摘要 利用水化學(xué)指標(biāo)、離子含量特征、Piper圖、Gibbs圖、主要離子比例關(guān)系和USSL圖法，以中國西北干旱區(qū)新疆南（策勒）北（阜康）2個綠洲為例，對2005—2019年天然水體的水化學(xué)特征進行分析。結(jié)果表明：2005—2019年阜康地下水離子濃度與溶解性固體總量（TDS）波動較大，總體呈下降趨勢，地表水離子含量變化并不明顯；2個綠洲區(qū)的TDS與其他各離子含量之間均存在較好的相關(guān)性，天然水體的礦化度主要由Na+與SO 4^2-控制。策勒水化學(xué)類型為Na+-Cl-型和混合型，阜康水化學(xué)類型為Ca²⁺-HCO 3-、Na+-Cl-型和混合型；阜康的流動地表水主要受碳酸鹽巖風(fēng)化的影響，靜止地表水受硅酸鹽巖的風(fēng)化作用的影響，硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖的風(fēng)化是地下水組分的主要控制因素；策勒的地表水和地下水化學(xué)組分均受硅酸鹽巖與碳酸鹽巖風(fēng)化的影響。

關(guān)鍵詞水化學(xué)；時空變化規(guī)律；Piper圖；水-巖相互作用；離子比；干旱區(qū)綠洲

中圖分類號P641.3"文獻標(biāo)識碼A"文章編號0517-6611（2025）01-0063-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.014

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

WaterChemicalCharacteristicsandSpatio-temporalVariationofTypicalOasesinSouthernandNorthernXinjiang—TakeCeleandFukangforExample

MA Yu LIU Xiao-long ³，ZHANG Peng-wei1 et al

（1.UrumqiComprehensiveSurveyCenteronNaturalResources，CGS，Urumqi，Xinjiang830046;2.WuhanCenterofGeologicalSurvey，CGS，Wuhan，Hubei430205;3.ResearchCenterofGraniticDiagenesisandMineralization，CGS，Wuhan，Hubei430205）

Abstract The hydrochemical characteristics of natural water bodies from 2005 to 2019 were analyzed by using water chemical indexes，ion content characteristics，Piper chart，Gibbs chart，major ion proportion relationship and USSL chart，taking two oases in the south （Cele） north （Fukang） of Xinjiang in the arid region of northwest China as examples.The results showed that from 2005 to 2019，the groundwater ion concentration and total dissolved solids （TDS） fluctuated greatly，and a decreasing trend in solids，while surface water ion content did not change significantly.There was a good correlation between TDS and the content of ions in the two oases.The salinity of natural water was mainly controlled by Na+ and SO 4^2-.The hydrochemical types of Cele were Na+-Cl- type and mixed type，while those of Fukang were Ca²⁺ -HCO 3-，Na+-Cl- type and mixed type.The flowing surface water in Fukang was mainly affected by the weathering of carbonate rocks，and the weathering of silicate rocks had a great influence on the static surface water.The weathering of silicate rocks and evaporative rocks was the main control factor for the composition of groundwater.The chemical composition of surface water and groundwater in Cele was mainly affected by the weathering of silicate rocks and carbonate rocks.

KeywordsWaterchemistry;Spatiotemporalvariationlaw;Piperchart;Water-rockinteraction;Ionratio;Oasisinaridareas

基金項目中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目（DD20220962）。

作者簡介馬玉（1995—），女，新疆烏魯木齊人，工程師，碩士，從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查與研究工作。*通信作者，正高級工程師，碩士，從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查與研究工作。

