豐亞萍，劉志輝,3,4，郭小云

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué) 教育部綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046； 3.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046；4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國(guó)際研究中心，烏魯木齊 830046)

水資源短缺是西北干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”[1]，地下水是水資源的重要組成部分，地下水的演化狀況決定了干旱區(qū)整個(gè)水資源系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境的和諧性[2,3]。地下水化學(xué)類型是地下水化學(xué)成分的集中反映，應(yīng)該對(duì)地下水的水化學(xué)特征及其影響因素進(jìn)行分析[4-7]。研究表明，地下水的水化學(xué)類型由地層巖性、土壤類型、地表徑流等自然因素和人為因素的影響[8]。因此開(kāi)展地下水水化學(xué)的研究對(duì)揭示水化學(xué)特性及影響因素具有重要的學(xué)術(shù)意義，對(duì)地下水水資源的保護(hù)和可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用也具有重要的實(shí)際價(jià)值[9-11]。Carol[12]對(duì)濱海平原地區(qū)地下水的鹽化過(guò)程進(jìn)行了研究，表明地下水的鹽化受溶濾作用、蒸發(fā)作用以及人類活動(dòng)的影響。荊秀艷[13,14]、安樂(lè)生[15]等采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法對(duì)地下水水化學(xué)進(jìn)行了分析。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究針對(duì)中東部地區(qū)較多，針對(duì)西北干旱區(qū)地下水水化學(xué)的綜合研究較少。

本文選擇呼圖壁河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，運(yùn)用水化學(xué)技術(shù)，將野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合，分析地下水的水化學(xué)成分，揭示了呼圖壁河流域地下水的pH值、主要離子濃度、水化學(xué)類型等，闡明了該地區(qū)地下水水化學(xué)的影響因素，為地下水資源的合理有效利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

呼圖壁河流域位于天山中段北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，介于86°05′～ 87°08′E，43°07′～ 45°20′N之間，發(fā)源于喀拉烏成山，自南向北流動(dòng)，最終消失于沙漠，全長(zhǎng)258 m，流域面積1.025 468 萬(wàn)km2。該流域地形總趨勢(shì)是南高北低，由東南向西北傾斜，全流域分為南部山區(qū)產(chǎn)流區(qū)、中部平原綠洲消耗區(qū)和北部荒漠需水區(qū)三大單元(見(jiàn)圖1)。區(qū)內(nèi)出露的地層主要有古生界、中生界和新生界，南部山區(qū)屬北天山褶皺帶，北部平原區(qū)屬準(zhǔn)格爾盆地凹陷區(qū)，山區(qū)及山前地帶斷裂褶皺發(fā)育，平原區(qū)則主要表現(xiàn)為隱伏構(gòu)造，自南向北對(duì)平原區(qū)水文地質(zhì)條件影響比較大的有南安集海背斜、吐魯谷背斜、呼圖壁隱伏背斜三排構(gòu)造[16](見(jiàn)圖2)。呼圖壁河流域地下水主要有分布在南部低中山區(qū)的基巖裂隙水、南部低山丘陵區(qū)的碎屑巖類裂隙孔隙水以及分布于山前沖洪積平原及北部沙漠區(qū)的第四系松散巖類孔隙水。

呼圖壁河流域是全疆的棉花種植業(yè)、畜牧業(yè)和苗木培育基地。截至2014年底，流域耕地總面積9.79 萬(wàn)hm2，其中農(nóng)作物播種面積9.17 萬(wàn)hm2。流域內(nèi)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)為128.39億元，其中第一產(chǎn)業(yè)為41.24 億元，占總產(chǎn)值的32.1%；第二產(chǎn)業(yè)為48.52億元，占總產(chǎn)值的37.8%；第三產(chǎn)業(yè)為38.63億元，占總產(chǎn)值的30.1%。

圖1 呼圖壁河流域位置及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of hydrochemical sample sites in the Hutubi River Basin

