內(nèi)蒙古腰壩綠洲地下水化學(xué)特征及成因分析

王巧煥，盧玉東

1.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，南昌 330013; 2.長(zhǎng)安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院/長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710054

地下水的化學(xué)成分是地下水與環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物，也是地下水循環(huán)演化規(guī)律和地下水流系統(tǒng)特征的集中反映[1]。開展地下水的化學(xué)特征及成因分析是水文地質(zhì)學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，也是地下水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)與管理不可缺少的部分，它對(duì)流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)具有重要意義[2-3]。

腰壩綠洲是內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟十大綠洲之一，該區(qū)干旱少雨，水資源匱乏，地下水是該區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境發(fā)展的主要水資源。自1970年代以來，隨著該區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)水資源的需求越來越多，地下水開采量逐年增加，造成了地下水水位下降、水質(zhì)惡化，可利用地下水資源日趨減少，制約了該綠洲的可持續(xù)發(fā)展。在這樣的背景下，彭翠華[4]對(duì)地下水水質(zhì)演化進(jìn)行了研究，得出地下水水質(zhì)惡化的主要原因是過量開采導(dǎo)致高礦化咸水入侵，并通過建立地下水質(zhì)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)在不改變現(xiàn)有的開發(fā)利用方式和力度，該區(qū)地下水水質(zhì)會(huì)不斷地惡化；姜凌等[2,5-6]對(duì)地下水化學(xué)成分的時(shí)空變異特征與演化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出地下水東北部總?cè)芙庑怨腆w(total dissolved solids,TDS)較低，西南部較高，且自開采以來地下水TDS總體上呈增加趨勢(shì)，水體總體向咸化方向發(fā)展。

為了解腰壩綠洲地下水化學(xué)成分特征及成因，進(jìn)一步為該區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過野外地下水水樣采集、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定、實(shí)驗(yàn)室測(cè)定獲得水樣化學(xué)成分，綜合運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)[7]、相關(guān)性分析[8]、Piper三線圖[9]、Gibbs圖[10]、Schoeller圖[11-12]等方法，揭示研究區(qū)地下水化學(xué)成分的演化規(guī)律、形成機(jī)制，以期為合理開發(fā)利用和保護(hù)地下水資源提供理論依據(jù)，最終為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)保證。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

腰壩綠洲灌區(qū)位于賀蘭山西側(cè)山前洪積傾斜平原的邊緣，向西伸入騰格里沙漠，地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)105°34′～105°39′，北緯38°25′～38°36′。該區(qū)總面積為81.2 km2，是阿拉善左旗的主要農(nóng)牧區(qū)。研究區(qū)深居我國(guó)西北內(nèi)陸，屬典型大陸性干旱氣候，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)多年平均降雨為198 mm，年內(nèi)降雨多集中在6至9月份，其降雨量約占全年降雨量的70%左右；多年平均蒸發(fā)量為2 394 mm，最大蒸發(fā)量主要集中在5至7月份，約占全年總蒸發(fā)量的45%左右。

研究區(qū)地形呈東、北和南部地勢(shì)高，西部地勢(shì)低的簸箕狀。區(qū)內(nèi)地下水主要來源于第四系含水巖組，在綠洲中部的厚度206 m，在綠洲外防洪壩以東厚度大于200 m，由顆粒粗大的礫石、卵礫及砂礫混合沉積物組成單一潛水區(qū)，缺乏粘土隔水層，此帶寬4～7 km。地下水位埋深大于60 m，位于賀蘭山西麓山前傾斜洪積扇的中下部，主要補(bǔ)給來源為賀蘭山的山前側(cè)向徑流，整體徑流方向?yàn)樽詵|北向西南方向，在天然條件下主要以地下徑流方式向西部相鄰系統(tǒng)排泄。此外，西部潛水淺埋區(qū)還以蒸發(fā)方式排泄或溢出形成湖沼洼地。同時(shí)，人為開采也成為第四系孔隙水大量排泄的方式之一。井灌區(qū)主要開采由含礫中細(xì)砂、中粗砂、細(xì)砂、粗砂組成，砂層含有卵礫石或夾有卵礫石層，砂層賦存孔隙承壓水，含水層累計(jì)厚度20～40 m，該含水巖組在東側(cè)埋深約40～60 m，在中部及西部的埋深約60～70 m(圖1)。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 Hydrogeological profile of the study area

