魯 涵， 曾妍妍， 周金龍， 王松濤， 杜江巖

(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.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830052； 3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830052；4.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)， 新疆 昌吉 831100)

1 研究背景

在地下水循環(huán)過(guò)程中，地下水與其循環(huán)介質(zhì)之間不斷地發(fā)生著物理化學(xué)作用，同時(shí)地下水的水化學(xué)組分也在發(fā)生著改變，不同起源的地下水與特定的介質(zhì)形成了各自獨(dú)特的水化學(xué)特征[1-2]。開(kāi)展對(duì)地下水化學(xué)特征的研究，不僅可以查明地下水的賦存環(huán)境、徑流途徑和物質(zhì)交換等重要信息，還有利于揭示地下水的起源和形成過(guò)程[3]。

為了識(shí)別地下水環(huán)境的化學(xué)組分特征及其演化規(guī)律，Piper[4]于1944年提出了Piper圖解法。由于地下水環(huán)境關(guān)系到地下水資源的開(kāi)發(fā)利用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相關(guān)的研究成果也越來(lái)越多，且研究重點(diǎn)主要集中于地下水的影響控制因素方面[5]，通常采用統(tǒng)計(jì)學(xué)[6]、水化學(xué)類型Piper三線圖[7]、Gibbs圖解[8]、離子比值[9]和水文地球化學(xué)模擬[3]等方法對(duì)地下水化學(xué)特征及形成過(guò)程進(jìn)行研究，以掌握和識(shí)別地下水中主要離子的來(lái)源和地下水中發(fā)生的主要水文地球化學(xué)過(guò)程[10-11]。

新疆維吾爾自治區(qū)祁漫塔格地區(qū)東部與青海省相鄰，交通相對(duì)方便，西部自然地理環(huán)境惡劣，部分地區(qū)因雪山、冰川、沼澤等使人類無(wú)法逾越，區(qū)內(nèi)人煙稀少，屬高原無(wú)人區(qū)[12-13]。目前，關(guān)于該區(qū)地下水方面的研究極少，因此，本文綜合利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、Piper三線圖、Gibbs圖、離子比值法和水文地球化學(xué)模擬等方法對(duì)該區(qū)地下水化學(xué)成分的形成進(jìn)行分析研究，研究結(jié)果可為今后研究區(qū)有效保護(hù)地下水資源和高效解決水環(huán)境問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)，對(duì)于研究區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)隸屬新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州若羌縣和且末縣，若羌縣和且末縣地域廣闊，分別為全國(guó)轄區(qū)面積第一和第二大縣[12]。研究區(qū)常年被冰雪覆蓋，地形地貌較為復(fù)雜，祁漫塔格山脈橫亙于研究區(qū)內(nèi)，山勢(shì)陡峭，區(qū)內(nèi)平均海拔在4 000～5 000 m之間[12]。研究區(qū)內(nèi)水系不甚發(fā)育，屬柴達(dá)木盆地和庫(kù)木庫(kù)里盆地內(nèi)陸水系，柴達(dá)木盆地西南部位于研究區(qū)北部，該區(qū)域水系發(fā)育極其緩慢，溝谷幾乎常年干枯[12]。研究區(qū)內(nèi)降雨量較少，且總體蒸發(fā)量大于降雨量，3 500 m以上的山峰常年積雪，屬于典型的高原大陸荒漠干旱氣候[12]。

研究區(qū)地下水補(bǔ)給為地表水體的下滲(特別是河流出山口后的滲漏補(bǔ)給)；地下水總的徑流方向與河流延伸方向一致，自南向北流動(dòng)；地下水排泄為潛水蒸發(fā)排泄、排水渠溝排泄、植物蒸騰排泄及人工開(kāi)采等[14-15]。

2.2 地下水水樣采集與測(cè)試

圖1 新疆祁漫塔格地區(qū)地下水水樣采集點(diǎn)分布及TDS濃度分區(qū)圖

2.3 研究方法

運(yùn)用Piper三線圖對(duì)研究區(qū)地下水化學(xué)類型進(jìn)行分類；分析地下水化學(xué)參數(shù)之間的Pearson相關(guān)性，來(lái)大致推斷出研究區(qū)各離子之間的關(guān)系及來(lái)源；運(yùn)用因子分析篩選出水化學(xué)參數(shù)中最具代表性的因子；運(yùn)用Gibbs圖來(lái)識(shí)別水化學(xué)成分形成機(jī)制；運(yùn)用離子之間的比例關(guān)系分析不同的巖性對(duì)地下水化學(xué)成分的影響；計(jì)算研究區(qū)地下水中各礦物(方解石、白云石、石膏及鹽巖)的飽和指數(shù)并進(jìn)行水文地球化學(xué)反向模擬，定量研究地下水在水流路徑上的水文地球化學(xué)演化過(guò)程。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水化學(xué)組分特征分析

