塔里木沙漠公路沿線淺層地下水化學(xué)特征

范薇　周金龍　曾妍妍　周殷竹　陳云飛　李玲　侯珺

摘要：為研究新疆塔里木沙漠公路沿線淺層地下水水化學(xué)特征及其成因，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線圖、Gibbs圖、相關(guān)性分析和離子比值等方法分析研究區(qū)2014年20組淺層地下水水樣測試結(jié)果，并探討沙漠公路沿線水化學(xué)演化過程的主要控制因素。研究結(jié)果表明，淺層地下水中主要陰陽離子為SO42-和Na+;TDS介于543.61～10 249.74 mg/L，平均值為4 087.58 mg/L;pH值的范圍在7.11～9.05，平均值為7.87;總硬度超過450 mg/L的水樣占95%;地下水水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na型、SO4·Cl-Na·Mg型和SO4·Cl-Na·Ca型為主;地下水中SO42-和Na+是TDS的主要來源，且SO42-和Na+主要來源于巖鹽或蒸發(fā)巖溶解;各主要離子間均有較好的相關(guān)性，其來源具有一致性;大氣降水作用對研究區(qū)地下水化學(xué)組分幾乎沒有影響，地下水主要受蒸發(fā)濃縮和巖石風(fēng)化作用影響;地下水中主要離子來源受硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化溶解影響較大，同時(shí)受到碳酸鹽巖的溶解和陽離子交換作用影響。

關(guān)鍵詞：水化學(xué)特征;飽和指數(shù);成因分析;離子來源;塔里木沙漠公路

中圖分類號(hào)：P641文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Desert Highway in Xinjiang，we analyzed the test data of 20 groundwater samples in the study area in 2014 and explored the major controlling factors of the hydrochemical evolution processes along the highway by means of mathematical statistics，Piper triangular diagrams，Gibbs figure，correlation analysis，and ion ratios.The results showed that the major anions and cations in the shallow groundwater were SO42- and Na+.The total dissolved solids （TDS） concentration ranged from 543.61 to 10 249.74 mg/L with an average value of 4 087.58 mg/L.The pH ranged from 7.11 to 9.05 with an average value of 7.8 7.95% of the water samples had a total hardness above 450 mg/L.The major hydrochemical types of groundwater were SO4·Cl-Na，SO4·Cl-Na·Mg and SO4·Cl-Na·Ca.SO42- and Na+ were the main sources of TDS，and they were mainly derived from rock salt or evaporite dissolution.All the major ions had good correlation with each other，and their sources were consistent.Atmospheric precipitation had little effect on the chemical composition of groundwater in the study area.The groundwater was mainly affected by evaporation and rock weathering.The main ion source in groundwater was greatly affected by the weathering and dissolution of silicate rock and evaporite rock.It was also affected by the dissolution of carbonate rock and cation exchange.

Key words：hydrochemical characteristics;saturation indices;origin analysis;ion source;Tarim desert highway

地下水化學(xué)組分是地下水與環(huán)境相互作用的產(chǎn)物，了解地下水的化學(xué)特征及形成作用，對地下水資源的保護(hù)和可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義[1]。塔里木沙漠公路北起新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡稱“新疆”）輪臺(tái)縣314國道，南連民豐縣315國道，南北貫通塔克拉瑪干沙漠，位于塔里木盆地中部偏東地帶，全長562 km。沙漠公路可以分為北段（綠洲區(qū)）、中段（沙漠區(qū)）和南段（綠洲區(qū)）。為保證其安全運(yùn)行，國家建立了塔里木沙漠公路防護(hù)林生態(tài)工程，并采用地下水進(jìn)行滴灌。前人對沙漠公路沿線沙漠區(qū)地下水形成分布規(guī)律，地下水化學(xué)成分空間分布特征等內(nèi)容進(jìn)行了研究[2-6]。但目前尚缺乏對該區(qū)地下水化學(xué)成分形成機(jī)制的系統(tǒng)研究，本文綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Gibbs圖、Piper三線圖及離子比值等方法對塔里木沙漠公路沿線淺層地下水水化學(xué)特征及其成因進(jìn)行分析，以期為地下水資源評價(jià)、合理開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠位于我國新疆天山與昆侖山、阿爾金山之間的最大內(nèi)陸盆地-塔里木盆地，呈橢圓形，總面積33.78萬 km2?？傮w地勢西高東低，南高北低。氣候干旱少雨，年降水量10～50 mm，年蒸發(fā)為3 638.6 mm[7]。塔里木沙漠地面景觀以流動(dòng)性高大復(fù)合沙壟為主，土壤類型絕大部分為流動(dòng)風(fēng)沙土。塔里木沙漠公路介于37°-42°N和82°-85°E之間，基本沿84°E呈南北向穿越塔克拉瑪干沙漠。

