李 玲， 周金龍， 齊萬秋， 陳 鋒， 陳云飛

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830023； 3.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心， 新疆 烏魯木齊 830052； 4.新疆地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊， 新疆 昌吉 831100)

1 研究背景

地下水中的化學(xué)成分是地下水與外界環(huán)境長期相互作用的產(chǎn)物[1]，其形成與變化受氣候條件、地層巖性、地形地貌、地表水及人類活動等因素控制[2]。識別地下水化學(xué)特征及影響因素是水文地球化學(xué)重要的研究內(nèi)容之一。不同地區(qū)各種因素對地下水化學(xué)特征的影響程度不同[3]。干旱半干旱地區(qū)地下水化學(xué)成分受氣候影響較為明顯，盧穎等[4]采用因子分析法得出控制張掖盆地地下水化學(xué)成分形成與改變的主要因素是蒸發(fā)濃縮作用，其次是溶濾作用；Wen Xiaohu等[5]根據(jù)同位素特征及離子比例關(guān)系得出在額濟納盆地大部分地下水都經(jīng)歷了長時間的蒸發(fā)濃縮作用。Islam等[6]、Ma Fengshan等[7]研究表明，沿海地區(qū)地下水水化學(xué)特征主要受到海水入侵的影響，且地下水與海水混合作用的程度不同，主要離子成分也有所差別。王珺瑜等[8]、袁建飛等[9]研究表明，巖溶發(fā)育區(qū)地下水中化學(xué)成分主要來自碳酸鹽巖的溶解。王曉曦等[10]發(fā)現(xiàn)在沖積海積平原區(qū)，地下水中陽離子含量的變化很大程度上受陽離子交替吸附作用控制。人類活動對地下水的干擾越來越強烈，呂路等[11]、劉君等[12]研究發(fā)現(xiàn)過量開采條件下，地下水的水化學(xué)類型及主要陰陽離子的含量都發(fā)生了一定程度的變化。

和田河流域綠洲區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡稱“新疆”)昆侖山北麓、塔里木盆地南緣，周圍被廣闊的沙漠、戈壁所包圍，氣候異常干旱，地下水與地表水轉(zhuǎn)換頻繁，地下水中的化學(xué)成分復(fù)雜多變。關(guān)于該區(qū)地下水水化學(xué)特征許多學(xué)者從不同角度進行了研究，但未對其成因進行系統(tǒng)分析，如趙長森等[13]、喬云峰等[14]、張曉偉等[15]對地下水中主要離子與綜合參數(shù)的相關(guān)性進行了分析；劉敏[16]分析了地下水中化學(xué)成分的空間分布規(guī)律；張艷麗[17]從主要離子及水化學(xué)類型等方面對和田縣地下水水化學(xué)特征進行了研究[17]。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，依托中國地質(zhì)調(diào)查局項目“西北地區(qū)主要城市地下水污染調(diào)查評價”，運用描述性統(tǒng)計分析法、Piper三線圖、Gibbs圖和離子比值法等對和田河流域綠洲區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征及其成因進行分析，以期為合理利用和保護地下水資源提供一定的理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

和田河流域綠洲區(qū)位于和田河中游，沿喀拉喀什河和玉龍喀什河分布，包括和田縣、洛浦縣、墨玉縣與和田市“三縣一市”。和田河流域?qū)倥瘻貛Т箨懶愿珊瞪衬畾夂颍募痉置?，光熱資源豐富，多年平均降水量35.6 mm，實測年蒸發(fā)量2 159～3 137 mm。

和田河流域綠洲區(qū)水文地質(zhì)條件比較簡單，均為第四系孔隙潛水，在259.1 m勘探深度內(nèi)沒有揭露到承壓含水層[18]。該區(qū)地表覆蓋了巨厚的第四紀(jì)松散堆積物，一般厚度為500～600 m，主要由滲透性好的卵礫石、砂礫石、中粗砂、細(xì)砂和粉砂土等組成，沒有區(qū)域性成層的黏性土，有利于地表水轉(zhuǎn)化為地下水，是本區(qū)地下水的主要儲存場所。下伏古近紀(jì)-新近紀(jì)地層，由滲透性差的砂質(zhì)、粉砂質(zhì)和泥質(zhì)巖組成，構(gòu)成了相對隔水的基底[19]。綠洲南部位于沖積平原中上部，沉積顆粒較粗，地勢高，地下水水力坡度相對較大，為1‰～4‰；北部屬于沖積平原尾部，沿兩河呈條帶狀分布，與沙漠相毗鄰，沉積顆粒細(xì)，地勢平緩，水力坡度小于1‰。根據(jù)含水介質(zhì)及水動力條件的不同，將綠洲淺層地下水系統(tǒng)劃分為強徑流區(qū)和弱徑流區(qū)(見圖1)。

