吳 豪， 吳 彬， 杜明亮, 鐘瑞森

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究背景

要研究合理利用地下水資源以及區(qū)域水循環(huán)機(jī)理等問題，要對(duì)區(qū)域的水化學(xué)特征進(jìn)行深入探索。Singh等[1]通過對(duì)印度北部加濟(jì)阿巴德地區(qū)地下水化學(xué)特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)區(qū)域的地下水化學(xué)成分受季節(jié)變化的影響較大；張清寰等[2]和黨慧慧等[3]對(duì)甘肅梨園河流域水化學(xué)特征進(jìn)行分析，結(jié)合環(huán)境同位素揭示地下水補(bǔ)給來源；章斌等[4]通過分析地表水和地下水中氯離子濃度和δD、δ18O值的空間分布特征，揭示了秦皇島洋戴河平原地下水的形成演化規(guī)律；曹星星[5]以草海流域?yàn)槔治隽嗽摿饔騼?nèi)水化學(xué)特征變化規(guī)律，并根據(jù)不同季節(jié)分析了該濕地水文地球化學(xué)過程中的主要控制因素；楊炳超等[6]運(yùn)用Piper圖解法和離子比值法對(duì)諾木洪河流域地下水化學(xué)演化特征進(jìn)行了分析；楊敏等[7]運(yùn)用離子比值法和飽和指數(shù)法對(duì)柳林泉域的水化學(xué)特征及演化規(guī)律進(jìn)行研究，并利用PHREEQC反向模擬揭示了巖溶含水層中的水巖相互作用。呂婕梅等[8]對(duì)貴州清水江流域豐水期水化學(xué)特征及離子來源進(jìn)行分析，探討了上游工礦企業(yè)活動(dòng)對(duì)流域水化學(xué)的影響；楊麗芝等[9]分析了濟(jì)南泉水水化學(xué)特征,探討了引起泉水水化學(xué)變異的原因。

許多學(xué)者在吐魯番盆地也做了一些研究，周文等[10]通過化學(xué)簡分析對(duì)鄯善縣地下水化學(xué)分布基本特征及地下水化學(xué)組分變化特征進(jìn)行了分析。劉宗鑫等[11]通過分析鄯善縣地表與地下水體的δD、δ18O和d值的分布規(guī)律，得到地下水與地表水之間的水力聯(lián)系以及不同深度地下水之間的水力聯(lián)系。王欣[12]運(yùn)用單因子指標(biāo)分析和水化學(xué)分析對(duì)吐魯番盆地水質(zhì)變化和潛在影響做了相關(guān)分析研究。陳魯[13]通過環(huán)境同位素及水文地球化學(xué)研究并分析了吐魯番盆地的水化學(xué)特征；蔡月梅等[14]利用無機(jī)離子示蹤的方法，分析了吐魯番盆地地下水和地表水成分的變化規(guī)律。

本文在前人研究基礎(chǔ)上對(duì)二塘溝流域的地下水化學(xué)離子來源與空間分布規(guī)律做了深入研究，掌握地下水系統(tǒng)的水化學(xué)演化過程，明確地表水與地下水的轉(zhuǎn)化規(guī)律，有助于水資源的可持續(xù)利用及對(duì)地下水資源的有效管理，防止人為活動(dòng)影響地下水水質(zhì)。因此，有必要更深一步進(jìn)行地下水化學(xué)演化方面的研究工作[15]。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吐魯番盆地鄯善縣境內(nèi)，橫跨南北兩盆地，東西最寬約60 km，南北長約250 km，總面積0.95×104km2。東接鄯善縣柯柯亞河流域，西連吐魯番市。

二塘溝河源頭位于博格達(dá)山南坡，山區(qū)地勢(shì)北高南低，以山前為界，北為博格達(dá)山，南為吐魯番盆地，由北向南，地貌上可分為典型的侵蝕、剝蝕山區(qū)與山前沖洪積礫質(zhì)傾斜平原兩大地貌單元。侵蝕、剝蝕山區(qū)主要指博格達(dá)山主峰以南至吐魯番盆地北緣的高、中山區(qū)。山前沖洪積礫質(zhì)傾斜平原 博格達(dá)山南坡各河流出山口后，由于河水搬運(yùn)能力陡然減弱，變成以堆積作用為主，在溝口形成沖洪積扇，隨著沖洪積扇逐漸增大并相互連接，在山前形成巨大的沖洪積礫質(zhì)傾斜平原。

