吐魯番盆地平原區(qū)地下水水化學(xué)特征及水質(zhì)評(píng)價(jià)

白 凡， 周金龍， 曾妍妍

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052）

水資源是制約我國(guó)西北干旱地區(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)最重要的因素之一［1］。新疆吐魯番盆地屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，降水稀少且大風(fēng)頻繁，故有“火洲”“風(fēng)庫(kù)”之稱［2］。根據(jù)《2015年新疆水資源公報(bào)》顯示，吐魯番地區(qū)地下水供水量為7.87×108m3，占總供水量的58.4%，地下水是其主要的供水水源［3］。由于地下水過(guò)量開(kāi)采，導(dǎo)致地下水位下降、坎兒井枯竭、地質(zhì)環(huán)境變化等問(wèn)題，水環(huán)境破壞現(xiàn)象突出［4］。開(kāi)展區(qū)域地下水水化學(xué)特征及水質(zhì)評(píng)價(jià)研究，是了解地下水系統(tǒng)循環(huán)更新路徑的重要方法，是對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裼盟踩闹匾Ｕ希?-6］。

竹娜等［7］運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)分析和Piper三線圖闡述了吐魯番盆地地下水水化學(xué)特征的變化。蔣萬(wàn)軍等［8］運(yùn)用Piper 三線圖、氫氧穩(wěn)定同位素、Gibbs 圖及離子相關(guān)性分析等方法說(shuō)明新疆吐哈盆地地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要以大氣降水為主，排泄以蒸發(fā)為主；溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用是地下水化學(xué)組分形成的主要影響因素。楊廣焱等［9］采用單因子評(píng)價(jià)法和濃度對(duì)比法對(duì)新疆吐魯番地區(qū)地下水質(zhì)量及污染狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并從原生環(huán)境和人為因素兩個(gè)方面分析了吐魯番盆地地下水質(zhì)量總體較差和水質(zhì)污染的原因。袁月等［10］選取地下水開(kāi)采潛力、生態(tài)敏感性、土壤鹽漬化程度作為評(píng)價(jià)因子，運(yùn)用層次分析法對(duì)吐魯番地區(qū)地下水資源、生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。目前有關(guān)吐魯番盆地平原區(qū)的地下水水化學(xué)特征及水質(zhì)評(píng)價(jià)的相關(guān)研究還十分有限。

本文依據(jù)吐魯番地區(qū)2015 年（最近一次）全面的地下水污染調(diào)查數(shù)據(jù)，選取44組地下水檢測(cè)數(shù)據(jù)（潛水33組、承壓水11組），運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)、Piper三線圖解法、Gibbs圖解法和離子比值法對(duì)研究區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因進(jìn)行分析，并利用內(nèi)梅羅指數(shù)法、改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為當(dāng)?shù)氐叵滤Y源保護(hù)和可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用提供一定的科學(xué)依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

吐魯番盆地地處新疆東部，包括高昌區(qū)、鄯善縣和托克遜縣。盆地南北寬約240 km，東西長(zhǎng)約300 km，東部為庫(kù)木塔格沙漠，南部為覺(jué)羅塔格山，北部為天山山脈，烏魯木齊市位于盆地的西北方向，位于盆地中部的艾丁湖是吐魯番盆地的最低點(diǎn)，海拔為-154 m［9］。吐魯番盆地地處中緯度亞歐大陸腹地，屬大陸性暖溫帶荒漠性氣候，降水稀少，年降水量約16 mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，蒸發(fā)量高達(dá)3000 mm；夏季炎熱，最高氣溫超過(guò)49.6 ℃，6—8 月平均最高氣溫均在38 ℃以上，因此，吐魯番盆地自古有“火洲”之稱；盆地光照充足，全年日照達(dá)3000 h以上，由于盆地氣壓低，這里也是全國(guó)有名的“風(fēng)庫(kù)”［2］。吐魯番盆地屬于天山山間拗陷盆地，火焰山呈東西向分布于盆地間，將盆地分為南、北兩個(gè)盆地。北盆地埋藏分布有潛水和承壓水，潛水主要埋藏分布在山前沖—洪積扇群的松散巖類孔隙水之中；承壓水主要埋藏分布在北盆地東部的鄯善縣七克臺(tái)一帶，主要為粗細(xì)顆粒沉積物相間的多層結(jié)構(gòu)含水層。南盆地潛水基本上呈環(huán)帶狀沿盆地邊緣分布，含水層巖性以松散砂、卵礫石為主；承壓水主要埋藏分布在南盆地沖積—洪積—湖積平原之內(nèi)，多為中粗砂、粉細(xì)砂及黏性土相間的多層結(jié)構(gòu)含水層［11］，研究區(qū)水文地質(zhì)及地下水取樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。研究區(qū)地下水補(bǔ)給主要有平原區(qū)的降水、渠系水及田間灌溉水入滲補(bǔ)給和山間基巖裂隙水側(cè)向徑流補(bǔ)給。地下水的排泄方式以蒸發(fā)蒸騰、機(jī)井與坎兒井開(kāi)采為主［12］。吐魯番盆地地下水補(bǔ)徑排關(guān)系如圖2所示［13］。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)及地下水取樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Hydrogeologic and distribution of groundwater sampling points in the study area

