新疆塔里木盆地淺層地下水水化學特征及形成原因

潘希哲

（新疆維吾爾自治區地質環境監測院，新疆烏魯木齊830000）

水資源短缺是制約我國西北干旱區社會經濟可持續發展與生態環境建設最關鍵的因素之一[1]。新疆塔里木盆地氣候干旱，地表水短缺，地下水資源成為生產生活中最重要的水源[2]，而淺層地下水存在的高礦化度、高硬度等問題一定程度上制約了地下水開發利用[3]。關于塔里木盆地地下水水化學特征已有較多研究：周金龍對新疆平原區淺層地下水水質進行了評價[3]，李玲分析了和田河流域淺層地下水水化學特征及形成原因[4]，魏興分析了喀什三角洲地下水化學特征及其演化規律[5]，彭李暉分析了焉耆盆地開都河北岸潛水水化學演化規律[6]，這些研究從不同角度不同尺度分析了地下水化學特征，但未對盆地整體地下水化學成因進行系統分析。本文結合前人研究成果，利用塔里木盆地采集的118個地下水樣品測試結果，并綜合氣候、地形、巖性等因素，從整個盆地尺度上對淺層地下水化學特征及其形成原因進行分析闡述。

新疆整體劃分為準噶爾盆地和塔里木盆地兩個一級水文地質單元，一級水文地質單元又劃分為多個二級水文地質單元，其中塔里木盆地平原區劃分為14個二級單元[7]。塔里木盆地地下水總體上由盆地周圍南、北、西三個方向向中間沙漠側向徑流，再向東最終流向羅布泊（圖1）。

1 樣品采集和測試

水樣來源于國家地下水監測工程運行維護與地下水質監測項目在塔里木盆地采集的118組水樣，采樣區域包括盆地北面、西面及西南面的11個水文地質單元，由于井位分布限制，和田河流域以東人口稀少的區域和沙漠腹地沒有采樣點。

118個采樣井深度為50~200m，全部為潛水和淺層承壓水，由于盆地潛水和淺層承壓水存在較好的水力聯系[5]，本文將其整體視為淺層地下水進行分析。樣品由新疆地礦局第一水文工程地質大隊完成測試，測試項目共35項，本文主要選取了常規離子進行分析。

2 結果

采用舒卡列夫分類方法，根據陰離子含量將地下水劃分為七種水化學類型：HCO3型、HCO3SO4型、HCO3SO4Cl型、HCO3Cl型、SO4型、SO4Cl型、Cl型。由水化學類型點狀圖可以發現水化學類型具有一定的空間分布規律，為了清晰呈現這種規律，結合水化學類型和礦化度將該圖分成兩個區域：一個是中低礦化度的重碳酸鹽和硫酸鹽水區域，包括HCO3型、HCO3SO4型、HCO3SO4Cl型、HCO3Cl型、SO4型水，采樣點礦化度全部小于3g/L；另一個是高礦化度的氯化物水區域，包括SO4Cl型、Cl型水，采樣點礦化度普遍大于3g/L,部分大于10g/L。由于HCO3型水點只有5個，且零星分布，不單獨劃分區域。

從圖2可以看出，盆地尺度上，水化學類型與地形地貌呈現出統一分帶性：流域上游零星分布低礦化度的重碳酸鹽水，過渡地帶分布中等礦化度硫酸鹽水，到流域中下游沙漠邊緣則主要分布高礦化度氯化物水。

部分二級水文地質單元存在一些特殊性：開都河流域和和田河流域呈現的水化學特征與盆地整體分帶性似乎不一致，兩個流域地下水以低礦化度的重碳酸鹽水為主；SO4型水主要集中分布在喀什噶爾河流域。

本文將對以上水化學特征形成原因進行討論。

3 討論

3.1 相關性分析

地下水常規離子相關性分析有助于理解各成分含量變化的影響關系。按照之前的區域劃分對重碳酸鹽硫酸鹽水和氯化物水兩部分分別進行相關性分析[8]。

中低礦化度的重碳酸鹽硫酸鹽水相關系數矩陣（表1）顯示，與TDS相關性最強的離子是SO42-和Mg2+、Ca2+，相關系數都超過0.84，其次Cl-和Na+也有較大貢獻，表明該類型地下水中主導礦化度變化的離子是SO42-和Ca2+、Mg2+，Cl-和Na+也有一定程度影響；同時，Ca2+、Mg2+與SO42-有較強的相關性，相關系數都超過0.85，表明Ca2+、Mg2+隨著SO42-在地下水中的變化而變化。

表1 重碳酸鹽硫酸鹽水水化學成分相關系數矩陣

高礦化度的氯化物水相關系數矩陣（表2）顯示，與TDS相關性最強的離子是Cl-和Na+，相關系數都超過0.99，表明該類型地下水中主導礦化度變化的離子是Cl-和Na+；同時，Cl-與Na+有極強的相關性，相關系數達到0.995，表明Na+在地下水中隨著Cl-的增加而增加；TDS、Cl-與HCO3-相關系數為負數表明HCO3-隨著TDS、Cl-增加呈減少趨勢。

表2 氯化物水水化學成分相關系數矩陣

以上結果顯示地下水中TDS和主要離子成分之間存在對應關系，出現這種對應關系的主要原因是地 下水中各種成分溶解度不同。隨著TDS增大，鈣、鎂的碳酸鹽首先達到飽和并沉淀析出，TDS繼續增大時，鈣、鎂的硫酸鹽飽和析出，導致TDS高的水中便以氯和鈉占主導，碳酸鹽含量較少[9]。