圖2 呼圖壁河縱向水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeology sketch map of the Hutubi River Basin

2 研究方法

2013年10月到2014年11月期間對(duì)呼圖壁河流域地下水樣品進(jìn)行收集，樣品采集為每個(gè)月一次，一般在每個(gè)月的上旬，取樣方法嚴(yán)格按照國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[17]，并且根據(jù)手持GPS定位儀對(duì)采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)以及海拔高度進(jìn)行記錄。該流域地下水的采集，主要是對(duì)淺層地下水樣品的采集，泉水樣品布設(shè)了4個(gè)固定的釆樣點(diǎn)，采樣次數(shù)為1次/月；并且在2014年8月對(duì)呼圖壁河流域由上游至下游河水周邊有出露的泉水進(jìn)行了系統(tǒng)的采集，并且對(duì)各主要灌區(qū)的灌溉井水進(jìn)行了采集，共采集樣品73個(gè)。

對(duì)所采集樣品中主要陰陽(yáng)離子的測(cè)定，包括陽(yáng)離子(Ca2+、K+、Na+、Mg2+)和陰離子(SO2-4、Cl-、HCO-3、CO2-3)，采用美國(guó)戴安ICS-5000研究型離子色譜儀和美國(guó)安捷倫735 ICP-OES電感耦合等離子發(fā)射光譜儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定精度較高，所測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差<±5%；樣品中的電導(dǎo)率采用DDS-308A電導(dǎo)率儀分析測(cè)定的；pH值使用PHS-3B型酸度計(jì)測(cè)得；TDS由G20型緊湊型電位滴定儀測(cè)定的。所有樣品在中科院新疆所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水主要離子的變化特征分析

通過(guò)對(duì)呼圖壁河流域地下水中pH、TDS和電導(dǎo)率的分析發(fā)現(xiàn)，地下水的pH值為7.98～8.20，平均值為8.05。此外，在樣品測(cè)試結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)水體中的CO2-3含量均為零。天然水體中的pH值基本上是在6～9的范圍內(nèi)，由于CO2的平衡反應(yīng)，在大多數(shù)天然水體中都有以堿的形式存在的CO2-3和HCO-3，但是，當(dāng)pH<8.3時(shí)，CO2-3含量可以忽略不計(jì)，也就是說(shuō)此時(shí)水基本為中性或酸性時(shí)，CO2-3不存在[18]，分析樣品各水體中的pH可以看出，pH值基本都小于8.3，故水體呈弱堿性。

水體中的TDS是對(duì)流域內(nèi)各水體的水質(zhì)狀況好壞的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。TDS的分布特點(diǎn)受到該流域水體的補(bǔ)給來(lái)源、補(bǔ)給形式、流域內(nèi)的地質(zhì)條件、該流域的地理和氣候因素以及人類活動(dòng)等因素共同作用的影響。地下水的TDS的變化區(qū)間為0.475～3.47 g/L。從流域內(nèi)生態(tài)用水的角度來(lái)看，水體中的TDS小于3.0～3.5 g/L是區(qū)域內(nèi)各類自然植被維持良好的生長(zhǎng)狀態(tài)的范圍，該流域內(nèi)的TDS變化范圍在植被生長(zhǎng)狀態(tài)的需求范圍內(nèi)。

對(duì)呼圖壁河流域地下水中陰陽(yáng)離子含量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖3)，所測(cè)陽(yáng)離子含量由大到小依次為：Na+>Ca2+> Mg2+>K+，陽(yáng)離子含量平均值依次為291.49、131.99、45.53和3.09 mg/L；其中，Na+占陽(yáng)離子總含量的61.74%，而K+僅占陽(yáng)離子總含量的0.65%；所測(cè)地下水中陰離子含量的次序?yàn)椋篠O2-4>HCO-3> Cl->CO2-3，各陰離子含量的平均值依次為508.02、372.98、209.83和0 mg/L，SO2-4占陰離子所測(cè)總含量的46.57%，HCO-3占陰離子的比例為34.19%。地下水中所測(cè)主要離子濃度順序?yàn)椋篘a+>SO2-4>HCO-3>Ca2+>Cl->Mg2+>K+。

