皮山河地表水和地下水水化學(xué)特征分析

梁冰++楊向榮++封麗華++李升

摘 要：采用水文地質(zhì)調(diào)查和水化學(xué)技術(shù)，通過對皮山河流域地表水和地下水的補(bǔ)徑排關(guān)系及水化學(xué)分析研究，探討了皮山河流域地表水和地下水的水化學(xué)特征分布。結(jié)果表明，皮山河地表水從上游到下游礦化度整體呈上升趨勢，而中間略有波動，西北支流和東北支流溶解性總固體（TDS）質(zhì)量濃度范圍分別為237.45～663.58mg/L和237.45～2306.10mg/L。

關(guān)鍵詞：地表水；地下水；水化學(xué)

中圖分類號：P342 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0176-04

引言

地下水水化學(xué)研究是水文地質(zhì)學(xué)的重要研究內(nèi)容之一。開展相關(guān)研究不僅對揭示地下水化學(xué)特征和水化學(xué)形成作用具有重要的學(xué)術(shù)意義，而且對地下水水資源保護(hù)和可持續(xù)開發(fā)利用具有重要的實(shí)際價值[1-3]。天然水的化學(xué)成分是水在循環(huán)過程中與周圍環(huán)境長期相互作用的結(jié)果[4]。因此，天然水化學(xué)組成從一定程度上記錄著水體形成、運(yùn)移的歷史，是了解地下水與地表水相互作用的一種“有效示蹤方法”[4-5]。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣象

研究區(qū)地處亞洲內(nèi)陸，塔里木盆地南緣，遠(yuǎn)離海洋，屬典型的大陸性干旱氣候。氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，干旱多風(fēng)，氣溫變化劇烈，晝夜溫差大，年溫差懸殊。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 地下水分布及其特征

流域內(nèi)主要分布有碎屑巖類孔隙裂隙水及松散巖類孔隙水，分述如下：

（1）碎屑巖類孔隙裂隙水

分布于工作區(qū)南部的低山丘陵區(qū)，含水層巖性主要為新近系砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖、礫巖，次為古近系礫巖、砂巖等。單井涌水量小于100m3/d。

（2）松散巖類孔隙水

松散巖類孔隙水為單一結(jié)構(gòu)潛水。含水層由上更新統(tǒng)-中更新統(tǒng)洪積、下更新統(tǒng)冰水沉積及全新統(tǒng)沖洪積層組成。含水層巖性具有明顯的水平分帶性：自山麓向平原在水平方向上，巖性由粗變細(xì)，即由卵礫石逐漸過渡為砂礫石、中粗砂、粉細(xì)砂和亞砂土。在垂直方向上：由單一的卵礫石層逐漸過渡為砂礫石、砂層、亞砂土互層。

1.2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

地下水主要接受南部山區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給和區(qū)內(nèi)垂直入滲補(bǔ)給（渠系、水庫、水塘、田間入滲）。

山前沖洪積礫質(zhì)平原為地下水補(bǔ)給-徑流區(qū)，礫質(zhì)平原中部至細(xì)土平原前緣為徑流-排泄區(qū)。地下水由南向北運(yùn)移，方向基本與河流流向一致。

從山前礫質(zhì)平原區(qū)到細(xì)土平原前緣，隨著含水層顆粒變細(xì)，運(yùn)移速度變緩，細(xì)土平原至沙漠前緣為地下水排泄區(qū)，地下水溢出后形成沼澤、小型湖泊和泉水河，并通過蒸發(fā)、蒸騰排泄和側(cè)向流入沙漠。

地下水在溢出帶及平原河谷下游，以泉的形式排泄，匯入泉水溝及河道，潛水在水平徑流的同時，垂向循環(huán)加強(qiáng)，以地面蒸發(fā)、植物蒸騰消耗為主。

2 研究區(qū)水化學(xué)分布特征

利用Piper三線圖可判斷某種水體水化學(xué)類型及各離子組分含量的比例關(guān)系等。[6]而水體和含水層介質(zhì)中的離子交換反應(yīng)通常用Chloro-Alkaline指數(shù)來研究[7-8]；當(dāng)水中的Ca2+或Mg2+與含水層介質(zhì)中的Na+或K+發(fā)生交換反應(yīng)，Chloro-Alkaline指數(shù)為負(fù)值，如果發(fā)生反向離子交換，Chloro-Alkaline為正值。

皮山流域共取樣20個，其中地表水6個，地下水14個，現(xiàn)根據(jù)檢測結(jié)果分析如下。

2.1 地表水水化學(xué)特征分析

皮山河流域共取地表水水樣6個，由表1可以看出，從出山口到排泄區(qū)，地表水化學(xué)類型呈現(xiàn)出規(guī)律的變化。出山口水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Na型水，沿河水流動方向水化學(xué)類型逐漸變化為SO4·CI-Na·Ca和SO4·CI·HCO3-Na·Mg型水。

河水礦化度沿河流流向整體呈遞增趨勢，由出山口向河流下游排泄區(qū)，礦化度波動較大。河流出山口處TDS為237.45mg/L，到科熱鐵熱克鄉(xiāng)村東水庫達(dá)到最大值，為2306.10mg/L其主要原因?yàn)樗畮焖恼舭l(fā)作用較為強(qiáng)烈。

