蔣萬軍，趙　丹，王廣才，郭永海，劉成龍，鐘　濤，劉淑芬，何琛芝

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京　100083；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京　100029；3.中國地震局 地質(zhì)研究所，北京　100029)

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新疆吐-哈盆地地下水水文地球化學(xué)特征及形成作用

蔣萬軍1，趙丹1，王廣才1，郭永海2，劉成龍3，鐘濤1，劉淑芬2，何琛芝1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029；3.中國地震局 地質(zhì)研究所，北京100029)

新疆吐-哈盆地水資源嚴(yán)重缺乏，地下水是當(dāng)?shù)刂饕乃Y源，探討該地區(qū)地下水水文地球化學(xué)特征對區(qū)域地下水資源開發(fā)利用與保護具有重要意義。通過運用陰陽離子Piper三線圖、氫氧穩(wěn)定同位素、Gibbs圖以及離子相關(guān)關(guān)系分析的方法，探討了該地區(qū)地下水化學(xué)特征及其形成作用。結(jié)果表明：吐-哈盆地地下水的補給來源主要以大氣降水為主，排泄以蒸發(fā)為主；溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用對地下水化學(xué)組分的形成具有主導(dǎo)作用；沿地下水流動方向水化學(xué)類型由Cl·SO4-Na型逐漸演變?yōu)镃l-Na型，水化學(xué)組分變化規(guī)律具有較好的一致性并且濃縮現(xiàn)象比較明顯。

地下水；水文地球化學(xué)；分布特征；同位素；吐-哈盆地

0　引　言

水資源是制約我國西北干旱地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)最重要的因素之一[1]，地下水環(huán)境的變化對干旱地區(qū)經(jīng)濟和生態(tài)具有重要影響。新疆吐-哈盆地位于我國西北干旱地區(qū)，是世界上大陸性氣候最顯著的地區(qū)之一，年降水量極少而蒸發(fā)量大導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐乇硭Y源嚴(yán)重缺乏。近年來，吐-哈盆地水資源短缺已經(jīng)引起人們越來越多的關(guān)注[2],在該地區(qū)水資源開發(fā)利用中，地下水占有特殊的地位[1]。地下水水化學(xué)類型是地下水化學(xué)成分的集中反映，是地下水循環(huán)和整個水流系統(tǒng)特征的反映，因此，在干旱區(qū)地下水研究中水文地球化學(xué)方法發(fā)揮著重要作用[3-4]。眾多學(xué)者利用水化學(xué)與同位素技術(shù)在對干旱-半干旱地區(qū)地下水的研究中取得了很好的成果[5-6]。

本文結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)背景、地下水氫氧穩(wěn)定同位素及地下水化學(xué)數(shù)據(jù)對研究區(qū)地下水水化學(xué)類型及分布特征進行分析，以便為該區(qū)地下水合理規(guī)劃利用及水資源保護提供參考依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

1.1自然地理概況

研究區(qū)處于吐-哈盆地中，地理坐標(biāo)為東經(jīng)90°00′—94°30′，北緯41°40′—42°40′。區(qū)內(nèi)地形東高西低，南高北低，南部主要為準(zhǔn)平原化的丘陵地形、北部為堆積平原地形(基巖很少出露)。研究區(qū)包括南湖戈壁、南部高原的噶順戈壁以及庫姆塔格沙漠南部地區(qū)。

圖1　哈密地下水等水位線示意圖(水位/m)Fig.1　Groundwater level contour in the Hami area

研究區(qū)屬典型的大陸性氣候，地表為廣泛戈壁礫石所覆蓋，僅有麻黃或干草等少數(shù)耐旱性植物生長，動物稀少。該地區(qū)干旱少雨，晝夜溫差大，平均氣溫9.8 ℃，降水量極少，且分布不均勻，年平均降水量30.0～57.5 mm，年平均蒸發(fā)量2 245～2 879 mm，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量。由于降水稀少，研究區(qū)地表徑流極不發(fā)育，到處呈現(xiàn)干旱荒漠景觀，無常年有水的河流，分布有較多的干溝谷，這些干溝谷是洪水匯集和流通的場所。

