竹娜，胡伏生，張強，陳亞峰，李志紅

(1.成都理工大學/地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059;2.中國地質大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京100083)

吐魯番盆地位于中國新疆維吾爾自治區(qū)東部，是典型的內陸封閉式盆地，是中國內地連接中亞地區(qū)及南北疆的交通樞紐，也是資源豐富的“天然聚寶盆”。特殊的地理位置和環(huán)境形成了吐魯番獨特的干熱氣候，這里年均降水量只有16 mm，而年均蒸發(fā)量卻高達到3 000 mm，是中國年降水量最少的地區(qū)之一。近年來，地下水的過量開采導致了地下水位下降、坎兒井枯竭等問題，資源性缺水和工程性缺水并存的現(xiàn)實制約著地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，也影響了地區(qū)居民的生活。

地下水資源通常屬于干旱和半干旱區(qū)的主要供水水源，地下水化學特征及形成機理便成為此列區(qū)域水文地質學科的重要研究內容，開展相關研究對區(qū)域地下水資源的利用和管理及生態(tài)環(huán)境的建設與保護都具有十分重要的意義。當前，國內外學者主要采用數(shù)理統(tǒng)計、Piper或Durov圖、離子比例系數(shù)、相關性分析、同位素示蹤等技術方法對地下水化學特征、水化學成分的形成及演化等進行研究。為研究區(qū)進行地下水水化學分析，會對研究區(qū)制定水資源開發(fā)利用方案，以及更好的控制區(qū)內土壤鹽漬化蔓延等具有重要意義，并且可給地下水合理開采，科學管理等方面提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)水文地質條件

研究區(qū)總面積約為14 591 km2，四周是山地，中部低，是封閉式盆地。盆地中央部有的火焰山和鹽山沿著東西方向延伸，將盆地分為南北盆地兩部分。南盆地中部的艾丁湖是吐魯番盆地的最低點，海拔為-155 m。盆地內的標準高差達到1 400 m(見圖1)。

圖1 研究區(qū)行政位置圖

第四系松散沉積層為地下水的賦存和運移提供了巨大的空間，其他地層則作為相對隔水層對地下水運移、轉化產(chǎn)生控制作用。以火焰山為界，北盆地海拔比較高，第四系沉積物厚度大于100m，北盆地內發(fā)育眾多出山河流，這些源自冰雪融水的河流形成了地下水補給源，北盆地內廣大的平原就是地下水的徑流區(qū)，這些地下水被火焰山阻擋后形成泉，山前的泉水灰機到火焰山的溝谷內流入南盆地，之后向艾丁湖方向徑流，整個過程同時伴隨著強烈的蒸發(fā)作用，同時也有人工開采的影響。艾丁湖為全區(qū)主要的排泄區(qū)。

圖2 研究區(qū)等水位線圖

研究區(qū)降水量和長年積雪都有由西向東和由南向北減少的趨勢。所以，地區(qū)內形成的地表水資源西多東少，北多南少。而且，吐魯番地區(qū)以外的流入量都集中于西部，所以水資源量和流量在東西呈現(xiàn)很大差別。地表徑流地區(qū)分布的另一個顯著特征是吐魯番周圍山地流出的河流水滲入地下，構成第四系含水層的地下水盆。地下水位埋深多大于30 m，最深達到300 m(見圖2)。

研究區(qū)的地表水利用主要源于14條常年河流，這些源自山地的大部分河流在自然狀態(tài)下流出山口之后，僅僅流經(jīng)若干公里就會滲入地下。14條河流中，在盆地內自然流下最終到達南盆地艾丁湖的河水只有白楊河和阿拉溝，二者在托克遜匯合形成一條河流。

2 研究區(qū)地下水化學特征總述

吐魯番盆地研究區(qū)，地下水流方向性明顯，可根據(jù)地下水流流向以及第三系阻水地層的分布，劃分為三個小區(qū)域。如圖3，黃色為A區(qū)，紅色為B區(qū)，綠色為C區(qū)。除B區(qū)內有三個泉水點外，其余取樣點均為井水，取樣點平pH值變化范圍為6.94～8.8，TDS 變化范圍較大，最小值為0.1 g/L，最大值為15 g/L。

圖3 取樣點分區(qū)圖·

取樣點的布設覆蓋研究區(qū)三個區(qū)域，排除已受污染或可能被污染的取樣點，以及海拔高路況差難以取樣的點，以取樣方便的點優(yōu)先布設，選取了有代表性、典型性以及均衡性的36個點，取樣時間為2012年4月。

