吐魯番盆地地表水和地下水主要化學(xué)成分的形成與演化

蔡月梅，王文祥，張明江，蔡五田，殷秀蘭，王瑞久，李文鵬

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定　 071051；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京　100081；3.新疆地礦局 第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊　830091)

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吐魯番盆地地表水和地下水主要化學(xué)成分的形成與演化

蔡月梅1，王文祥1，張明江3，蔡五田1，殷秀蘭2，王瑞久2，李文鵬1

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京100081；3.新疆地礦局 第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊830091)

吐魯番盆地是我國(guó)西北干旱區(qū)內(nèi)陸盆地之一，盆地內(nèi)賦存鐵礦等重要礦產(chǎn)資源。研究吐魯番盆地地表水和地下水化學(xué)成分的演化對(duì)于吐魯番盆地地下水資源的合理開(kāi)發(fā)具有重要意義。采用無(wú)機(jī)離子示蹤劑的方法，通過(guò)主要離子濃度與Cl-離子濃度之間的關(guān)系，以及主要離子/Cl-與Cl-離子濃度之間的關(guān)系，對(duì)盆地地表水和地下水的主要化學(xué)成分的形成進(jìn)行了分析。同時(shí)參照地表水中主要化學(xué)成分的形成與演化，揭示盆地地下水化學(xué)成分的演化過(guò)程以及鹽分的潛在來(lái)源。在吐魯番盆地，影響不同深度地下水水化學(xué)變化的主要是蒸發(fā)礦物，其來(lái)源主要包括土壤表面的蒸發(fā)礦物、土壤層和包氣帶中的蒸發(fā)礦物以及艾丁湖中的表層沉積物。

吐魯番盆地；地表水；地下水；水化學(xué)；蒸發(fā)礦物；易溶鹽

0　引　言

吐魯番盆地是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立、完整的地下水系統(tǒng)，該地下水系統(tǒng)規(guī)模大，條件多變，承壓水與潛水共存，含水層之間聯(lián)系密切，補(bǔ)給排泄途徑多樣。盆地內(nèi)多年平均降水量自西向東分別為6.9 mm、16.4 mm和25.2 mm，而蒸發(fā)強(qiáng)度卻分別高達(dá)3 742 mm、2 838 mm和2 727 mm，所以盆地內(nèi)大氣降水對(duì)地下水補(bǔ)給毫無(wú)意義。因此，盆地北部博格達(dá)山南坡和喀拉烏成山區(qū)的大氣降水是盆地地下水的主要來(lái)源。

隨著山區(qū)坎爾其水庫(kù)的修建，水利工程設(shè)施的不斷完善和農(nóng)業(yè)灌溉制度的改革，系統(tǒng)內(nèi)山區(qū)溝口地下水潛流側(cè)向補(bǔ)給量及渠系水滲漏補(bǔ)給量大幅減少，使得平原區(qū)地下水獲得的補(bǔ)給量不斷減少。與此同時(shí)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，使得地下水的開(kāi)采量逐年增加，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地下水位持續(xù)下降[1]。