圖1 和田河流域綠洲區(qū)地下水采樣點分布圖

研究區(qū)干旱少雨，大氣降水一般不會成為地下水的有效補給，地下水的主要補給來自河流、渠系及田間灌溉水的入滲，其次有山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補給。強烈的地面蒸發(fā)和植物蒸騰、側(cè)向潛流補給北部沙漠區(qū)以及人工開采是該區(qū)地下水的重要排泄方式[19]。

2.2 采樣點布置及測試

3 結(jié)果與分析

3.1 水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征

采用描述性統(tǒng)計分析法對研究區(qū)44組地下水樣的檢測數(shù)據(jù)進行整理和計算(結(jié)果見表1)，并依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果對地下水水化學(xué)特征進行初步分析。

研究區(qū)淺層地下水pH值的均值為7.56，屬于中性-偏堿性水，大部分地下水的pH值變化范圍為6.5～8.5，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)，只有少數(shù)地下水的pH值較高，如H61、H62和H70的pH值分別為8.99、9.09和10.50。

EC和TDS可以反映出地下水中離子的含量，水中溶解的離子越多，地下水的TDS越高，導(dǎo)電性越好，其EC值也就越大[20]。如表1所示，地下水EC的均值為2496 μs/cm，TDS的均值1506.0 mg/L，超過了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中的標(biāo)準(zhǔn)限值，表明該區(qū)地下水中離子含量較大。

DO和Eh可以指示地下水的氧化還原狀態(tài)，通常情況下，DO值在3.5～13.5 mg/L，Eh值大于400 mV，為高氧化環(huán)境的特點；沒有溶解氧，Eh為負(fù)值時，地下水處于還原狀態(tài)[1]。研究區(qū)地下水的Eh最小值為7 mV，均值為194 mV，DO最大值為7.35 mg/L，均值為2.75 mg/L，表明地下水大多處于氧化狀態(tài)。該區(qū)淺層地下水樣均為潛水，直接通過包氣帶跟大氣相通，且包氣帶巖性多為砂石，透氣性好，故地下水與大氣中的氧氣接觸密切，大多具有一定的氧化能力。

表1 地下水檢測指標(biāo)的描述性統(tǒng)計

注：EC單位為μs/cm，Eh單位為mV，pH無量綱，其余指標(biāo)單位為mg/L。

TH的均值為620.9 mg/L，超過了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中的標(biāo)準(zhǔn)限值。研究區(qū)地下水硬度高除了與Ca2+、Mg2+有關(guān)外，還受到TDS的影響。TH與TDS的Pearson系數(shù)r=0.829，表明TH與TDS呈正向顯著相關(guān)，即隨著TDS的升高，TH也不斷增加。這是因為若地下水的TDS升高，水中離子的總量增加，離子強度就顯著增強，那么在強電解質(zhì)作用下水中鈣、鎂碳酸鹽的溶解度增加，更多的Ca2+、Mg2+進入到淺層地下水中，從而導(dǎo)致硬度升高[21]。

3.2 常見離子及TDS空間分布特征

由圖2可知，沿地下水流程，各常見離子的含量和TDS均不斷增加，越靠近沙漠區(qū)含量越高，其中Na++K+、SO42-、Cl-的含量高且變化波動狀況一致，Ca2+和Mg2+的含量較低，增幅也小。

圖2 地下水中常見離子含量及TDS變化曲線圖

3.3 水化學(xué)類型

4 討 論

影響研究區(qū)地下水中化學(xué)成分的形成過程主要有蒸發(fā)濃縮作用、溶濾作用、陽離子交替吸附作用及人類活動等[24]。

圖3 不同深度地下水中常見離子及TDS的平均含量

圖4 和田河流域綠洲區(qū)地下水Piper三線圖

Gibbs圖是判斷地下水化學(xué)成分形成與變化影響因素的一種重要手段，從圖中能直接反映出地下水中化學(xué)成分的形成過程屬于“大氣降水型”、“巖石風(fēng)化型”還是“蒸發(fā)濃縮型”[25-26]。將研究區(qū)強徑流區(qū)和弱徑流區(qū)的地下水樣分別投在Gibbs圖上，如圖5。從圖5可以看出，絕大多數(shù)水樣落在ECD和RWD范圍內(nèi)，沒有水樣落在APD的范圍，表明影響研究區(qū)地下水化學(xué)成分形成與變化的主要因素是蒸發(fā)濃縮作用，其次是巖石風(fēng)化作用，基本不受大氣降水的影響；弱徑流區(qū)的水樣大多數(shù)落在ECD區(qū)域，表明地下水中的化學(xué)成分受蒸發(fā)濃縮作用的控制更為顯著。

