约为7.6，浅层均值约为7.4。地下水DO主要表现为分区异质性(p<0.05)，分层差异并不显著(p>0.05)：分区1和分区2的DO质量溶度相对较高，呈氧化态，均值分别为5.07和5.65 mg/L；分区3地下水DO质量浓度相对较低，均值约为4.00 mg/L。

图2 研究区地下水基本参数及主量离子空间分布(分区分层)箱式图Fig.2 Box plot of filed parameters and major ions in groundwater

主量阳离子组成方面，Na+存在较显著的分区异质性(p<0.05)，但是分层异质性并不显著(p>0.05):分区1和2的Na+质量浓度相对较低，均值分别为30.9和24.1 mg/L；分区3的Na+质量浓度则较高，均值约为122.0 mg/L。由图 2可知，除分区3浅层Na+质量浓度高于深层外，分区1和2深浅层Na+质量浓度没有显著性差异。K+存在较显著的分区异质性(p<0.05)和相对较弱的分层异质性(p<0.10):分区1和分区2的K+质量浓度相对较低，均值分别为1.4和1.2 mg/L；分区3的K+质量浓度则较高，均值约为3.2 mg/L。浅层K+质量浓度高于深层，浅层平均约为2.1 mg/L，深层平均约为1.5 mg/L。Ca2+存在较显著的分区异质性(p<0.05)和不显著的分层异质性(p<0.10):分区1和2的Ca2+质量浓度相对较低，均值分别为58.8和59.3 mg/L；分区3的Ca2+质量浓度则较高，均值约为87.4 mg/L。各分区Ca2+深浅层质量浓度变化特征存在一定差别，其中,分区1和分区2深浅层较为接近，分区3浅层地下水Ca2+质量浓度显著高于深层，其浅层Ca2+平均质量浓度为70.7 mg/L，深层平均质量浓度为62.8 mg/L。Mg2+存在较显著的分区(p<0.05)和分层异质性(p<0.05):分区1和分区2的Mg2+质量浓度相对较低，均值分别为14.8和11.0 mg/L；分区3的Mg2+质量浓度则较高，均值约为38.8 mg/L；且浅层Mg2+质量浓度普遍高于深层，浅层均值约为22.8 mg/L，深层均值约为17.7 mg/L。

2.1.3水化学类型分区及分层特征

研究区主要的水化学类型[12](图 3)为Ca-HCO3型(占比37%)、Ca-Na-HCO3型(26%)、Ca-Mg-Na-HCO3型(12%)及Ca-Mg-HCO3型(8%)，其他类型占比为17%。不同水化学类型分布的区域及层位存在一定差异:分区1浅层地下水主要为Ca-HCO3型(40%)，深层地下水则主要为Ca-HCO3型(38%)和Ca-Na-HCO3型(38%)；分区2浅层地下水也主要为Ca-HCO3型(57%)，深层水化学类型发生变化，主要为Ca-HCO3型(54%)和Ca-Na-HCO3型(45%)；分区3水化学类型较为多样，浅层地下水主要为Ca-Mg-Na-HCO3型(37%)，其他类型也均有分布，深层地下水则主要为Ca-Na-HCO3型(29%)，其他水型也均有分布。

图3 研究区地下水Piper三线图Fig.3 Piper plot of groundwater

2.2 地下水水化学形成作用

2.2.1控制地下水水化学的自然因素

主控自然因素识别。Gibbs图[13]及其改进版本[14]被广泛应用于识别地表水及地下水的水化学形成作用。浅层和深层地下水Gibbs图(图 4)显示控制水化学演化的自然因素存在分区及分层差异性。其中：分区1和2的深浅层地下水主要受控于水岩作用[15-17]；分区3则相对复杂，浅层地下水点位TDS呈升高趋势，偏离水岩作用区向卤水端偏移，表明分区3浅层地下水除受控于水岩作用外，还受到蒸发浓缩作用影响，其深层地下水中蒸发浓缩作用较弱，但是部分点位受离子交换作用影响呈现Ca2+降低而Na+升高的现象。各分区地下水埋深也存在一定差别：分区1和2浅层地下水平均埋深分别为6.6和6.7 m；分区3平均埋深约为5.2 m，更容易受到蒸发浓缩作用的影响。

