喀什噶爾河流域灌區地下水質量空間變化及影響因素分析

支博遠，閆志雲，2，3，曾妍妍，2，3，賽永成，李 珍，汪康銘，斯琴高娃·巴音布力克

（1.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術研究中心，烏魯木齊 830052；3.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，烏魯木齊 830052）

地下水資源是生活、灌溉用水的主要來源，隨著畜牧業的發展和耕地面積的擴張，糞便以及化肥農藥的殘留物隨著降水淋濾會加重淺層地下水質量的劣化[1,2]。Xu 等[3]發現長期使用含鹽量高的地下水灌溉，會影響土壤的通透性，抑制植物生長。近年來，常用BP 神經網絡法、模糊綜合評價法、綜合指數法、Wilcox 圖解和USSL 圖解法等方法進行地下水質量評價[4,5]，袁瑞強等[6]以洞庭湖上游平原淺層地下水為研究內容，基于BP 神經網絡法進行水質評價，高振凱等[7]用模糊綜合法對寧夏吳靈灌區進行地下水質量評價，魯照[8]基于熵權改進的綜合指數法研究鄱陽湖水質年際變化特征及空間分布，譚浩等[9]用Wilcox 圖解和USSL 圖解法等對關中平原中部的涇惠渠灌區的灌溉水質進行評價。

新疆喀什噶爾河流域以農業發展為主[10]。農業灌溉以引水灌溉為主，研究區處于干旱半干旱區，由于水分蒸發較大，鹽分易累積于地表，使土壤發生鹽漬化，從而影響了本流域的農業發展。本文對喀什噶爾河流域灌區地下水質量和灌溉適宜性進行評價，同時，系統分析灌區地下水質量的空間變化規律及地下水質量劣化的主要影響因素，旨在為喀什噶爾河流域灌區地下水可持續開發利用和污染防治提供理論依據，對于保證當地人民身體健康及改善區域地下水環境，促進農業經濟的發展，具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究區概況

位于新疆塔里木盆地西部邊緣的喀什噶爾河流域屬于暖溫帶大陸性氣候，降水量少、蒸發量多、地勢復雜、水資源分布不均衡、水文循環緩慢，整個流域的地勢總體為西高東低。區域主要地貌類型為山前沖洪積傾斜平原和細土平原，山前沖洪積傾斜平原為單一結構潛水區，巖性以砂礫和粗砂為主；細土平原為多層結構的潛水-承壓水區，巖性為亞黏土、中粗砂和粉細砂等。喀什噶爾河流域地下水主要接受水庫入滲補給、渠系滲漏補給和農田灌溉入滲補給等，地下水徑流自西向東，排泄以泉水排泄、側向徑流、潛水蒸發蒸騰及人為開采為主[11-13]。

1.2 數據來源及處理

2014～2018 年共采集地下水水樣399 組（其中，單一結構潛水、承壓水區潛水和承壓水水樣分別為105 組、19 組和275組）（圖1）。水樣測試由中國地質科學院水文地質環境地質研究所和新疆地礦局第二水文地質工程地質大隊實驗室完成，現場測定pH、水溫和電導率（EC）等指標，實驗室測定溶解性總固體（TDS）、總硬度（TH）、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、F-和Fe 等指標。經檢驗，地下水水樣數據的陰陽離子平衡誤差值E＜±5%，說明所有水樣數據均為可靠數據。

圖1 地下水取樣點分布圖

1.3 地下水質量評價

采用F值評分法對研究區地下水質量進行評價。首先依據《地下水質量標準（GB∕T 14848-2017）》，評價各個指標所屬類別，并按表1對各個指標賦單項指標水質評分值[14]。

表1 單項指標水質評分值表

再按照式（1）和式（2）計算綜合評分值F：

式中：F為各項指標水質綜合評分值；Fi為各單項指標水質評分值；為單項指標水質評分值Fi的算術平均值；Fmax為各單項指標水質評分值中的最大值。根據F值劃分地下水質量等級（表2）。

表2 地下水質量級別標準

1.4 灌溉適宜性評價

采用USSL圖（鈉吸附比SAR與EC的關系）分析地下水堿害與鹽害對土壤的影響，同時，采用Wilcox圖（鈉百分比SSP和EC的關系）分析地下水質量對土壤和作物的影響，并進行灌溉適宜性分類。鈉吸附比SAR和鈉百分比SSP計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 地下水水化學特征分析