1.2水文地質(zhì)概況

根據(jù)含水層結(jié)構(gòu)、巖性、富水性及水動力特征等條件，可將研究區(qū)內(nèi)地下水類型劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水和基巖裂隙水。其中，松散巖類孔隙水主要分布于山間洼地和溝谷局部地段，面積相對較大；碎屑巖類裂隙孔隙水主要分布在第三系、中生界地層，山間洼地者居多，巖性主要為第三系砂礫巖；碳酸鹽類巖溶裂隙水主要分布于雅滿蘇鐵礦周圍，呈東西向展布，富水性較好；基巖裂隙水是該研究區(qū)內(nèi)主要的地下水類型，在地表以下數(shù)米深度范圍，其中風(fēng)化裂隙最為發(fā)育，隨深度增加發(fā)育程度逐漸減弱，研究區(qū)內(nèi)基巖風(fēng)化裂隙水發(fā)育深度在10～30 m之間，少數(shù)地段可達100 m。

位于吐-哈盆地中的哈密研究區(qū)地下水水位埋深多小于2 m，地下水礦化度均相對較高。淺層含水層地下水在豐水季節(jié)水量相對較大，枯水季節(jié)水量減少或不含水。地勢東部明顯高于西部，南部明顯高于北部，地下水流的總體方向是自東南流向西北(圖1)。

2　材料與方法

2.1采樣點布設(shè)

2.2樣品的測試

氫氧同位素的測試采用LGR公司生產(chǎn)的液態(tài)水同位素分析儀；水質(zhì)常規(guī)離子采用離子色譜(陰離子色譜DX-120和陽離子色譜ICS900)測定，根據(jù)“地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)修訂(報批稿)”(20090518)進行數(shù)據(jù)分析，具體數(shù)據(jù)如表1所示。在樣品數(shù)據(jù)陰陽離子平衡檢驗的過程中，發(fā)現(xiàn)YMS08樣品的誤差高達86%，其余各點樣品均在10%以下，而在SS15樣品中由于Na濃度過高，超出儀器檢測線，未測出具體數(shù)據(jù)：因此，下文中沒有采用YMS08、SS15兩個取樣點的樣品數(shù)據(jù)進行分析。

2.3數(shù)據(jù)分析方法

在Piper三線圖中可以直觀地看出地下水化學(xué)類型。為了清楚地比較水化學(xué)成分及形成原因，吉布斯設(shè)計了一種半對數(shù)坐標(biāo)圖-Gibbs圖[7-9]，縱坐標(biāo)為水中溶解性總固體TDS(對數(shù)坐標(biāo))，橫坐標(biāo)為水中的陽離子比值Na+/(Na++Ca2+)，Gibbs 圖能直觀地反映出水的主要成分屬于“蒸發(fā)濃縮型”、“巖石風(fēng)化型”或“降水控制型”。本文結(jié)合Gibbs圖與δD-δ18O關(guān)系圖法研究吐-哈盆地地下水補給來源及排泄方式，采用SPSS軟件[10-11]對吐-哈盆地水化學(xué)數(shù)據(jù)(表2)進行相關(guān)性分析(表3)，并且結(jié)合典型地區(qū)哈密盆地離子等值線圖，探討研究區(qū)地下水化學(xué)組分特征和地下水循環(huán)規(guī)律。

圖2　地下水采樣點位置圖Fig.2　Locations of the groundwater sampling

取樣編號δ18O/‰δD/‰d(氚盈余)/‰取樣編號δ18O/‰δD/‰d(氚盈余)/‰YMS01-3.1-48.2-23.4YMS09-2.2-37.1-19.5YMS02-8.3-66.8-0.4YMS100.6-37.8-42.6YMS03-9.2-68.25.4SS12-5.4-54.0-10.7YMS04-0.3-40.4-38.0SS13-4.1-48.8-15.7YMS05-8.2-72.5-6.9SS14-4.2-55.5-22.0YMS06-8.8-72.2-1.8SS15-1.7-46.4-32.6YMS07-6.7-58.2-4.6SS160.4-32.5-35.3YMS08-2.1-44.6-27.8

