二塘溝流域地下水化學組分來源及空間分布特征

吳 豪， 吳 彬， 杜明亮, 鐘瑞森

(1.新疆農業大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052；2.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究背景

要研究合理利用地下水資源以及區域水循環機理等問題，要對區域的水化學特征進行深入探索。Singh等[1]通過對印度北部加濟阿巴德地區地下水化學特征進行分析，發現人類活動區域的地下水化學成分受季節變化的影響較大；張清寰等[2]和黨慧慧等[3]對甘肅梨園河流域水化學特征進行分析，結合環境同位素揭示地下水補給來源；章斌等[4]通過分析地表水和地下水中氯離子濃度和δD、δ18O值的空間分布特征，揭示了秦皇島洋戴河平原地下水的形成演化規律；曹星星[5]以草海流域為例分析了該流域內水化學特征變化規律，并根據不同季節分析了該濕地水文地球化學過程中的主要控制因素；楊炳超等[6]運用Piper圖解法和離子比值法對諾木洪河流域地下水化學演化特征進行了分析；楊敏等[7]運用離子比值法和飽和指數法對柳林泉域的水化學特征及演化規律進行研究，并利用PHREEQC反向模擬揭示了巖溶含水層中的水巖相互作用。呂婕梅等[8]對貴州清水江流域豐水期水化學特征及離子來源進行分析，探討了上游工礦企業活動對流域水化學的影響；楊麗芝等[9]分析了濟南泉水水化學特征,探討了引起泉水水化學變異的原因。

許多學者在吐魯番盆地也做了一些研究，周文等[10]通過化學簡分析對鄯善縣地下水化學分布基本特征及地下水化學組分變化特征進行了分析。劉宗鑫等[11]通過分析鄯善縣地表與地下水體的δD、δ18O和d值的分布規律，得到地下水與地表水之間的水力聯系以及不同深度地下水之間的水力聯系。王欣[12]運用單因子指標分析和水化學分析對吐魯番盆地水質變化和潛在影響做了相關分析研究。陳魯[13]通過環境同位素及水文地球化學研究并分析了吐魯番盆地的水化學特征；蔡月梅等[14]利用無機離子示蹤的方法，分析了吐魯番盆地地下水和地表水成分的變化規律。

本文在前人研究基礎上對二塘溝流域的地下水化學離子來源與空間分布規律做了深入研究，掌握地下水系統的水化學演化過程，明確地表水與地下水的轉化規律，有助于水資源的可持續利用及對地下水資源的有效管理，防止人為活動影響地下水水質。因此，有必要更深一步進行地下水化學演化方面的研究工作[15]。

2 研究區概況

研究區位于吐魯番盆地鄯善縣境內，橫跨南北兩盆地，東西最寬約60 km，南北長約250 km，總面積0.95×104km2。東接鄯善縣柯柯亞河流域，西連吐魯番市。

二塘溝河源頭位于博格達山南坡，山區地勢北高南低，以山前為界，北為博格達山，南為吐魯番盆地，由北向南，地貌上可分為典型的侵蝕、剝蝕山區與山前沖洪積礫質傾斜平原兩大地貌單元。侵蝕、剝蝕山區主要指博格達山主峰以南至吐魯番盆地北緣的高、中山區。山前沖洪積礫質傾斜平原 博格達山南坡各河流出山口后，由于河水搬運能力陡然減弱，變成以堆積作用為主，在溝口形成沖洪積扇，隨著沖洪積扇逐漸增大并相互連接，在山前形成巨大的沖洪積礫質傾斜平原。

研究區水文地質條件十分復雜，地下水經多次轉化利用，地下水開采形式多樣，有泉水、坎兒井、機電井。總體來看，地下水經過3次大的轉化，即地下水在天山山前一帶以泉水、坎兒井水及機電井等形式開采利用后，入滲補給地下；在火焰山北山前一帶經泉水、坎兒井利用后補給地下；在火焰山南山前一帶以通過泉水、坎兒井利用后入滲地下；在研究區下游以機電井形式開采利用后入滲；最終匯入艾丁湖。

3 采樣與測試

2015年在研究區內抽取地下水化學簡分析樣品20組，其中5個地表水樣、12個地下水樣和3個坎兒井水樣。具體取樣位置如圖1所示。在本研究中根據取樣深度及坎兒井源頭，確定坎兒井為淺表層地下水[16]。根據經驗及相關資料分析，取樣機井水為淺層地下水。

圖1 二塘溝流域采樣點分布圖

4 地下水化學特征及空間分布特征

4.1 地下水水化學特征

根據地下水取樣類型以及空間分布(見圖1)，將地下水化學資料進行統計分析，計算出研究區地下水主要組份含量特征值，統計結果見表1、2。

表1 火焰山南北盆地地下水化學參數統計特征值 mg/L

表2 不同水樣類型化學參數統計特征值 mg/L

從表1、2可以看出，地表水及地下水pH值均大于7，均為堿性水且從山北和山南的變異系數來看，火焰山北部Cl-，南部K+、Na+、Cl-、SO42-，變異系數均屬于強變異性，說明這幾種離子空間差異非常大。且南盆地的TDS變異系數也較大，接近100%，說明南盆地可能受人為活動及蒸發濃縮等的影響更大。

