新疆地下水水質(zhì)評價與水文地球化學(xué)模擬的最新進展

李豐琇，李 巧，周金龍，2，3

(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.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061;3.中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

水是人類賴以生存的、不可缺少的資源，其中地下水是水資源的一個重要組成。廣泛埋藏于地表以下的各種狀態(tài)的水，被統(tǒng)稱為地下水[1]。地下水分布廣泛，水質(zhì)良好，是理想的引用水源，也是生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水的重要供水水源。由于受原生地球化學(xué)環(huán)境和人類活動的共同影響，地下水水質(zhì)表現(xiàn)出區(qū)域分布和演化的特點[2]。特別是隨著人類活動范圍和強度的增大，對于地下水循環(huán)的影響也逐漸增大，在大規(guī)模開發(fā)利用地下水資源的同時使地下水受到不同程度的污染，并引發(fā)了一系列不良后果。所以，具有重要的實踐意義，尤其對新疆干旱缺水地區(qū)具有戰(zhàn)略意義。

1 地下水水質(zhì)評價及水文地球化學(xué)模擬的意義

地下水水質(zhì)評價是地下水資源評價以及環(huán)境科學(xué)研究的重要內(nèi)容?？茖W(xué)地評價區(qū)域地下水體的質(zhì)量狀況，可以為污染治理、防治水質(zhì)惡化和制定水資源管理決策方案提供依據(jù)。對評價區(qū)內(nèi)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用和綜合管理有重要的指導(dǎo)作用[3]。水文地球化學(xué)模型是水文地球化學(xué)的重要組成部分，它用于模擬地下水系統(tǒng)中的地球化學(xué)變化過程，能反映出地下水系統(tǒng)中所發(fā)生的地球化學(xué)反應(yīng)以及各種離子在地下水系統(tǒng)中的存在狀態(tài)。

本文將新疆分為吐魯番 -哈密盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地及伊犁河谷四個區(qū)域，從2000年至今不同學(xué)者對新疆地區(qū)地下水水質(zhì)評價及水文地球化學(xué)模擬做出的貢獻及研究進展綜述如下。

2 新疆地下水水質(zhì)評價的進展

用于地下水水質(zhì)評價的方法多達幾十種，不同的方法具有不同的使用范圍。從2000年至今新疆地區(qū)運用于地下水水質(zhì)評價的方法有:一票否決法、單因子評價法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊綜合評價法等。

2.1 吐魯番 -哈密盆地

2003年劉天慶運用綜合評價法對托克遜縣地下水水質(zhì)進行評價，評價結(jié)果表明:除西部個別點泉水受蒸發(fā)濃縮水質(zhì)較差外，主要開采層潛水以Ⅰ—Ⅱ類水為主，適應(yīng)各種用途，區(qū)內(nèi)地下水尚未超出飲用水標(biāo)準(zhǔn)界限，但認(rèn)為污染痕跡已顯露[4]。2014年楊廣焱等人利用新疆吐魯番地區(qū)2003年和2011年地下水質(zhì)量與污染調(diào)查評價工作所取得的地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，采用單因子評價法進行地下水質(zhì)量評價。評價結(jié)果顯示，2011年吐魯番地區(qū)Ⅰ～Ⅲ類水或Ⅳ類水的地下水水井占調(diào)查總井?dāng)?shù)58.33%，Ⅴ類水占41.67%;影響地下水質(zhì)量的天然化學(xué)組分主要為總?cè)芙夤腆w(TDS)、SO42-、Cl-、高錳酸鹽指數(shù)等[5]。2014年張曦采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法對擬建哈密熱電廠廠區(qū)進行地下水水質(zhì)超達標(biāo)分析，通過分析可知氯化物超標(biāo)情況嚴(yán)重，其次為溶解性總固體和總硬度。同時，采用加附注的方法進行地下水質(zhì)量現(xiàn)狀評價，確定地下水現(xiàn)狀環(huán)境質(zhì)量為極差[6]。

