新疆塔里木盆地淺層地下水水化學(xué)特征及形成原因

潘希哲

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，新疆烏魯木齊830000）

水資源短缺是制約我國(guó)西北干旱區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)最關(guān)鍵的因素之一[1]。新疆塔里木盆地氣候干旱，地表水短缺，地下水資源成為生產(chǎn)生活中最重要的水源[2]，而淺層地下水存在的高礦化度、高硬度等問題一定程度上制約了地下水開發(fā)利用[3]。關(guān)于塔里木盆地地下水水化學(xué)特征已有較多研究：周金龍對(duì)新疆平原區(qū)淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)[3]，李玲分析了和田河流域淺層地下水水化學(xué)特征及形成原因[4]，魏興分析了喀什三角洲地下水化學(xué)特征及其演化規(guī)律[5]，彭李暉分析了焉耆盆地開都河北岸潛水水化學(xué)演化規(guī)律[6]，這些研究從不同角度不同尺度分析了地下水化學(xué)特征，但未對(duì)盆地整體地下水化學(xué)成因進(jìn)行系統(tǒng)分析。本文結(jié)合前人研究成果，利用塔里木盆地采集的118個(gè)地下水樣品測(cè)試結(jié)果，并綜合氣候、地形、巖性等因素，從整個(gè)盆地尺度上對(duì)淺層地下水化學(xué)特征及其形成原因進(jìn)行分析闡述。

新疆整體劃分為準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地兩個(gè)一級(jí)水文地質(zhì)單元，一級(jí)水文地質(zhì)單元又劃分為多個(gè)二級(jí)水文地質(zhì)單元，其中塔里木盆地平原區(qū)劃分為14個(gè)二級(jí)單元[7]。塔里木盆地地下水總體上由盆地周圍南、北、西三個(gè)方向向中間沙漠側(cè)向徑流，再向東最終流向羅布泊（圖1）。

1 樣品采集和測(cè)試

水樣來源于國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程運(yùn)行維護(hù)與地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在塔里木盆地采集的118組水樣，采樣區(qū)域包括盆地北面、西面及西南面的11個(gè)水文地質(zhì)單元，由于井位分布限制，和田河流域以東人口稀少的區(qū)域和沙漠腹地沒有采樣點(diǎn)。

118個(gè)采樣井深度為50~200m，全部為潛水和淺層承壓水，由于盆地潛水和淺層承壓水存在較好的水力聯(lián)系[5]，本文將其整體視為淺層地下水進(jìn)行分析。樣品由新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)完成測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目共35項(xiàng)，本文主要選取了常規(guī)離子進(jìn)行分析。

2 結(jié)果

采用舒卡列夫分類方法，根據(jù)陰離子含量將地下水劃分為七種水化學(xué)類型：HCO3型、HCO3SO4型、HCO3SO4Cl型、HCO3Cl型、SO4型、SO4Cl型、Cl型。由水化學(xué)類型點(diǎn)狀圖可以發(fā)現(xiàn)水化學(xué)類型具有一定的空間分布規(guī)律，為了清晰呈現(xiàn)這種規(guī)律，結(jié)合水化學(xué)類型和礦化度將該圖分成兩個(gè)區(qū)域：一個(gè)是中低礦化度的重碳酸鹽和硫酸鹽水區(qū)域，包括HCO3型、HCO3SO4型、HCO3SO4Cl型、HCO3Cl型、SO4型水，采樣點(diǎn)礦化度全部小于3g/L；另一個(gè)是高礦化度的氯化物水區(qū)域，包括SO4Cl型、Cl型水，采樣點(diǎn)礦化度普遍大于3g/L,部分大于10g/L。由于HCO3型水點(diǎn)只有5個(gè)，且零星分布，不單獨(dú)劃分區(qū)域。

從圖2可以看出，盆地尺度上，水化學(xué)類型與地形地貌呈現(xiàn)出統(tǒng)一分帶性：流域上游零星分布低礦化度的重碳酸鹽水，過渡地帶分布中等礦化度硫酸鹽水，到流域中下游沙漠邊緣則主要分布高礦化度氯化物水。

部分二級(jí)水文地質(zhì)單元存在一些特殊性：開都河流域和和田河流域呈現(xiàn)的水化學(xué)特征與盆地整體分帶性似乎不一致，兩個(gè)流域地下水以低礦化度的重碳酸鹽水為主；SO4型水主要集中分布在喀什噶爾河流域。

