皮山河綠洲帶地表水地下水水化學(xué)特征及影響因素分析

魏彥強(qiáng)，黎小勇

(中國地質(zhì)調(diào)查局烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心，新疆 烏魯木齊 830000)

0 前言

干旱地區(qū)是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，綠洲是干旱區(qū)能流、物流最為集中的區(qū)域，也是在荒漠背景下人類局部優(yōu)化的生存環(huán)境[1]。新疆是全國最干旱的地區(qū)之一，同時(shí)是我國也是亞洲中部最大的內(nèi)流區(qū)域之一，絕大多數(shù)河流屬于內(nèi)流河，內(nèi)陸水系發(fā)育[2-3]。

水資源是當(dāng)?shù)匕l(fā)展的命脈，國內(nèi)外學(xué)者對新疆區(qū)內(nèi)河流綠洲帶水化學(xué)開展了不同程度的研究。孫英[4]等系統(tǒng)分析了新疆喀什噶爾河流域常年性河流主要水化學(xué)指標(biāo)的年內(nèi)變化特征；邵躍杰[5]等揭示克里雅河河水的離子化學(xué)組成和變化特征，并探討其影響因素；李玲[6]等對和田河流域綠洲區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征和成因進(jìn)行分析；豐亞萍[7]等分析了呼圖壁河流域地下水化學(xué)成分的特點(diǎn)、水化學(xué)的類型等。而新疆河流眾多，獨(dú)立水系較為發(fā)育，本文選取新疆塔里木盆地南部的皮山河流綠洲帶地表水地下水水化學(xué)進(jìn)行研究，對中昆侖山北麓中小河流域水化學(xué)特征進(jìn)行探討。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中昆侖山北麓、塔里木盆地南緣，主要是皮山河所流經(jīng)的河流綠洲帶。皮山河屬冰雪消融、降水混合補(bǔ)給型河流，全年水量74%以上集中在夏季，由發(fā)源于中昆侖山西段北坡的克里陽河河布瓊河兩大支流匯集而成。自山麓向平原在水平方向上，巖性由粗變細(xì)，由卵礫石逐漸過渡為砂礫石、中粗砂、粉細(xì)砂和亞砂土，流域內(nèi)主要分布有碎屑巖類孔隙裂隙水及松散巖類孔隙水，分別位于南部的低山丘陵地帶和沖洪積扇地帶[8]。受地形控制，國道315東西向從平原綠洲帶穿過。

2 樣品采集與測試

收集皮山河綠洲帶2015、2016年水樣29件，其中，河渠水樣13件，水庫水樣4件，機(jī)井水樣12件。水樣檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)詳見表1。

表1 水樣主要離子特征統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 水化學(xué)基本特征

3.1.1水化學(xué)離子統(tǒng)計(jì)特征

3.1.2水化學(xué)類型

由取樣結(jié)果，根據(jù)舒卡列夫分類法進(jìn)行水化學(xué)類型分類。

(1)地表水水化學(xué)類型

由于水庫補(bǔ)給來源不同且地理位置差異受自然影響程度也不同，4個(gè)水庫水樣水化學(xué)類型均不相同，主要由于位于上山區(qū)的水庫水為SO4·Cl·HCO3-Na·Mg型水，下游綠洲平原區(qū)的水庫水樣分別為Cl·SO4-Na·Mg型水、SO4·Cl-Ca·Na型水、SO4·Cl-Na·Ca型水。

河流沿程由出山口到下游綠洲平原區(qū)水河渠水化學(xué)類型不斷發(fā)生改變，上游水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Na型水，到國道315南北兩側(cè)附近變?yōu)镾O4·Cl-Ca·Na型水，到達(dá)下游主要的綠洲灌溉區(qū)水化學(xué)類型變?yōu)镾O4·Cl-Ca·Na·Mg型水，繼續(xù)向北到達(dá)北部綠洲邊緣地下水化學(xué)類型為SO4·Cl-Ca·Na型水，河渠水沿程水化學(xué)類型具有明顯的水平分帶性。

(2)地下水水化學(xué)類型

地下水水化學(xué)類型多變，由出山口到國道315以南水化學(xué)類型為SO4·HCO3·Cl-Ca·Na、HCO3·SO4·Cl-Ca·Na、HCO3·SO4-Ca·Na型水；315以北到達(dá)綠洲灌溉區(qū)水化學(xué)類型更為多樣且TDS相差明顯，這主要是由于綠洲灌溉區(qū)為人類生產(chǎn)生活主要活動(dòng)區(qū)，除干旱區(qū)自然因素外，人為影響強(qiáng)烈。這里河道渠系交織并存，機(jī)井密集，人們大量開采地下水進(jìn)行灌溉，改變地下水原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)地表水地下水混合灌溉后又補(bǔ)給到地下水，造成地下水水化學(xué)類型多變。

3.2 地下水水化學(xué)成因分析

3.2.1各化學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

化學(xué)之間的相關(guān)性分析常用來揭示離子之間的來源關(guān)系[9]，利用SPSS軟件對研究區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算(見表2)。