2.2 準(zhǔn)噶爾盆地

2006年羅艷麗等人通過采用單因子污染指數(shù)法以新疆奎屯123團為例，對樣品含砷量是否超標(biāo)進行評價。研究表明，如果長期使用該區(qū)自流井水進行灌溉，井水中的砷可能會轉(zhuǎn)移到土壤與植物中，引起土壤與植物的砷污染。因此，123團自流井水不適合做為農(nóng)田灌溉用水[7]。2007年在新疆瑪納斯河流域，卞瑋利用內(nèi)梅羅指數(shù)法對石河子市地下水水質(zhì)進行有效地評價[8]。通過研究發(fā)現(xiàn):瑪納斯河徑流形成區(qū)及山前傾斜平原區(qū)水質(zhì)一直保持在Ⅰ級未受污染級別;山前傾斜平原區(qū)地下水中揮發(fā)酚以及氮素含量逐年上升，但總體水質(zhì)仍然保持在Ⅰ級未受污染級別的范圍。2007年蔣西勤研究奎屯市飲用水水質(zhì)時，運用單因子評價方法對該地區(qū)地下水水質(zhì)進行了評價，結(jié)果表明:該地區(qū)硫酸鹽超標(biāo)，主要污染物為硫酸鹽，地下水水質(zhì)類別為較差水質(zhì)[9]。2013年謝輝等人運用濃度法和綜合水質(zhì)指數(shù)法對昌吉地下水水質(zhì)進行評價時，結(jié)果顯示:該地區(qū)物理指標(biāo)均未超標(biāo)，超標(biāo)項有pH值、礦化度、總硬度、SO42-、F-，并且從年度數(shù)據(jù)對比來看，昌吉地區(qū)地下水水質(zhì)總體較好，但有惡化趨勢[10]。2013年王偉采用單項組分評價和綜合評價加附注方法，對吉木乃縣城鎮(zhèn)供水?dāng)M選水源地地下水質(zhì)量進行評價，結(jié)果顯示:研究地區(qū)南部水源地地下水水質(zhì)良好，各單項組份含量均小于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。擬建北部水源地潛水區(qū)水質(zhì)較差，承壓水綜合質(zhì)量評價結(jié)果為良好級[11]。2013年曲巖采用單項組分評價和綜合評價加附注的方法，對吉木乃縣工業(yè)園區(qū)擬選水源地地下水質(zhì)量進行評價，評價結(jié)果表明:擬選水源地西部承壓水水質(zhì)良好，適于生活及工業(yè)用水，潛水及東部承壓水水質(zhì)較差，可作為部分工業(yè)用水，經(jīng)適當(dāng)處理可作為生活飲用水[12]。2013年陳和軍采用單項組分評價和綜合評價加附注方法，對木壘縣老君廟煤礦工業(yè)園區(qū)擬選水源地地下水質(zhì)量進行評價，結(jié)果表明:該地區(qū)地下水綜合質(zhì)量評價結(jié)果為較差、極差水，不符合生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在缺乏水源的情況下，經(jīng)適當(dāng)處理，可作為農(nóng)村飲用水[13]。2014年，程凡等人依據(jù)2010年地下水水質(zhì)統(tǒng)測數(shù)據(jù)，采用單因子評價法對瑪納斯河流域石河子市—新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團150團地區(qū)地下水質(zhì)量進行了評價。通過研究發(fā)現(xiàn)，石河子市—新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團150團地區(qū)2010年Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水所占比例分別為 0，12.5% ，12.5% ，62.5% ，12.5%;影響地下水質(zhì)量的關(guān)鍵項目是總硬度(以CaCO3計)、礦化度(TDS)、pH值、氯化物、硫酸鹽、以及“ 三氮”(NO3-、NO2-、NH4+)[14]。

