劉德玉，賈貴義，張偉，喻生波，魏玉濤

1)甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州，730050；2)甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，蘭州，730050

內(nèi)容提要: 疏勒河尾閭區(qū)是護(hù)衛(wèi)敦煌綠洲及文化的生態(tài)安全屏障，但是對(duì)地下水化學(xué)的研究相對(duì)較少。本次研究在野外調(diào)查及采樣測(cè)試的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線圖、離子相關(guān)性分析、Gibbs圖及離子比例系數(shù)等方法明確了疏勒河尾閭區(qū)的地下水化學(xué)特征，并對(duì)其成因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：疏勒河尾閭區(qū)地下水水質(zhì)總體呈弱堿性，具有高溶解性總固體及高硬度的特征，水化學(xué)類(lèi)型主要為Cl-·S-Na+型。地下水水化學(xué)演化是由蒸發(fā)濃縮作用主導(dǎo)，同時(shí)風(fēng)化溶解和陽(yáng)離子交換共同作用的結(jié)果。地下水中的Ca2+及Mg2+主要來(lái)自于蒸發(fā)巖及硅酸鹽的溶解，Na+主要來(lái)源于巖鹽溶解。高氟水的形成與片麻巖中普遍存在的黑云母礦物、蒸發(fā)濃縮主導(dǎo)的水文地球化學(xué)作用以及地勢(shì)低洼的地形條件有關(guān)。成果不僅豐富了疏勒河流域內(nèi)的地下水化學(xué)研究，亦可為敦煌綠洲生態(tài)安全屏障區(qū)的保護(hù)與建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

疏勒河尾閭區(qū)地處甘肅敦煌盆地西部，為典型的西北內(nèi)陸極端干旱區(qū)。研究區(qū)大部分位于敦煌西湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)部，其主要保護(hù)對(duì)象為濕地—荒漠生態(tài)系統(tǒng)以及野生動(dòng)植物，范圍自東向西包含后坑、小馬迷兔、大馬迷兔、灣腰、哈拉齊等地。研究區(qū)內(nèi)獨(dú)特的濕地生態(tài)系統(tǒng)不僅具有涵養(yǎng)水源的功能，而且還有效阻擋了庫(kù)姆塔格沙漠東擴(kuò)，是保衛(wèi)敦煌綠洲和敦煌文化的強(qiáng)有力生態(tài)屏障。但是自20世紀(jì)50～60年代以來(lái)，在疏勒河上游修建了眾多農(nóng)田水利工程，大部分水資源被截流用于中、下游農(nóng)田灌溉，流入尾閭區(qū)的水量急劇減少并經(jīng)常斷流，導(dǎo)致河道干涸、尾閭區(qū)旱化，僅在雨季泄洪時(shí)，有少部分地表水匯入。地表水資源的減少導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地下水位持續(xù)下降，濕地萎縮，植被退化，土地荒漠化及鹽漬化程度加劇(袁海峰等，2009；楊俊倉(cāng)等，2014)，生態(tài)屏障功能受到嚴(yán)重影響。在地表水資源相對(duì)匱乏的干旱地區(qū)，地下水資源具有不可替代的作用(魏水蓮等，2017)。地下水作為維系干旱區(qū)濕地植被正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，研究其化學(xué)組分特征及形成原因?qū)τ谏鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者在地下水開(kāi)發(fā)利用程度較高的疏勒河流域中下游玉門(mén)—瓜州盆地開(kāi)展的地下水化學(xué)研究較多，針對(duì)該地區(qū)的地下水化學(xué)演化規(guī)律(趙瑋等，2015)、地下水化學(xué)特征及控制因素(張百祖等，2020)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。疏勒河尾閭區(qū)自然環(huán)境條件相對(duì)原始，人煙稀少，地下水開(kāi)發(fā)利用程度很低，已有研究多集中在鹽漬土特征(魏玉濤等，2020；喻生波等，2020；劉普幸等，2012；張克新等，2012)、土壤水分特征(陳文業(yè)等，2015；張偉等，2020)、地下水資源開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)(程旭學(xué)等，2008)、濕地演化(段浩等，2015)、植物群落生態(tài)特征(張繼強(qiáng)等，2019)等方面，有關(guān)地下水化學(xué)的研究相對(duì)較少。本文通過(guò)野外調(diào)查及采樣測(cè)試，研究了該區(qū)域的地下水化學(xué)特征及成因，并與流域中下游玉門(mén)—瓜州盆地已有的地下水化學(xué)研究成果(趙瑋等，2015；張百祖等，2020)進(jìn)行了對(duì)比分析。成果不僅豐富了疏勒河流域內(nèi)的地下水化學(xué)研究，亦可為敦煌綠洲生態(tài)安全屏障區(qū)的保護(hù)與建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 疏勒河尾閭區(qū)概況

