阿依簡·波拉提汗，李 升，陳 峰

(1. 新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆 阿勒泰 836500；2.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；3.新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊，新疆 昌吉 831100)

地下水是攜帶大量能量和環(huán)境信息與其周圍環(huán)境密切聯(lián)系的水資源重要的組成部分，地下水水化學(xué)記錄著時空變化和分布過程所經(jīng)歷的水與巖石、水與大氣之間的密切關(guān)系[1]。地下水組成分布形成演化、運移規(guī)律刻畫了地下水水文地球化學(xué)演化過程和水化學(xué)分帶特征[2]。

皮山河流域?qū)傩陆吞锏貐^(qū)皮山縣境內(nèi)，是典型西北旱區(qū)中小型河流之一，許多學(xué)者對流域內(nèi)地下水資源分布，水化學(xué)等方面有些研究，但對地下水演化與形成因素的認(rèn)識不足。梁冰等[3]利用水化學(xué)特征分析對皮山河上下游地表水地下水礦化度及水化學(xué)類型進行描述。郭新[4]等運用穩(wěn)定同位素解釋皮山河各水體氘氧同位素出現(xiàn)的季節(jié)性及補給來源差異。

在區(qū)域水文調(diào)查的基礎(chǔ)上，了解和探明區(qū)域地下水資源分布，水文地球化學(xué)特征及演化規(guī)律，解決本區(qū)出現(xiàn)的水資源與生態(tài)、環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展出現(xiàn)的矛盾，提出合理科學(xué)的水資源開發(fā)方案和建議。為此，以皮山河流域為研究對象，探討不同水體水文地球化學(xué)分布和演化特征，揭示地下水演化規(guī)律與控制因素。

1 研究區(qū)概況

皮山河流域處于塔里木盆地南部，屬皮山縣境內(nèi)源于喀拉昆侖山，河流由南往北流動最終抵于塔克拉瑪干大沙漠[5]。氣候條件屬典型的大陸性干旱氣候特征，降雨少蒸發(fā)大，常有大型風(fēng)塵天氣，年平均年降水量為46.6mm，主要降水集中在夏季，呈山區(qū)多平原少特征[6]。由于區(qū)域內(nèi)發(fā)育隱伏斷裂，構(gòu)成不同地質(zhì)、地貌及水文地質(zhì)單元，可將其分為中低山、山前沖洪積礫質(zhì)平原、細(xì)土顆粒平原。區(qū)內(nèi)廣泛分布第四系松散堆積物，由山前向平原區(qū)逐漸增厚，松散沉積物由山前單一卵、礫、砂石向下游平原區(qū)過渡為中粗砂、砂、亞砂土、亞黏土和黏土的多層結(jié)構(gòu)，其含水層賦存形式依次為單一結(jié)構(gòu)潛水及潛-承壓多層結(jié)構(gòu)。

研究區(qū)河流發(fā)源于高山區(qū)，冰雪融化、降水為上游地表水地下水主要補給源。由于皮山河下游改造成渠，渠系密集，地下水埋深較淺，地下水主要接受上游地下水側(cè)向補給，渠系、田間入滲等。地表水地下水流向是由南向東徑流，地下水排泄以人工開采開發(fā)、蒸發(fā)蒸騰為主。

2 樣品采集和測試

圖1 研究區(qū)地下水取樣分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 水文地球化學(xué)空間統(tǒng)計特征

圖2 研究區(qū)地下水水化學(xué)類型piper圖

表1 皮山河地下水主要離子統(tǒng)計表 單位：mg/L

圖3 皮山河地下水Gibbs圖

3.2 地下水形成因素分析

3.2.1Gibbs圖分析

通過Gibbs圖可以直觀判斷地下水水化學(xué)組分形成主要趨于大氣降水(APD)，巖石風(fēng)化(RWD)或蒸發(fā)濃縮影響型(ECD)[7]。

3.2.2水文地球化學(xué)反向模擬

為刻畫出地下水成分演化規(guī)律，進一步利用水文地球化學(xué)模擬來反演水流路徑上所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，確定反應(yīng)路徑中礦物及氣體等溶解或沉淀[8]。通過起始，終點水樣濃度、各礦物飽和指數(shù)來檢驗?zāi)M反應(yīng)結(jié)果是否合理，見表2。

(1)選取模擬剖面

水文地球化學(xué)模擬要求反應(yīng)過程中起末水樣處于上、下游關(guān)系，即同一水流路徑為基礎(chǔ)。結(jié)合研究區(qū)特征與地下水動力特征，共選擇4條模擬剖面，分別在沖洪積礫質(zhì)平原(Ⅰ)，細(xì)土平原(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。研究區(qū)第四系主要由砂礫石、中粗砂及亞黏土等組成。據(jù)前人研究及離子來源分析，含水層中主要礦物有鈉長石、伊利石、方解石、白云石、石膏、鹽巖等作為“可能礦物相”，另外考慮空隙潛水處于開放系統(tǒng)，黏土礦物分布廣泛，故將CO2(氣)、H2O(蒸發(fā)因素)和CaX2、 NaX，列為可能礦物相。利用Phreeqc軟件建立水化學(xué)模型，其中不確定系數(shù)設(shè)為小于5%。由于含水層巖性復(fù)雜，導(dǎo)致水流路徑上礦物相反應(yīng)的多樣性，即模擬結(jié)果存在多解性[9]。因此，模型參數(shù)要符合熱力學(xué)和化學(xué)原理，同時與地層、含水層礦物、實際水文地質(zhì)條件、水質(zhì)分析結(jié)果相互統(tǒng)一[10]。

