三塘湖鄉(xiāng)北部地區(qū)水化學(xué)成因及特征分析

韓慶洋，康 劍，居馬·吐?tīng)栠d

（新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆昌吉831100）

三塘湖鄉(xiāng)位于新疆維吾爾自治區(qū)的東部，天山支脈莫?dú)J烏拉山以北的洪積平原，行政區(qū)劃隸屬新疆維吾爾自治區(qū)哈密地區(qū)巴里坤縣管轄。本次工作區(qū)處于皂山以南、條湖以北、鍋底坑以西、石頭梅以東,屬大陸性中溫帶干旱氣候，地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為降水入滲和南部莫?dú)J烏拉山的溝谷水系側(cè)向徑流補(bǔ)給。

1 水化學(xué)類型及其分布特征

該地區(qū)地下水水化學(xué)形成在洪積平原以溶濾和蒸發(fā)作用為主,在溢出帶以蒸發(fā)濃縮作用為主,區(qū)內(nèi)潛水及承壓水受地形地貌、氣象因素、地下水徑流、地層巖性等因素的影響，導(dǎo)致地下水水化學(xué)類型在空間分布上呈現(xiàn)一定的水平分帶性規(guī)律，潛水、承壓水水化學(xué)類型變化具有相似性。從南部地下水補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)，水化學(xué)類型逐漸由簡(jiǎn)單變復(fù)雜。

1.1 潛水水化學(xué)類型

區(qū)內(nèi)潛水主要分布在條湖一帶，由于地下水從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)徑流途徑長(zhǎng)，地下水位埋藏較淺，溶濾和蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，水化學(xué)類型變化復(fù)雜，潛水呈現(xiàn)出4種不同的類型，水化學(xué)類型由HCO3·SO4-Ca·Na型向北部轉(zhuǎn)化為SO4·HCO3-Na·Ca型、SO4-Na·Ca、Cl·SO4-Na型，礦化度由小于1g/L升高至大于5g/L。陽(yáng)離子由 Ca2+、Mg2+→M g2+、Ca2+，Na+→Ca2+、Na+，陰離子由HCO3→HCO3·SO4→SO4·HCO3→SO4→SO4·Cl→Cl·SO4，總體特征具有一定的水化學(xué)分帶性特點(diǎn)。

1.2 承壓水水化學(xué)類型

區(qū)內(nèi)承壓水廣泛分布，莫?dú)J烏拉山山區(qū)河水及暴雨洪流在山前洪積平原入滲，以側(cè)向徑流的形式補(bǔ)給潛水和承壓水。受多種因素的影響，在平原區(qū)地下水徑流區(qū)，水質(zhì)較差，地下水在從補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)的滲流過(guò)程中多次發(fā)生混合作用，造成潛水和承壓水具有相近的空間變化規(guī)律，水化學(xué)類型由SO4·HCO3-Na·Ca型向北部轉(zhuǎn)化為SO4-Na·Ca型、SO4-Na·Ca、SO4·Cl-Na·Ca型，即水質(zhì)逐漸變差，礦化度由1～3g/L，局部區(qū)域上升至大于5g/L。陽(yáng)離子由Ca2+、Na+→Na+，陰離子由SO4·Cl→Cl·SO4，總體特征具有一定的水文地球化學(xué)分帶。地下水水化學(xué)表現(xiàn)出明顯的水平分帶規(guī)律。從三塘湖北部—紅疙瘩一帶，水化學(xué)類型由SO4·HCO3→SO4→SO4·Cl→Cl·SO4型過(guò)渡；北部水化學(xué)類型由SO4·Cl→Cl·SO4型過(guò)渡。

2 水化學(xué)形成

2.1 主要影響因素

地下水水化學(xué)的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)作用過(guò)程，受到水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水循環(huán)條件等諸多因素的共同制約。

2.1.1 包氣帶含鹽量

區(qū)內(nèi)可溶鹽含量同地下水礦化度之間具有一致性的規(guī)律，地下水礦化度受包氣帶含鹽量的影響較為明顯。

南部地區(qū)為第四系洪積層，透水性能好，受山區(qū)暴雨洪流沖刷淋濾作用強(qiáng)，鹽分難以聚集，含水介質(zhì)可溶鹽含量總體小于1mg/100g土，地下水礦化度也多小于1g/L。鍋底坑、劉家井洼地為第四系沖洪積層，沉積物為多元結(jié)構(gòu)的砂礫石、砂、亞砂土、亞粘土互層，顆粒較細(xì)，鹽分易于聚集，含水介質(zhì)含鹽量高，可溶鹽含量大于100mg/100g土，在洼地匯水中心處可溶鹽含量大于50g/100g土，地下水礦化度皆大于1g/L，在洼地匯水中心處地下水礦化度大于5g/L。充分表明：包氣帶含鹽量低，地下水水質(zhì)較好；包氣帶含鹽量高，地下水水質(zhì)相對(duì)較差。