表2　地下水常規(guī)離子含量統(tǒng)計

注：離子濃度單位為mg/L；TDS單位為g/L；水位埋深單位為m。

表3　哈密盆地水化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)矩陣

注：**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在 0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖3　Na+(a)、 SO42- (b) 、Cl-(c)含量和TDS(d)等值線圖(g/L，箭頭指示地下水流方向，五角星指示取樣點位置)Fig.3　Contour graph of Na+(a), SO42- (b), Cl-(c) contents and TDS (d)

3　結(jié)果與討論

3.1典型區(qū)主要水化學(xué)組分空間分布規(guī)律

在哈密盆地，地下水流動方向大致是自東南向西北流動，從離子等值線圖(圖3)中可以看出，哈密盆地Na+濃度由西南向東北以及西北方向不斷增高，等值線密度不斷增大；Cl-以及TDS濃度自東南向西北方向不斷升高，等值線密度東南疏而西北密集；SO42-濃度變化在研究區(qū)雖然沒有明顯分布規(guī)律，但是從整體上可判斷其為由東向西具有不斷增高的趨勢。東南部等值線分布與西北部相比明顯較舒緩，在沿著地下水流動的方向上具有不斷增高的趨勢，地下水水化學(xué)組分富集現(xiàn)象比較明顯，比較符合干旱盆地地區(qū)的地下水水質(zhì)演化規(guī)律[12-14]。

3.2地下水化學(xué)類型特征

圖4　吐-哈盆地水化學(xué)Piper三線圖Fig.4　Piper graphs of water chemistry in Tu-Ha Basin

從地下水化學(xué)Piper三線圖(圖4)中可以看出，地下水類型主要為 Cl·SO4-Na型和 Cl-Na型，在三線圖上分布比較集中。其中YMS01、YMS08、YMS09、SS12取樣點為Cl-Na型水，YMS02、YMS03、YMS04、YMS07、SS16取樣點為Cl·SO4-Na型，泉水樣品YMS06、YMS08的水化學(xué)類型為Cl·SO4-Na型，而YMS10為Cl-Na型水，深層地下水YMS05為SO4·Cl-Na 型水，SS13的水化學(xué)類型為Cl-Na型水，SS14為Cl·SO4-Na型水，在典型研究區(qū)哈密盆地中可以發(fā)現(xiàn)沿地下水流動方向水化學(xué)類型由Cl·SO4-Na逐漸變?yōu)镃l-Na型，礦化度(TDS)分布在4～100 g/L之間。

3.3地下水化學(xué)成分形成作用

利用氫氧穩(wěn)定同位素可以更好地了解地下水的水文地球化學(xué)作用，把δD和δ18O數(shù)據(jù)點(表1)繪在δD-δ18O圖上，并與全球雨水線對比(圖5(a))，可以看出吐-哈盆地地下水穩(wěn)定氫、氧同位素組成均分布在全球大氣降水線的右下方[19]，并且偏離大氣降水線較遠(yuǎn)，實際上落在蒸發(fā)線附近，說明地下水的主要補給來源為大氣降水，經(jīng)歷了比較強烈的蒸發(fā)濃縮作用。地下水中氘過量參數(shù)(d)范圍為-42.6‰～-0.4‰，其中除了YMS03為5.4‰以外全為負(fù)值(表1)；從δ18O-Cl-關(guān)系(圖5(b))中可以看出，地下水中δ18O隨Cl-含量的增加而不斷升高，地下水重同位素相對富集的現(xiàn)象可以解釋為吐-哈盆地屬于典型的干旱地區(qū)，受強烈的蒸發(fā)濃縮作用影響,導(dǎo)致地下水重同位素含量明顯高于大氣降水同位素組成[20]。