图4 研究区地下水Gibbs图Fig.4 Gibbs plot of groundwater samples

图5 浅层及深层地下水水化学因子分析结果Fig.5 Factor analysis of shallow and deep groundwater hydrochemistry

主控水岩反应类型及主量离子源解析。如上所述，水岩作用是控制区域地下水水化学特征的主要因素。根据离子浓度比(图 6)可以进一步推断主控的水岩作用类型[18-20]。无论浅层还是深层地下水，大部分的采样点位于硅酸岩和碳酸盐岩水岩作用控制区之间，更靠近硅酸岩风化区，由此表明该地区硅酸岩的水岩反应是主控类型，碳酸盐岩次之，蒸发岩影响较为微弱，这与区域地质背景相匹配。

图6 地下水水岩作用Fig.6 Water-rock reaction in groundwater

利用主量离子相关关系图(图 7)可以进一步判断主量离子来源。

Na+和K+方面：当Na++K+与Cl-的当量比等于1时，地下水中的Na+和K+主要来自蒸发岩的溶解[21-22]；当该比值不等于1时，表明Na+和K+除蒸发岩溶解外还存在其他岩石的溶解。由图 7(a)可知，除分区1和2部分样点外位于1∶1等当量线上，绝大部分样点位于1∶1线下方，Na++K+不能完全被Cl-平衡，相对Cl-盈余，表明蒸发岩溶解不是研究区Na+和K+主要贡献源。Na++K+通常主要被认为来源于蒸发岩或硅酸盐岩的风化[23-25]，因此，盈余的Na++K+表明硅酸盐岩中钠钾长石风化的贡献[11]。

2.2.2控制地下水水化学的人为因素

图7 地下水主量离子相关关系Fig.7 Correlation between major ions in groundwater

图8 地下水质量分类空间分布特征Fig.8 Spatial distribution characteristics of pollution level in groundwater

表1 地下水硝酸盐空间自相关统计分析结果Tab.1 Spatial autocorrelation analysis of nitrate in groundwater

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图9 地下水pH-pe图Fig.9 Groundwater pH-pe diagram

3 结 论

研究区地下水水化学呈现显著的空间分区特征。不同分区深、浅层地下水水化学类型存在一定差异：分区1浅层地下水主要为Ca-HCO3型(40%)，深层地下水则主要为Ca-HCO3型(38%)和Ca-Na-HCO3型(38%)；分区2浅层地下水也主要为Ca-HCO3型(57%)，深层水化学类型发生变化，主要为Ca-HCO3型(54%)和Ca-Na-HCO3型(45%)；分区3水化学类型较为多样，浅层地下水主要为Ca-Mg-Na-HCO3型(37%)，其他类型也均有分布，深层地下水则主要为Ca-Na-HCO3型(29%)。

水岩作用是控制研究区水化学演化的主要因素，不同分区及分层仍旧存在一定差异。其中，分区3还受到蒸发浓缩及离子交换作用的影响。水岩作用中硅酸岩风化作用是主控作用，碳酸盐岩溶解次之，蒸发岩影响较为微弱，这与区域地质背景相匹配。因子分析表明人类活动也是影响地下水水化学特征的重要因素。

研究区存在一定的地下水硝酸盐污染现象。空间分析表明，全区范围内硝酸盐空间分布呈典型的随机分布模式，污染点位没有离散和聚集效应，区域分散的农牧业及人类活动成为地下水硝酸盐污染的重要点源。氧化还原分析表明区域存在潜在的反硝化趋势。