水化學(xué)調(diào)查是研究流域水循環(huán)的基礎(chǔ)，流域內(nèi)地表水與地下水存在相互水力聯(lián)系，地表水、地下水的水化學(xué)組成分析結(jié)果，可作為水資源評價的依據(jù)，并有利于區(qū)域水文地質(zhì)的發(fā)展和對水文地球化學(xué)的預(yù)測^［1-2］。有研究表明，西北內(nèi)陸地表水的水量與水質(zhì)發(fā)生了時空的改變，同時與地表水系密切相關(guān)的地下水環(huán)境特征也發(fā)生明顯的變化^［3-4］。近年來，眾多學(xué)者關(guān)注干旱半干旱區(qū)的天然水體水化學(xué)組分及其成因^［5］，該地區(qū)降水稀少，河流水化學(xué)成分主要受流經(jīng)區(qū)域地質(zhì)巖性^［6］、人類活動^［7］的影響；其次，地表水水化學(xué)特征還與地下水的相互轉(zhuǎn)換有關(guān)^［8］，一般來說，水-巖石相互作用會導(dǎo)致礦物質(zhì)的溶解，從而引起地下水化學(xué)性質(zhì)的變化，而天然水體的離子構(gòu)成是識別和確定地下水水體化學(xué)特征及其控制端元的重要影響因素^［9］。因此，了解西北干旱區(qū)重要水源的水化學(xué)特征及演化規(guī)律對綠洲區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和人類生產(chǎn)生活的保障都極為重要。

策勒綠洲和阜康綠洲是南北疆典型的山地綠洲，分別位于塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠邊緣，具有生態(tài)環(huán)境惡劣、缺水情況嚴(yán)重的特點^［10］，綠洲水源主要靠昆侖山和天山冰雪融化補給^［11］，平原區(qū)含水層結(jié)構(gòu)均為以卵礫石為主的第四系松散堆積物，且含水層厚度大、富水性強。受到氣候變化、人口增長、過度放牧和過度開荒等因素的干擾，當(dāng)?shù)鼐用翊罅块_采地下水和抽取河流水使用，這給當(dāng)?shù)厮Y源的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的壓力^［12］。而摸清干旱區(qū)的水質(zhì)變化規(guī)律是該區(qū)水資源管理的核心，這對當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展、資源合理利用和生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義。

截至目前，盡管對新疆水資源演變的猜測不斷，由于水化學(xué)數(shù)據(jù)較少，對河流的水文地球化學(xué)認(rèn)識不足，且研究針對的區(qū)域集中在單個含水系統(tǒng)中，還不清楚與其他干旱地區(qū)的類似系統(tǒng)相比如何。因此展開長時間尺度的南北疆典型干旱荒漠綠洲的地表水和地下水水化學(xué)特征綜合研究，探討2005—2019年天然水體的水質(zhì)變化趨勢，其分析結(jié)果可為西北干旱荒漠綠洲的水資源合理利用及可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

策勒綠洲位于塔克拉瑪干沙漠南緣和昆侖山北麓之間（圖1），地理位置為80°03′～82°10′E、35°17′～39°30′N，屬典型內(nèi)陸暖溫帶荒漠氣候，夏季炎熱，干旱多風(fēng)少雨，日照時間長，晝夜溫差大，多年平均降水量35.1mm，多年平均蒸發(fā)量2600mm。主要土壤類型為風(fēng)沙土、棕漠土、灌淤土與鹽土，過渡帶內(nèi)的植被單調(diào)。綠洲內(nèi)呈現(xiàn)典型干旱區(qū)洪積扇地下水流特征，流向為由南向北，與地表徑流方向一致。地下水埋深小于50m，富水性好，含水層特征為第四系砂卵礫石單一孔隙潛水含水層。

阜康綠洲位于準(zhǔn)噶爾盆地東南部，博格達山北麓低山-丘陵地帶（圖1），地理位置為87°46′～88°44′E、43°45′～45°30′N，屬于典型的大陸干旱型氣候，夏季炎熱干燥，冬季寒冷多風(fēng)，多年平均降水量220mm，多年平均蒸發(fā)量1817mm。阜康南部山體高峻，濕潤的西風(fēng)帶侵入后，山地降水增多，高山發(fā)育冰川，中山形成森林，最終形成徑流流入荒漠。含水層特征為從山前傾斜平原到?jīng)_洪積細(xì)土平原區(qū)，含水層由單