1.1 基本情況

研究區(qū)范圍北至疏勒河河谷與走廊北山交界一帶，西至庫(kù)姆塔格沙漠東緣，南至敦煌西湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的灣腰一帶，東至玉門(mén)關(guān)一帶，其距離敦煌市西約90 km(圖1)。地理坐標(biāo)為：92°50′～93°57′E，40°3′～40°28′N(xiāo)，面積約3130 km2。

研究區(qū)氣候極端干旱，晝夜溫差大，年平均氣溫9.9 ℃，年均降水量小于50 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2500 mm以上。全年日照時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)沙多。區(qū)內(nèi)主要河流為河西走廊三大內(nèi)陸河之一的疏勒河，發(fā)源于疏勒南山和托來(lái)南山之間，自昌馬峽出山，流經(jīng)玉門(mén)、瓜州、敦煌等地，最終注入哈拉齊等尾閭。

圖1 疏勒河尾閭區(qū)地理位置圖Fig. 1 Geographical location map of the Shule River tail area

區(qū)域地勢(shì)總體南北高，中西部低，海拔812～1315 m，靠近北山一帶地勢(shì)最高，南部灣腰一帶地勢(shì)最低。地貌類(lèi)型主要可分為低山丘陵、沖洪(沖湖)積平原及沙漠戈壁。區(qū)內(nèi)除沼澤濕地周邊植被較為茂盛外，其余地區(qū)植被稀疏，生長(zhǎng)有蘆葦、檉柳、胡楊、駱駝刺、梭梭等植物。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境極為脆弱，自然環(huán)境條件相對(duì)原始，基本為無(wú)人區(qū)。

1.2 地層巖性

前第四系主要分布在山地及盆地基底，地層巖性包括：太古代—古元古代(Ar—Pt1)的片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖、大理巖、黑云母石英片巖等；奧陶系—志留系(O—S)的石英片巖、大理巖、黑云母斜長(zhǎng)片麻巖等；二疊系(P)的角斑巖、流紋巖、礫巖、灰?guī)r透鏡體；新近系(N)的砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、砂巖。

第四系地層主要分布于沖洪(沖湖)積平原區(qū)，地層時(shí)代從下更新統(tǒng)(Qp1)、中更新統(tǒng)(Qp2)、上更新統(tǒng)(Qp3)、全新統(tǒng)(Qh)均有分布，巖性主要有亞砂土、亞黏土、粉細(xì)砂、細(xì)砂、中砂、粗砂等，多呈互層關(guān)系。在哈拉齊一帶還有淤泥層及鹽硝分布。

1.3 水文地質(zhì)

