疏勒河流域地下水化學特征及控制因素研究

張百祖 宋天琪

摘?要：為了解決疏勒河流域地下水退化過程中出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境問題，在分析疏勒河中下游盆地地下水TDS含量空間變化和分析地下水化學特征的基礎上，闡明了控制該地區(qū)地下水化學演化的主要因素，結果表明：疏勒河流域地下水TDS含量從祁連山前至瓜州盆地逐漸增大，研究區(qū)地下水的流動方向為祁連山前→玉門-踏實盆地→瓜州盆地;祁連山前泉水、玉門-踏實盆地地下水和瓜州盆地地下水的主要水化學類型分別為Mg-Ca-HCO3、Mg-Ca-HCO3-SO4、Na-Mg-SO4-Cl型;控制疏勒河流域地下水水化學演化的主要因素包括巖石風化作用和蒸發(fā)結晶作用，其中巖石風化作用占主導地位。

關鍵詞：干旱區(qū);地下水;水化學演化;疏勒河流域

中圖分類號：TV211.1+2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.014

Factor Controllingon Groundwater Geochemical Evolution in the Middle and

Lower Reaches of the Shule River Basin

ZHANG Baizu， SONG Tianqi

（The Hydrological Bureau of Juquan in Gansu Province， Jiayuguan 735100， China）

Abstract：In this paper， the geochemical signatures were employed to investigate factor controlling on groundwater geochemical evolution in the Shule River basin in northwestern China， where groundwater extensive extraction occurs for agriculture and domestic supply. The results show that the TDS concentrations of groundwater gradually increases from the Qilian Mountains front to the Guazhou basin. Springs in the mountain front of the Qilian Mountains， the Yumen-Tashi groundwater， and the Guazhou groundwater were Ca-HCO3， Ca-Mg-HCO3-SO4 and Na-Mg-SO4-Cl types， respectively. Geochemical evolution in groundwater was possibly due to a combination of mineral dissolution， mixing processes and evapotranspiration along groundwater flow paths，but the mineral dissolution was the main cause.

Key words： arid regions; groundwater; geochemical evolution; Shule River basin

地處河西走廊西端的疏勒河流域是典型的內(nèi)陸河流域。流域灌區(qū)主要包括昌馬灌區(qū)、雙塔灌區(qū)和花海灌區(qū)，總灌溉面積8.38萬hm2[1]。為了滿足疏勒河灌區(qū)不斷增長的用水需求，在疏勒河出山口的昌馬盆地修建了昌馬水庫，在瓜州縣雙塔鄉(xiāng)修建了雙塔水庫[2]。兩個水庫修建后，該地區(qū)出山口徑流幾乎全被人為控制，影響疏勒河流域地表水和地下水的循環(huán)轉化過程[3]，使得原來依靠地下水生存的荒漠河岸林大片死亡，土地沙漠化嚴重，該地區(qū)成為沙塵暴頻發(fā)的地區(qū)之一。

為了協(xié)調(diào)灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境用水，疏勒河流域?qū)嵭卸ㄆ诜炙媱潯Ｊ芏ㄆ诜炙拗?，當?shù)鼐用耖_挖機井以滿足平時用水需求。據(jù)不完全統(tǒng)計，該地區(qū)目前有開采井3 382眼，總開采量16 870萬m3/a，灌溉面積2.5萬hm2[4]。受地下水大量開采影響，昌馬灌區(qū)地下水水位累計下降了0.6～3.0 m，雙塔灌區(qū)地下水水位累計下降了2.0～8.0 m。地下水水位下降導致疏勒河流域濕地大面積萎縮。長期以來，由泉水溢出匯集而成的塘壩水除了保證農(nóng)田灌溉外，每年有250萬m3水流入該地區(qū)的荒漠草原。截至2004年7月，幾乎所有的塘壩水已經(jīng)干涸，而疏勒河流域的地下水水位仍在下降，地下水咸化明顯[4]。