2.1.2 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

區(qū)內(nèi)古近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水頂板隔水層分布不連續(xù),使?jié)撍统袎核g存在著較為密切的水力聯(lián)系。區(qū)南部莫?dú)J烏拉山北坡分布的5條常年性河流及莫?dú)J烏拉山和白依山山區(qū)降水形成的暴雨洪流在出山口后散失于洪積平原。山區(qū)河水及暴雨洪流在山前洪積平原入滲，以側(cè)向徑流的形式補(bǔ)給區(qū)內(nèi)的潛水和承壓水。受多種因素的影響，在洪積平原中下部地下水徑流區(qū)，水質(zhì)較差，礦化度為1～3g/L。地下水在從補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)的滲流過(guò)程中多次發(fā)生混合作用，造成潛水和承壓水具有相近的空間變化規(guī)律，即水質(zhì)逐漸變差，礦化度由1～3g/L上升至大于5g/L。地下水水化學(xué)表現(xiàn)出明顯的水平分帶規(guī)律。

2.1.3 地下水循環(huán)條件

地下水循環(huán)條件是影響區(qū)地下水水化學(xué)場(chǎng)空間分布特征的另一重要因素，區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)徑排對(duì)水化學(xué)場(chǎng)的形成有著明顯的影響，而水動(dòng)力條件直接影響著地下水的徑流。γCl-/γCa2+系數(shù)是刻畫水動(dòng)力特點(diǎn)的參數(shù)，其值的大小代表著地下水水動(dòng)力條件的好壞，值越大，表明水動(dòng)力條件越差。

潛水:潛水主要賦存于條湖一帶。根據(jù)潛水γCl-/γCa2+系數(shù)的對(duì)比可以看出，在徑流區(qū)地下水動(dòng)力條件較好（γCl-/γCa2+系數(shù)在0.17～0.38之間），形成低礦化度的HCO3·SO4-Na型和SO4·HCO3-Na·Ca型水。在排泄區(qū)水動(dòng)力條件較差，（γCl-/γCa2+系數(shù)在1～8之間），地下水處于滯留狀態(tài)，以蒸發(fā)濃縮作用為主，形成高礦化度的SO4-Na·Ca和Cl-·SO4-Na型水。

總體呈現(xiàn)出，從南向北水動(dòng)力條件變差，地下水礦化度含量逐漸增大，并表現(xiàn)出明顯的水化學(xué)水平分帶性。

承壓水:由南向北承壓水γCl-/γCa2+系數(shù)逐漸增加，γCl-/γCa2+系數(shù)小于1（在0.46～0.71之間），KT 13孔γCl-/γCa2+系數(shù)為1.75。表明南部的水動(dòng)力條件較好的徑流區(qū)至水動(dòng)力條件差的排泄區(qū)，承壓水水化學(xué)也由小于1g/L升高至1～3g/L的SO4·HCO3、SO4型水過(guò)渡，表現(xiàn)出明顯的水平分帶規(guī)律。

2.2 水化學(xué)場(chǎng)形成的主要作用

影響水化學(xué)場(chǎng)形成的主要作用包括溶濾作用、陽(yáng)離子交換吸附作用、蒸發(fā)濃縮作用和混合作用。

2.2.1 溶濾作用

γNa+/γCl-系數(shù)稱為地下水的成因系數(shù)，是表征地下水中Na+離子富集程度的一個(gè)水文地球化學(xué)參數(shù)。根據(jù)區(qū)內(nèi)承壓水Na+與Cl-毫克當(dāng)量濃度關(guān)系可得出：潛水和承壓水水樣分析點(diǎn)皆位于1∶1直線以上（γNa+/γCl-＞1），表明區(qū)內(nèi)地下水非海相成因，其化學(xué)成分主要受含巖鹽地層溶濾而成。