3.2 比例系數分析

吉布斯圖橫坐標為γ（Na+）/γ（Na++Ca2+）,縱坐標為礦化度，通過圖中點的位置可以反映出該水點屬于降水控制型、巖石風化型或蒸發濃縮型[10-11]。按照上文分區，將塔里木盆地流域上游和流域中下游地帶地下水分別用兩種符號在吉布斯圖中表示，圖3顯示，菱形水點主要位于左側和中間，正方形水點主要位于圖右上方。左側菱形水點表明流域上游較低礦化度的地下水具有較小的γ（Na+）/γ（Na++Ca2+）比值，屬于巖石風化型；右上方正方形水點表明流域中下游較高礦化度的地下水具有較大的γ（Na+）/γ（Na++Ca2+）比值，屬于蒸發濃縮型；圖中間部分正方形水點和水點有一定程度交叉，該部分為徑流過渡帶。

圖3 塔里木盆地地下水吉布斯圖

Gibbs圖呈現的結果與塔里木盆地氣候、地形、巖性及地下水水位埋深特征吻合。

山前坡度大，含水層巖性顆粒粗大，含水層孔隙度大，地下水徑流速度自然較大，因此山前流域上游以溶濾作用為主，強烈的溶濾作用使地下水以重碳酸鹽和硫酸鹽為主。具體原理如下：溶濾作用首先使最易溶的氯化物溶解至水中，隨著溶濾作用持續進行，巖層中的氯化物由于轉入水中而貧化，此時較難溶的鈣、鎂的硫酸鹽甚至重碳酸鹽溶解至水中成為主要成分[9]。由于流域上游地下水主要的補給來源于低礦化度的中高山區大氣降水，溶解了少量難溶鹽之后礦化度依然較低。

沙漠邊緣地形平緩，含水層顆粒細小，水流速度遲緩，包氣帶巖性顆粒細小并且水位埋深淺有利于地下水毛細作用，干旱的氣候加劇了地下水蒸發蒸騰排泄，因此持續的濃縮和積累作用導致沙漠邊緣形成鹽水甚至鹵水，地下水成分以Cl-和Na+為主。原理如下：流動的地下水將溶濾獲得的組分從補給區源源不斷向排泄區運輸，鈣、鎂的重碳酸鹽和硫酸鹽由于溶解度低，隨著濃縮作用達到飽和析出，于是地下水成分便以Cl-和Na+為主[9]。中下游地下水中隨著上游離子的不斷積累礦化度逐漸增大。

3.3 特殊性分析

開都河流域16個水樣以低礦化度的重碳酸鹽水為主,顯示出與盆地其它流域不同的特征，除G116和G119為SO4Cl型 咸 水 外，其 它14個 為HCO3、HCO3SO4、HCO3SO4Cl、HCO3Cl型淡水及微咸水，該特征與地下水的補給和排泄有關。淡水和微咸水點分布于博斯騰湖西面和北邊，為湖區上游，該區域地下水主要接受開都河、清水河、曲惠河、烏什塔拉河等河流及田間灌溉水入滲補給，由于河流和田間灌溉水礦化度都較低，加之地下水徑流迅速，埋深較大，因此礦化度也較低，近半個世紀來潛水呈現淡化趨勢[6]。兩個咸水點位于博斯騰湖西南面，該區域地勢低洼，地下水埋深較淺，為蒸發濃縮區[12]，因此具有較高的礦化度。

喀什噶爾河流域19個水樣中SO42-普遍含量較高，除G174為HCO3Cl型 外，其 余18個 為HCO3SO4、HCO3SO4Cl、SO4、SO4Cl型，該現象較為特殊。前人利用δD、δ18O和δ34S同位素分析，該區域SO42-主要來源于蒸發巖石膏、芒硝等溶解，河流沖積平原潛水中SO42-還存在化肥淋濾污染，承壓水受到潛水混合作用及細菌還原硫酸鹽作用影響[13]。

和田河流域上游地下水為HCO3SO4Cl型淡水，靠近沙漠的三個點為HCO3Cl型微咸水，并沒有形成Cl-主導的高礦化度水，這一點與盆地整體規律似乎不符。進一步分析三個點所處位置，雖然距離沙漠非常近，但G247位于和田地區大面積綠洲的西北部，距離最近的沙漠仍有5km，G195和G196位于喀拉喀什河和玉龍喀什河之間，前人利用Q型聚類分析法對和田地區89組水樣分析，這兩處分別屬于沖洪積平原和河間地塊[14]。沖洪積平原為地下水補給徑流帶，含水層顆粒較粗，地下水徑流條件好，因此地下水礦化度較低；河間地塊由于兩條河流的存在，推測未受到強烈蒸發濃縮作用的影響，地下水與地表水交替頻繁，因此化學成分相近。三個點位置處于沙漠邊緣，實則屬于徑流帶，G195距離河流出山口約120km，徑流帶延伸較遠。

4 結論

（1）塔里木盆地整體水化學特征：流域上游為低礦化度的重碳酸鹽水，過渡地帶分布中等礦化度硫酸鹽水，到流域中下游沙漠邊緣則主要分布高礦化度氯化物水。這種分帶性特征形成的內因是地下水對各種成分溶解度不同，外因是盆地不同區域具有不同的氣候、地形、巖性及水位埋深條件，分別形成流域上游溶濾作用和流域下游濃縮作用。

（2）二級水文地質單元特殊性：開都河流域地下水由于接受低礦化度河流和田間灌溉水入滲補給，地下水礦化度也較低，成分以重碳酸鹽為主；喀什噶爾河流域大量分布的SO42-主要來源于山區鈣質粉砂巖、細砂巖和石膏等鹽類礦物等溶解；和田河流域沿河流自山前向下，補給徑流帶延伸較遠，地下水礦化度沿流程增幅緩慢。