要解決疏勒河流域地下水退化過程中出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境問題，需要對疏勒河流域地下水的水化學環(huán)境及其主要影響因素有一個系統(tǒng)和全面的認識。干旱區(qū)地下水的化學組成受諸多因素影響，包括降水、地質(zhì)條件、含水層中的礦物、含水層中的水文地球化學過程等，各因素相互作用、相互影響導致含水層中的地下水出現(xiàn)多種水化學類型[5]。通常利用地下水中主要離子的含量來確定地下水的水化學類型。地下水主要離子的空間變化可以反映區(qū)域含水層的異質(zhì)性和連通性[6]，揭示主導研究區(qū)地下水演化的機制[7]。鑒于此，筆者在分析疏勒河中下游盆地地下水TDS含量空間變化和地下水化學特征的基礎上，闡明控制該地區(qū)地下水化學演化的主要因素，以期為維護區(qū)域地下水環(huán)境安全提供理論基礎和參考依據(jù)。

1?研究區(qū)概況

疏勒河流域位于河西走廊西部，青藏高原和內(nèi)蒙古阿拉善高原的過渡地帶，發(fā)源于祁連山脈的崗格爾肖合力嶺冰川，是河西走廊上三大內(nèi)陸河之一[8]。疏勒河干流自東向西全長670 km，流域面積17萬km2，其中干流流域面積4.13萬km2。河流從昌馬峽出山后進入昌馬灌區(qū)和雙塔灌區(qū)。其中疏勒河河源至昌馬水庫為上游，昌馬水庫至雙塔水庫為中游，雙塔水庫至哈拉湖為下游。雙塔水庫建成后，攔截了絕大部分地表徑流，導致下游河道干涸[9]。疏勒河流域有非常豐富的地下水資源，賦存于第四系松散巖孔隙中。據(jù)計算，疏勒河平原區(qū)地下水總補給量（包括降水入滲、山前側向補給、地表水體入滲和灌溉回歸水補給）約14.38億m3/a。

疏勒河沖積扇區(qū)域基巖為古生代低變質(zhì)角閃巖相，在其上沉積了侏羅系、白堊系、第三系和第四系。古生代低變質(zhì)角閃巖相的基底埋深大于3 000 m，第四系沉積物厚度順著疏勒河的流向逐漸變薄。在疏勒河沖積扇頂部，第四系松散沉積物厚度為500～600 m;在沖積扇邊緣的細土平原區(qū)第四系松散沉積物厚度減小為150～200 m，而在北山和寬灘山前小于50 m。從地層分布來看，下更新統(tǒng)南部厚度大，向北明顯變薄。由全新統(tǒng)（Q4）礫石層組成的沖積扇表面坡度、沉積層厚度及沉積物粒度從扇頂向扇緣逐漸變緩、變薄、變細[11]，見圖1。

疏松巨厚的第四系沉積物是研究區(qū)主要的潛水含水層。研究區(qū)潛水含水層厚度自南而北逐漸變薄。疏勒河沖積扇區(qū)為最富水地段，單井涌泉量大于5 000 m3/d，沖積扇緣及以西地帶為1 000～3 000 m3/d，疏勒河尾閭區(qū)及北山山前地區(qū)小于1 000 m3/d。近年來，受研究區(qū)地表水截流灌溉和地下水大量抽取利用影響，玉門和瓜州盆地部分地區(qū)泉水消失，區(qū)域地下水水位累計下降幅度分別超過6 m和3 m[12]。

2?樣品采集與分析

2012年、2013年先后兩次對疏勒河流域地下水進行調(diào)查和采樣，共獲得地下水樣品32組，采集的地下水樣品主要來源于泉水、飲用水井和灌溉井。采集樣品前，先用目標水體徹底涮洗高密度聚乙烯（HDPE）采樣瓶3次，然后在采樣瓶中裝滿目標水樣，并用封口膜（Pafilm）密封口。采集的地下水樣品立即冷藏并帶回實驗室，放入冰箱冷藏待測。

地下水樣品的TDS含量在野外利用HACH40d便攜式水質(zhì)分析儀（USA）現(xiàn)場測試完成，地下水HCO-3濃度在樣品收集后24 h內(nèi)利用硫酸滴定，其他離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO2-4、Cl-、NO-3濃度在中國科學院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室的ICS-2500離子色譜儀（Dionex， Sunnyvale， CA）上測試完成。