采用描述性統計分析灌區地下水化學組分特征（表3），pH 值范圍在6.61～9.93，整體為偏弱堿性。地下水中主要陽離子含量大到小依次為Na+、Mg2+、Ca2+，主要陰離子含量大到小依次為SO42-、Cl-、HCO3-。地下水中TDS 范圍為214.00～96 991.02 mg∕L，均值為6 399.31 mg∕L，其中淡水（TDS＜1 g∕L）、微咸水（TDS=1～3 g∕L）、咸水（TDS=3～10 g∕L）和鹽水（TDS=10～50 g∕L）分別占總水樣的37.6%、32.2%、24.2%和6.0%。

表3 地下水水化學指標特征參數統計表

從Piper 三線圖（圖2）可以看出，研究區不同含水層水化學環境有所差異，單一結構潛水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總和的42.9%、28.8%和28.3%，SO42-、Cl-和HCO3-壓水區潛水水化學類型以SO4·Cl-Na為主，這主要是因為承壓水區潛水主要集中在細土平原區，埋藏較淺，該區域蒸發強烈且地下徑流遲緩，以致于溶解度較小的鈣、鎂碳酸鹽率先達到飽和并沉淀析出[15]。

圖2 地下水Piper三線圖

2.2 地下水質量及灌溉適宜性評價結果

2.2.1 地下水質量評價

根據水樣檢測結果選取8 個超標指標（TDS、TH、Na+、Cl-、SO42-、NO3-、F-和Fe）作為評價因子，根據F值評分法分別占陰離子總量的54.7%、24.8%和20.5%，水化學類型以SO4·Cl-Na·Mg（17.1%）為主；承壓水區潛水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總和的47.7%、29.1%和23.2%，SO42-、Cl-和HCO3-分別占陰離子總和52.2%、36.0%和11.8%，水化學類型以SO4·Cl-Na（26.3%）為主；承壓水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總和的44.2%、27.3%和28.5%，SO42-、Cl-和HCO3-分別占陰離子總和54.9%、30.1%和15.0%，水化學類型以SO4·Cl-Na·Mg （22.4%） 和SO4·Cl-Na （19.1%） 為主。單一結構潛水和承壓水水化學類型以SO4·Cl-Na·Mg 為主，承計算可知單一結構潛水I～III 類水占比分別為4.8%、22.9%和36.2%，IV 和V 類水占比分別為12.4%和23.7%；承壓水區潛水I～III 類水占比分別為5.3%、21.1%和5.2%，IV 和V 類水占比分別為5.2%和63.2%；承壓水I～III 類水占比分別為4.0%、20.4%和23.3%，IV 和V 類水占比分別為10.1%和42.2%（圖3）。由質量類別占比可知，按質量優劣排序：單一結構潛水＞承壓水＞承壓水區潛水。灌區單一結構潛水多分布在山前沖洪積傾斜平原，受到大氣降水入滲補給和山區基巖裂隙水的側向補給，水質相對較好；地下水從山前沖洪積傾斜平原流動到細土平原區的過程中，受到上游的側向補給，攜帶了鹽類離子，致使承壓水區鹽類離子濃度過高，且細土平原潛水埋深較淺，受到蒸發作用的影響，致使承壓水區潛水中礦化度升高趨于咸化，水質劣化。

圖3 地下水質量評價結果

2.2.2 灌溉適宜性評價

由于水樣EC檢測數據較少，只選用含EC檢測數據的46組地下水水樣用于灌溉適宜性評價。根據鈉吸附比SAR和EC的大小將USSL 圖（圖4）劃分為16 個區域，圖中C 代表鹽化級別，EC值越大表示可溶性鹽質量濃度過高，用于灌溉會使土壤趨于鹽化；S 代表堿化級別，SAR值越大，土壤越趨于堿化[16]。地下水灌溉適宜性根據SAR值可以分為4 類[17]：優秀（SAR＜10）、良好（10≤SAR＜18）、較差（18≤SAR＜26）和極差（SAR≥26）。單一結構潛水的SAR值介于0.73～9.98，平均值為4.27；承壓水水區潛水的SAR值介于1.79～22.67，平均值為6.56；承壓水的SAR值介于0.36～16.83，平均值為5.28。C2-S1和C3-S1 區域的地下水適宜灌溉，其他區域均不宜用以灌溉[18]，單一結構潛水、承壓水區潛水和承壓水中適宜灌溉水樣占比分別為50.0%、37.5%和21.5%，而不適宜灌溉水樣占比分別為50.0%、62.5%和78.5%，表明該流域地下水存在較為嚴重的鈉害。