2.3 塔里木盆地

2010年以前，付永鋒等人于2003年使用模糊綜合分析法，以和田為例，運用隸屬函數(shù)對水質(zhì)進行模糊綜合評判，對和田地區(qū)地下水水質(zhì)進行了綜合評價。并且認(rèn)為整個評價區(qū)域水質(zhì)為Ⅳ類[15]。2004年在新疆維吾爾自治區(qū)的南部和田地區(qū)，付永鋒等人運用此 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型選擇 pH值、礦化度、總硬度、Cl-和 SO42-5項水質(zhì)指標(biāo)進行評價。為驗證此模型評價結(jié)果的可靠性，同時運用模糊綜合評判法對BP網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)果進行驗證，通過比對，發(fā)現(xiàn)兩種評價方法得出的評價結(jié)果基本一致。相比之下BP網(wǎng)絡(luò)模型能更為客觀的對地下水水質(zhì)進行評價[16]。葉含春等人于2005年對阿克蘇等地區(qū)對于地下水水質(zhì)進行評價。研究表明:該區(qū)地下水的物理性質(zhì)均符合生活飲用水一級標(biāo)準(zhǔn)，其中超標(biāo)項目主要為溶解性總固體、氟化物、總硬度、硫酸鹽、氯化物和大腸菌群，中深層地下水水質(zhì)明顯優(yōu)于淺層地下水[17]。侯玫君等人于2005年通過可拓分析方法對新疆和田地區(qū)地下水質(zhì)量評價，根據(jù)地下水環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，通過計算關(guān)聯(lián)度判斷該地區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量級別，經(jīng)與模糊綜合分析法比較，發(fā)現(xiàn)該評價結(jié)果與該地區(qū)客觀實際基本吻合[18]。2006年乃尉華等人根據(jù)現(xiàn)存勘探孔資料，對水源地內(nèi)地下水水質(zhì)按相關(guān)用水標(biāo)準(zhǔn)分別進行了評價，結(jié)果顯示:根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》評價結(jié)果，該水源地內(nèi)的地下水水質(zhì)均屬良好水，水質(zhì)達不到國家《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》要求。但根據(jù)《農(nóng)村實施“生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)”準(zhǔn)則》，評價結(jié)果認(rèn)為水源地溢出帶以北地下水水質(zhì)均較差，不宜飲用;水源地溢出帶以南的東部區(qū)地下水水質(zhì)均符合《農(nóng)村實施“生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)”準(zhǔn)則》規(guī)定的三級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可作為生活飲用水使用，而水源地溢出帶以南的西部區(qū)地下水中氟化物、硫酸鹽超標(biāo)，不宜飲用[19]。2009年，周金龍等人利用 2002～2003年地下水水質(zhì)監(jiān)測資料，采用單指標(biāo)法、綜合危害系數(shù)法和灌溉系數(shù)法，對塔里木盆地平原區(qū)中鹽度地下水水質(zhì)進行評價。研究表明:開孔河流域、塔里木河干流區(qū)和葉爾羌河流域的中鹽度地下水可以直接用于灌溉。該地區(qū)土壤有發(fā)生鎂堿化的可能[20]。