1.2 水樣采集與分析

本研究運(yùn)用遙感影像和GPS定位，設(shè)計(jì)規(guī)劃水樣采樣點(diǎn)分布。水樣點(diǎn)布設(shè)根據(jù)機(jī)井分布背景采取棋盤式的布設(shè)方法，使采樣點(diǎn)遍布全區(qū)，盡量遵循均勻性原則。采樣區(qū)面積為81.2 km2，每個(gè)取樣點(diǎn)控制面積約1.23 km2(1.11 km×1.11 km)，共采集66個(gè)水樣點(diǎn)，使用Surfer 11繪制采樣點(diǎn)示意圖(圖2)。

1.3 研究方法

本研究采用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理和篩選，再利用SPSS 24.0軟件對(duì)水樣各化學(xué)組分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)還利用Origin軟件繪制Piper圖以闡釋地下水主要陰離子和陽離子濃度關(guān)系以及推斷地下水水文地球化學(xué)相，繪制Gibbs圖用來識(shí)別控制地下水化學(xué)成分形成和演化的影響因素，分析研究區(qū)地下水主要指標(biāo)的成因及來源。

圖2 研究區(qū)地下水樣品采樣點(diǎn)Fig.2 Groundwater sample samplingpoints in the study area

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水化學(xué)特征

利用描述性統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)研究區(qū)66組地下水樣品的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)。從表1可以看出，地下水pH值變化范圍為7.6～8.2，平均值7.9，呈弱堿性，變異系數(shù)為1.3%，呈弱變異性，說明研究區(qū)地下水pH值空間差異較小。TDS變化范圍為721.6～6 923.4 mg/L，平均值為1 773 mg/L，地下水水質(zhì)整體呈微咸水，變異系數(shù)為57.9%，呈中等變異性，說明研究區(qū)地下水TDS空間差異較大。

表1 研究區(qū)地下水化學(xué)特征值描述(n=66) Table 1 Descriptive chemical statistics of groundwater in the study area(n=66)

地下水中陽離子含量為(Na++K+)>Mg2+>Ca2+，各自平均含量分別占陽離子總量的47.7%、27.9%和24.4%。從變異系數(shù)來看，Ca2+、Mg2+的變異系數(shù)分別為45.4%和52.4%，均呈中等變異性，說明研究區(qū)地下水中Mg2+、Ca2+離子含量空間差異性較大，而Na++K+的變異系數(shù)為111.3%，呈強(qiáng)變異性，說明研究區(qū)地下水中Na++K+離子含量空間差異非常大。

地下水總硬度平均值為786.4 mg/L，依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中標(biāo)準(zhǔn)限值，該區(qū)地下水整體為Ⅴ類水(>650 mg/L)，變異系數(shù)為48.8%，呈中等變異性，說明研究區(qū)地下水總硬度空間差異較大。地下水總堿度平均值為211.8 mg/L，其變異系數(shù)為20%，呈中等變異性，說明研究區(qū)地下水總堿度空間差異較大。

根據(jù)樣品測(cè)定結(jié)果分析，研究區(qū)地下水化學(xué)類型較復(fù)雜，結(jié)合地下水化學(xué)成分Piper三線圖(圖3)可以看出，自東北(補(bǔ)給區(qū))向西南(排泄區(qū))地下水化學(xué)類型由SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·HCO3·Cl-Mg·Na型經(jīng)Cl·SO4-Ca·Mg型轉(zhuǎn)化為SO4·Cl-Ca·Na型水，總體上研究區(qū)地下水以硫酸型和氯化型為主。