從不同水樣類型來看，地表水的Cl-變異系數較大，而其他離子變異性較弱；淺層地下水與地表水相比，各離子濃度均較大且變異性強，可能是由于地表水更新快，且主要由冰雪融水及大氣降水補給；而淺層地下水更新相對較慢，且受人為因素及水文地質條件的影響，由于蒸發濃縮、巖石風化溶解等作用、導致水中主要離子空間變異性較大，質量濃度也比地表水高。而淺表層地下水各離子濃度相對更高，但從原始資料分析，淺表層地下水樣空間差異大，水樣數量少是導致變異系數大的一個原因。

圖2 二塘溝流域地下水Piper圖

4.2 水化學組分來源

地下水的水化學成分取決于區域水文地質條件和人為因素等多種因素的綜合作用[18-19]。早期Gibbs[20]運用半對數散點圖，分析了地下水中的離子特征及成因。本文利用Gibbs圖對研究區水樣進行分析。將樣品化驗分析的數據繪制成圖(圖3)，由圖3可以看出：(1)所有水樣點都遠離“降水控制區域”，符合吐魯番盆地降雨稀少、蒸發量大的氣候條件；(2)淺層及淺表層地下水以巖石風化作用為主，部分向蒸發濃縮型偏移，經查證偏蒸發濃縮作用的離子均為南盆地水樣，說明北盆地地下水中各離子主要受巖石風化影響，南盆地地下水水化學組分同時受巖石風化及蒸發濃縮作用影響；(3)地表水TDS值大小適中、Na+與Na++Ca2+比值基本小于0.5的區域，這部分地表水離子組分主要來自于巖石風化作用。

圖3 水化學組成吉布斯圖

從Na+與Cl-關系圖(圖4(b))中可以看出，Na+/Cl-值基本位于1∶1線(巖鹽溶解線)附近，造成這種現象的原因包括3個方面：含Na+礦物的風化溶解、Na+與Ca2+的交替吸附以及蒸發濃縮作用。地表水和地下水的Na+、Cl-的形成略有不同。從出山口到沖積扇平原區，地下水中Na+和Cl-不斷增加，地表水中的Na+和Cl-主要以溶解作用為主，平原區地下水中的Na+和Cl-除了溶解作用，Na+從交替吸附作用中釋放還有蒸發濃縮作用。圖3和4(a)可進一步驗證。

從Ca2+和SO42-關系圖(圖4(c))中可以看出，Ca2+/SO42-值在1∶1線(石膏溶解線)附近，說明Ca2+和SO42-的來源基本相同，均來源于石膏或者硬石膏。Ca2+/SO42-值在1∶1線之下有兩種原因：一是含SO42-礦物的風化溶解，二是Na+與Ca2+離子的交替吸附，吸附Ca2+釋放Na+。Ca2+/SO42-值在1∶1線之上的原因主要是碳酸鹽礦物的風化溶解。從圖4(c)中可以看出地表水和地下水中的Ca2+、SO42-形成原因主要是碳酸鹽礦物的風化溶解，從圖3和圖4(d)中可以進一步驗證。

4.3 水化學組分空間分布特征

4.3.1 空間分布特征分析 沿地下水徑流方向作地下水化學組分的變化見圖5。由圖5可看出，以火焰山為分界線，上游出山口至沖洪積扇扇緣TDS變化不大，但在扇源處的點J17的TDS值突然增大，而地表水DB05卻是相對穩定狀態。下游灌區地下水和渠水TDS相當，在灌區周邊稍有上升，但在達浪坎鄉和老迪坎鄉TDS升高明顯。

圖4 研究區地下水主要離子關系曲線圖

圖5 各離子濃度沿徑流方向變化圖

從圖5可以看出J17的TDS有明顯升高，經過對該點地形和補給條件分析，發現該點位于兩補給源交接地帶，連木沁灌區開采地下水致使地下水位下降，而J17附近不能及時得到補給，另一方面二塘溝水渠防滲率的提高,地表水滲漏補給減少，因此推測該點有鹽漬化趨勢。再參考周圍取樣點，地表水及坎兒井水均無明顯變化，證明推測具有可靠性。

4.3.2 飽和指數法指示作用分析 通過前面對離子組分來源的分析后，最終選定CaSO4、CaCO3、CO2、CaMg(CO3)2和NaCl，用飽和指數定量地分析地下水離子來源的實際形式。用SI來表達礦物飽和指數，公式為：

式中：LAP為礦物溶解反應中相關離子活度積;K為設定條件下的平衡常數。

此次計算選擇沿徑流方向選擇5個點即4條路徑進行模擬，模擬結果如表3。

表3 “可能礦物相”飽和指數模擬計算結果

5 結 論

(2)北盆地淺層地下水由地表水補給，徑流至火焰山后由于火焰山地質構造條件限制，淺層地下水補給淺表層水并流向南盆地，在南盆地平原綠洲區灌溉及人為因素影響下，中部水位低，四周地下水向中部補給，最后隨徑流方向流向艾丁湖。

(3)地表水中各離子主要以碳酸鹽礦物的風化溶解作用為主，平原區地下水中的主要離子Na+和Cl-除了溶解作用、Na+從交替吸附作用中釋放還有蒸發濃縮作用；地表水和地下水中的Ca2+、SO42-形成原因主要是碳酸鹽礦物的風化溶解。

(4)地下水各離子質量濃度和TDS值由于空間分布地形影響具有空間變異性，北盆地地表水水質較好，而地下水有變差趨勢，即在火焰山前有明顯上升，南盆地地下水在山前及灌區四周水質較差。研究發現，火焰山以南大量開采地下水，農業灌溉以大水漫灌為主，灌區中部地下水位急劇下降，因而引起四周向中部補給的現象，導致灌區中部水質較好，四周水質較差。