河水常量離子組分的變化規(guī)律與TDS大致相同，離子含量不斷升高，但其離子組分所占百分比有所變化。陽離子中優(yōu)勢離子由Ca2+逐漸變化為Na+，而二者含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Mg2+，陰離子中HCO3-一直占主導(dǎo)地位，分別為Cl-和SO42-的1.47倍和1.25倍。

2.2 淺層地下水水化學(xué)特征分析

皮山河流域淺層水隨著水流方向水化學(xué)類型從HCO3·SO4·CI-Ca·Na型水逐漸變?yōu)镾O4·Cl·HCO3-Na·Mg和Cl·SO4-Na·Mg型水。TDS整體趨勢先減小后增大，總體呈上升態(tài)勢，在JFX21達(dá)到最大，為2658.50mg/L。

皮山河流域潛水中的主要離子成分沿徑流方向整體上升，陽離子中的優(yōu)勢離子由Ca2+轉(zhuǎn)化為Na+，與地表水的變化規(guī)律相同，證明二者有密切的水力聯(lián)系。而陰離子中的優(yōu)勢離子由最初的HCO3-逐漸變?yōu)镾O42-，分別為SO42-和Cl-的1.51倍和1.34倍。

2.3 水文地球化學(xué)參數(shù)

特定的水文地球化學(xué)參數(shù)可以刻劃水動力特點(diǎn)和水化學(xué)演化趨勢，其中rCl-/rCa2+比值作為刻劃水動力特點(diǎn)的參數(shù)，可以反映不同水文地質(zhì)單元的水動力特征，rMg2+/rCa2+及rNa+/rMg2+比值反映了礦化作用的強(qiáng)弱，rCl-/rHCO3-、rCl-/rSO42-比值可作為反映陰離子演化過程及組分分配等變化的水文地球化學(xué)參數(shù)，rNa+/rCl-則反映了大陸鹽化過程。

由表3可知：皮山河流域潛水，rCl-/rCa2+在上游較為平穩(wěn)，但在下游呈現(xiàn)出波動性，由此表明，由南向北水動力條件比較復(fù)雜，與TDS變化規(guī)律一致。Cl-在滯緩的水動力帶中富集，礦化度升高。rNa+/rMg2+“兩極分化”，分別處于0.02～0.41和0.95～1.13范圍內(nèi)。endprint

rCl-/rHCO3-、rCl-/rSO42-整體呈增長趨勢，與Piper三線圖反應(yīng)結(jié)果一致。

rNa+/rCl-范圍較小，反映了大陸鹽化過程及Na+、Cl-相對含量的增長情況?？傮w來看，Na+與Cl-含量比值較為平穩(wěn)，水質(zhì)向鹽化方向發(fā)展，變化較為穩(wěn)定。

3 水化學(xué)空間分布特征

由圖3可知，由上游至下游，地表水由Ca和HCO3一端向Mg和SO4一端演化，地下水由Ca和HCO3一端向Na和SO4一端演化。說明二者在出山口接受相同的補(bǔ)給，推測地表水的Mg2+的急劇上漲與淺層地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給有關(guān)，而地下水Na+含量的上升是由于細(xì)土平原帶地下水位埋深較淺，蒸發(fā)作用強(qiáng)而且有鹽巖溶解而導(dǎo)致。同時SO42-含量上升，而Ca2+的含量下降，Mg2+的含量上升，推測未發(fā)生明顯的白云石溶解現(xiàn)象，而有硫酸鎂巖石的溶解。

Chloro-Alkaline指數(shù)為負(fù)值，表明地表水在徑流過程中水體中的Ca2+與河床介質(zhì)中的Na+發(fā)生離子交換，使得地表水中Na+濃度大于Cl-的濃度。由表4可知，皮山河上中下游的Chloro-Alkaline均為正值，呈現(xiàn)出反向陽離子交換作用，推測河流上游河床介質(zhì)中Na+含量少而Ca2+含量多，河水主要以溶解含Ca2+礦物為主。

4 結(jié)束語

從皮山河上游至下游，地表水水化學(xué)類型由HCO3·SO4-Ca·Na型水逐漸變化為SO4·CI-Na·Ca和SO4·CI·HCO3-Na·Mg型水，陽離子中優(yōu)勢由Ca2+變?yōu)镹a+，陰離子中HCO3-一直都是優(yōu)勢離子。淺層地下水的水化學(xué)類型由HCO3·SO4·CI-Ca·Na型水變?yōu)镾O4·Cl·HCO3-Na·Mg和Cl·SO4-Na·Mg型水，陽離子中的主導(dǎo)離子由Ca2+變?yōu)镹a+，陰離子中的主導(dǎo)離子由HCO3-變?yōu)镾O42-。

地表水和地下水接受相同的補(bǔ)給來源，二者水化學(xué)演化過程出現(xiàn)不同推測是因?yàn)闇\層地下水測向補(bǔ)給地表水，使地表水中的Mg2+含量上升，而同時Na+和Mg2+發(fā)生了離子交換作用，使皮山河中下游地表水的水化學(xué)特征異于地下水。淺層地下水水化學(xué)特征變化的主要機(jī)制來源于巖鹽，硫酸鎂巖石等的溶解，同時受蒸發(fā)濃縮作用的影響。

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