沙漠公路沿線地表水極度匱乏，但地下水儲(chǔ)存量較大，據(jù)估算，地下水基礎(chǔ)儲(chǔ)存量為16.29億 m3，年動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量為9 671萬 m3至9 931萬 m3。主要含水層類型為：古河道含水層（分布在古河道及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)，含水層以細(xì)砂為主，沉積物相對河間平原顆粒要粗，巖性均勻）;河間平原含水層（位于古河道間受洪水泛濫影響地區(qū)，含水層有許多粘土、亞粘土夾層，厚度不等，也有細(xì)砂）;干三角洲平原含水層（位于沙漠公路南段，縱向沙壟覆蓋區(qū)，含水層上層有風(fēng)積砂和水沉積沙交互層，下部屬河流沖洪積沉積）;風(fēng)積沙含水層（主要分布在較大古河道區(qū)的表層和縱向沙壟覆蓋區(qū)的上部地層，多屬極細(xì)砂）。淺層地下水水位埋深較淺（一般小于10 m），水力坡度平緩（約1‰～2‰）[2]。

淺層地下水主要以第四系松散巖類孔隙潛水形式出現(xiàn)，沙漠內(nèi)第四系松散沉積物可厚達(dá)400～600 m。盆地中部的巨厚砂土堆積，成為地下水儲(chǔ)藏、運(yùn)移的良好介質(zhì)場所，而山前河流在向盆地中部流動(dòng)過程中的大量滲漏則是沙漠中地下水的可靠保證。河流對沙漠地下水的強(qiáng)烈補(bǔ)給僅局限在河流兩側(cè)和末端鄰近的沙漠邊緣地帶，對沙漠腹地地下水影響需要有較長時(shí)期。地下水補(bǔ)給主要來自沙漠南緣平原區(qū)的地下徑流，沙漠公路北段沿線淺層地下水形成主要源于塔里木河河水及其中游地區(qū)古河道季節(jié)洪水補(bǔ)給。沙漠區(qū)地下水的排泄，除少數(shù)以潛流方式排入塔里木河沖積平原外，主要是通過蒸發(fā)和植物蒸騰方式垂直消耗，且這種消耗伴隨在整個(gè)緩慢的徑流過程中[8]，塔里木沙漠公路防護(hù)林生態(tài)工程滴灌水源井開采也是地下水的排泄方式之一。地下水大致流向?yàn)橛赡舷虮?，至塔里木沖積平原折向東流。

1.2 樣品采集與處理

2014年沿塔里木沙漠公路共采集淺層地下水樣品20組，井深范圍為5～180 m，覆蓋公路段562 km。淺層地下水樣品采集點(diǎn)依據(jù)《地下水污染調(diào)查評價(jià)規(guī)范（1∶50 000-1∶250 000）》（DD2007-01）且遵循區(qū)域控制的原則進(jìn)行布設(shè)，采樣點(diǎn)分布見圖1。沙漠公路北段取樣點(diǎn)包括X7、X13、X14、X15、X16、X17，中段取樣點(diǎn)包括X8、X9、X10、X11、X12，南段取樣點(diǎn)包括X1、X2、X3、X4、X5、X6、X18、X19、X20。水樣嚴(yán)格按《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HL/T164-2004）進(jìn)行采集、保存、送樣。在開泵10 min后進(jìn)行樣品采集，采集樣品時(shí)用所采集的井水對取樣瓶潤洗3～5次，采用1 500 mL聚乙烯瓶取樣并原樣保存。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