3.2 地下水中各離子間的相互關(guān)系

對(duì)所采集的地下水中各離子間的相關(guān)性進(jìn)行分析(見(jiàn)表1)?？梢园l(fā)現(xiàn)地下水中Ca2+和Mg2+之間表現(xiàn)出正相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為0.964；Na+與SO2-4也表現(xiàn)出高度相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.942；Cl-與SO2-4相關(guān)性也很顯著，相關(guān)系數(shù)為0.891，Ca2+與HCO-3之間為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.068。

圖3 地下水中陰、陽(yáng)離子所占比例分布圖(單位：mg/L)Fig.3 Groundwater of anions and cations in the proportion of distribution

Ca2+Mg2+Na+K+HCO-3Cl-SO2-4Ca2+1．000Mg2+0．964??1．000Na+0．1480．1631．000K+0．677?0．778??0．657?1．000HCO-3-0．0680．0670．786??0．5661．000Cl-0．5890．5800．835??0．805??0．5181．000SO2-40．3840．3930．942??0．779??0．665?0．891??1．000

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

為了進(jìn)一步分析地下水鹽化過(guò)程的主要離子對(duì)水化學(xué)特性的影響，利用回歸分析對(duì)地下水中的主要離子和總鹽度進(jìn)行研究，評(píng)估主要離子對(duì)鹽化過(guò)程的影響。根據(jù)圖4地下水總鹽度與主要離子的散點(diǎn)圖可知，地下水中SO2-4、Na+呈現(xiàn)顯著的相關(guān)，地下水中SO2-4、Na+與總鹽度的擬合程度很好，R2值為0.963、0.923。而HCO-3與總鹽度的擬合程度不是特別的高。地下水的水化學(xué)類型以SO2-4-HCO-3- Na+為主。

3.3 地下水中離子變化的主要因素

采用Gibbs圖可以對(duì)水體中主要離子的水化學(xué)特性以及成因進(jìn)行分析[19]，根據(jù)呼圖壁河流域地下水的水化學(xué)數(shù)據(jù)可知(見(jiàn)圖5)，地下水樣品分布在Gibbs圖的上半部分，該流域地下水的水化學(xué)處于巖石風(fēng)化帶和蒸發(fā)-濃縮帶，位于巖石風(fēng)化帶的居多，遠(yuǎn)離大氣降水作用帶，地下水動(dòng)力場(chǎng)和蒸發(fā)-濃縮作用于地下水的化學(xué)組分[20]，說(shuō)明該流域內(nèi)的地下水的離子組成主要是受到巖石風(fēng)化作用和蒸發(fā)-濃縮作用的共同作用，并且?guī)r石風(fēng)化作用的影響更為顯著。

圖4 地下水中總鹽度與SO2-4、Na+、HCO-3 散點(diǎn)圖Fig.4 The scatter plot of the total salinity and SO2-4, Na+, HCO-3 in groundwater

圖5 呼圖壁河流域地下水的Gibbs圖Fig.5 The Gibbsof of groundwater in the Hutubi River Basin

對(duì)地下水的主成分分析，如表2所示，第一主成分中SO2-4和Na+在第一主成分的載荷較高，為0.920和0.832，總方差解釋率為65.351%，說(shuō)明兩者為地下水中的主要離子。第二主成分中Mg2+、Ca2+、HCO-3的貢獻(xiàn)率較高，總方差解釋率為26.330%，而在第三主成分中，HCO-3的貢獻(xiàn)率較高，為0.430，總方差解釋率為5.752%。