南部的及莫?dú)J烏拉山，降水量大，溶濾作用較強(qiáng)，巖石中的各種鹽類在溶濾作用下依次溶出，形成南部低礦化度的HCO3型水。

2.2.2 陽(yáng)離子交替吸附作用

區(qū)內(nèi)潛水鈉吸附比值變化明顯，從南部鈉吸附比值（SAR）沿地下水流向變化情況可以看出：補(bǔ)給區(qū)向中間排泄區(qū)，鈉吸附比值增大，水化學(xué)類型從南向北由HCO3·SO4-Na型（T 1-35、J1-2）→SO4·HCO3-Na·Ca型（T 1-1）→SO4-Na·Ca型（T 1-59）→Cl·SO4-Na型（T 1-64）。鈉吸附比值高的水，在水巖作用過(guò)程中引起水中的Na+被吸附到固相顆粒表面上，Ca2+和M g2+從固體表面解吸出來(lái)，水的硬度增加，引起土壤透氣性減小，產(chǎn)生板結(jié)及鹽堿化的規(guī)律。

區(qū)內(nèi)承壓水鈉吸附比值沿地下水流向變化也較為明顯，水化學(xué)類型由SO4·HCO3-Na·Ca型（KT 16、KT 17）→SO4-Na·Ca型（KT 11、KT 12）→SO4·Cl-Na型（KT 13），其規(guī)律同潛水規(guī)律相一致，但其陽(yáng)離子交換吸附作用要比潛水弱。

2.2.3 混合作用

不同水體間的混合作用對(duì)區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)場(chǎng)的空間分布產(chǎn)生重要的影響。南部山區(qū)為地下水的補(bǔ)給區(qū)，低礦化度的大氣降水在垂直向下入滲過(guò)程中使得地下水礦化度降低。地下水在徑流過(guò)程中，由于承壓水隔水層不連續(xù)，潛水和承壓水水化學(xué)類型和礦化度趨向一致。

2.2.4 蒸發(fā)—濃縮作用

蒸發(fā)、濃縮作用在地下水化學(xué)成分和礦化度的形成與改造過(guò)程中起著重要的作用。整個(gè)地下水的排泄區(qū)位于洪積平原的下游，第四系厚度較薄，含水介質(zhì)顆粒細(xì)小，蒸發(fā)濃縮作用十分強(qiáng)烈，形成礦化度大于5g/L的Cl·SO4型水。

3 地下水水化學(xué)成因

3.1 潛水水化學(xué)的形成

南部的莫?dú)J烏拉山山區(qū)為地下水的補(bǔ)給區(qū)，水動(dòng)力條件較好，蒸發(fā)量小，受降水溶濾作用影響下山形成礦化度低的HCO3型水，隨著地勢(shì)的降低、第四系厚度的變薄，沿地下水流向，在地下水的滯留、排泄區(qū)（條湖一帶），由補(bǔ)給區(qū)經(jīng)徑流區(qū)帶來(lái)大量離子同頂托補(bǔ)給的承壓水帶來(lái)的離子在此處匯聚、混合，且由于潛水水位埋深淺，蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈，形成礦化度大于5g/L的Cl·SO4型水。

3.2 承壓水水化學(xué)的形成

承壓水接受來(lái)自南部山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，在南部形成低礦化度的SO4·HCO3型水，其他區(qū)域皆為礦化度1～3g/L的SO4·Cl型水，沿承壓水流向，發(fā)生溶濾、混合作用，礦化度逐漸增大，水化學(xué)類型逐漸變差，呈現(xiàn)由徑流區(qū)向排泄區(qū)的水平分帶規(guī)律：水化學(xué)類型由SO4·Cl型→Cl·SO4型，礦化度由1～3g/L→＞5g/L。

4 地下水礦化度及主要離子濃度分布

受地形地貌、地層巖性、氣象因素及地下水循環(huán)等因素影響，區(qū)內(nèi)潛水、承壓水礦區(qū)內(nèi)，潛水無(wú)0～5g/L區(qū)域，礦化度大于5g/L的咸水主要分布在條湖東北部，面積小，為8.51km2，占區(qū)總面積的0.99%。K++Na+、Mg2+、Cl-和等主要離子濃度的空間分布特征總體上與礦化度近于一致，離子濃度隨礦化度的增加呈逐漸降低的變化趨勢(shì)。

承壓水在區(qū)內(nèi)分布面積較大，礦化度從南向北地勢(shì)低洼處逐漸變大，趨勢(shì)同潛水類似。承壓水礦化度小于1g/L的淡水主要分布在區(qū)南部；礦化度1～3g/L的微咸水分布在區(qū)西北部、北部地下水徑流區(qū)，分布范圍廣；礦化度3～5g/L區(qū)域面積較小，礦化度大于5g/L的咸水主要分布在劉家井東邊的條帶狀洼地和鍋底坑一帶。承壓水中K++Na+、Ca2+、和Cl-離子在空間上的變化規(guī)律同礦化度一致，M g2+和受地下水徑流條件的影響較大。