圖5　吐-哈盆地地下水δD-δ18O(a)和δ18O與Cl-(b)的關(guān)系圖Fig.5　Plots of δD versus δ18O(a) and δ18O versus Cl-(b) of groundwater in Tu-Ha Basin

在 Gibbs圖中，低TDS的水具有較高的c(Na+)/c(Na++Ca2+)比值(接近1)，此種水樣點主要分布于圖右下角，表明地下水主要是接受海洋起源的大氣降水補給。中等TDS的水具有較低的c(Na+)/c(Na++Ca2+)比值(一般接近0.5)，主要分布于圖左側(cè)，反映水樣成分主要來源于巖石和土壤的風(fēng)化水解。TDS最高的水樣，其c(Na+)/c(Na++Ca2+)比值也很高(接近于 1)，主要分布在圖的右上角，該水樣分布在蒸發(fā)較強的干旱區(qū)[21]。將研究區(qū)水化學(xué)數(shù)據(jù)投到Gibbs圖上(圖6)，可以清楚地看出吐-哈盆地各個點都分布在圖的右上方，加之從吐-哈盆地地下水化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)矩陣(表3)中也可以發(fā)現(xiàn)，Cl-、Na+與礦化度TDS的相關(guān)系數(shù)R都大于0.9，是地下水礦化度形成的主要組分，說明在溶解巖鹽類礦物的地下水中受到強蒸發(fā)作用是地下水高礦化度的主導(dǎo)因素[22]。

圖6　吐-哈盆地地下水Gibbs圖Fig.6　Groundwater Gibbs graph in Tu-Ha Basin

溶濾作用通常指地下水流經(jīng)土壤或巖石時，水-巖相互作用使后者中的一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中從而提高了礦化度的作用，如果由于地下水循環(huán)條件較差并且蒸發(fā)濃縮作用比較強烈,地下水溶質(zhì)不斷濃縮，濃度也會隨時間的變化而逐漸增大[23]。水的化學(xué)成分中,各離子組分之間的毫克當(dāng)量比值常常被用來研究某些水文地球化學(xué)問題。c(Cl-)/c(Ca2+)是表征地下水動力特征的參數(shù)，c(Cl-)/c(Ca2+)比值大常說明地下水流動滯緩，水交替程度弱[12]。在典型工作區(qū)吐哈盆地中c(Cl-)/c(Ca2+)比值隨著Cl-的濃度增大不斷增大(圖7)，說明在吐哈盆地沿地下水流動過程中水動力條件比較差，溶濾作用進行不充分。

圖7　哈密盆地c(Cl-)/c(Ca2+)相對c(Cl-)的變化特征Fig.7　Change of c(Cl-)/c(Ca2+) versus c(Cl-) in Hami Basin

c(Na+)/c(Cl-)比值稱為地下水的成因系數(shù),是表征地下水中Na+富集程度的水文地球化學(xué)參數(shù)[24]。在典型研究區(qū)哈密盆地中，除了YMS01、YMS02點以外，其余取樣點均位于直線1∶1以上(圖8(a)),c(Na+)基本上大于c(Cl-),即c(Na+)/c(Cl-)比值大于1，說明在研究區(qū)地下水中除了巖鹽的溶解和蒸發(fā)濃縮作用之外可能存在其他因素的影響(例如陽離子交換作用)， 地下水樣點中c(Na+/Ca2+)隨c(Cl-)的增加而增加(圖8(b))，可能指示了石膏體溶解產(chǎn)生了一定量的Ca2+置換了黏土礦物骨架中的Na+，使Na+濃度不斷升高，鹽度不斷增大[24]。

圖8　哈密盆地c(Na+)/c(Ca2+)相對c(Cl-)(a)和c(Na+)相對c(Cl-)(b)的變化Fig.8　Change of c(Na+) versus c(Cl-)(a)and c(Na+/Ca2+) versus c(Cl-)(b) in Hami Basin