監(jiān)測項目包括 K+、Na+、Ca2+、Mg+、SO42-、HCO-、Cl-、pH、TDS等。采用陰陽離子平衡的方法檢驗水化學數(shù)據(jù)的可靠性，(TZ+-TZ-)/(TZ++TZ-)×100均小于5%，TZ+與TZ-的相關系數(shù)為0.999，說明水化學分析數(shù)據(jù)可靠，可以用于分析(Chen et al，2011)

圖4 研究區(qū)地下水化學Piper三線圖

圖5 研究區(qū)地下水TDS濃度變化圖

由圖4圖5可知，各區(qū)域水化學類型變化多樣。以全區(qū)而言，水化學類型由補給區(qū)的HCO3-Ca型，逐漸變化為SO4-Ca型，HCO3-Na型，排泄區(qū)艾丁湖方向多成Cl-Na型，同時伴隨礦化度總體升高，但是各區(qū)的具體情況各有不同。

研究區(qū)內，TDS的變化呈現(xiàn)由補給區(qū)向排泄逐漸增大趨勢，但在一些區(qū)域TDS值不完全符合此規(guī)律，即不是隨水流方向逐漸增大的趨勢，這可能與局部地質及水文地質條件，或是人為影響有關。對于一個區(qū)域性地下水分布來說，當含水層的中水發(fā)生大范圍側向流動時，在地下水流向上，TDS會呈現(xiàn)出一種累進的水巖相互作用(progressing water rock interaction)趨勢(Edmunds，2001)。而研究區(qū)降雨量較少，地下水主要補給來源為山區(qū)側向徑流補給，因此反映出，水中TDS變化的原因主要與地表附近(包括包氣帶)的鹽類分布有關。

水循環(huán)過程中影響水化學變化的主要過程是水巖相互作用。水巖相互作用中的礦物溶解，大體上可以分成兩種情況:

一類是風化礦物，主要利用有溶蝕能力的水去溶解(Appelo and Postma，1993)，

最常見的有方解石和鈉長石等:

另外還有一種不需要酸性水去溶解的礦物，最常見的是石膏。

另一類是蒸發(fā)礦物的溶解，其溶解度非常高，見水便可溶解(Berner，1980)，多為蒸發(fā)鹽，我們常常稱之為易溶鹽，如石鹽、芒硝、光鹵石等(Drever，1997)。

在該區(qū)域的研究中，當Cl離子濃度比較小時第一類風化礦物的溶解能顯示出來;而當Cl離子濃度升高時，第二類易溶鹽的溶解占主導(見圖6)。

圖6 氯離子濃度變化圖

圖7 重碳酸根濃度變化圖

如圖7，，研究區(qū)內重碳酸根離子濃度總體變化趨勢與鈉離子相反。在補給區(qū)，水交替強烈，延時經(jīng)過長期沖刷，大部分易溶鹽類組分已經(jīng)被帶走，便形成礦化度很低的HCO3-Ca型水，隨著地下水沿著含水層徑流，溶濾作用不斷發(fā)生，地下水類型不斷變化。重碳酸根往往還會受到鈣離子含量的限制，但在有大量二氧化碳溶解時，重碳酸根的濃度會大大增高，一些泉水中的重碳酸根含量較大，便與溶解二氧化碳有關。

3 各區(qū)各離子相關性分析(以A區(qū)為例)

A區(qū)位于研究區(qū)西南側，主要補給來源為盆地西側的地表水以及北盆地的地下水，總體向艾丁湖排泄，徑流途徑較長，由圖5可知從補給區(qū)到排泄區(qū)TDS值逐步增大。由圖8可見，A區(qū)個點中，除 A4、A1、A11、A13 這四點外，其余點 SO42+和 Cl-的相關性較好，相關系數(shù)為0.98，即SO42+和Cl-的含量相差不大，而北盆地內硫化物和天然硫分布較少，可推斷A區(qū)SO42+主要來自于南盆地地下水的混合作用以及對A區(qū)內硫酸鹽巖的溶解。

圖8 SO42+與Cl-相關性圖

圖9 A區(qū)Na+與Cl-相關性圖

從圖9中可看出，點A5、A11的Na/Cl值小于1，而其他點均大于一，線上的點中可能存在其余的鈉鹽的溶解。在圖10中，只有A6和A2兩點Mg/Cl值大于1，其余點Mg/Cl值小于1，并且隨著水流方向氯離子的濃度逐級上升，而鎂離子量變化范圍不大，可推測A區(qū)溶解的氯化物以NaCl為主。

