新疆和田河流域綠洲區淺層地下水水化學特征及成因分析

李 玲， 周金龍， 齊萬秋， 陳 鋒， 陳云飛

(1.新疆農業大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆工程學院， 新疆 烏魯木齊 830023； 3.新疆水文水資源工程技術研究中心， 新疆 烏魯木齊 830052； 4.新疆地礦局第二水文地質工程地質大隊， 新疆 昌吉 831100)

1 研究背景

地下水中的化學成分是地下水與外界環境長期相互作用的產物[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]。識別地下水化學特征及影響因素是水文地球化學重要的研究內容之一。不同地區各種因素對地下水化學特征的影響程度不同[3]。干旱半干旱地區地下水化學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成分形成與改變的主要因素是蒸發濃縮作用，其次是溶濾作用；Wen Xiaohu等[5]根據同位素特征及離子比例關系得出在額濟納盆地大部分地下水都經歷了長時間的蒸發濃縮作用。Islam等[6]、Ma Fengshan等[7]研究表明，沿海地區地下水水化學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，巖溶發育區地下水中化學成分主要來自碳酸鹽巖的溶解。王曉曦等[10]發現在沖積海積平原區，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]研究發現過量開采條件下，地下水的水化學類型及主要陰陽離子的含量都發生了一定程度的變化。

和田河流域綠洲區位于新疆維吾爾自治區(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，地下水與地表水轉換頻繁，地下水中的化學成分復雜多變。關于該區地下水水化學特征許多學者從不同角度進行了研究，但未對其成因進行系統分析，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的相關性進行了分析；劉敏[16]分析了地下水中化學成分的空間分布規律；張艷麗[17]從主要離子及水化學類型等方面對和田縣地下水水化學特征進行了研究[17]。本文在前人研究成果的基礎上，依托中國地質調查局項目“西北地區主要城市地下水污染調查評價”，運用描述性統計分析法、Piper三線圖、Gibbs圖和離子比值法等對和田河流域綠洲區淺層地下水水化學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。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

和田河流域綠洲區位于和田河中游，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”。和田河流域屬暖溫帶大陸性干旱沙漠氣候，四季分明，光熱資源豐富，多年平均降水量35.6 mm，實測年蒸發量2 159～3 137 mm。

和田河流域綠洲區水文地質條件比較簡單，均為第四系孔隙潛水，在259.1 m勘探深度內沒有揭露到承壓含水層[18]。該區地表覆蓋了巨厚的第四紀松散堆積物，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、細砂和粉砂土等組成，沒有區域性成層的黏性土，有利于地表水轉化為地下水，是本區地下水的主要儲存場所。下伏古近紀-新近紀地層，由滲透性差的砂質、粉砂質和泥質巖組成，構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，地勢平緩，水力坡度小于1‰。根據含水介質及水動力條件的不同，將綠洲淺層地下水系統劃分為強徑流區和弱徑流區(見圖1)。

圖1 和田河流域綠洲區地下水采樣點分布圖

研究區干旱少雨，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，其次有山區基巖裂隙水的側向補給。強烈的地面蒸發和植物蒸騰、側向潛流補給北部沙漠區以及人工開采是該區地下水的重要排泄方式[19]。

2.2 采樣點布置及測試

3 結果與分析

3.1 水化學參數統計特征

采用描述性統計分析法對研究區44組地下水樣的檢測數據進行整理和計算(結果見表1)，并依據統計結果對地下水水化學特征進行初步分析。

研究區淺層地下水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《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)，只有少數地下水的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《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)中的標準限值，表明該區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，通常情況下，DO值在3.5～13.5 mg/L，Eh值大于400 mV，為高氧化環境的特點；沒有溶解氧，Eh為負值時，地下水處于還原狀態[1]。研究區地下水的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。該區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 地下水檢測指標的描述性統計

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

TH的均值為620.9 mg/L，超過了《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)中的標準限值。研究區地下水硬度高除了與Ca2+、Mg2+有關外，還受到TDS的影響。TH與TDS的Pearson系數r=0.829，表明TH與TDS呈正向顯著相關，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 水化學類型

4 討 論

影響研究區地下水中化學成分的形成過程主要有蒸發濃縮作用、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 和田河流域綠洲區地下水Piper三線圖

Gibbs圖是判斷地下水化學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成分的形成過程屬于“大氣降水型”、“巖石風化型”還是“蒸發濃縮型”[25-26]。將研究區強徑流區和弱徑流區的地下水樣分別投在Gibbs圖上，如圖5。從圖5可以看出，絕大多數水樣落在ECD和RWD范圍內，沒有水樣落在APD的范圍，表明影響研究區地下水化學成分形成與變化的主要因素是蒸發濃縮作用，其次是巖石風化作用，基本不受大氣降水的影響；弱徑流區的水樣大多數落在ECD區域，表明地下水中的化學成分受蒸發濃縮作用的控制更為顯著。

圖5 和田河流域綠洲區地下水Gibbs圖

4.1 蒸發濃縮作用

4.2 溶濾作用

圖6 地下水中主要離子比值關系圖

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，這可能與地下水發生了Na+和Ca2+之間的交替吸附作用有關。離子比值法可用來判斷是否發生了陽離子交替吸附作用，當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-的關系圖，由圖7可知，88.6%的水樣γNa+/γCl-比值大于1，表明研究區內絕大部分地下水都發生了陽離子交替吸附作用。巖土顆粒越細，比表面積越大，陽離子交替吸附作用越強烈[1]。從強徑流區到弱徑流區，沉積的巖土顆粒越來越細，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可發現，弱徑流區淺層地下水的γNa+/γCl-值更靠近等值線，且當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。這是由于當地下水中Na+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-比值關系圖

4.4 人類活動的影響

綠洲區為和田地區重要的農業生產基地，農牧業灌溉用水量占總用水量的95%以上[33]。由于綠洲內有些地方的灌溉方式相對落后，多為串灌、漫灌等，2014年農田實灌毛用水量高達915.6 m3/畝[33]。此外灌區內大部分水利工程修建時間都較久遠，內部渠道防滲率依然較低，導致灌溉水利用系數很低，約為45%[34]。大量的水除就地蒸發外，則通過包氣帶滲入地下含水層，引起地下水水位抬升，在強烈的蒸發作用下，產生土壤鹽漬化問題。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地下水中離子含量及TDS更高的另一個重要因素。

5 結 論

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

(3)和田河流域綠洲區地下水中的化學成分主要來自于蒸發巖和碳酸鹽巖的溶解，其形成與變化主要受蒸發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。