區(qū)域內(nèi)的地下水類(lèi)型主要為第四系松散巖類(lèi)孔隙水，含水層巖性主要為中細(xì)砂及含礫中砂，可分為潛水、承壓水兩種類(lèi)型。潛水水位埋深普遍在1～3 m，在湖積洼地區(qū)域一般小于1 m，在東南部的二墩村一帶埋深20～30 m。含水層顆粒從南到北漸細(xì)，厚度由南、東向北、西方向變薄。潛水含水層厚度一般小于20 m，承壓含水層厚度大多在30～50 m。地下水補(bǔ)給來(lái)源主要有：疏勒河地下潛流補(bǔ)給、多壩溝等南部溝谷河流側(cè)向徑流補(bǔ)給、少量北山基巖裂隙水及雨洪補(bǔ)給。地下水徑流緩慢，在保護(hù)區(qū)濕地與疏勒河河道兩側(cè)地下水淺埋區(qū)以蒸發(fā)蒸騰排泄為主。

圖2 疏勒河尾閭區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Fig. 2 Distribution map of sampling points in the tail area of the Shule River

2 地下水樣品采集及測(cè)試

2.1 地下水樣品采集

本次研究于2015年11月～2016年8月在研究區(qū)內(nèi)共采集地下水樣品83組，其中淺井樣品79組，鉆孔樣品4組。采樣點(diǎn)井深1～45 m，地下水位埋深0.5～22 m，地下水類(lèi)型為第四系松散巖類(lèi)孔隙水，采樣點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖2。地下水樣品嚴(yán)格按照《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(HJ/T164-2004)》進(jìn)行采樣、保存和運(yùn)送，由具備CMA資質(zhì)的甘肅地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)室完成樣品測(cè)試工作。

圖3 疏勒河尾閭區(qū)TDS含量空間分布圖Fig. 3 Spatial distribution of TDS content in the tail area of the Shule River

2.2 地下水樣品測(cè)試

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水化學(xué)特征

3.1.1地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

研究區(qū)地下水的pH、溶解性總固體(TDS)、總硬度、K+、Cl-等12項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。由表1、表2可知該區(qū)地下水的pH值介于6.8～8.7，平均值為7.6，總體呈弱堿性?？傆捕戎到橛?0.1～11009.0 mg/L，平均值為3097.3 mg/L，以極硬水(>450 mg/L)居多，占比83.2%，其次為硬水(300～450 mg/L)及微硬水(150～300 mg/L)，占比均為6.0%，軟水(<150 mg/L)占比最小，為4.8%。

TDS值變化范圍大，為453.1～58972.0 mg/L，平均值為16184.1 mg/L。其中，鹽水(10～50 g/L)占比較大，為49.4%，其次為咸水(3～10 g/L)及微咸水(1～3 g/L)，占比分別為22.9%及13.3%，少部分為淡水(<1 g/L)及鹵水(>50 g/L)，占比分別為8.4%及6.0%。通過(guò)TDS含量空間分布圖(圖3)可得出：沿著疏勒河流向，自研究區(qū)東部的玉門(mén)關(guān)到西部的哈拉齊，TDS含量總體呈上升趨勢(shì)，區(qū)內(nèi)大部分地下水為高TDS的鹽水，低TDS的淡水零星分布于玉門(mén)關(guān)—后坑一帶的沼澤濕地區(qū)。

pH值的變異系數(shù)最小(0.1)，說(shuō)明其空間變異性小、離散程度低、相對(duì)穩(wěn)定。但除pH值外，其余10項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)均較大(0.7～2.2)，說(shuō)明這些水化學(xué)指標(biāo)的含量存在著較強(qiáng)—強(qiáng)的空間變異性，影響因素較為復(fù)雜，離散程度較高。

3.1.2地下水化學(xué)類(lèi)型分析

表2 疏勒河尾閭區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值Table 2 Statistical eigenvalues of hydrochemical parameters in the tail area of the Shule River

圖4 疏勒河尾閭區(qū)水化學(xué)Piper三線圖(圖中各離子的單位是mg/L)Fig. 4 Piper trigram of hydrochemistry in the tail area of the Shule River(the unit of the ions in figures is mg/L)