4.1 潛水

區(qū)內(nèi)無(wú)地表徑流，潛水僅分布在東南部條湖一帶，為礦化度大于5g/L的咸水。

表1 潛水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值

區(qū)內(nèi)潛水水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣（見(jiàn)表2）可看出，礦化度同Na+、Mg2+、Cl-和呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都在0.9以上。表明潛水中Na+、M g2+、Cl-和等主要離子濃度的空間分布特征總體上與礦化度近于一致，區(qū)內(nèi)沿地下水流向，潛水礦化度逐漸增大，Na+、Cl-和離子濃度也逐漸增大。

表2 潛水水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣

Mg2+離子在區(qū)域內(nèi)含量較低，隨礦化度的變化不明顯，離子濃度一般在10～70mg/L，但在劉家井一帶匯水洼地中心,Mg2+含量隨礦化度的增加突增至291.96mg/L。礦化度同Ca2+離子相關(guān)性較好；同離子呈負(fù)相關(guān)性，隨著礦化度的增加，離子濃度呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，離子濃度一般為50～400mg/L。從表2中還可看出，離子同Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-和離子呈負(fù)相關(guān)性；M g2+離子同Ca2+離子相關(guān)性差。

4.2 承壓水

區(qū)內(nèi)承壓水廣泛分布，礦化度小于1g/L的淡水分布在東南部，該區(qū)域主要接受南部側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水徑流較強(qiáng)，礦化度低；礦化度1～3g/L的微咸水分布在區(qū)北部區(qū)域，所占面積比重最大，該區(qū)域接受南部側(cè)向徑流補(bǔ)給，在徑流過(guò)程中，由于溶濾作用，礦化度升高；鍋底坑一帶為承壓水的局部匯水區(qū)域，從補(bǔ)給和徑流區(qū)帶來(lái)的大量鹽分在該區(qū)域集聚，形成礦化度大于5g/L的咸水。

從承壓水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值（見(jiàn)表3）對(duì)區(qū)域內(nèi)離子濃度變化進(jìn)行分析：承壓水中除Cl-離子外變異系數(shù)相對(duì)較大外，其它離子濃度變異系數(shù)都較小，表明該區(qū)域承壓水中僅Cl-離子質(zhì)量濃度變化相對(duì)較大。其中Na+、Cl-和的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差都較大，反映其在承壓水中的絕對(duì)含量較大，為承壓水中的主要陰、陽(yáng)離子。

表3 承壓水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值

從承壓水水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣（見(jiàn)表4）可看出，礦化度同Na+和Cl-呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都在0.9以上；礦化度同Ca2+和相關(guān)性較好。表明Ca2+、Cl-和等主要離子濃度的空間分布特征總體上與礦化度近于一致，沿地下水流的方向，礦化度逐漸增大，Na+、Ca2+、Cl-和離子濃度也呈增大趨勢(shì)。礦化度同M g2+呈負(fù)相關(guān)，同相關(guān)性差，表明M g2+離子和離子受地下水徑流條件的影響較大，隨著地下水徑流路徑的增加而減少，Mg2+多為30～70mg/L,多為100～150mg/L。M g2+和同其它離子濃度的相關(guān)性也差。

表4 承壓水水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告中各項(xiàng)指標(biāo)的分析可知，區(qū)內(nèi)潛水和承壓水中離子同礦化度變化的趨勢(shì)一致，Na+、Ca2+、M g2+、和Cl-同礦化度的相關(guān)性都較為顯著，同礦化度的相關(guān)性差，主要是由于沿地下水徑流方向，水的鹽化作用增強(qiáng)。潛水中各離子的變異系數(shù)普遍較承壓水大，表明潛水的水化學(xué)性質(zhì)在空間上變異性大，受含水層介質(zhì)、地形地貌、氣象等因素的影響較大，承壓水受外界因素干擾較小，同時(shí)也說(shuō)明承壓水的鹽化作用較潛水弱。

[1] GB/T14848-93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] GB5749-2006生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 梁紅濤，康劍，韓慶洋，等.新疆巴里坤縣三塘湖煤田三塘湖北水源地供水水文地質(zhì)詳查報(bào)告[R].新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，2013.

[4] 白銘，梁紅濤，呂國(guó)華，等.巴里坤—伊吾盆地地下水勘查報(bào)告[R].新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，2012.