采用描述性統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)域的地下水化學(xué)組分特征。在統(tǒng)計(jì)參數(shù)中引入了變異系數(shù)，變異系數(shù)可直觀地體現(xiàn)各水樣不同離子的離散程度和空間差異性，若變異系數(shù)較大，則說(shuō)明不同水體水化學(xué)組分的形成及演化規(guī)律較為復(fù)雜[16]。研究區(qū)地下水水樣的化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)地下水的化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)表

pH值作為一個(gè)重要因子，可以反映水文地球化學(xué)平衡信息[17]。由表1可知，研究區(qū)水樣的pH值變化范圍為7.19～8.44，平均值為7.89，變異系數(shù)為0.04，表明pH值的空間差異性較小，地下水水樣整體呈弱堿性；TDS和TH濃度的變化范圍分別為315.7～6 064.7 mg/L、189.5～2 792.3 mg/L，平均值分別為1 617.5、 667.9 mg/L，變異系數(shù)分別為0.97、1.14，說(shuō)明TDS和TH濃度的空間差異較大。

3.2 TDS的空間分布特征

研究地下水中主要離子的空間分布特征對(duì)揭示地下水的來(lái)源及循環(huán)過(guò)程具有重大意義。按TDS濃度的大小可以將地下水分為淡水、微咸水、咸水、鹽水和鹵水5種類型[18]。研究區(qū)地下水為淡水、微咸水和咸水的面積分別為5 904.8、20 055.5和2 091.6 km2，分別占總面積的21.0%、71.5%和7.5%，地下水以微咸水為主。從圖1中TDS濃度分布可以看出，研究區(qū)地下水中TDS濃度較高的區(qū)域主要分布在中部，在西部和東部也有零星分布；低TDS濃度的區(qū)域分布在東部，在西部和中部也有零星分布。

3.3 地下水化學(xué)類型分析

通過(guò)Piper三線圖可以看出研究區(qū)地下水中各離子的相對(duì)含量[19]，如圖2所示。圖2表明，研究區(qū)地下水水樣點(diǎn)主要分布在靠近以Na++K+為軸的區(qū)域和以SO42-為軸的區(qū)域，研究區(qū)地下水化學(xué)類型主要為Na-Cl·SO4型、Na·Mg-Cl·SO4型和Na·Mg-Cl·SO4·HCO3型。

圖2 研究區(qū)地下水化學(xué)Piper三線圖

3.4 地下水中各離子之間相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)地下水中各化學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性分析，不僅可以看出各離子之間的關(guān)系，還可以判斷出其大致的來(lái)源，且各個(gè)離子與TDS的相關(guān)關(guān)系，可以反映出地下水的成因[19-20]。表2為研究區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)的相關(guān)性矩陣。

表2 研究區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)相關(guān)性矩陣

4 研究區(qū)地下水化學(xué)特征的成因

地下水化學(xué)成分是地下水與周圍介質(zhì)長(zhǎng)期作用的結(jié)果，其影響因素很多，包括溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用、混合作用、陽(yáng)離子交換作用以及地質(zhì)地貌、氣象水文等因素[25]。以下主要采用因子分析法、Gibbs圖解法、離子比值法及水文地球化學(xué)模擬對(duì)地下水化學(xué)特征的成因進(jìn)行討論。

4.1 因子分析法

因子分析法是通過(guò)主成分提取和最大方差正交旋轉(zhuǎn)因子分析法，找出在水化學(xué)參數(shù)中最具代表性的因子[26]。用載荷的絕對(duì)值來(lái)表示主因子與成分的相關(guān)性，載荷的絕對(duì)值為0.30～0.50時(shí)，說(shuō)明相關(guān)性弱；載荷的絕對(duì)值為0.50～0.75時(shí)，說(shuō)明相關(guān)性較強(qiáng)；載荷的絕對(duì)值大于0.75時(shí)，說(shuō)明相關(guān)性強(qiáng)[27]。對(duì)研究區(qū)25組水樣7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，KMO(kaiser-Meyer-Olkin)檢驗(yàn)值為0.681，Bartlett球型顯著性檢驗(yàn)值為0，表3為研究區(qū)地下水化學(xué)指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣。