研究區(qū)水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，地下水經(jīng)多次轉(zhuǎn)化利用，地下水開采形式多樣，有泉水、坎兒井、機(jī)電井?？傮w來看，地下水經(jīng)過3次大的轉(zhuǎn)化，即地下水在天山山前一帶以泉水、坎兒井水及機(jī)電井等形式開采利用后，入滲補(bǔ)給地下；在火焰山北山前一帶經(jīng)泉水、坎兒井利用后補(bǔ)給地下；在火焰山南山前一帶以通過泉水、坎兒井利用后入滲地下；在研究區(qū)下游以機(jī)電井形式開采利用后入滲；最終匯入艾丁湖。

3 采樣與測(cè)試

2015年在研究區(qū)內(nèi)抽取地下水化學(xué)簡分析樣品20組，其中5個(gè)地表水樣、12個(gè)地下水樣和3個(gè)坎兒井水樣。具體取樣位置如圖1所示。在本研究中根據(jù)取樣深度及坎兒井源頭，確定坎兒井為淺表層地下水[16]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料分析，取樣機(jī)井水為淺層地下水。

圖1 二塘溝流域采樣點(diǎn)分布圖

4 地下水化學(xué)特征及空間分布特征

4.1 地下水水化學(xué)特征

根據(jù)地下水取樣類型以及空間分布(見圖1)，將地下水化學(xué)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出研究區(qū)地下水主要組份含量特征值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1、2。

表1 火焰山南北盆地地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值 mg/L

表2 不同水樣類型化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值 mg/L

從表1、2可以看出，地表水及地下水pH值均大于7，均為堿性水且從山北和山南的變異系數(shù)來看，火焰山北部Cl-，南部K+、Na+、Cl-、SO42-，變異系數(shù)均屬于強(qiáng)變異性，說明這幾種離子空間差異非常大。且南盆地的TDS變異系數(shù)也較大，接近100%，說明南盆地可能受人為活動(dòng)及蒸發(fā)濃縮等的影響更大。

從不同水樣類型來看，地表水的Cl-變異系數(shù)較大，而其他離子變異性較弱；淺層地下水與地表水相比，各離子濃度均較大且變異性強(qiáng)，可能是由于地表水更新快，且主要由冰雪融水及大氣降水補(bǔ)給；而淺層地下水更新相對(duì)較慢，且受人為因素及水文地質(zhì)條件的影響，由于蒸發(fā)濃縮、巖石風(fēng)化溶解等作用、導(dǎo)致水中主要離子空間變異性較大，質(zhì)量濃度也比地表水高。而淺表層地下水各離子濃度相對(duì)更高，但從原始資料分析，淺表層地下水樣空間差異大，水樣數(shù)量少是導(dǎo)致變異系數(shù)大的一個(gè)原因。

圖2 二塘溝流域地下水Piper圖

4.2 水化學(xué)組分來源

地下水的水化學(xué)成分取決于區(qū)域水文地質(zhì)條件和人為因素等多種因素的綜合作用[18-19]。早期Gibbs[20]運(yùn)用半對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖，分析了地下水中的離子特征及成因。本文利用Gibbs圖對(duì)研究區(qū)水樣進(jìn)行分析。將樣品化驗(yàn)分析的數(shù)據(jù)繪制成圖(圖3)，由圖3可以看出：(1)所有水樣點(diǎn)都遠(yuǎn)離“降水控制區(qū)域”，符合吐魯番盆地降雨稀少、蒸發(fā)量大的氣候條件；(2)淺層及淺表層地下水以巖石風(fēng)化作用為主，部分向蒸發(fā)濃縮型偏移，經(jīng)查證偏蒸發(fā)濃縮作用的離子均為南盆地水樣，說明北盆地地下水中各離子主要受巖石風(fēng)化影響，南盆地地下水水化學(xué)組分同時(shí)受巖石風(fēng)化及蒸發(fā)濃縮作用影響；(3)地表水TDS值大小適中、Na+與Na++Ca2+比值基本小于0.5的區(qū)域，這部分地表水離子組分主要來自于巖石風(fēng)化作用。

圖3 水化學(xué)組成吉布斯圖

從Na+與Cl-關(guān)系圖(圖4(b))中可以看出，Na+/Cl-值基本位于1∶1線(巖鹽溶解線)附近，造成這種現(xiàn)象的原因包括3個(gè)方面：含Na+礦物的風(fēng)化溶解、Na+與Ca2+的交替吸附以及蒸發(fā)濃縮作用。地表水和地下水的Na+、Cl-的形成略有不同。從出山口到?jīng)_積扇平原區(qū)，地下水中Na+和Cl-不斷增加，地表水中的Na+和Cl-主要以溶解作用為主，平原區(qū)地下水中的Na+和Cl-除了溶解作用，Na+從交替吸附作用中釋放還有蒸發(fā)濃縮作用。圖3和4(a)可進(jìn)一步驗(yàn)證。