在2010年以后，王毅萍等人，采用模糊綜合評價法對新疆焉耆縣淺層地下水水質(zhì)進行評價，得出在該研究區(qū)內(nèi)淺層地下水水質(zhì)總體較差的結(jié)論[21]。趙玉杰等人于2011年通過利用2006年新疆尉犁縣淺層地下水監(jiān)測資料，采用單指標(biāo)法、綜合危害系數(shù)法和灌溉系數(shù)法對尉犁縣平原灌區(qū)淺層地下水水質(zhì)進行評價，評價結(jié)果表明，尉犁縣平原灌區(qū)淺層地下水水質(zhì)普遍較差，不適用于直接灌溉[22]。2012年，郭曉靜等人通過對新疆塔里木盆地162個地下水水樣測試結(jié)果的分析，應(yīng)用5元聯(lián)系度的熵權(quán)集對分析法對研究區(qū)地下水水質(zhì)進行評價。評價結(jié)果表明，巴州地區(qū)、塔里木河流域、開孔河流域的地下水水質(zhì)較其他地區(qū)和流域差，阿克蘇地區(qū)、阿克蘇河流域、渭干河流域的地下水水質(zhì)總體水平較好，并得出熵權(quán)集對分析法是一種有效的地下水水質(zhì)評價方法[23]。2012年賈瑞亮等人在南疆巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)、和田地區(qū)和克孜勒蘇柯爾克孜自治州等5個地(州)采用一票否決法對研究區(qū)地下水水質(zhì)進行了評價，完成了地下水水質(zhì)等級分區(qū)，統(tǒng)計了各地(州)各評價指標(biāo)在不同水質(zhì)級別中所占的比例。分析結(jié)果表明，該區(qū)地下水天然水質(zhì)較差，并存在人為污染[24]。2013年白春艷對塔里木盆地中鹽度地下水運用單指數(shù)法、綜合危害系數(shù)法及灌溉系數(shù)法進行評價，通過計算分析得出塔里木盆地中鹽度地下水水質(zhì)較差，一般不適宜用于長期直接灌溉的結(jié)論[25]。2013年王龍江采用綜合評價法對且末縣地下水水質(zhì)進行評價，評價結(jié)果顯示:該地區(qū)地下水作為缺水季節(jié)的輔助水源，灌區(qū)地下水大部可以用于灌溉[26]。2014年張曦采用單項組分評價和綜合評價加附注方法，對麥蓋提縣擬擴建供水水源地地下水質(zhì)量進行評價，結(jié)果顯示:麥蓋提縣擬擴建供水水源地內(nèi)水質(zhì)良好，各單項組份含量均小于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，地下水綜合質(zhì)量評價結(jié)果為良好級[27]。

2.4 伊犁河谷

紀(jì)媛媛等人于2014年利用新疆伊犁河谷地2003年和2011年地下水質(zhì)量與污染調(diào)查評價工作所取得的地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，采用單因子評價法進行地下水質(zhì)量評價。研究表明，2011年伊犁河以北地區(qū)Ⅰ～Ⅲ類水或Ⅳ類水的地下水水井占調(diào)查總井?dāng)?shù)的100%，Ⅴ類水占0;以南地區(qū)Ⅰ ～Ⅲ類水或Ⅳ類水的地下水水井占調(diào)查總井?dāng)?shù)的90%，Ⅴ類水占10%。影響地下水質(zhì)量的天然化學(xué)組分主要為氨氮、總硬度、總?cè)芙夤腆w(TDS)、SO42-、Cl-、高錳酸鹽指數(shù)等[28]。

2.5 全新疆

2005年周金龍利用2003年4～8月間386個淺層地下水水樣測試結(jié)果，采用一票否決法對新疆平原區(qū)地下水質(zhì)量作了簡要分析，并得出:新疆平原區(qū)淺層地下水水質(zhì)略差于Ⅲ類水，可基本滿足飲用水水質(zhì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。Ⅳ、Ⅴ類水中礦化度、總礦度偏高的主要原因與水土環(huán)境中易溶鹽組分本底值較高有關(guān)[29]。在研究新疆主要城市地下水水質(zhì)時，2011年李巧等人就運用灰色關(guān)聯(lián)度法對新疆主要城市地下水水質(zhì)現(xiàn)狀進行分析。以新疆部分城市地下水水質(zhì)監(jiān)測資料為例，運用“灰色建模系統(tǒng)”軟件進行灰色關(guān)聯(lián)度的計算。對烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市等七個城市確定各城市地下水水質(zhì)類別，并進行評價。并得出在該地區(qū)內(nèi)礦化度和總硬度較大，總體水質(zhì)較好的結(jié)論[30]。