表3 研究區(qū)地下水化學(xué)指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

4.2 Gibbs圖解法

地下水化學(xué)環(huán)境主要受大氣降雨、巖石風(fēng)化及蒸發(fā)濃縮作用的影響，在地下徑流的過(guò)程中還存在各種礦物的溶解(如方解石、白云石、石膏和硅酸鹽等)[28]。Gibbs圖將地下水化學(xué)成分形成的自然因素劃分為蒸發(fā)型、巖石風(fēng)化型及大氣降水型，從Gibbs圖中可以直接判斷出各因素對(duì)地下水化學(xué)成分的影響作用[29]。由研究區(qū)地下水Gibbs圖(圖3)可知，大部分地下水水樣點(diǎn)分布在巖石風(fēng)化作用控制區(qū)，少部分水樣點(diǎn)分布在蒸發(fā)濃縮作用控制區(qū)，而在大氣降雨作用控制區(qū)沒(méi)有水樣點(diǎn)的分布。表明地下水化學(xué)成分的形成以巖石風(fēng)化作用的影響為主，蒸發(fā)濃縮作用的影響為次，而大氣降雨作用幾乎沒(méi)有影響。個(gè)別水樣點(diǎn)落在Gibbs圖外，這表明還可能受到陽(yáng)離子交換作用的影響[30]。

4.3 離子比值法

離子比值法是通過(guò)分析離子之間毫克當(dāng)量的比例關(guān)系，推斷出巖石風(fēng)化溶解對(duì)地下水化學(xué)成分的影響及地下水中主要離子的來(lái)源[31]，各類巖石的風(fēng)化溶解(如蒸發(fā)巖、碳酸鹽及硅酸鹽等)是地下水化學(xué)成分的主要來(lái)源[32]。研究區(qū)地下水中離子比例關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖3 研究區(qū)地下水化學(xué)Gibbs分布圖

圖4 研究區(qū)地下水中離子比例關(guān)系圖

當(dāng)γ(Na++K+)/γ(Cl-)=1時(shí)，表明Na+來(lái)源于蒸發(fā)巖礦物的風(fēng)化溶解；當(dāng)該比值大于1時(shí)，表明Na+來(lái)源于硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解或陽(yáng)離子交換作用[33]。如圖4(a)所示，研究區(qū)大部分水樣點(diǎn)基本落在y=x線上，說(shuō)明大部分水樣中的Na++K+主要來(lái)源于巖鹽和芒硝等蒸發(fā)巖礦物的溶解，另一部分水樣點(diǎn)落在y=x線的上方附近，說(shuō)明有部分水樣中的Na++K+來(lái)源于斜長(zhǎng)石等硅酸鹽的溶解或受陽(yáng)離子交換作用的影響[34]。

4.4 反向水文地球化學(xué)模擬

在考慮自然因素和人類因素影響的條件下，運(yùn)用反向水文地球化學(xué)模擬來(lái)揭示地下水化學(xué)成分形成過(guò)程中的水-巖相互作用[36]。在實(shí)際地下水中各種礦物共同存在，具有離子效應(yīng)、鹽效應(yīng)等，這將會(huì)對(duì)礦物的溶解沉淀產(chǎn)生影響，通常表現(xiàn)為礦物的非全等溶解，所以，僅僅用飽和指數(shù)來(lái)判斷礦物是否溶解沉淀是不可靠的[1]。依據(jù)研究區(qū)地下水流向，選擇了兩條模擬路徑，即路徑1-1′：采樣點(diǎn)GW14→采樣點(diǎn)GW10→采樣點(diǎn)GW19→采樣點(diǎn)GW11；路徑2-2′：采樣點(diǎn)GW3→采樣點(diǎn)GW2→采樣點(diǎn)GW1(圖1)。

4.4.1 飽和指數(shù)計(jì)算結(jié)果與可能礦物相的確定 首先計(jì)算研究區(qū)地下水中各種礦物的飽和指數(shù)(saturation index，SI)，來(lái)分析地下水中各礦物的沉淀狀態(tài)、平衡狀態(tài)、溶解狀態(tài)及蒸發(fā)作用對(duì)地下水化學(xué)成分的影響[18]。當(dāng)SI>0時(shí)，水溶液處于過(guò)飽和(沉淀)狀態(tài)；當(dāng)SI=0時(shí)，水溶液處于飽和(平衡)狀態(tài)；當(dāng)SI<0時(shí)，水溶液處于不飽和(溶解)狀態(tài)[24]。由上文3.3小節(jié)可知，蒸發(fā)巖、硅酸鹽和碳酸鹽的溶解及陽(yáng)離子交換作用對(duì)地下水化學(xué)成分造成了不同程度的影響，故將方解石、白云石、石膏、巖鹽及陽(yáng)離子交換等作為“可能礦物相”。