從Ca2+和SO42-關(guān)系圖(圖4(c))中可以看出，Ca2+/SO42-值在1∶1線(石膏溶解線)附近，說明Ca2+和SO42-的來源基本相同，均來源于石膏或者硬石膏。Ca2+/SO42-值在1∶1線之下有兩種原因：一是含SO42-礦物的風(fēng)化溶解，二是Na+與Ca2+離子的交替吸附，吸附Ca2+釋放Na+。Ca2+/SO42-值在1∶1線之上的原因主要是碳酸鹽礦物的風(fēng)化溶解。從圖4(c)中可以看出地表水和地下水中的Ca2+、SO42-形成原因主要是碳酸鹽礦物的風(fēng)化溶解，從圖3和圖4(d)中可以進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.3 水化學(xué)組分空間分布特征

4.3.1 空間分布特征分析 沿地下水徑流方向作地下水化學(xué)組分的變化見圖5。由圖5可看出，以火焰山為分界線，上游出山口至沖洪積扇扇緣TDS變化不大，但在扇源處的點(diǎn)J17的TDS值突然增大，而地表水DB05卻是相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。下游灌區(qū)地下水和渠水TDS相當(dāng)，在灌區(qū)周邊稍有上升，但在達(dá)浪坎鄉(xiāng)和老迪坎鄉(xiāng)TDS升高明顯。

圖4 研究區(qū)地下水主要離子關(guān)系曲線圖

圖5 各離子濃度沿徑流方向變化圖

從圖5可以看出J17的TDS有明顯升高，經(jīng)過對(duì)該點(diǎn)地形和補(bǔ)給條件分析，發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)位于兩補(bǔ)給源交接地帶，連木沁灌區(qū)開采地下水致使地下水位下降，而J17附近不能及時(shí)得到補(bǔ)給，另一方面二塘溝水渠防滲率的提高,地表水滲漏補(bǔ)給減少，因此推測(cè)該點(diǎn)有鹽漬化趨勢(shì)。再參考周圍取樣點(diǎn)，地表水及坎兒井水均無明顯變化，證明推測(cè)具有可靠性。

4.3.2 飽和指數(shù)法指示作用分析 通過前面對(duì)離子組分來源的分析后，最終選定CaSO4、CaCO3、CO2、CaMg(CO3)2和NaCl，用飽和指數(shù)定量地分析地下水離子來源的實(shí)際形式。用SI來表達(dá)礦物飽和指數(shù)，公式為：

式中：LAP為礦物溶解反應(yīng)中相關(guān)離子活度積;K為設(shè)定條件下的平衡常數(shù)。

此次計(jì)算選擇沿徑流方向選擇5個(gè)點(diǎn)即4條路徑進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表3。

表3 “可能礦物相”飽和指數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 論

(2)北盆地淺層地下水由地表水補(bǔ)給，徑流至火焰山后由于火焰山地質(zhì)構(gòu)造條件限制，淺層地下水補(bǔ)給淺表層水并流向南盆地，在南盆地平原綠洲區(qū)灌溉及人為因素影響下，中部水位低，四周地下水向中部補(bǔ)給，最后隨徑流方向流向艾丁湖。

(3)地表水中各離子主要以碳酸鹽礦物的風(fēng)化溶解作用為主，平原區(qū)地下水中的主要離子Na+和Cl-除了溶解作用、Na+從交替吸附作用中釋放還有蒸發(fā)濃縮作用；地表水和地下水中的Ca2+、SO42-形成原因主要是碳酸鹽礦物的風(fēng)化溶解。

(4)地下水各離子質(zhì)量濃度和TDS值由于空間分布地形影響具有空間變異性，北盆地地表水水質(zhì)較好，而地下水有變差趨勢(shì)，即在火焰山前有明顯上升，南盆地地下水在山前及灌區(qū)四周水質(zhì)較差。研究發(fā)現(xiàn)，火焰山以南大量開采地下水，農(nóng)業(yè)灌溉以大水漫灌為主，灌區(qū)中部地下水位急劇下降，因而引起四周向中部補(bǔ)給的現(xiàn)象，導(dǎo)致灌區(qū)中部水質(zhì)較好，四周水質(zhì)較差。