圖9　哈密盆地與c(Na++K+-Cl-)的關(guān)系Fig.9　

在吐-哈盆地中的另一個工作區(qū)吐魯番盆地東南部中地勢趨勢也是東高西低，南高北低，地下水流大致流向與哈密盆地相似，為自東南向西北流動。將除了YMS08和SS15之外的其他吐-哈盆地的13個取樣點(表2)用SPSS軟件進行地下水化學(xué)相關(guān)分析研究，發(fā)現(xiàn)在該研究區(qū)樣品中Cl-、Na+與TDS的相關(guān)系數(shù)R都大于0.9，而Cl-與SO42-、Na+、Mg2+、Ca2+相互之間的R值都大于0.6，具有較好的相關(guān)性，說明在工作區(qū)內(nèi)吐魯番盆地東南部沿地下水流動方向，水化學(xué)變化趨勢與哈密盆地具有相似的規(guī)律，即結(jié)合兩個工作區(qū)可以說明在吐-哈盆地研究區(qū)中存在地下水化學(xué)作用的相似性和水化學(xué)成分富集規(guī)律。

4　結(jié)　論

(1)在吐-哈盆地,沿地下水流動方向水化學(xué)類型由Cl·SO4-Na型逐漸演變?yōu)镃l-Na型，礦化度主要集中在4～100 g/L之間，地下水化學(xué)成分的形成主要是溶濾作用和蒸發(fā)濃縮作用，其中蒸發(fā)濃縮作用占主導(dǎo)地位。

(2) 研究區(qū)地下水中的氫氧同位素均落在大氣降水線右下方，實際是均落在蒸發(fā)線上，研究區(qū)地下水的主要來源為大氣降水，d(氘盈余)值比較低，大多為負(fù)值，蒸發(fā)作用非常強烈。

(3)地下水中主要化學(xué)組分濃度在沿著地下水流動的方向上具有不斷增高的趨勢，水化學(xué)組分沿水流方向富集現(xiàn)象比較明顯，符合干旱盆地地區(qū)的地下水水質(zhì)演化規(guī)律。

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Hydro-geochemical Characteristics and Formation of Groundwater in Tu-Ha Basin, Xinjiang

JIANG Wanjun1，ZHAO Dan1，WANG Guangcai1，GUO Yonghai2，LIU Chenglong3，ZHONG Tao1，LIU Shufen2，HE Chenzhi1

(1.School of Water Resources and Environment，China University of Geosciences，Beijing100083，China；2.BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China；3.InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100029,China)

Due to the serious shortage of water resources in Tu-Ha Basin, Xinjiang, groundwater has become the main water resources; therefore, studying hydrogeochemical characteristics of the groundwater is very important for the development and protection of regional groundwater. By using the methods of Piper diagram, stable hydrogen and oxygen isotopes, Gibbs graph and ion correlation analysis, the hydrochemical characteristics and evolution were analyzed in the paper. The results showed that the recharge source of groundwater mainly came from the atmospheric precipitation and the evaporation was the main discharge way in Tu-Ha Basin. The groundwater chemical compositions were mainly formed by lixiviation and evaporation. Hydrochemical type gradually evolved from the Cl·SO4-Na to Cl-Na along the groundwater flow path. The evolution of the groundwater chemical components had high consistency and obvious enrichment phenomenon in the study region.

groundwater；hydrogeochemistry；distribution characteristic；isotope；Tu-Ha Basin

2015-12-12；改回日期：2016-04-11；責(zé)任編輯：戚開靜。

蔣萬軍，男，碩士研究生，1990年出生，水文地質(zhì)學(xué)專業(yè)，主要從事地下水科學(xué)與工程方面研究。Email：790694600@qq.com。

王廣才，男，教授，博士生導(dǎo)師，1962年出生，水文地質(zhì)學(xué)專業(yè)，主要從事水文地質(zhì)、地震地下流體等方面的教學(xué)和研究工作。Email：wanggc@cugb.edu.cn

P641.3

A

1000-8527(2016)04-0825-09