本文將對(duì)以上水化學(xué)特征形成原因進(jìn)行討論。

3 討論

3.1 相關(guān)性分析

地下水常規(guī)離子相關(guān)性分析有助于理解各成分含量變化的影響關(guān)系。按照之前的區(qū)域劃分對(duì)重碳酸鹽硫酸鹽水和氯化物水兩部分分別進(jìn)行相關(guān)性分析[8]。

中低礦化度的重碳酸鹽硫酸鹽水相關(guān)系數(shù)矩陣（表1）顯示，與TDS相關(guān)性最強(qiáng)的離子是SO42-和Mg2+、Ca2+，相關(guān)系數(shù)都超過0.84，其次Cl-和Na+也有較大貢獻(xiàn)，表明該類型地下水中主導(dǎo)礦化度變化的離子是SO42-和Ca2+、Mg2+，Cl-和Na+也有一定程度影響；同時(shí)，Ca2+、Mg2+與SO42-有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都超過0.85，表明Ca2+、Mg2+隨著SO42-在地下水中的變化而變化。

表1 重碳酸鹽硫酸鹽水水化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)矩陣

高礦化度的氯化物水相關(guān)系數(shù)矩陣（表2）顯示，與TDS相關(guān)性最強(qiáng)的離子是Cl-和Na+，相關(guān)系數(shù)都超過0.99，表明該類型地下水中主導(dǎo)礦化度變化的離子是Cl-和Na+；同時(shí)，Cl-與Na+有極強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.995，表明Na+在地下水中隨著Cl-的增加而增加；TDS、Cl-與HCO3-相關(guān)系數(shù)為負(fù)數(shù)表明HCO3-隨著TDS、Cl-增加呈減少趨勢(shì)。

表2 氯化物水水化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)矩陣

以上結(jié)果顯示地下水中TDS和主要離子成分之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，出現(xiàn)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的主要原因是地 下水中各種成分溶解度不同。隨著TDS增大，鈣、鎂的碳酸鹽首先達(dá)到飽和并沉淀析出，TDS繼續(xù)增大時(shí)，鈣、鎂的硫酸鹽飽和析出，導(dǎo)致TDS高的水中便以氯和鈉占主導(dǎo)，碳酸鹽含量較少[9]。

3.2 比例系數(shù)分析

吉布斯圖橫坐標(biāo)為γ（Na+）/γ（Na++Ca2+）,縱坐標(biāo)為礦化度，通過圖中點(diǎn)的位置可以反映出該水點(diǎn)屬于降水控制型、巖石風(fēng)化型或蒸發(fā)濃縮型[10-11]。按照上文分區(qū)，將塔里木盆地流域上游和流域中下游地帶地下水分別用兩種符號(hào)在吉布斯圖中表示，圖3顯示，菱形水點(diǎn)主要位于左側(cè)和中間，正方形水點(diǎn)主要位于圖右上方。左側(cè)菱形水點(diǎn)表明流域上游較低礦化度的地下水具有較小的γ（Na+）/γ（Na++Ca2+）比值，屬于巖石風(fēng)化型；右上方正方形水點(diǎn)表明流域中下游較高礦化度的地下水具有較大的γ（Na+）/γ（Na++Ca2+）比值，屬于蒸發(fā)濃縮型；圖中間部分正方形水點(diǎn)和水點(diǎn)有一定程度交叉，該部分為徑流過渡帶。

圖3 塔里木盆地地下水吉布斯圖

Gibbs圖呈現(xiàn)的結(jié)果與塔里木盆地氣候、地形、巖性及地下水水位埋深特征吻合。

山前坡度大，含水層巖性顆粒粗大，含水層孔隙度大，地下水徑流速度自然較大，因此山前流域上游以溶濾作用為主，強(qiáng)烈的溶濾作用使地下水以重碳酸鹽和硫酸鹽為主。具體原理如下：溶濾作用首先使最易溶的氯化物溶解至水中，隨著溶濾作用持續(xù)進(jìn)行，巖層中的氯化物由于轉(zhuǎn)入水中而貧化，此時(shí)較難溶的鈣、鎂的硫酸鹽甚至重碳酸鹽溶解至水中成為主要成分[9]。由于流域上游地下水主要的補(bǔ)給來源于低礦化度的中高山區(qū)大氣降水，溶解了少量難溶鹽之后礦化度依然較低。