一結(jié)構(gòu)潛水向上層潛水-下層承壓水或多層結(jié)構(gòu)含水層逐漸變化。

1.2樣品采集與測試

1.2.1樣品采集。

數(shù)據(jù)來源于中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)^［13］，

2005—2019年在南疆策勒和北疆阜康2個研究區(qū)分別進行采樣（圖2），采樣信息如表1所示。

采樣前，先將預(yù)先滅菌的聚乙烯瓶和瓶蓋用水樣潤洗3遍后采樣，水井采樣用水泵抽取15min后采取水樣，再將水樣用0.45μm的微孔濾膜過濾，其中用于陽離子分析的樣品使用硝酸酸化至pHlt;然后將水樣置于冷藏箱中低溫保存。采樣全過程嚴(yán)格依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T164—2020）進行，水樣測試分析由中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所生態(tài)與環(huán)境分析測試中心完成。

1.2.2樣品測試。

測試項目為離子含量（K+、Na+、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO 3-、Cl-、SO 4^2-）、電導(dǎo)率（EC）、溶解性固體總量（TDS），且各離子的測試精度均為0.01 mg/L。K+、Na+、Ca²⁺、Mg²⁺含量采用火焰原子吸收分光光度法測定，HCO 3-含量采用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定，Cl-、SO 4^2-含量采用離子色譜儀測定，EC用電導(dǎo)率儀在采樣現(xiàn)場測取，TDS采用干燥-重量法測定。

1.3數(shù)據(jù)處理

Piper圖的三線性分類系統(tǒng)根據(jù)主要陽離子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na+和K+）和陰離子（HCO 3-、Cl-、SO 4^2-）的毫升當(dāng)量值來確定不同巖石風(fēng)化作用對地下水離子濃度的相對貢獻程度。利用Gibbs圖的半對數(shù)坐標(biāo)圖解可以探究區(qū)域水體溶解化學(xué)成分的功能來源^［14］。Gibbs將天然水體重要的自然機制作用歸為大氣降水、巖石風(fēng)化和蒸發(fā)-結(jié)晶3種，它們控制著地下水的主要離子化學(xué)^［15］。在Gibbs圖中，TDS值分別與Na+/（Na++Ca²⁺）值和Cl-/（Cl-+HCO 3-）值在不同的圖中進行繪制。Gaillardet端元圖是由大量水化學(xué)數(shù)據(jù)樣本建立出的基于鈉離子歸一化摩爾比的計算模型，河水溶質(zhì)的物源通過繪制蒸發(fā)鹽巖、硅酸鹽巖和碳酸鹽巖端元圖來識別^［16］。通常用水體中Mg²⁺/Na+、Ca²⁺/Na+和HCO 3-/Na+含量的比值來研究水體和各種巖體之間的相互作用^［17］。

該研究所有數(shù)據(jù)處理在MicrosoftExcel2021軟件中進行，數(shù)據(jù)分析使用Origin2021b軟件，制圖使用ArcMap10.2軟件完成。

2結(jié)果與分析

2.1水化學(xué)參數(shù)特征

從圖3可以看出，北疆阜康和南疆策勒2個地區(qū)水化學(xué)特征存在明顯的差異。其中，在阜康地區(qū)，2005—2019年地下水離子濃度變化波動大，而地表水離子濃度自2006年后變化并不明顯，地下水離子濃度明顯均高于地表水。該區(qū)域地下水的TDS均值高于世界河流的TDS均值（115mg/L），也超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848—2017）中Ⅲ類水TDS限值（1000mg/L）。

在策勒地區(qū)，地表水與地下水離子濃度變化相差較小?？傮w來看，策勒的陽離子Ca²⁺、K+濃度呈波動變化，且變化較為明顯，陰離子Cl-、HCO 3-有較小的變化，Mg²⁺、Na+、SO 4^2-在地表水和地下水中較為穩(wěn)定，而TDS基本不變，維持在略高于阜康地表水的水平值上。