由研究區(qū)地下水中主要礦物的飽和指數(shù)SI(表4)和各礦物飽和指數(shù)SI與TDS濃度的關(guān)系(圖5)可知，研究區(qū)地下水中方解石和白云石的SI值除個(gè)別采樣點(diǎn)外，基本上都大于0，且方解石和白云石的SI值隨TDS濃度的增大，逐漸由溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)為沉淀狀態(tài)，表明方解石和白云石等碳酸鹽礦物趨于沉淀；石膏的SI值除個(gè)別點(diǎn)外，基本上都小于0，處于溶解狀態(tài)，且石膏的SI值隨TDS濃度的增大，逐漸由溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)為平衡狀態(tài)，表明石膏的溶解對(duì)研究區(qū)地下水中的Ca2+和SO42-起主要控制作用；巖鹽的SI值均小于0，且其SI值在研究區(qū)域最小，表明Na+和Cl-主要來(lái)源于巖鹽等蒸發(fā)巖的溶解，對(duì)研究區(qū)地下水化學(xué)成分的影響作用較大，與前述分析結(jié)果相同。

表4 研究區(qū)地下水中主要礦物的飽和指數(shù)SI

圖5 研究區(qū)各主要礦物飽和指數(shù)SI與TDS濃度的關(guān)系

4.4.2 反向水文地球化學(xué)模擬結(jié)果 反向水文地球化學(xué)模擬結(jié)果如表5所示。由表5可知，在路徑1-1′上，方解石由沉淀狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鉅顟B(tài)，而白云石、石膏和鹽巖由溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌恋頎顟B(tài)，導(dǎo)致研究區(qū)地下水主要組分沿路徑呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，這與前文2.2小節(jié)中的TDS濃度空間分布規(guī)律相同(圖1)；在路徑2-2′上，方解石始終為沉淀狀態(tài)，且沉淀狀態(tài)沿模擬路徑逐漸加強(qiáng)，白云石、石膏和鹽巖始終為溶解狀態(tài)，且溶解狀態(tài)沿模擬路徑逐漸加強(qiáng)。其中，在模擬路徑上白云石處于溶解狀態(tài)與前文4.4.1小節(jié)中白云石的SI值處于飽和狀態(tài)的結(jié)論相悖，這可能是由于石膏的溶解使地下水中的Ca2+濃度增大，導(dǎo)致方解石先沉淀下來(lái)，使釋放出來(lái)的Ca2+被再次沉淀，間接促使白云石進(jìn)一步溶解，從而形成地下水主要組分沿路徑呈逐漸增加的變化趨勢(shì)，這與前文2.2小節(jié)中的TDS濃度空間分布規(guī)律相同(圖1)。

由表5還可以看出，兩條模擬路徑的礦物摩爾轉(zhuǎn)移量均表現(xiàn)為溶解沉淀作用量大于陽(yáng)離子交換作用量，這說(shuō)明研究區(qū)地下水化學(xué)成分受溶解沉淀作用的影響較大，受陽(yáng)離子交換作用的影響較小。水巖作用對(duì)研究區(qū)地下水的化學(xué)特征起主要控制作用。

表5 反向水文地球化學(xué)模擬礦物在兩條路徑上的溶解沉淀量

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)地下水是較高礦化度和較高硬度的弱堿性水；SO42-和Na+分別為研究區(qū)地下水中主要的陰、陽(yáng)離子；地下水化學(xué)類型主要為Na-Cl·SO4型、Na·Mg-Cl·SO4型和Na·Mg-Cl·SO4·HCO3型。

(2)Gibbs圖和離子比值結(jié)果表明，蒸發(fā)濃縮作用和巖石的風(fēng)化溶解是影響和控制研究區(qū)地下水化學(xué)成分的首要因素，其中，巖石的風(fēng)化溶解以蒸發(fā)巖(石膏和鹽巖)和硅酸鹽(鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石和鎂長(zhǎng)石)的溶解為主，碳酸鹽的溶解和陽(yáng)離子交換為次要作用。

(3)反向水文地球化學(xué)模擬結(jié)果可以證明以蒸發(fā)巖(石膏和鹽巖等)為主的溶解對(duì)研究區(qū)地下水化學(xué)成分起主要影響作用。

(4)本文的數(shù)據(jù)僅來(lái)源于一次野外水樣的采集，因而文中對(duì)研究區(qū)水化學(xué)時(shí)空演變的討論較少。在后續(xù)的研究中，將收集研究區(qū)不同時(shí)期的水化學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)不同時(shí)期的水化學(xué)時(shí)空演變規(guī)律展開(kāi)研究。