圖5 和田河流域綠洲區(qū)地下水Gibbs圖

4.1 蒸發(fā)濃縮作用

4.2 溶濾作用

圖6 地下水中主要離子比值關(guān)系圖

4.3 陽離子交替吸附作用

由圖2可知，Ca2+與Na+的含量沿地下水流程的變化規(guī)律正好相反，Na+增多時Ca2+在減少，Na+減少時Ca2+在增加，這可能與地下水發(fā)生了Na+和Ca2+之間的交替吸附作用有關(guān)。離子比值法可用來判斷是否發(fā)生了陽離子交替吸附作用，當(dāng)γNa+/γCl-比值等于1時，表明地下水中的Na+來源于沉積巖中巖鹽的溶解，當(dāng)γNa+/γCl-比值大于1時，表明地下水中的Na+還有其他來源，可能來自于Ca-Na的離子交換[30]。圖7為地下水中Cl-與γNa+/γCl-的關(guān)系圖，由圖7可知，88.6%的水樣γNa+/γCl-比值大于1，表明研究區(qū)內(nèi)絕大部分地下水都發(fā)生了陽離子交替吸附作用。巖土顆粒越細(xì)，比表面積越大，陽離子交替吸附作用越強烈[1]。從強徑流區(qū)到弱徑流區(qū)，沉積的巖土顆粒越來越細(xì)，由此可推斷沿地下水流程Na+和Ca2+之間的交替吸附作用越來越強烈。但由圖7可發(fā)現(xiàn)，弱徑流區(qū)淺層地下水的γNa+/γCl-值更靠近等值線，且當(dāng)Cl-含量不斷增加時，γNa+/γCl-值卻不斷降低，兩者同時說明Na+和Ca2+之間的陽離子交替吸附作用的強度沿地下水流程并非越來越強烈。這是由于當(dāng)?shù)叵滤蠳a+含量較高且超過巖土顆粒表面可交換陽離子的平衡濃度時，會抑制Ca2+與巖土顆粒所吸附的Na+交替吸附[31-32]。

圖7 地下水中Cl-與γNa+/γCl-比值關(guān)系圖

4.4 人類活動的影響

綠洲區(qū)為和田地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，農(nóng)牧業(yè)灌溉用水量占總用水量的95%以上[33]。由于綠洲內(nèi)有些地方的灌溉方式相對落后，多為串灌、漫灌等，2014年農(nóng)田實灌毛用水量高達915.6 m3/畝[33]。此外灌區(qū)內(nèi)大部分水利工程修建時間都較久遠，內(nèi)部渠道防滲率依然較低，導(dǎo)致灌溉水利用系數(shù)很低，約為45%[34]。大量的水除就地蒸發(fā)外，則通過包氣帶滲入地下含水層，引起地下水水位抬升，在強烈的蒸發(fā)作用下，產(chǎn)生土壤鹽漬化問題。綠洲北部地下水埋藏較淺，土壤鹽漬化問題更為嚴(yán)重，土壤中的積鹽通過灌溉水及地表水的入滲作用進入到地下水中，成為綠洲北部弱徑流區(qū)地下水中離子含量及TDS更高的另一個重要因素。

5 結(jié) 論

(2)從強徑流區(qū)到弱徑流區(qū)地下水水化學(xué)類型、常見離子的含量以及TDS呈現(xiàn)規(guī)律性變化，常見離子的含量和TDS沿地下水流程均不斷增加，越靠近沙漠區(qū)含量越高，水化學(xué)類型由混合型轉(zhuǎn)變成以Cl-Na型和Cl·HCO3-Na·Ca型為主。

(3)和田河流域綠洲區(qū)地下水中的化學(xué)成分主要來自于蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖的溶解，其形成與變化主要受蒸發(fā)濃縮作用和溶濾作用、陽離子交替吸附作用及人類活動的影響，幾乎不受大氣降水的影響。