圖10 A區(qū)Mg2+與Cl-相關性圖

SO42-與 Na+相關系數(shù)為 0.87，除 A2、A4，A6 外所有點Na+/SO42-比值均大于1，說明有其他形式的鈉鹽溶解，Na2SO4(即芒硝)的可能性較大。圖10與圖12可見，Ca2+由補給區(qū)到排泄區(qū)量的變化范圍為1～10 meq/L，Mg+的變化范圍為0～5 meq/L而Na+的變化范圍為0～20 meq/L，HCO3濃度變化不大，幾乎趨于穩(wěn)定，只在排泄區(qū)有所減小，說明區(qū)域地下水正在咸化。

圖11 A區(qū)Na+與SO42-相關性圖

圖12 A區(qū)Ca2+與SO42-相關性圖

圖13 A區(qū)Na+Mg-Cl+SO4相關性圖

如圖13，從可以明顯看出，除點A10之外，Na++Mg2+的濃度明顯小于Cl-+SO42-的濃度，說明地下水中Ca2+的溶解量隨Cl-+SO42+濃度的增大而增大，說明從補給區(qū)到排泄區(qū)的徑流過程中可能存在CaSO4(即石膏)的溶解。有石膏的溶解，可推測A區(qū)地下水中發(fā)生同離子效應，使得方解石(即CaCO3)沉淀。

對于四個較為特別的點 A5、A11、A12、A13，除 A5外，其余三個點距離艾丁湖排泄區(qū)較近，TDS值較高，最高達到2g/l。水化學類型均為Na-Cl型水，因為艾丁湖出露的主要蒸發(fā)礦物為石鹽(NaCl)、芒硝(Na2SO4·10H2O)、無水芒硝(Na2SO4)、石膏(CaSO4·2 H2O)、鈣芒硝(Na2Ca(SO4)2)和光鹵石(KMgCl3·6H2O)(王亞俊，2003)可以解釋上圖中出現(xiàn)的與其余點較為不同的現(xiàn)象。即在徑流過程中，隨著蒸發(fā)礦物的不斷溶解，到了排泄區(qū)，水中的 Na+，Ca2+，SO42-，Cl-濃度較高。

而A5為Ca-Mg-SO4-Cl型水，與臨近取樣點的水化學類型相同，周圍地質環(huán)境也沒有特別變化，但是卻表現(xiàn)出與周圍不同的特點——TDS值較高，這可能是在A5附近一些蒸發(fā)礦物較為聚集，或是一些人為原因的影響，因而與附近取樣點的點的特征不符。

A區(qū)各點的TDS值變化范圍較大，最高高達2g/L，加之上述分析可知，該區(qū)樣點地下水化學特征的形成可能存在三種原因:第一是水體在入滲前，和徑流過程中經(jīng)歷的蒸發(fā)濃縮作用;第二是地下水在徑流過程中對各類礦物的溶解作用;第三是北盆地地下水經(jīng)轉化補給到南盆地后，兩盆地的地下水混合。依據(jù)以上分析，影響該區(qū)水化學變化的主要是易溶鹽的溶解，并且以溶解鈉鹽和硫酸鹽為主，即推測此處地下水可能溶解了芒硝，鈣芒硝等。

對于B區(qū)和C區(qū)，可采用同樣的分析方法，在此不再贅述。

4 結語

研究區(qū)內地下水補給來源主要為北部山區(qū)的冰雪融水，徑流條件較好，排泄區(qū)為艾丁湖區(qū)域，地下水TDS值變化范圍大，從補給區(qū)向排泄區(qū)逐漸升高，最高可高達15g/L，而補給區(qū)地下水礦化度則小于1g/L，補給區(qū)水化學類型多為HCO3-Ca型，排泄區(qū)則多成Cl-Na型。

根據(jù)構造和水文地質條件將研究區(qū)可分為三個小區(qū)，文章以A區(qū)為例，通過繪制等值線圖以及離子相關性分析，可知影響A區(qū)水化學變化的主要是易溶鹽的溶解以及蒸發(fā)濃縮作用。溶解組分鈉鹽和硫酸鹽為主，即推測此處地下水可能溶解了芒硝，鈣芒硝等。SO42-主要來自于南盆地地下水的混合作用以及對A區(qū)內硫酸鹽巖的溶解。

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