無(wú)機(jī)離子示蹤劑方法是近年來(lái)新興的一種水文地球化學(xué)研究方法，該方法能夠研究地下水中化學(xué)成分的演化過(guò)程，此方法已在國(guó)外很多區(qū)域的研究中得到了廣泛的應(yīng)用，如澳大利亞沿海濕地系統(tǒng)的水文地球化學(xué)和穩(wěn)定同位素研究[2]。同時(shí)，該方法在國(guó)內(nèi)也有廣泛應(yīng)用，如巴丹吉林沙漠地下水和湖水的補(bǔ)給模型研究[3]、民勤盆地地下水補(bǔ)給和水文地球化學(xué)演化研究[4]、新疆瑪納斯河地下水化學(xué)特征研究[5]、內(nèi)蒙古河套盆地地表水-地下水水化學(xué)特征研究[6-7]以及在深圳沿海地區(qū)海水入侵的研究[8]。在吐魯番盆地開(kāi)展的水文地球化學(xué)研究還比較少，與水文地質(zhì)相關(guān)的研究主要有如下幾項(xiàng)：1958年，陳墨香等在吐魯番盆地開(kāi)展水文地質(zhì)考察，采取了各種水樣共計(jì)200余組，分別分析了吐魯番盆地地表水、潛水、泉水等的水文地球化學(xué)特征[9]；1993年郝愛(ài)兵利用吐魯番盆地30余個(gè)樣點(diǎn)的水化學(xué)數(shù)據(jù)，采用三線(xiàn)圖解的方法，分析了吐魯番南北盆地的水文地球化學(xué)特征及其演化與地下水的運(yùn)動(dòng)[10]；魏青軍等研究了吐魯番盆地土壤鹽漬化特征，并討論了潛水與土壤鹽漬化的關(guān)系[11]；張明江等研究了吐魯番盆地在不同開(kāi)采方式影響下地下水流場(chǎng)的變化特征[12]。竹娜等分析了吐魯番盆地的水化學(xué)類(lèi)型，補(bǔ)給區(qū)水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Ca型為主，排泄區(qū)多為Cl-Na型[13-14]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用無(wú)機(jī)離子示蹤劑的方法，對(duì)吐魯番盆地地表水以及不同深度地下水的水化學(xué)成分進(jìn)行了分析，以研究地下水化學(xué)成分的演化過(guò)程以及鹽分的潛在來(lái)源。

1　研究區(qū)概況

吐魯番盆地位于新疆中部偏東地區(qū)，屬于天山南麓的一個(gè)山間盆地[15]。該盆地總的地形特征是三面山地環(huán)繞，西北高而東南低，南低北高，地形地勢(shì)由山區(qū)向盆地最低處艾丁湖傾斜[16]。其特殊的地理位置及盆地內(nèi)地形地勢(shì)特點(diǎn)形成了獨(dú)特的暖溫帶干旱荒漠氣候特征，主要特點(diǎn)是干燥高溫多風(fēng)，盆地內(nèi)年日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，蒸發(fā)量大，降水量少但局地性強(qiáng)[17]。

吐魯番盆地內(nèi)共發(fā)育大小河流14條，均發(fā)源于西北部中高山區(qū)，補(bǔ)給源為冰雪融水和山區(qū)降水，其徑流方向由山區(qū)到平原，最后進(jìn)入盆地中心( 艾丁湖) 盆地內(nèi)。吐魯番盆地天然地表總徑流量約為10.619×108m3[18]。

2　樣品與數(shù)據(jù)

3　分析與討論

3.1河水和泉水的水化學(xué)分析

在河水和泉水的水化學(xué)樣點(diǎn)分析過(guò)程中，為了便于在圖中做對(duì)比分析，河水用△表示，泉水用▲表示。

圖1　吐魯番盆地取樣點(diǎn)位置分布圖Fig.1　The location map of sampling points in Trupan Basin

樣品編號(hào)類(lèi)型TDSpH主要離子含量/(mg/L)K+Na+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO-3J4河水283.47.60.817.856.114.624.896.1146.4R6河水266.27.831.718.460.117.014.248.0213.6R5河水346.67.791.126.764.117.046.1115.3152.6S5泉水257.38.020.657.016.014.621.380.7134.2S6泉水205.87.781.028.836.16.318.434.6161.1S7泉水310.17.830.940.544.923.821.376.8203.8R7河水238.67.751.717.452.112.221.357.6152.6S2泉水483.47.61.695.356.117.060.3124.9256.3S3泉水563.47.451.8113.960.117.070.9144.1311.2S4泉水587.28.052.1120.764.117.070.9153.7317.3R1河水455.48.061.888.356.114.660.3115.3238.0R3河水473.27.731.959.476.217.060.3172.9170.9S1泉水513.57.451.9100.360.117.062.4134.5274.6R4河水223.37.870.89.852.17.37.167.2122.0R2河水348.27.881.223.762.117.020.6105.7183.1S8泉水345.47.951.024.072.114.626.9115.3183.1