沙漠邊緣地形平緩，含水層顆粒細(xì)小，水流速度遲緩，包氣帶巖性顆粒細(xì)小并且水位埋深淺有利于地下水毛細(xì)作用，干旱的氣候加劇了地下水蒸發(fā)蒸騰排泄，因此持續(xù)的濃縮和積累作用導(dǎo)致沙漠邊緣形成鹽水甚至鹵水，地下水成分以Cl-和Na+為主。原理如下：流動(dòng)的地下水將溶濾獲得的組分從補(bǔ)給區(qū)源源不斷向排泄區(qū)運(yùn)輸，鈣、鎂的重碳酸鹽和硫酸鹽由于溶解度低，隨著濃縮作用達(dá)到飽和析出，于是地下水成分便以Cl-和Na+為主[9]。中下游地下水中隨著上游離子的不斷積累礦化度逐漸增大。

3.3 特殊性分析

開都河流域16個(gè)水樣以低礦化度的重碳酸鹽水為主,顯示出與盆地其它流域不同的特征，除G116和G119為SO4Cl型 咸 水 外，其 它14個(gè) 為HCO3、HCO3SO4、HCO3SO4Cl、HCO3Cl型淡水及微咸水，該特征與地下水的補(bǔ)給和排泄有關(guān)。淡水和微咸水點(diǎn)分布于博斯騰湖西面和北邊，為湖區(qū)上游，該區(qū)域地下水主要接受開都河、清水河、曲惠河、烏什塔拉河等河流及田間灌溉水入滲補(bǔ)給，由于河流和田間灌溉水礦化度都較低，加之地下水徑流迅速，埋深較大，因此礦化度也較低，近半個(gè)世紀(jì)來潛水呈現(xiàn)淡化趨勢(shì)[6]。兩個(gè)咸水點(diǎn)位于博斯騰湖西南面，該區(qū)域地勢(shì)低洼，地下水埋深較淺，為蒸發(fā)濃縮區(qū)[12]，因此具有較高的礦化度。

喀什噶爾河流域19個(gè)水樣中SO42-普遍含量較高，除G174為HCO3Cl型 外，其 余18個(gè) 為HCO3SO4、HCO3SO4Cl、SO4、SO4Cl型，該現(xiàn)象較為特殊。前人利用δD、δ18O和δ34S同位素分析，該區(qū)域SO42-主要來源于蒸發(fā)巖石膏、芒硝等溶解，河流沖積平原潛水中SO42-還存在化肥淋濾污染，承壓水受到潛水混合作用及細(xì)菌還原硫酸鹽作用影響[13]。

和田河流域上游地下水為HCO3SO4Cl型淡水，靠近沙漠的三個(gè)點(diǎn)為HCO3Cl型微咸水，并沒有形成Cl-主導(dǎo)的高礦化度水，這一點(diǎn)與盆地整體規(guī)律似乎不符。進(jìn)一步分析三個(gè)點(diǎn)所處位置，雖然距離沙漠非常近，但G247位于和田地區(qū)大面積綠洲的西北部，距離最近的沙漠仍有5km，G195和G196位于喀拉喀什河和玉龍喀什河之間，前人利用Q型聚類分析法對(duì)和田地區(qū)89組水樣分析，這兩處分別屬于沖洪積平原和河間地塊[14]。沖洪積平原為地下水補(bǔ)給徑流帶，含水層顆粒較粗，地下水徑流條件好，因此地下水礦化度較低；河間地塊由于兩條河流的存在，推測(cè)未受到強(qiáng)烈蒸發(fā)濃縮作用的影響，地下水與地表水交替頻繁，因此化學(xué)成分相近。三個(gè)點(diǎn)位置處于沙漠邊緣，實(shí)則屬于徑流帶，G195距離河流出山口約120km，徑流帶延伸較遠(yuǎn)。

4 結(jié)論

（1）塔里木盆地整體水化學(xué)特征：流域上游為低礦化度的重碳酸鹽水，過渡地帶分布中等礦化度硫酸鹽水，到流域中下游沙漠邊緣則主要分布高礦化度氯化物水。這種分帶性特征形成的內(nèi)因是地下水對(duì)各種成分溶解度不同，外因是盆地不同區(qū)域具有不同的氣候、地形、巖性及水位埋深條件，分別形成流域上游溶濾作用和流域下游濃縮作用。

（2）二級(jí)水文地質(zhì)單元特殊性：開都河流域地下水由于接受低礦化度河流和田間灌溉水入滲補(bǔ)給，地下水礦化度也較低，成分以重碳酸鹽為主；喀什噶爾河流域大量分布的SO42-主要來源于山區(qū)鈣質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖和石膏等鹽類礦物等溶解；和田河流域沿河流自山前向下，補(bǔ)給徑流帶延伸較遠(yuǎn)，地下水礦化度沿流程增幅緩慢。