3.4 巖石風(fēng)化作用以及人類活動(dòng)對(duì)水化學(xué)組分的影響

Piper三線圖是一種對(duì)水樣進(jìn)行分類的圖示方法，廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)研究中[2]。通過(guò)對(duì)水樣中陰陽(yáng)離子的當(dāng)量濃度作Piper圖(見(jiàn)圖6)，根據(jù)陰離子三角圖可以發(fā)現(xiàn)，各離子組分主要分布在圖的左側(cè)，說(shuō)明SO2-4和HCO-3的含量較多，并且SO2-4含量多于HCO-3，Cl-含量相對(duì)貧乏，說(shuō)明SO2-4和HCO-3是陰離子中的主要主成成分。水中SO2-4含量富集，可能是硫酸鹽運(yùn)移到含水層中，硫酸鹽礦物風(fēng)化作用。根據(jù)陽(yáng)離子三角圖可以發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)離子多分布在三角的下方，可以判斷，各種水體中Mg2+含量相對(duì)貧乏，結(jié)合菱形中離子的分布可以看出Ca2+是水中的主要離子，Ca2+主要是由于該流域內(nèi)碳酸巖以及蒸發(fā)巖的風(fēng)化作用；Na++K+的比例相對(duì)較高，水體中Na++K+一般來(lái)自于該地區(qū)的變質(zhì)巖和火成巖?？傮w來(lái)看，該流域地下水中主要以SO2-4、HCO-3、Na+、Ca2+為主。

表2 地下水離子濃度的因子分析Tab.2 Factor analysis of ion concentration in groundwater

圖6 呼圖壁河流域地下水的Piper圖Fig.6 The Piper diagram of groundwater in the Hutubi River Basin

對(duì)地下水中用Na+的摩爾濃度對(duì)SO2-4進(jìn)行歸一化(見(jiàn)圖7)，結(jié)果表明地下水中SO2-4/Na+的比值多數(shù)都大于 1，石灰?guī)r溶解過(guò)程有人為酸的輸入，表明該地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)水體有一定的影響[21]。水體中SO2-4含量富集，可能是由于該地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉生產(chǎn)活動(dòng)中使存在于土壤化肥成分中的硝酸鹽和硫酸鹽運(yùn)移到含水層中，以及煤礦工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中煤層中硫化物的氧化導(dǎo)致[22,23]。

圖7 地下水中SO2-4 /Na+與Cl-/Na+摩爾比關(guān)系圖Fig.7 Relationship between SO2-4 /Na+ and Cl-/Na+ molar ratio in groundwater

4 結(jié) 語(yǔ)

干旱-半干旱區(qū)水體的化學(xué)特征因其氣候與地質(zhì)的特殊而獨(dú)特[24]，本文以呼圖壁河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，應(yīng)用水化學(xué)等研究方法揭示了地下水水化學(xué)的演化機(jī)制，研究表明：①呼圖壁河流域地下水的pH值介于7.98～8.20之間，平均值為8.05，地下水的TDS的變化區(qū)間為0.475～3.47 g/L，該流域內(nèi)的TDS變化范圍在植被生長(zhǎng)狀態(tài)的需求范圍內(nèi)。②地下水中的主要離子和總鹽度表明，SO2-4、Na+呈現(xiàn)顯著的相關(guān)，SO2-4、Na+與總鹽度的擬合程度很好，R2值分別為0.963、0.923，地下水的水化學(xué)類型以SO2-4-HCO-3-Na+為主。③呼圖壁河流域地下水的離子組成主要是受到巖石風(fēng)化作用和蒸發(fā)-濃縮作用的共同作用，并且?guī)r石風(fēng)化作用的影響更為顯著。④呼圖壁河流域地下水中主要以SO2-4、HCO-3、Na+、Ca2+為主。對(duì)地下水中用Na+的摩爾濃度對(duì)SO2-4進(jìn)行歸一化，地下水中SO2-4/Na+的比值多數(shù)都大于 1，表明該地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)水體有一定的影響。

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