表2　埋深0～30 m地下水樣點(diǎn)水化學(xué)數(shù)據(jù)

表3　埋深30～100 m的地下水樣點(diǎn)水化學(xué)數(shù)據(jù)

3.1.3Na+-Cl-和Na+/Cl--Cl-之間的關(guān)系分析

在圖4的Na+/Cl--Cl-關(guān)系圖(圖4(b))中，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cl-<40 mg/L時(shí)，河水樣點(diǎn)隨Cl-濃度的增大，Na+/Cl-比值逐漸減小，說(shuō)明風(fēng)化礦物提供的Na+是有限的，不斷被氯化物的加入而稀釋?zhuān)欢畼狱c(diǎn)中，當(dāng)Cl-濃度基本恒定在20～30 meq/L時(shí)，Na+/Cl-比值的變化范圍比較大，說(shuō)明火焰山—鹽山北側(cè)溢出帶泉水中的Na+主要來(lái)自土壤帶中風(fēng)化礦物的溶解；當(dāng)Cl->40 mg/L時(shí)，樣點(diǎn)隨Cl-濃度的增大，Na+/Cl-比值趨大，說(shuō)明該組樣品中還存在其他形式的鈉鹽溶解。

3.1.4Na++Mg2+與Cl-+SO42-之間的關(guān)系分析

表4　埋深大于100 m的地下水樣點(diǎn)水化學(xué)數(shù)據(jù)

圖和SO42--Cl-之間的離子關(guān)系圖Fig.2　The relationship diagram of -Cl- and SO42--Cl-

3.2地下水的水文地球化學(xué)分析

在吐魯番盆地，隨著經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人類(lèi)修建了大量引水工程，將火焰山北側(cè)的水引到火焰山南側(cè)。由于這些引水灌溉渠道的運(yùn)作，對(duì)淺層地下水的化學(xué)成分造成影響，因此我們將所有地下水樣點(diǎn)分為兩組：

(1)埋深0～30 m的樣點(diǎn)(以下稱(chēng)淺層地下水)，用○表示；

(2)埋深大于100 m的樣點(diǎn)(以下稱(chēng)深層地下水)，用●表示。

圖與Ca2+離子關(guān)系圖Fig.3　The relationship between and Ca2+

圖4　Na+與Cl-之間的關(guān)系圖Fig.4　The relationship between Na+ and Cl-

圖5　Na++Mg2+與Cl-+SO42-之間離子關(guān)系圖Fig.5　The relationship between Na++Mg2+ and Cl-+SO42-

圖與Cl-之間的關(guān)系圖Fig.6　The relationship between and Cl-

圖7　Na+-Cl-和Na+/Cl--Cl-關(guān)系圖Fig.7　The relationship diagram of Na+-Cl- and Na+/Cl--Cl-

3.2.2Na+-Cl-和Na+/Cl--Cl-的關(guān)系分析

在圖7的Na+/Cl--Cl-的關(guān)系圖(圖7(b))上，可將比值大于1的點(diǎn)分為兩個(gè)區(qū)，其在Na+-Cl-的關(guān)系圖(圖7(a))上表現(xiàn)為兩條平行的蒸發(fā)線(xiàn)。這兩條蒸發(fā)線(xiàn)的截距不同，說(shuō)明在地下水中還存在其他形式的鈉鹽溶解。同時(shí)，通過(guò)Na+-Cl-關(guān)系圖(圖7(a))上的3條平行蒸發(fā)線(xiàn)顯示：在TDS比較低時(shí)，地下水中除石鹽溶解之外，還存在其他類(lèi)型鈉鹽溶解(包括來(lái)自風(fēng)化礦物溶解)；而在TDS趨向高時(shí)，則以石鹽溶解占主導(dǎo)。

3.2.3Na++Mg2+與Cl-+SO42-之間的關(guān)系分析

圖8　Na++Mg2+與Cl-+SO42-之間離子關(guān)系圖Fig.8　The relationship between Na++Mg2+and Cl-+SO42-