表2 地下水反向模擬計算結(jié)果

(2)水文地球化學(xué)反向模擬結(jié)果

在沖洪積礫質(zhì)平原，模擬路徑P36→P60水樣點，潛水中方解石、白云石飽和指數(shù)從負(fù)到正，逐漸向飽和發(fā)展，石膏、鹽巖處于溶解狀態(tài)。模擬結(jié)果為水體中方解石、白云石、石膏、鹽巖溶解，Ca2+被吸附，Na+加入到水體中，同時CO2(g)、H2O(g)溶解，使終點水樣中各離子含量逐漸增大。表明反應(yīng)路徑上主要以礦物溶解為主。

在細(xì)土平原，模擬Ⅱ、Ⅲ剖面，路徑P4-P21上有兩個模擬結(jié)果，其中模型1中沒有體現(xiàn)在水體中方解石的狀態(tài)。故選取模型2結(jié)果。潛水中方解石、白云石處于飽和狀態(tài)，SI值逐漸增大。石膏、鹽巖處于溶解狀態(tài)。模擬結(jié)果為水體中方解石、白云石、石膏、鹽巖逐漸沉淀，CO2(g)、H2O(g)逸出，分別達到15.06mmol/L、329.3mol/L。CaX2沉淀，Ca2+被吸附量達到11.86 mmol/L。表明在細(xì)土平原沿水流路徑，潛水主要以蒸發(fā)為主，發(fā)生Ca2+置換Na+作用。

承壓水模擬路徑上，方解石沉淀，Na+被吸附，Ca2+被溶解在水中。白云石、石膏、鹽巖、CO2(g)和H2O(g)溶解，使水體中除了Na+、K+之外，其余離子濃度增大。表明承壓水路徑中主要以礦物的溶解為主，蒸發(fā)不明顯，反映出承壓水環(huán)境相對封閉。

3.3 水文地球化學(xué)演化規(guī)律分析

總結(jié)得出皮山河流域典型剖面上的水文地球化學(xué)演化規(guī)律：不同地貌單元具有不同水化學(xué)特征及分布規(guī)律，并且每個單元之間具有聯(lián)系和連續(xù)性特征。山前沖洪積礫質(zhì)平原地表水滲漏補給地下水，地表水地下水流向一致，從南向北流動。地下含水介質(zhì)顆粒粗，水動力條件較好，地下水礦化度在0.2～3.1g/L，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Na或SO4·HCO3·Cl-Mg·Ca·Na型，礦物及CO2溶解，地下水形成主要以溶濾作用為主。細(xì)土顆粒平原，潛水主要接受上游含水層的側(cè)向補給，部分受灌溉入滲影響。地下含水介質(zhì)逐漸變細(xì)，水動力條件逐漸變差，水位埋深變淺接近地表，水分蒸發(fā)，CO2逸出，蒸發(fā)巖溶解影響較大，地下水礦化度逐漸增大，在皮山農(nóng)場附近潛水出現(xiàn)礦化度為18.6 g/L，Cl·SO4-Na型超咸水，地下水形成主要受蒸發(fā)-結(jié)晶影響較大，伴隨著離子交換作用影響。承壓水主要接受上游含水層的側(cè)向補給，礦化度較小，地下水組分受溶濾作用影響較大。

4 結(jié)論

(1)從山前礫質(zhì)平原至細(xì)土平原區(qū)，地下水礦化度逐漸增大，水化學(xué)類型由HCO3·SO4-Ca·Na→SO4·Cl·HCO3-Na·Ca型演變?yōu)镃l·SO4-Na型。不同地貌單元，地下水各組分關(guān)系呈細(xì)土平原潛水>細(xì)土平原承壓水>山前沖洪積礫質(zhì)平原特點。

(2)反向模擬結(jié)果表明，隨著地下水徑流方向，水中CO2、H2O逐漸逸出，潛水中各礦物由溶解向沉淀狀態(tài)發(fā)展，潛水形成由溶濾作用向蒸發(fā)濃縮作用逐漸顯著，并伴有Ca2+被吸附的離子交換作用；承壓水中溶解作用顯著。

(3)研究為皮山河流域水資源管理、開發(fā)利用及水利、生態(tài)功能分區(qū)提供有效依據(jù)。對該地區(qū)建立水源地及安全飲水工程建設(shè)具有一定指導(dǎo)意義。