圖3 研究區(qū)地下水化學(xué)成分Piper三線圖Fig.3 Piper trilinear diagram of groundwater chemical composition in the study area

2.2 成因分析

表2 研究區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣(n=66) Table 2 Correlation matrices of groundwater chemical parameters in the study area (n=66)

2)水化學(xué)空間變化趨勢(shì)分析。根據(jù)水樣測(cè)定結(jié)果，考慮東部、中部、西部分配均勻，選取有代表性的28個(gè)水樣點(diǎn)，繪制出表征地下水化學(xué)特征的Schoeller圖(圖4)，從圖4可以直觀分析各水樣中主要離子的質(zhì)量濃度變化和水化學(xué)變化趨勢(shì)[12-13]。圖4中每條折線代表著1個(gè)水樣，同一水化學(xué)類型的水樣折線基本平行，且隨著地下水流動(dòng)，水化學(xué)組分由質(zhì)量濃度相對(duì)低點(diǎn)向質(zhì)量濃度相對(duì)高點(diǎn)運(yùn)移[14]。研究區(qū)各個(gè)地下水參數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，表明地下水的化學(xué)演化規(guī)律基本相似[15]，也表明地下水補(bǔ)給來源基本一致。

圖4 研究區(qū)地下水化學(xué)特征的Schoeller圖Fig.4 Schoeller diagram of groundwater chemical characteristics in the study area

ECD:蒸發(fā)濃縮型 Evaporation concentration dominance; RWD:巖石風(fēng)化型 Rock weathering dominance; APD:大氣降水型 Atmospheric precipitation dominance.

圖6 研究區(qū)地下水中主要水化學(xué)離子濃度關(guān)系圖Fig.6 Hydrochemical relationships between the main ion concentrations of groundwater in the study area

3 討 論

本研究結(jié)果顯示，研究區(qū)pH值變化范圍為7.6～8.2，呈弱堿性；TDS變化范圍為721.6～6 923.4 mg/L，呈微咸水；水化學(xué)類型自東北(補(bǔ)給區(qū))向西南(排泄區(qū))由SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·HCO3·Cl-Mg·Na型經(jīng)Cl·SO4-Ca·Mg型轉(zhuǎn)化為SO4·Cl-Ca·Na型水，總體上研究區(qū)地下水以硫酸型和氯化型為主。研究區(qū)所有水樣點(diǎn)在Gibbs圖中均落在RWD和ECD區(qū)域內(nèi)，并且多數(shù)水樣點(diǎn)落在ECD區(qū)域內(nèi)，說明蒸發(fā)濃縮作用是控制該區(qū)地下水化學(xué)成分形成和演化的主要影響因素，其次為巖石風(fēng)化作用。根據(jù)研究區(qū)水化學(xué)離子比例關(guān)系分析可知，該區(qū)地下水主要離子來源以方解石、白云石、巖鹽與石膏的溶解沉淀為主。

天然條件下地下水離子成分主要受大氣降水作用、蒸發(fā)濃縮作用和巖石風(fēng)化作用控制形成。侯慶秋等[18]研究分析了內(nèi)蒙古四子王旗淺層地下水離子成分形成作用，其結(jié)果表明干旱區(qū)地下水離子成分主要受蒸發(fā)濃縮作用影響。本研究區(qū)位于西北內(nèi)陸，屬于典型大陸性干旱氣候，降水較少，蒸發(fā)較大，導(dǎo)致該區(qū)地下水離子成分形成主要受蒸發(fā)濃縮作用影響，與前人研究成果符合。

本研究?jī)H分析了某一時(shí)間段的地下水化學(xué)成分狀況，并未考慮不同季節(jié)、不同灌水期前后地下水化學(xué)成分隨時(shí)間的變化規(guī)律及空間分布規(guī)律。因此，后續(xù)仍需進(jìn)一步在時(shí)間和空間上開展地下水化學(xué)成分的研究，并對(duì)未來水質(zhì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。