4　結(jié)　論

因?yàn)槁入x子在透水巖石中是不會(huì)停留的，所以常常用Cl-濃度來(lái)判斷水中蒸發(fā)鹽的來(lái)源。在研究區(qū)中，水中大部分化學(xué)成分來(lái)自易溶鹽的溶解，這些易溶鹽主要源于蒸發(fā)作用，這一點(diǎn)可從目前條件下艾丁湖的地層礦物組成中得到證明[22]。

(2)埋深 0～30 m地下水中，在鹽度比較低時(shí)，MgCl2和NaCl同步增長(zhǎng)；隨著鹽度的增大，石鹽的溶解占據(jù)主導(dǎo)，包括來(lái)自艾丁湖和其他鹽沼的揚(yáng)沙和浮塵(含蒸發(fā)鹽)的影響越來(lái)越明顯。

(3)埋深大于100 m的地下水和淺層地下水相似，影響地下水水化學(xué)變化的蒸發(fā)鹽主要是Na2SO4、MgSO4、NaCl和MgCl2。

(4)依據(jù)研究區(qū)地形地貌、水文氣象以及水文地質(zhì)條件，認(rèn)為蒸發(fā)鹽的形成大致存在3個(gè)來(lái)源：①農(nóng)田灌溉水蒸發(fā)，在地面土壤層形成蒸發(fā)礦物，這與灌溉輸水溝渠以及農(nóng)田作物有關(guān)；②在地下水水位淺埋區(qū)，毛細(xì)上升，地下水蒸發(fā)，在土壤層和包氣帶形成蒸發(fā)礦物；③來(lái)自艾丁湖(和其他干涸鹽湖)的表層沉積物，例如被風(fēng)吹揚(yáng)起來(lái)的揚(yáng)沙和浮塵，均把蒸發(fā)礦物帶到地面的不同位置。

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Formation and Evolution of Main Chemical Components of Surface Water and Groundwater in Turpan Basin

CAI Yuemei1， WANG Wenxiang1，ZHANG Mingjiang3， CAI Wutian1， YIN Xiulan2，WANG Ruijiu2， LI Wenpeng1

(1.CenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey，ChinaGeologicalSurvey，Baoding，Hebei071051，China;2.ChinaInstituteofGeo-EnvironmentalMonitoring，Beijing100081，China;3.No.1Hydrogeology&EngineeringGeologyExplorationTeamofXinjiangGeology&MineralBureau，Urumqi，Xinjiang830091,China)

Turpan Basin is one of the inland basins in Northwest China, which is rich in major mineral resources (e.g. iron ore). Investigation of the formation and evolution of chemical composition in groundwater and surface water in Turpan Basin is critical to the utilization and protection of groundwater in this region. In this study, inorganic ion tracer method was employed to analyze the relationship between main ions and Cl-or main ions/Cl-and Cl-, and the formation of major chemical composition in surface water and groundwater in Turpan Basin was also investigated. Furthermore, the evolution of chemical composition and the potential source of salt in groundwater in this region was also illustrated. Based on this study, it was found that evaporate minerals in Turpan Basin is the major factor that could affect the hydrochemistry changing of groundwater in different depth. The evaporate minerals in this region are mainly derived from the surface soil, soil layer, vadose zone and Aydingkol Lake sediments.

Turpan Basin; surface water; groundwater; hydrochemistry; evaporate mineral; soluble salt

2015-07-07；改回日期：2015-10-09；責(zé)任編輯：樓亞兒。

新疆維吾爾自治區(qū)“358”項(xiàng)目“新疆東疆地區(qū)煤炭基地地下水勘查”(2010005)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“準(zhǔn)噶爾盆地地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)”(水[2014]02-007-005))。

蔡月梅，女，工程師，1985年出生，水文學(xué)及水資源專(zhuān)業(yè)，主要從事水文地球化學(xué)和地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)工作。Email:cz-cai-yuemei@163.com。

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A

1000-8527(2016)03-0680-08