圖4 灌溉適宜性評價的USSL圖

Wilcox 圖是根據納百分比SSP和EC的大小將灌溉適宜性劃分為5類（圖5），單一結構潛水中水質極好、水質良好、水質適宜、水質保留和水質不適宜區占比分別為10.0%、70.0%、0.0%、10.0%和10.0%，承壓水區潛水中占比分別為12.5%、25.0%、0.0%、25.0%和37.5%，承壓水中占比分別為3.6%、17.9%、7.1%、25.0%和46.4%。水質極好、水質良好和水質適宜區為可直接灌溉區域，水樣占比為41.3%；水質保留和水質不適宜區為不可直接灌溉區域，水樣占比為58.7%，與USSL 圖中灌溉水評價結果相近，適宜灌溉與不宜灌溉水樣約為2∶3。

圖5 灌溉適宜性分類的Wilocx圖

2.3 灌區地下水質量空間變化

考慮到承壓水區潛水取樣點較少，為了防止空間插值誤差過大，保持插值的連續性，將承壓水區潛水和承壓水合并為承壓水區含水層分析，為了直觀反映喀什噶爾河流域灌區地下水質量的空間變化，采用ArcGIS 克里金插值法繪制出灌區地下水質量的空間分布圖（圖6）。

圖6 地下水質量空間分布圖

單一結構潛水含水層水質良好類（Ⅰ～Ⅲ類水）主要分布在喀什市、疏附縣、疏勒縣、阿克陶縣和英吉沙縣等區域，其中Ⅲ類水分布最廣，Ⅱ類水次之；水質較差類（Ⅳ和Ⅴ類水）主要分布在阿圖什市、英吉沙縣和伽師縣等區域，其中Ⅳ類水分布范圍較廣。

承壓水區含水層水質良好類主要分布在疏勒縣、阿克陶縣、伽師縣和岳普湖縣等區域，其中Ⅲ類水分布范圍最廣；水質較差類主要分布在喀什市、英吉沙縣、岳普湖縣和伽師縣等區域，其中Ⅴ類水分布范圍較廣。

綜上，I～III 類水在喀什市、疏勒縣和阿克陶縣等區域均有分布，但所占比重較小，IV 和V 類水主要分布在岳普湖縣和伽師縣等區域。

2.4 地下水質量空間變化的影響因素分析

2.4.1 因子分析

選取TDS、TH、Na+、Cl-、SO42-、NO3-和Fe 等7 項指標進行因子分析，同時考慮Ca2+、Mg2+含量對TDS、TH 影響較大，HCO3-與諸多離子相關性較大，故也將Ca2+、Mg2+和HCO3-作為因子分析的指標。對10 項指標進行KMO 和巴特利球體檢驗，經檢驗，單一結構潛水、承壓水區潛水和承壓水的KMO 值分別為0.549、0.514、0.510，表明均可做因子分析，并分別選取特征根大于1的公因子3個、3個和2個，其累計貢獻率分別為89.71%、98.26%和84.36%，均能很好的反映原始信息[19]。由表4可知，3種含水層水樣的F1因子貢獻率均大于其他因子貢獻率，表明F1因子對地下水質量影響較大。

表4 水化學指標旋轉因子載荷矩陣

在單一結構潛水中F1 因子載荷較高的指標為Na+、Ca2+、

Mg2+、Cl-、SO42-、TDS 和TH，由Gibbs 圖可知（圖7），取樣點大多分布在受蒸發濃縮和巖石溶濾作用控制的區域，在強烈的蒸發濃縮作用下，易形成以Na+、Cl-為主的高TDS水，另外有少量取樣點分布在Gibbs 圖之外，可能受到人類活動或者陽離子交換作用。γ（Ca2+∕Na+）∕γ（HCO3-∕Na+）和γ（Ca2+∕Na+）∕γ（Mg2+∕Na+）的離子比值關系可反映離子來源（圖8），灌區地下水水化學離子主要分布在蒸發鹽巖和硅酸鹽巖所控制的區域，另有少量離子分布在碳酸鹽巖控制區域，第四系以來海退過程中殘留的蒸發鹽巖礦物（巖鹽、石膏等）溶解，是地下水中Na+、Ca2+、Cl-、SO42-的主要來源；巨厚沉積層中富含長石碎屑物（鈉長石），而長石碎屑物經碳酸化作用，使地下水中Na+增多[20]，說明地下水主要水化學離子主要來自蒸發鹽巖和硅酸鹽巖的溶解。F2 因子載荷較高的指標為NO3-，硝態氮濃度高的區域主要集中在耕地，由于污水的排放和大量的農用肥料，在降雨和農業灌溉過程中，NO3-會滲透到土壤中，并經包氣帶流入地下水，造成水質惡化[21]。F3 因子荷載較高的指標為HCO3-，一方面在徑流條件較好的區域以溶濾作用為主，由于碳酸鹽、硅酸鹽礦物的溶解致使HCO3-含量增多；另一方面有機質參與的脫硫酸作用和鐵錳氧化物的還原作用會產生大量HCO3-[22]。