水樣測試嚴(yán)格依據(jù)《生活飲用水檢驗(yàn)方法》（GB/T5750-2006）由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所礦泉水檢測中心檢測，檢測項(xiàng)目的選擇依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HL/T164-2004），包括K+、Ca2+、Na+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-、pH、TDS和總硬度（TH）。主要檢測儀器為iCAP6300等離子體發(fā)射光譜儀，pH檢測下限為0.01，其余項(xiàng)目檢測下限均為0.05 mg/L。采用陰陽離子平衡檢驗(yàn)方法對水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)，取陰陽離子平衡的相對誤差E的絕對值小于5%為可靠數(shù)據(jù)，經(jīng)檢驗(yàn)，所有數(shù)據(jù)均為可靠數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學(xué)組成特征

各水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)及檢測結(jié)果分別見表1和表2。由表1可知，地下水呈弱堿性。研究區(qū)地下水水樣硬度超過450 mg/L的水樣占95%，所以該區(qū)地下水硬度類型為極硬水。除地下水點(diǎn)X7的NO3-濃度（52 mg/L）較高外，整體上NO3-濃度較低，說明該區(qū)受人類活動(dòng)影響較小。地下水水體中陽離子各組分濃度整體為Na+>Ca2+>Mg2+>K+，陰離子質(zhì)量濃度表現(xiàn)為SO42->Cl-> HCO3-，沙漠公路沿線地下水中Na+和SO42-濃度占明顯優(yōu)勢。由圖2、圖3可知，K+濃度沿流向呈遞減趨勢，Mg2+、Na+、Ca2+、SO42-、Cl-和HCO3-等濃度沿流向呈增加趨勢，而pH沿流向整體有減小趨勢，主要是由于在沙漠公路南段受巖石風(fēng)化作用明顯，風(fēng)化產(chǎn)生較多的堿性物質(zhì)，使公路南段的pH相對較高，TDS濃度沿流向有較大變化，總體呈增加趨勢，主要是沿流向隨路徑增加溶解礦物的增多使水中離子濃度增加而TDS也不斷增大。

3.4 蒸發(fā)濃縮作用

由研究區(qū)Gibbs圖可以得知，地下水水化學(xué)主要受蒸發(fā)濃縮作用的影響。利用水文地球化學(xué)模擬軟件PHREEQC計(jì)算研究區(qū)淺層地下水水樣的各礦物飽和指數(shù)SI，用SI來進(jìn)一步確定蒸發(fā)濃縮作用對地下水水化學(xué)成分的影響。SI>0時(shí)，表示該礦物相對水溶液處于過飽和狀態(tài);SI=0時(shí)，表示礦物相對水溶液正好處于平衡狀態(tài);SI<0時(shí)，表示該礦物相對水溶液未達(dá)到飽和狀態(tài)，礦物將發(fā)生溶解[20]。由表4可知，方解石（全部取樣點(diǎn)）和白云石（X1除外）SI值均大于0，說明研究區(qū)方解石和白云石等碳酸鹽礦物處于飽和狀態(tài)。石膏和巖鹽SI值均小于0，說明研究區(qū)地下水中石膏和巖鹽礦物溶解占主導(dǎo)地位，這與前述分析結(jié)果吻合，且與Zhou[21]的研究結(jié)果相同。

4 結(jié)論

（1）塔里木沙漠公路沿線地下水中Na+和SO42-濃度占明顯優(yōu)勢，pH值的范圍在7.11～9.05，屬于弱堿性水;TDS變化范圍543.61～10 249.74 mg/L，總體為微咸水-咸水;總硬度超過450 mg/L的水樣占95%，屬于極硬水。

（2）塔里木沙漠公路沿線地下水水化學(xué)類型以SO4[KG-*2]·[KG-*4]Cl-Na型、SO4[KG-*2]·[KG-*4]Cl-Na[KG-*2]·[KG-*4]Mg型和SO4[KG-*2]·[KG-*4]Cl-Na[KG-*2]·[KG-*4]Ca型為主，地下水主要受蒸發(fā)濃縮和巖石風(fēng)化作用影響，地下水中主要離子來源受硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化溶解影響較大，同時(shí)受到碳酸鹽巖的溶解影響。

（3）研究區(qū)地下水中Na+、Ca2+、Mg2+和SO42-主要來源于硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解。研究區(qū)地下水水化學(xué)特征還受陽離子交換作用影響。

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