表2 各化學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣

3.2.2水文地球化學(xué)控制因素分析

圖1 研究區(qū)地下水Gibbs圖

由圖1可以看出，研究區(qū)地下水點(diǎn)分布在蒸發(fā)結(jié)晶作用控制區(qū)和巖石風(fēng)化控制區(qū)，地下水從出山口到下游灌溉區(qū)，逐漸從巖石風(fēng)化控制區(qū)向蒸發(fā)結(jié)晶控制區(qū)移動(dòng)，總體來說受蒸發(fā)結(jié)晶作用影響顯著，受大氣降水影響微弱。出山口地下水主要接受地表水補(bǔ)給，溶濾作用不斷進(jìn)行，水中的化學(xué)組分主要來源于水巖作用中的礦物質(zhì)溶解，隨著地下水逐漸由補(bǔ)給徑流區(qū)向排泄區(qū)流動(dòng)，含水層顆粒逐漸變細(xì)，地下水流變緩，水位埋深變淺，蒸發(fā)濃縮作用不斷進(jìn)行。

3.2.3基于離子比的地下水主要離子來源

為進(jìn)一步分析研究區(qū)地下水主要離子來源，進(jìn)行相關(guān)離子的比值關(guān)系來進(jìn)行分析。水體中的Na+、K+離子主要來源于大氣降水、硅酸鹽巖風(fēng)化及蒸發(fā)鹽溶解。γ(Na++K+)與γCl-的毫克當(dāng)量比值關(guān)系可以識(shí)別干旱半干旱地區(qū)鹽化機(jī)制，如圖2所示。由圖2(a)可以看出，研究區(qū)地下水樣點(diǎn)主要位于γ(Na++K+)∶γCl-=1∶1附近，表明鹽巖的溶解是Na+、K+的主要來源，有個(gè)別水樣遠(yuǎn)離1∶1線，位于其上方，說明硅酸鹽的風(fēng)化溶解也貢獻(xiàn)一部分Na+、K+。

圖2 研究區(qū)水樣γ(Na++K+)-γCl-和離子關(guān)系圖

3.3 地表水地下水沿程變化特征

利用此次收集的水化學(xué)資料進(jìn)行河流沿程地表水、地下水主要離子指標(biāo)沿程特征分析，如圖3所示。

圖3 研究區(qū)地表水地下水水化學(xué)參數(shù)沿流向變化

由圖3可知，在相對距離20km以前，地下水主要離子含量較高，由前文分析該段位于出山口附近，地下水主要發(fā)生溶濾作用，而地表水來自山區(qū)降水與冰雪融水TDS較低；至20km及以后地表水與地下水主要離子指標(biāo)具有相同的變化趨勢，同時(shí)，在20km和40km附近，地表水與地下水TDS基本一致，可能發(fā)生水體混合。

3.4 地下水補(bǔ)給來源分析

同位素作為自然水體中的重要組成部分敏感地響應(yīng)著環(huán)境的變化并記載著水循環(huán)演化的歷史信息，來源不同的水體，往往具有不同的D和18O特征[15-17]。根據(jù)郭新[18]等的研究，皮山河綠洲帶地表水、地下水起源于大氣降水，結(jié)合水文地質(zhì)條件和野外實(shí)地調(diào)查，形成于山區(qū)的大氣降水和冰雪融水大部分形成地表徑流，位于上游的低山丘陵潛水由于地下水埋深較大，主要接受河水滲入補(bǔ)給；綠洲帶內(nèi)的地下水存在2個(gè)補(bǔ)給源，除接受山區(qū)氣降水和上游地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給外，同時(shí)還接受綠洲帶內(nèi)的其他水體補(bǔ)給，這主要是由于皮山河下游河道支流成渠，渠水通過灌溉滲入地層補(bǔ)給淺層地下水，平原帶內(nèi)地下水又通過機(jī)民井開采回灌至渠道，地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化。這一點(diǎn)與前人對新疆南部地區(qū)河流綠洲帶地表水與地下水D、18O同位素研究結(jié)果一致，即新疆南部地區(qū)河流綠洲帶水體的δD、δ18O特征表現(xiàn)出其受到自然因素和人類活動(dòng)的雙重影響[18]。

4 結(jié)語

(1)研究區(qū)水體呈弱堿性且在空間上變化很小，TDS的空間變異系數(shù)水庫水>機(jī)井水>河渠水；從出山口到下游綠洲平原區(qū)河渠水沿程水化學(xué)類型具有明顯的水平分帶性，地下水水化學(xué)類型多變。

(2)地下水水化學(xué)主離子彼此之間具有明顯的相關(guān)性，主要受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)結(jié)晶控制，受大氣降水影響微弱；水體中的Na+、K+離子主要來源于鹽巖的溶解，Ca2+、Mg2+離子主要來源于方解石、白云石和石膏的風(fēng)化溶解，且發(fā)生反向離子交換。

(3)在自然因素和人為活動(dòng)的雙重影響下，地表水和地下水聯(lián)系密切，主要體現(xiàn)在地表水地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系發(fā)生改變，水體發(fā)生混合，進(jìn)而在水化學(xué)特征上予以體現(xiàn)。