3?結果及討論

3.1?地下水TDS含量變化

疏勒河流域祁連山前泉水、中下游地區(qū)地下水TDS含量見表1。整個疏勒河流域除瓜州盆地西北緣幾個地下水采樣點TDS含量大于1 000 mg/L，屬于咸水外，其余各點TDS含量均小于1 000 mg/L，屬于淡水。從祁連山前至瓜州盆地，研究區(qū)地下水TDS含量逐漸增大，表明研究區(qū)地下水流動方向為祁連山前→玉門-踏實盆地→瓜州盆地。研究區(qū)地下水TDS含量最小的區(qū)域在祁連山前，最大的區(qū)域在瓜州盆地西北緣，而瓜州盆地為疏勒河流域地表水和地下水的排泄區(qū)。祁連山前泉水與玉門-踏實盆地地下水的TDS含量差異較小，但玉門-踏實盆地與瓜州盆地TDS含量差異顯著變大，表明從祁連山前至玉門-踏實盆地地下水補給速率大，地下水滯留時間短，水巖相互作用弱;同時，指示了瓜州盆地地下水補給速率小于玉門-踏實盆地的，地下水流動緩慢，受水巖作用和蒸發(fā)作用影響較大，地下水可溶解離子含量增加，鹽度變大。這一特點也印證了我國內(nèi)陸河流域地下水演化具有沿著地下水流動方向地下水TDS含量緩慢增大的規(guī)律[13]。

3.2?地下水水化學組成

疏勒河流域地下水主要離子組成表明：祁連山前泉水中陽離子的豐度由大到小的順序為Mg2+>Ca2+>Na+>K+，祁連山前泉水中陰離子豐度由大到小的順序為SO2-4>HCO-3>Cl->NO-3;玉門-踏實盆地地下水陽離子豐度由大到小的順序為Mg2+>Ca2+>Na+>K+，陰離子豐度由大到小的順序為HCO3->SO2-4>Cl->NO-3;瓜州盆地地下水陽離子豐度由大到小的順序為Mg2+>Na+>Ca2+>K+，陰離子豐度由大到小的順序為SO2-4>Cl->HCO-3>NO-3。

研究區(qū)地下水主要離子含量的空間變化揭示，從祁連山前至下游瓜州盆地，地下水各主要離子含量增大，增大幅度較大的為Mg2+、Na+、SO2-4和Cl-。Ca2+和HCO-3含量基本保持不變，可能是這兩種離子在地下水中的含量已經(jīng)飽和。祁連山前泉水和玉門-踏實盆地地下水中主要陽離子為Mg2+和Ca2+，瓜州盆地地下水中Na+濃度明顯高于Ca2+的，但依舊低于Mg2+的。瓜州盆地地下水中Cl-濃度增大，其濃度高于HCO-3的，但低于SO2-4的。

水化學Piper圖可直觀揭示水體中主要離子的空間關系，是分析地下水水化學類型常用的方法。由圖2可知，從祁連山前至下游瓜州盆地，地下水中的弱酸根離子、堿土金屬離子占比逐漸減小，強酸根離子和堿土金屬離子占比增大。祁連山前泉水的主要水化學類型為Mg-Ca-HCO3型，玉門-踏實盆地地下水主要為Mg-Ca-HCO3-SO4型，瓜州盆地地下水主要為Na-Mg-SO4-Cl型。疏勒河流域地下水水化學類型從祁連山前的Mg-Ca-HCO3型逐漸演化為Na-Mg-SO4-Cl型。同時，地下水中的陽離子含量從疏勒河流域上游的Mg2+為主逐漸演變?yōu)镹a+為主，反映了西北干旱區(qū)受礦物溶解和蒸發(fā)作用共同影響的典型地下水水流特征[14]。