通過對比發(fā)現(xiàn)，2個地區(qū)地下水和地表水中主要陽離子的濃度由高到低依次為Na+＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞K+，主要陰離子濃度由高到低依次為SO 4^2-＞Cl-＞HCO 3-。阜康地下水中的Mg²⁺、Na+、Cl-、SO 4^2-濃度和TDS明顯高于策勒，而阜康地表水中的Ca²⁺、Mg²⁺、K+、Cl-、SO 4^2-濃度低于策勒。2005—2007年策勒的地表水與地下水的K+均劇減至10 mg/L。2010—2013年阜康的地下水離子變化幅度較大，策勒流動地表水的Ca²⁺濃度在2012年達到峰值。

2.2離子相關(guān)性分析

離子相關(guān)性分析能較好地掌握水化學(xué)特征，并確定地下水來源的相似性與差異性^［18］。從圖4可以看出，在南疆策勒地區(qū)，Cl-和SO 4^2-與除Ca²⁺之外的各陽離子相關(guān)性顯著（ P lt;0.05），與Na+相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)分別達到了0.62和0.70，HCO 3-與Mg²⁺相關(guān)性最高，表明其具有相似的來源；在北疆阜康地區(qū)，Cl-和SO 4^2-與其他離子的相關(guān)性與南疆相似，也是與Na+的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)分別達到了0.96和0.95，相關(guān)性顯著程度高于策勒地區(qū)，HCO 3-與Na+相關(guān)性最高，表明其具有相似的來源。TDS和各離子之間的相關(guān)關(guān)系能較好地反映出天然水體的成因，2個地區(qū)的TDS與各離子含量之間均存在較好的相關(guān)性，其中與SO 4^2-、Cl-、Na+相關(guān)性較高，這說明天然水體的礦化度由Na+與SO 4^2-控制。

2.3水化學(xué)類型

由圖5可知，南疆策勒地區(qū)和北疆阜康地區(qū)的陽離子主要靠近Ca²⁺端元，陰離子主要靠近HCO 3-端元，表明其受到碳酸鹽風(fēng)化的影響。

Piper圖將菱形區(qū)域劃分成9個區(qū)域，分別指示9種水化學(xué)類型，也根據(jù)優(yōu)勢陰、陽離子是否超過50%而劃分成Ca²⁺-HCO 3-型、Ca²⁺-SO 4^2-型、Na+-Cl-型、Na+-HCO 3-型、混合型（無一對陰、陽離子大于50%），對應(yīng)Piper圖菱形區(qū)域中的5、6、7、8和9區(qū)^［2］。南疆策勒地區(qū)離子主要集中在第7、第9區(qū)域，表明該區(qū)域水化學(xué)類型主要是Na+-Cl-型和混合型；北疆阜康地區(qū)離子主要集中于第5、第7、第9區(qū)域，表明該區(qū)域水化學(xué)類型主要是Ca²⁺-HCO 3-型、Na+-Cl-型和混合型。南北疆地區(qū)相比而言，北疆地區(qū)水化學(xué)類型比南疆地區(qū)復(fù)雜，這與2個地區(qū)的氣候環(huán)境差異密切相關(guān)。

2.4基于Gibbs圖水化學(xué)分析

由圖6可知，南疆策勒地區(qū)的天然水體主要受到巖石風(fēng)化控制影響，且有少部分位于Gibbs圖之外，表明人類活動和陽離子交換吸附作用對其也有影響；而北疆阜康地區(qū)的天然水體受到控制的因素特征明顯，地表水主要受巖石風(fēng)化控制，而地下水主要受到蒸發(fā)結(jié)晶的控制作用。