3 新疆水文地球化學(xué)模擬的進展

地球化學(xué)模型是水文地球化學(xué)的重要組成部分，它用于模擬地下水系統(tǒng)中的地球化學(xué)變化過程，能反映出地下水系統(tǒng)中所發(fā)生的地球化學(xué)反向以及各種離子在地下水系統(tǒng)中的存在狀態(tài)[31]。目前，已開發(fā)的水文地球化學(xué)模型達60多個，這些模型基本上可分為三類，即組分分布模型、質(zhì)量平衡模型和反應(yīng)路徑模型。從2000年至今新疆運用的水文地球化學(xué)模擬的方法主要為反向模擬，該方法主要在吐魯番—哈密盆地及準(zhǔn)噶爾盆地得到運用。塔里木盆地及伊犁河谷地區(qū)尚未進行水文地球化學(xué)模擬的研究。

3.1 吐魯番 -哈密盆地

2013年李巧等人用PHREEQC軟件在新疆哈密地區(qū)三塘湖北運用反向模擬的方法對該地區(qū)地下水做了水-巖作用模擬。模擬結(jié)果表明:在該研究區(qū)域內(nèi)基本以石膏、巖鹽等礦物的溶解;鈣蒙脫石和硝石等的沉淀為主。得到的結(jié)論為礦物相的溶解析出和陽離子交換作用共同控制著該地區(qū)的地下水演化過程[32]。

3.2 準(zhǔn)噶爾盆地

劉志明等人于2005年根據(jù)已知數(shù)據(jù)運用反向模擬對新疆瑪納斯河流域平原地下水水一巖作用進行模擬。研究結(jié)果表明:礦物相的溶解、析出和蒸發(fā)作用、稀釋作用共同控制著地下水水化學(xué)的演化;由于地層巖性顆粒逐漸變細(xì)，水中礦物相遷入、遷出的數(shù)量逐漸增大，水一巖作用逐漸增強;研究區(qū)上游的水一巖作用主要是地表水或灌溉水入滲補給的影響，研究區(qū)中下游的水一巖作用主要受蒸發(fā)作用的影響;由于地表水或灌溉水的大量混入，局部的水化學(xué)演化往往不符合一般演化規(guī)律，TDS呈下降趨勢，產(chǎn)生復(fù)雜的過渡水化學(xué)類型[33]。2014年李巧以準(zhǔn)噶爾盆地瑪納斯河流域典型剖面為例，運用PHREEQC地球化學(xué)模擬軟件中的反向模擬，計算了礦物相對水樣的飽和指數(shù)并應(yīng)用質(zhì)量平衡模型計算了從山前到沙漠邊緣地下水水流路徑上礦物、氣體的溶解和沉淀，以期定量揭示該區(qū)地下水化學(xué)環(huán)境的演化過程得出該研究區(qū)地下水的陽離子交換作用大致都是由上游到下游逐漸強烈的結(jié)論[34]。

4 結(jié)語

綜上所述，有效地研究新疆地下水資源對新疆經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的實踐意義，研究地下水的方法還有待更好的完善。從2000年至今隨著新疆的發(fā)展，新疆地區(qū)地下水資源也在進行合理的規(guī)劃和利用，但由于各地區(qū)水文地球化學(xué)環(huán)境及地下水組成成分的復(fù)雜性，目前在新疆地下水水質(zhì)評價及水文地球化學(xué)模擬研究方面還有很大的發(fā)展空間。

(1)在吐魯番—哈密盆地及伊犁河谷地區(qū)對地下水水質(zhì)評價較少，在吐魯番—哈密盆地及伊犁河谷地區(qū)地下水水質(zhì)評價工作可以更廣泛的開展。

(2)新疆基本沒有開展正向水文地球化學(xué)模擬工作，大部分地區(qū)沒有開展反向水文地球化學(xué)模擬，尤其在塔里木盆地及伊犁河谷地區(qū)，在這兩個地區(qū)內(nèi)尚未進行水文地球化學(xué)模擬研究。

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