吐魯番盆地地下水化學(xué)分析

竹娜，胡伏生，張強(qiáng)，陳亞峰，李志紅

(1.成都理工大學(xué)/地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083)

吐魯番盆地位于中國新疆維吾爾自治區(qū)東部，是典型的內(nèi)陸封閉式盆地，是中國內(nèi)地連接中亞地區(qū)及南北疆的交通樞紐，也是資源豐富的“天然聚寶盆”。特殊的地理位置和環(huán)境形成了吐魯番獨(dú)特的干熱氣候，這里年均降水量只有16 mm，而年均蒸發(fā)量卻高達(dá)到3 000 mm，是中國年降水量最少的地區(qū)之一。近年來，地下水的過量開采導(dǎo)致了地下水位下降、坎兒井枯竭等問題，資源性缺水和工程性缺水并存的現(xiàn)實(shí)制約著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也影響了地區(qū)居民的生活。

地下水資源通常屬于干旱和半干旱區(qū)的主要供水水源，地下水化學(xué)特征及形成機(jī)理便成為此列區(qū)域水文地質(zhì)學(xué)科的重要研究內(nèi)容，開展相關(guān)研究對區(qū)域地下水資源的利用和管理及生態(tài)環(huán)境的建設(shè)與保護(hù)都具有十分重要的意義。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者主要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper或Durov圖、離子比例系數(shù)、相關(guān)性分析、同位素示蹤等技術(shù)方法對地下水化學(xué)特征、水化學(xué)成分的形成及演化等進(jìn)行研究。為研究區(qū)進(jìn)行地下水水化學(xué)分析，會(huì)對研究區(qū)制定水資源開發(fā)利用方案，以及更好的控制區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化蔓延等具有重要意義，并且可給地下水合理開采，科學(xué)管理等方面提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)總面積約為14 591 km2，四周是山地，中部低，是封閉式盆地。盆地中央部有的火焰山和鹽山沿著東西方向延伸，將盆地分為南北盆地兩部分。南盆地中部的艾丁湖是吐魯番盆地的最低點(diǎn)，海拔為-155 m。盆地內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)高差達(dá)到1 400 m(見圖1)。

圖1 研究區(qū)行政位置圖

第四系松散沉積層為地下水的賦存和運(yùn)移提供了巨大的空間，其他地層則作為相對隔水層對地下水運(yùn)移、轉(zhuǎn)化產(chǎn)生控制作用。以火焰山為界，北盆地海拔比較高，第四系沉積物厚度大于100m，北盆地內(nèi)發(fā)育眾多出山河流，這些源自冰雪融水的河流形成了地下水補(bǔ)給源，北盆地內(nèi)廣大的平原就是地下水的徑流區(qū)，這些地下水被火焰山阻擋后形成泉，山前的泉水灰機(jī)到火焰山的溝谷內(nèi)流入南盆地，之后向艾丁湖方向徑流，整個(gè)過程同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，同時(shí)也有人工開采的影響。艾丁湖為全區(qū)主要的排泄區(qū)。

圖2 研究區(qū)等水位線圖

研究區(qū)降水量和長年積雪都有由西向東和由南向北減少的趨勢。所以，地區(qū)內(nèi)形成的地表水資源西多東少，北多南少。而且，吐魯番地區(qū)以外的流入量都集中于西部，所以水資源量和流量在東西呈現(xiàn)很大差別。地表徑流地區(qū)分布的另一個(gè)顯著特征是吐魯番周圍山地流出的河流水滲入地下，構(gòu)成第四系含水層的地下水盆。地下水位埋深多大于30 m，最深達(dá)到300 m(見圖2)。

研究區(qū)的地表水利用主要源于14條常年河流，這些源自山地的大部分河流在自然狀態(tài)下流出山口之后，僅僅流經(jīng)若干公里就會(huì)滲入地下。14條河流中，在盆地內(nèi)自然流下最終到達(dá)南盆地艾丁湖的河水只有白楊河和阿拉溝，二者在托克遜匯合形成一條河流。

2 研究區(qū)地下水化學(xué)特征總述

吐魯番盆地研究區(qū)，地下水流方向性明顯，可根據(jù)地下水流流向以及第三系阻水地層的分布，劃分為三個(gè)小區(qū)域。如圖3，黃色為A區(qū)，紅色為B區(qū)，綠色為C區(qū)。除B區(qū)內(nèi)有三個(gè)泉水點(diǎn)外，其余取樣點(diǎn)均為井水，取樣點(diǎn)平pH值變化范圍為6.94～8.8，TDS 變化范圍較大，最小值為0.1 g/L，最大值為15 g/L。

圖3 取樣點(diǎn)分區(qū)圖·

取樣點(diǎn)的布設(shè)覆蓋研究區(qū)三個(gè)區(qū)域，排除已受污染或可能被污染的取樣點(diǎn)，以及海拔高路況差難以取樣的點(diǎn)，以取樣方便的點(diǎn)優(yōu)先布設(shè)，選取了有代表性、典型性以及均衡性的36個(gè)點(diǎn)，取樣時(shí)間為2012年4月。