2.5Gaillardet端元圖分析

由圖7可知，在北疆阜康地區(qū)，流動地表水主要分布在碳酸鹽巖和硅酸鹽巖端元之間，更靠近碳酸鹽巖端元，表明流動地表水主要受碳酸鹽巖風(fēng)化的影響；靜止地表水更靠近硅酸鹽巖端元，表明硅酸鹽巖的風(fēng)化作用對靜止地表水影響較大，且逐年的離子比值差異較大；荒漠地下水和耕地地下水離子比值主要分布在蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽巖端元之間，表明硅酸鹽巖的風(fēng)化和蒸發(fā)鹽巖的溶解是地下水組分的主要控制因素。在南疆策勒地區(qū)，地表水和地下水主要靠近硅酸鹽巖和碳酸鹽巖端元，說明地表水和地下水化學(xué)組分主要受硅酸鹽巖與碳酸鹽巖風(fēng)化的共同影響，硅酸鹽巖風(fēng)化作用對水化學(xué)組分的影響程度比碳酸鹽巖大。

2.6基于離子比及離子來源的分析

Na++K+與Cl-含量的比值等于 則說明水中化學(xué)成分主要來自蒸發(fā)鹽巖的溶解^［19］。圖8顯示，北疆阜康地區(qū)的離子樣品均位于1∶1等值線左上方，表明Na++K+與Cl-相比是過剩的；而南疆策勒地區(qū)的離子樣品主要分布在1∶1等值線兩側(cè)，說明其化學(xué)成分可能與蒸發(fā)鹽巖的溶解有關(guān)，而荒漠地下水、流動地表水和耕井地下水樣品離子比值特別接近1∶1等值線，則說明蒸發(fā)鹽巖的溶解對其化學(xué)成分有更大的影響。

從HCO 3-+SO 4^2-與Ca²⁺+Mg²⁺的比值來看，如樣品離子比值位于1∶1等值線上，則說明Ca²⁺和Mg²⁺來源于硅酸鹽巖、蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化溶解和碳酸鹽巖溶解的綜合作用；位于1∶1等值線右下方的樣品可能含有源于碳酸鹽巖溶解的Ca²⁺和Mg²⁺；而位于1∶1等值線左上方的樣品更可能含有源于硅酸鹽風(fēng)化的Ca²⁺和Mg^2+［20］。北疆阜康的地表水和地下水樣品主要位于1∶1等值線的左上方，沒有過度偏離，表明Ca²⁺和Mg²⁺來源于硅酸鹽巖石的溶解和蒸發(fā)。然而，南疆策勒的靜止地表水、流動地表水和耕井地下水樣品偏離了1∶1等值線的右下方，表明天然水體溶解了部分碳酸鹽巖石；較多的樣品點位于1∶1等值線以上，說明反向離子交換作用在研究區(qū)域存在較少。

總體來看，地表水和地下水樣本在離子關(guān)系圖上的分布表明，水中離子的主要貢獻靠硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖的溶解，而碳酸鹽巖的溶解作用并不顯著。