3.3?地下水水化學演化及其影響因素

Gibbs圖可以用來有效解釋地下水中溶質(zhì)的物質(zhì)來源和演化過程。Gibbs圖將影響水體化學組成及演化的因素歸納為大氣降水、巖石風化和蒸發(fā)結晶3種。疏勒河流域山前泉水離子含量比ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）為0.15～0.57，玉門-踏實盆地地下水ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）為0.23～0.69，瓜州盆地地下水ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）為0.37～0.84。疏勒河流域水體的Gibbs圖表明，該地區(qū)絕大部分地下水樣品落在巖石風化區(qū)，少部分來自瓜州盆地的地下水和疏勒河中游的河水樣品落在了蒸發(fā)結晶區(qū)，且這部分樣品具有較高的TDS含量和ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）值（見圖3）。巖石風化作用是控制整個疏勒河流域地下水演化的主要因素，但瓜州盆地部分區(qū)域地下水化學組成受蒸發(fā)結晶作用影響較大。

祁連山前泉水、玉門-踏實盆地地下水和瓜州盆地地下水中Na+與Cl-相關性顯著，確定系數(shù)大于0.9。巖鹽溶解是疏勒河流域地下水中Na+和Cl-的主要來源。離子含量比ρ（Na+）/ρ（Cl-）作為鹽分淋溶與積累強度的標志，通常用來反映地下水在水平方向上的變化特點[15-16]。如果地下水中Na+和Cl-全部來源于巖鹽溶解，則ρ（Na+）/ρ（Cl-）值接近1。祁連山前泉水、玉門-踏實盆地地下水和瓜州盆地地下水ρ（Na+）/ρ（Cl-）值幾乎都大于1（見圖4（a）），揭示研究區(qū)地下水中Na+除來源于巖鹽溶解外，還有其他來源。疏勒河流域地表水和地下水的水文監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，地表水滲漏是該區(qū)地下水的主要補給來源[17]。疏勒河流域含水層多由沖積物和洪積物組成，因此含水層內(nèi)部含有大量黏土礦物[18]。

地表水下滲過程中不斷用自身已經(jīng)溶解的Ca2+和Mg2+置換含水層中的Na+，其置換方程[19]：

Na2（黏土礦物）+（Ca2++Mg2+）（地下水）→

（Ca+Mg）（黏土礦物）+2Na+（地下水） （1）

通過以上離子交換反應，地下水中Na+含量增加，Ca2+和Mg2+含量相對減少。含水層中的硅酸鹽礦物溶解也會釋放出Na+，其反應方程：

2NaAlSi3O8+2CO2+11H2O→

2Na++Al2Si2O5（OH）4+4H4SiO4+2HCO-3（2）

因此，疏勒河流域地下水中的Na+可能來源于離子交換和硅酸鹽礦物的溶解。類似的現(xiàn)象還出現(xiàn)在我國西北吉蘭泰鹽湖附近的地下水中[15]。如果地下水水化學演化主要受蒸發(fā)作用的影響而不是水巖交互作用，則ρ（Na+）/ρ（Cl-）值保持恒定[18]。疏勒河流域地下水總體來說隨著Cl-濃度的增大，ρ（Na+）/ρ（Cl-）值逐漸減小，進一步證明水巖交互作用是影響研究區(qū)地下水水化學組成的主要因素。瓜州盆地部分地下水隨著Cl-濃度的增大，ρ（Na+）/ρ（Cl-）值幾乎保持不變，表明這些地下水樣品的水化學組成主要受蒸發(fā)作用的影響。

一般來說，地下水中的Ca2+和Mg2+可能來源于水體中碳酸鹽、蒸發(fā)巖和硅酸鹽的風化。通常利用地下水中Ca2++Mg2+含量與HCO-3含量的關系解釋地下水中Ca2+和Mg2+的來源[15]。隨著地下水鹽度的增大，Ca2+和Mg2+在地下水中的溶解速率大于HCO-3的。如果地下水中Ca2+和Mg2+僅來自于碳酸鹽礦物的溶解，如方解石和白云石離子含量比ρ（Ca2++Mg2+）/ρ（HCO-3）值約為0.5[19]，其溶解反應方程：