監(jiān)測項(xiàng)目包括 K+、Na+、Ca2+、Mg+、SO42-、HCO-、Cl-、pH、TDS等。采用陰陽離子平衡的方法檢驗(yàn)水化學(xué)數(shù)據(jù)的可靠性，(TZ+-TZ-)/(TZ++TZ-)×100均小于5%，TZ+與TZ-的相關(guān)系數(shù)為0.999，說明水化學(xué)分析數(shù)據(jù)可靠，可以用于分析(Chen et al，2011)

圖4 研究區(qū)地下水化學(xué)Piper三線圖

圖5 研究區(qū)地下水TDS濃度變化圖

由圖4圖5可知，各區(qū)域水化學(xué)類型變化多樣。以全區(qū)而言，水化學(xué)類型由補(bǔ)給區(qū)的HCO3-Ca型，逐漸變化為SO4-Ca型，HCO3-Na型，排泄區(qū)艾丁湖方向多成Cl-Na型，同時(shí)伴隨礦化度總體升高，但是各區(qū)的具體情況各有不同。

研究區(qū)內(nèi)，TDS的變化呈現(xiàn)由補(bǔ)給區(qū)向排泄逐漸增大趨勢，但在一些區(qū)域TDS值不完全符合此規(guī)律，即不是隨水流方向逐漸增大的趨勢，這可能與局部地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，或是人為影響有關(guān)。對于一個(gè)區(qū)域性地下水分布來說，當(dāng)含水層的中水發(fā)生大范圍側(cè)向流動(dòng)時(shí)，在地下水流向上，TDS會(huì)呈現(xiàn)出一種累進(jìn)的水巖相互作用(progressing water rock interaction)趨勢(Edmunds，2001)。而研究區(qū)降雨量較少，地下水主要補(bǔ)給來源為山區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給，因此反映出，水中TDS變化的原因主要與地表附近(包括包氣帶)的鹽類分布有關(guān)。

水循環(huán)過程中影響水化學(xué)變化的主要過程是水巖相互作用。水巖相互作用中的礦物溶解，大體上可以分成兩種情況:

一類是風(fēng)化礦物，主要利用有溶蝕能力的水去溶解(Appelo and Postma，1993)，

最常見的有方解石和鈉長石等:

另外還有一種不需要酸性水去溶解的礦物，最常見的是石膏。

另一類是蒸發(fā)礦物的溶解，其溶解度非常高，見水便可溶解(Berner，1980)，多為蒸發(fā)鹽，我們常常稱之為易溶鹽，如石鹽、芒硝、光鹵石等(Drever，1997)。

在該區(qū)域的研究中，當(dāng)Cl離子濃度比較小時(shí)第一類風(fēng)化礦物的溶解能顯示出來;而當(dāng)Cl離子濃度升高時(shí)，第二類易溶鹽的溶解占主導(dǎo)(見圖6)。

圖6 氯離子濃度變化圖

圖7 重碳酸根濃度變化圖

如圖7，，研究區(qū)內(nèi)重碳酸根離子濃度總體變化趨勢與鈉離子相反。在補(bǔ)給區(qū)，水交替強(qiáng)烈，延時(shí)經(jīng)過長期沖刷，大部分易溶鹽類組分已經(jīng)被帶走，便形成礦化度很低的HCO3-Ca型水，隨著地下水沿著含水層徑流，溶濾作用不斷發(fā)生，地下水類型不斷變化。重碳酸根往往還會(huì)受到鈣離子含量的限制，但在有大量二氧化碳溶解時(shí)，重碳酸根的濃度會(huì)大大增高，一些泉水中的重碳酸根含量較大，便與溶解二氧化碳有關(guān)。

3 各區(qū)各離子相關(guān)性分析(以A區(qū)為例)

A區(qū)位于研究區(qū)西南側(cè)，主要補(bǔ)給來源為盆地西側(cè)的地表水以及北盆地的地下水，總體向艾丁湖排泄，徑流途徑較長，由圖5可知從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)TDS值逐步增大。由圖8可見，A區(qū)個(gè)點(diǎn)中，除 A4、A1、A11、A13 這四點(diǎn)外，其余點(diǎn) SO42+和 Cl-的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.98，即SO42+和Cl-的含量相差不大，而北盆地內(nèi)硫化物和天然硫分布較少，可推斷A區(qū)SO42+主要來自于南盆地地下水的混合作用以及對A區(qū)內(nèi)硫酸鹽巖的溶解。