表3 疏勒河尾閭區(qū)地下水化學(xué)類(lèi)型統(tǒng)計(jì)值Table 3 Statistics of hydrochemical types in the tail area of the Shule River

表4 疏勒河尾閭區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 Correlation coefficient matrix of hydrochemical parameters in the tail area of the Shule River

3.1.3地下水離子相關(guān)性分析

3.2 地下水成因分析

3.2.1地下水Gibbs圖

圖5 疏勒河尾閭區(qū)地下水Gibbs圖Fig. 5 Gibbs diagram of groundwater in the tail area of the Shule River

Gibbs圖常用來(lái)定性分析地下水化學(xué)組分的成因及變化趨勢(shì)，判斷地下水是否受蒸發(fā)濃縮、巖石風(fēng)化或者大氣降水作用的控制(高帥等，2019)。通過(guò)繪制研究區(qū)地下水Gibbs圖(圖5)可分析得出：大部分采樣點(diǎn)分布于蒸發(fā)濃縮作用控制區(qū)域，少部分分布于巖石風(fēng)化作用控制區(qū)域。由此說(shuō)明，研究區(qū)地下水化學(xué)組分的形成主要受控于蒸發(fā)濃縮作用影響，其次為巖石風(fēng)化作用，大氣降水作用影響較小。另外，還有個(gè)別采樣點(diǎn)分布于Gibbs圖的范圍之外，表明研究區(qū)地下水除受上述作用的影響外，還可能受到其它因素的影響，如陽(yáng)離子交替吸附作用(孫英等，2019)。

3.2.2離子比例系數(shù)

圖6 疏勒河尾閭區(qū)離子比例系數(shù)圖Fig. 6 Ion proportion coefficient map of the tail area of the Shule River

3.2.3高氟水成因分析

如前文所述，研究區(qū)內(nèi)淺層高氟水的分布較為廣泛，局部地段地下水中的F-離子含量高達(dá)3～5 mg/L。根據(jù)F-離子質(zhì)量濃度空間分布圖(圖7)，其高值區(qū)主要分布在疏勒河以北的山前沖洪積平原以及玉門(mén)關(guān)—后坑、大馬迷兔—灣腰—哈拉齊一帶的洼地湖塘周邊。

圖7 疏勒河尾閭區(qū)F-離子質(zhì)量濃度[ρ(F-)]空間分布圖Fig. 7 Spatial distribution of fluorine ion mass concentration [ρ(F-)] in the tail area of Shule River

高氟水的形成一般主要與其原生地質(zhì)環(huán)境背景有關(guān)。研究表明，片麻巖中黑云母含量達(dá)20%～40%，而云母類(lèi)礦物中含易溶性氟本底值很高(高麗，2002)。研究區(qū)南、北兩側(cè)的走廊山脈基巖區(qū)廣泛分布太古代—古元古代的片麻巖、黑云母石英片巖以及奧陶系—志留系的黑云母斜長(zhǎng)片麻巖。富含黑云母的巖石礦物為地下水中的氟離子提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源，而研究區(qū)蒸發(fā)濃縮主導(dǎo)的水文地球化學(xué)作用是驅(qū)動(dòng)氟離子向淺層地下水中遷移、富集的重要影響因素，地勢(shì)低平的匯水洼地為氟的累積提供了有利的地形條件，該地區(qū)地下水位埋深淺，地下水徑流滯緩，在垂向強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用影響下，有利于鹽分的濃縮和氟的大量富集(巴建文等，2021)。

4 討論

本次研究主要對(duì)疏勒河尾閭區(qū)的地下水化學(xué)特征及成因進(jìn)行了研究分析，通過(guò)與地處研究區(qū)上游的玉門(mén)—瓜州盆地已有的地下水化學(xué)研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，研究?jī)烧咴诘叵滤瘜W(xué)特征及成因機(jī)制方面的異同，可以進(jìn)一步系統(tǒng)揭示疏勒河尾閭區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)的變化特征及演化規(guī)律。