3討論

南疆策勒和北疆阜康2個不同地區(qū)水化學(xué)類型除了與當(dāng)?shù)氐膸r性特征和礦物組成有關(guān)外，還可能與氣候要素，特別是與蒸發(fā)密切相關(guān)^［21］。南疆的降水量明顯低于北疆，而蒸發(fā)量又明顯高于北疆，蒸發(fā)對地表水和淺層地下水的水化學(xué)組成及其演變產(chǎn)生重要影響，類似的水化學(xué)組成特征在中國北方其他區(qū)域也比較普遍。例如，位于中國西部塔克拉瑪干沙漠的淺層地下水，由于蒸發(fā)強烈，水化學(xué)類型主要為Na+-Cl-型^［22］。而位于靠近北疆的哈密等區(qū)域的淺層地下水，由于蒸發(fā)量較小，其淺層地下水為Ca²⁺-HCO 3-型^［23］。南疆策勒與塔克拉瑪干沙漠邊緣地區(qū)具有相似的蒸發(fā)量，這可能是造成其同類水體具有相同水化學(xué)類型的重要原因。由Piper圖推測，在全球氣候變暖的背景下，如果北疆阜康地區(qū)降水量持續(xù)減少而蒸發(fā)量不斷增大，則其Ca²⁺-HCO 3-型天然水體演變?yōu)槟辖畢^(qū)域Na+-Cl-型水體或過渡類型水體的可能性將增大，可能對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人類生存產(chǎn)生不利影響。南疆策勒地區(qū)的地表水和地下水都受到巖石風(fēng)化的控制作用影響，這可能是因為南疆獨特的氣候因素導(dǎo)致的^［24］，南疆各個區(qū)域的氣候、蒸發(fā)等環(huán)境差異不明顯，區(qū)域具有相似的環(huán)境特征，而所采樣的地區(qū)基本上都是在綠洲范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致地下水和地表水的水化學(xué)控制因素相似。北疆阜康地區(qū)地表水主要受到巖石風(fēng)化控制作用影響，這可能是由于采樣地區(qū)主要靠近準(zhǔn)噶爾盆地中部的低地形區(qū)（荒漠區(qū)）^［25］，這片區(qū)域補給徑流條件相對較好、蒸發(fā)相對弱，徑流緩慢使水-巖相互作用更加充分，后形成以溶濾作用為主導(dǎo)因素的低TDS水，從而被巖石風(fēng)化作用影響^［26］；而地下水采樣區(qū)域主要靠近古爾班通古特沙漠邊緣，在這片區(qū)域地下水較弱補給、蒸發(fā)強烈和埋深較淺等原因會形成以蒸發(fā)濃縮作用為主導(dǎo)因素的高TDS水，從而受到蒸發(fā)濃縮控制作用。北疆天然水化學(xué)組分主要受控于碳酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化，南疆天然水主要受控于碳酸鹽巖、硅酸鹽礦物及蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化，這與該研究的結(jié)論基本一致。

因此，針對南北疆地表水、地下水化學(xué)特征的差異，可以制定不同的水資源管理策略，同時也要注重過度開采導(dǎo)致的地下水位變化的問題，從而維護綠洲的生態(tài)屏障功能。

4結(jié)論

該研究通過構(gòu)建圖形指標(biāo)法對南疆策勒綠洲和北疆阜康綠洲為期15年的地表水與地下水水化學(xué)特征進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）2005—2019年，阜康地下水離子濃度與TDS波動較大，總體呈下降趨勢，地表水離子濃度變化并不明顯；策勒地表水和地下水的Ca²⁺、K+濃度變化較為明顯，而Cl-、HCO 3-變化較小，Mg²⁺、Na+、SO 4^2-與TDS較為穩(wěn)定。2個地區(qū)的Cl-和SO 4^2-均與其他離子相關(guān)性較好，其中與Na+的相關(guān)性最高；TDS與各離子含量之間均存在較好的相關(guān)性，其中與SO 4^2-、Cl-、Na+相關(guān)性較高。

（2）受地區(qū)蒸發(fā)量差異的影響，策勒和阜康不同類型水體的水化學(xué)類型不同，策勒的天然水體主要水化學(xué)類型為Na+-Cl-型和混合型，阜康天然水體水化學(xué)類型主要是Ca²⁺-HCO 3-、Na+-Cl-型和混合型，符合南北疆水化學(xué)類型差異性特征。

（3）北疆阜康地區(qū)的天然水體受到控制的因素特征明顯，地表水主要受巖石風(fēng)化控制，其中流動地表水主要受碳酸鹽巖風(fēng)化的影響，靜止地表水受硅酸鹽巖的風(fēng)化作用影響；地下水主要受硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖的風(fēng)化控制。南疆策勒地區(qū)的天然水體主要受到巖石風(fēng)化控制影響，主要受硅酸鹽巖與碳酸鹽巖風(fēng)化的共同影響，且硅酸鹽巖風(fēng)化作用對水化學(xué)組分的影響程度更大。

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