圖7 地下水Gibbs圖

圖8 地下水離子比值端元圖

在承壓水區潛水中F1 因子中載荷較高的指標與單一結構潛水的中的指標相比，少了Ca2+、Mg2+和SO42-，這是由于承壓NO3-，NO3-對該含水層水質影響較大，F1 因子可能與農業化水區潛水埋深較淺，在蒸發濃縮作用下Ca2+、Mg2+和SO42-等離子相繼析出，促使該含水層中Ca2+、Mg2+和SO42-減少；增加了肥、生活污水和牲畜糞便等人類活動有關。F2 因子中載荷較高的指標Mg2+和SO42-，主要因為硅酸鹽巖、硫酸鹽等礦物的溶解。F3因子中載荷較高的指標為Ca2+和Fe，Ca2+來源于硅酸鹽礦物的溶解，Fe主要是由于褐鐵礦、菱鐵礦等礦物的溶解，另一方面是因為原生地質作用導致平原第四系地層中含有豐富的有機質，有機質在微生物作用下分解出還原性物質，使難溶高價鐵氧化物被還原成低價的鐵易溶鹽，造成地下水中Fe 含量升高，承壓水區潛水中6.2%的水樣氧化還原電位Eh＜70，指示該含水層處于還原或亞還原環境[23]。

在承壓水中只有F1和F2因子，F1因子中載荷較高指標與F1 高度正相關，F1 因子代表了水巖相互作用，F2 因子中NO3-載荷較高，由于研究區大量開采承壓水，導致潛水越流補給承壓水，攜帶潛水中NO3-等離子進入承壓含水層，造成承壓水中NO3-含量增加，F2代表了人類活動的間接作用。

2.4.2 其他影響因素分析

（1）水文地質條件。喀什噶爾河流域降雨稀少、蒸發量大，鹽類離子從埋藏較淺的地下水析出，鹽分堆積地表，造成了鹽漬化。這些鹽類又通過蒸發-入滲的垂向交替運動進入到地下水中，鹽分在土壤和地下水之間循環利用，使得水質變差。單一結構潛水分布在山前沖洪積傾斜平原區，該區域地勢起伏顯著，地下水動力條件較好，超標離子易遷移；多層結構潛水-承壓水區分布在細土平原區，該區域地勢較為平緩，地下徑流遲緩，水力梯度相對較小，減緩了超標離子的移運，使地下水中超標離子增多，地下水質量劣化。

（2）陽離子交換作用。利用氯堿指數（CAI-1 和CAI-2）來分析陽離子交換作用發生的強度和方向[公式（5）～（6）]，若CAI-1 和CAI-2 均為負值，表明地下水中Ca2+、Mg2+與顆粒物上的Na+發生離子交換，使得地下水中Na+含量升高，Ca2+、Mg2+含量降低[24]；若兩者均為正值，則反之。圖9 所示絕大部分采樣點CAI-1 和CAI-2 均小于0，表明發生了反向陽離子交換作用，氯堿指數減小，陽離子交換作用增強，地下水中Na+含量增多，導致地下水質量劣化。

圖9 氯堿指數圖

3 結 論

（1）喀什噶爾河流域灌區地下水pH 值范圍為6.39～10.50，地下水整體呈弱堿性，TDS相對較高，多為高礦化度水。陽離子以Na+為主，陰離子以SO42-和Cl-為主，地下水水化學類型主要為SO4·Cl-Na、SO4·Cl-Na·Mg和SO4·Cl-Na·Ca型。

（2）喀什噶爾河流域灌區地下水質量整體較差，超Ⅲ類地下水主要分布在岳普湖縣和伽師縣等區域，含水層水質的優劣表現為單一結構潛水＞承壓水＞承壓水區潛水。研究區地下水存在較為嚴重的鈉害，適宜灌溉與不宜灌溉地下水水樣約為2∶3，部分區域地下水不能直接進行灌溉，否則會抑制植物生長。

（3）喀什噶爾河流域灌區地下水質量劣化主要受到蒸發濃縮和巖石溶濾的雙重作用影響，其中又以蒸發鹽巖和硅酸鹽巖風化溶濾為主；此外，還受到水文地質條件，原生還原環境，農業化肥、牲畜糞便和生活污水等人類活動和陽離子交換等作用的影響。