CaMg（CO3）2+2H2O+2CO2→Ca2++Mg2++4HCO-3（3）

疏勒河流域地下水中Ca2++Mg2+含量均高于HCO-3含量（見圖4（b）），說明除白云石溶解外，還有其他礦物溶解釋放出Mg2+和Ca2+。研究區(qū)地下水中Ca2+與SO2-4相關性顯著，從祁連山前至瓜州盆地，其確定系數(shù)均大于0.75;但研究區(qū)地下水中Ca2+與HCO-3相關性不強，沒有通過0.05水平的顯著性檢驗。Ca2+與Mg2+及Ca2+與HCO-3的關系揭示石膏溶解是地下水中Ca2+和SO2-4的主要來源。石膏溶解反應方程：

CaSO4·2H2O→Ca2++SO2-4+2H2O （4）

另外，石膏溶解釋放出的Ca2+會進一步遏制地下水中碳酸鹽礦物的溶解，與HCO-3相比，過量的Mg2+和Ca2+被Cl-和SO2-4中和。

ρ（Mg2+）/ρ（Ca2+）、ρ（Na+）/ρ（Ca2+）值常用來區(qū)分溶質(zhì)的大致來源。以方解石溶解作用為主的地下水，ρ（Mg2+）/ρ（Ca2+）、ρ（Na+）/ρ（Ca2+）值相對較低;以白云石風化溶解作用為主的地下水具有較低的ρ（Na+）/ρ（Ca2+）值和較高的ρ（Na+）/ρ（Ca2+）值[19]。研究區(qū)地下水普遍具有較高的ρ（Mg2+）/ρ（Ca2+）值和較低ρ（Na+）/ρ（Ca2+）值（見圖4（c）），同時地下水樣品幾乎都位于1∶1線上方，表明地下水中白云石的溶解超過了方解石的。

各采樣點地下水呈現(xiàn)良好的線性關系，幾乎所有的地下水采樣點都沿著1∶1線分布，只有少數(shù)幾個來自瓜州盆地的地下水采樣點位于1∶1線下方（見圖4（d）），表明疏勒河流域地下水中主要離子的來源是方解石、白云石和石膏的溶解。Mg2+和Ca2+是地下水主要的陽離子，SO2-4和HCO-3是主要的陰離子，而地下水Mg2++Ca2+含量與SO2-4+HCO-3含量比約為1，表明地下水中陰陽離子大致處于平衡狀態(tài)。

為了研究含水層中各礦物與地下水之間的水化學演化過程和進一步分析影響地下水水化學演化的控制因素[12]，利用PHREEQC 3.1.1對疏勒河流域地下水主要化學相的飽和指數(shù)（SI）進行計算。SI的計算公式為

SI=lg IAP/K（7）

式中：IAP為離子活度積;K為平衡常數(shù)。

SI<0表明溶質(zhì)在地下水中不飽和，SI=0表明溶質(zhì)在地下水中達到溶解平衡，SI>0表明溶質(zhì)在地下水中達到飽和。SI在將地下水中各化學組分的化學形態(tài)和含量分布定量化的同時，能夠客觀反映溶液中各組分的實際存在形式[20]。

疏勒河流域祁連山前泉水巖鹽飽和指數(shù)（SIHalite）為-2.31～0.34，只有一個樣品的SIHalite大于0，表明泉水中巖鹽處于不飽和狀態(tài);玉門-踏實盆地地下水的SIHalite為-1.06～0.73;瓜州盆地地下水的SIHalite為-0.64～1.62，見圖5（a）。絕大部分玉門-踏實盆地地下水巖鹽飽和指數(shù)小于0，揭示該盆地絕大部分地下水巖鹽含量不飽和，還有繼續(xù)溶解巖鹽的能力;瓜州盆地地下水有一半左右的樣品其SIHalite大于0，揭示瓜州盆地這些地下水中巖鹽處于過飽和狀態(tài)。從祁連山前至疏勒河下游的瓜州盆地，地下水的SIHalite由小于0逐漸過渡到大于0，地下水中巖鹽含量逐漸由不飽和轉變?yōu)檫^飽和。疏勒河流域地下水中方解石和白云石的飽和指數(shù)SI