圖8 SO42+與Cl-相關(guān)性圖

圖9 A區(qū)Na+與Cl-相關(guān)性圖

從圖9中可看出，點(diǎn)A5、A11的Na/Cl值小于1，而其他點(diǎn)均大于一，線上的點(diǎn)中可能存在其余的鈉鹽的溶解。在圖10中，只有A6和A2兩點(diǎn)Mg/Cl值大于1，其余點(diǎn)Mg/Cl值小于1，并且隨著水流方向氯離子的濃度逐級上升，而鎂離子量變化范圍不大，可推測A區(qū)溶解的氯化物以NaCl為主。

圖10 A區(qū)Mg2+與Cl-相關(guān)性圖

SO42-與 Na+相關(guān)系數(shù)為 0.87，除 A2、A4，A6 外所有點(diǎn)Na+/SO42-比值均大于1，說明有其他形式的鈉鹽溶解，Na2SO4(即芒硝)的可能性較大。圖10與圖12可見，Ca2+由補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)量的變化范圍為1～10 meq/L，Mg+的變化范圍為0～5 meq/L而Na+的變化范圍為0～20 meq/L，HCO3濃度變化不大，幾乎趨于穩(wěn)定，只在排泄區(qū)有所減小，說明區(qū)域地下水正在咸化。

圖11 A區(qū)Na+與SO42-相關(guān)性圖

圖12 A區(qū)Ca2+與SO42-相關(guān)性圖

圖13 A區(qū)Na+Mg-Cl+SO4相關(guān)性圖

如圖13，從可以明顯看出，除點(diǎn)A10之外，Na++Mg2+的濃度明顯小于Cl-+SO42-的濃度，說明地下水中Ca2+的溶解量隨Cl-+SO42+濃度的增大而增大，說明從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)的徑流過程中可能存在CaSO4(即石膏)的溶解。有石膏的溶解，可推測A區(qū)地下水中發(fā)生同離子效應(yīng)，使得方解石(即CaCO3)沉淀。

對于四個(gè)較為特別的點(diǎn) A5、A11、A12、A13，除 A5外，其余三個(gè)點(diǎn)距離艾丁湖排泄區(qū)較近，TDS值較高，最高達(dá)到2g/l。水化學(xué)類型均為Na-Cl型水，因?yàn)榘『雎兜闹饕舭l(fā)礦物為石鹽(NaCl)、芒硝(Na2SO4·10H2O)、無水芒硝(Na2SO4)、石膏(CaSO4·2 H2O)、鈣芒硝(Na2Ca(SO4)2)和光鹵石(KMgCl3·6H2O)(王亞俊，2003)可以解釋上圖中出現(xiàn)的與其余點(diǎn)較為不同的現(xiàn)象。即在徑流過程中，隨著蒸發(fā)礦物的不斷溶解，到了排泄區(qū)，水中的 Na+，Ca2+，SO42-，Cl-濃度較高。

而A5為Ca-Mg-SO4-Cl型水，與臨近取樣點(diǎn)的水化學(xué)類型相同，周圍地質(zhì)環(huán)境也沒有特別變化，但是卻表現(xiàn)出與周圍不同的特點(diǎn)——TDS值較高，這可能是在A5附近一些蒸發(fā)礦物較為聚集，或是一些人為原因的影響，因而與附近取樣點(diǎn)的點(diǎn)的特征不符。

A區(qū)各點(diǎn)的TDS值變化范圍較大，最高高達(dá)2g/L，加之上述分析可知，該區(qū)樣點(diǎn)地下水化學(xué)特征的形成可能存在三種原因:第一是水體在入滲前，和徑流過程中經(jīng)歷的蒸發(fā)濃縮作用;第二是地下水在徑流過程中對各類礦物的溶解作用;第三是北盆地地下水經(jīng)轉(zhuǎn)化補(bǔ)給到南盆地后，兩盆地的地下水混合。依據(jù)以上分析，影響該區(qū)水化學(xué)變化的主要是易溶鹽的溶解，并且以溶解鈉鹽和硫酸鹽為主，即推測此處地下水可能溶解了芒硝，鈣芒硝等。

對于B區(qū)和C區(qū)，可采用同樣的分析方法，在此不再贅述。

4 結(jié)語

研究區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來源主要為北部山區(qū)的冰雪融水，徑流條件較好，排泄區(qū)為艾丁湖區(qū)域，地下水TDS值變化范圍大，從補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū)逐漸升高，最高可高達(dá)15g/L，而補(bǔ)給區(qū)地下水礦化度則小于1g/L，補(bǔ)給區(qū)水化學(xué)類型多為HCO3-Ca型，排泄區(qū)則多成Cl-Na型。

根據(jù)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件將研究區(qū)可分為三個(gè)小區(qū)，文章以A區(qū)為例，通過繪制等值線圖以及離子相關(guān)性分析，可知影響A區(qū)水化學(xué)變化的主要是易溶鹽的溶解以及蒸發(fā)濃縮作用。溶解組分鈉鹽和硫酸鹽為主，即推測此處地下水可能溶解了芒硝，鈣芒硝等。SO42-主要來自于南盆地地下水的混合作用以及對A區(qū)內(nèi)硫酸鹽巖的溶解。

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