(1)疏勒河流域中—下游玉門(mén)—瓜州盆地地下水的TDS平均含量為972 mg/L(趙瑋等，2015)，到尾閭區(qū)TDS平均含量陡然增加，達(dá)到16184 mg/L，相差16倍之多。與我國(guó)內(nèi)陸河流域地下水演化具有沿著地下水流動(dòng)方向TDS含量緩慢增大的規(guī)律(Wen Xiaohu et al.，2012)略有不同的是：本次研究發(fā)現(xiàn)從疏勒河中下游到尾閭區(qū)地下水的TDS含量快速增加，呈現(xiàn)加速咸化的發(fā)展趨勢(shì)。

(3)中—下游的玉門(mén)—瓜州盆地的地下水水化學(xué)演化是由蒸發(fā)濃縮作用、巖石風(fēng)化溶解和陽(yáng)離子交換共同作用的結(jié)果(趙瑋等，2015；張百祖等，2020)，與尾閭區(qū)的演化模式相同。不同之處在于，中下游盆地地下水水化學(xué)演化的主控因素是巖石風(fēng)化溶解作用(張百祖等，2020)，尾閭區(qū)則是蒸發(fā)濃縮作用占主導(dǎo)。

(4)巖鹽、石膏、芒硝等蒸發(fā)巖的溶解對(duì)中—下游玉門(mén)—瓜州盆地地下水化學(xué)成分的形成起主導(dǎo)作用(趙瑋等，2015；張百祖等，2020)，與尾閭區(qū)相同。

除此之外，需要說(shuō)明的是：本次研究結(jié)果是基于2015年11月～2016年8月的采樣數(shù)據(jù)分析所得。在2017年，隨著“疏勒河河道恢復(fù)與歸束工程”的投入使用以及雙塔水庫(kù)生態(tài)流量的不斷下泄，干涸的疏勒河河道恢復(fù)了生機(jī)，地表水沿河道向下游持續(xù)徑流，直達(dá)尾閭區(qū)西端哈拉齊一帶，河道兩岸及保護(hù)區(qū)內(nèi)的天然植被逐漸恢復(fù)，濕地面積擴(kuò)大，保衛(wèi)敦煌綠洲及文化的生態(tài)屏障功能得到有效增強(qiáng)。地表徑流量的加大勢(shì)必增強(qiáng)了對(duì)尾閭區(qū)地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給量以及增大了地下水徑流速度，除了會(huì)引起地下水位上升外，大量地表水的混入，會(huì)使得尾閭區(qū)地下水原有的TDS、硬度、pH等化學(xué)指標(biāo)的含量、水質(zhì)情況以及水化學(xué)類(lèi)型隨之發(fā)生較大變化。而本次研究成果可作為大規(guī)模生態(tài)輸水工程實(shí)施前的地下水化學(xué)參數(shù)對(duì)照值，可作為下一步開(kāi)展相關(guān)調(diào)查研究工作的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

(2)疏勒河尾閭區(qū)地下水水化學(xué)演化是由蒸發(fā)濃縮作用主導(dǎo)、風(fēng)化溶解和陽(yáng)離子交換共同作用的結(jié)果。地下水中的Ca2+及Mg2+主要來(lái)自于巖鹽、石膏、芒硝等蒸發(fā)巖及硅酸鹽的溶解，其次為大理巖、灰?guī)r等碳酸鹽的溶解。Na+主要來(lái)源于巖鹽溶解，其次為硅酸巖的溶解。

(3)疏勒河尾閭區(qū)內(nèi)淺層高氟水分布較為廣泛。片麻巖中普遍存在的黑云母礦物、蒸發(fā)濃縮主導(dǎo)的水文地球化學(xué)作用以及地勢(shì)低洼的地形條件是形成高氟水的主要原因。

致謝：感謝審稿專(zhuān)家提出的寶貴修改意見(jiàn)！