圖2 吐魯番盆地地下水補(bǔ)徑排關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of groundwater recharge and drainage relationship in Turpan Basin

2 材料與方法

2.1 樣品采集

地下水取樣點(diǎn)分布于吐魯番盆地平原區(qū)，取樣時(shí)間為2015 年7 月，取樣點(diǎn)控制面積為18092.3 km2，地下水取樣點(diǎn)個(gè)數(shù)嚴(yán)格遵循《區(qū)域地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0288—2015）［14］進(jìn)行布設(shè)，共采集地下水水樣44組（潛水33組，承壓水11組）（圖1），取樣點(diǎn)密度為2.43 組·（10km2）-1，符合1:250000區(qū)域地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)的精度要求。

2.2 樣品測(cè)試

2.3 研究方法

44 組水樣陰陽(yáng)離子平衡誤差絕對(duì)值均小于5%，數(shù)據(jù)均可用于分析［16］。本文運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)、Piper 三線圖解法、Gibbs 圖解法和離子比值法對(duì)研究區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因進(jìn)行分析，并利用內(nèi)梅羅指數(shù)法、改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 地下水水化學(xué)特征及成因分析

3.1 地下水水化學(xué)特征

3.1.1 水化學(xué)成分含量 由表1 可知，承壓水水化學(xué)指標(biāo)含量的變異系數(shù)明顯小于潛水水化學(xué)指標(biāo)含量的變異系數(shù)，說(shuō)明潛水水化學(xué)指標(biāo)含量的空間差異性較大。

表1 地下水水化學(xué)成分特征值Tab.1 Characteristic values of groundwater hydrochemical indexes

潛水水樣的pH介于7.51～8.22，呈弱堿性。TDS變化范圍為248.4～6616.6 mg·L-1，均值為1226.4 mg·L-1，按TDS 可將地下水類型劃分為：淡水（TDS＜1 g·L-1）、微咸水（1 g·L-1＜TDS＜3 g·L-1）、咸水（3 g·L-1＜TDS＜10 g·L-1）、鹽水（10 g·L-1＜TDS＜50 g·L-1）；其中淡水、微咸水、鹽水分別占潛水水樣的57.6%、36.4%、6.0%。水樣中TH 的變化范圍為60.0～2482.0 mg·L-1，均值為519.59 mg·L-1，其中極軟水（TH≤75 mg·L-1）、軟水（75 mg·L-1＜TH≤150 mg·L-1）、微硬水（150 mg·L-1＜TH≤300 mg·L-1）、硬水（300 mg·L-1＜TH≤450 mg·L-1）、極硬水（＞450 mg·L-1）分別占潛水水樣的3.0%、12.1%、33.3%、15.2%、36.4%。

承壓水樣的pH介于7.87～8.38，呈弱堿性。TDS變化范圍為209.8～1067.2 mg·L-1，均值為509.44 mg·L-1，其中淡水占90.9%、微咸水占9.1%。水樣中TH 的變化范圍為80.1～680.5 mg·L-1，均值為250.56 mg·L-1，其中軟水、微硬水和極硬水分別占承壓水水樣的27.3%、54.5%和18.2%。

通過(guò)比較各離子含量均值可以得出地下水中陽(yáng)離子以Na+為主，陰離子以SO42-為主。

3.1.2 地下水化學(xué)類型 為了分析研究區(qū)的地下水化學(xué)類型，運(yùn)用Origin和ArcGIS軟件繪制Piper三線圖及地下水水化學(xué)類型分區(qū)圖（圖3 和圖4）。研究區(qū)的地下水水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na·Ca 型和HCO3·SO4-Na·Ca 型為主，SO4·Cl-Na·Ca 型主要分布于鄯善縣城以北區(qū)域，以及迪坎鄉(xiāng)和七克臺(tái)鎮(zhèn)的東南區(qū)域；HCO3·SO4-Na·Ca 型主要分布在托克遜縣的博斯坦鄉(xiāng)和夏鄉(xiāng)，高昌區(qū)以北的大河沿鎮(zhèn)、紅柳河園藝場(chǎng)、亞爾鄉(xiāng)、葡萄溝街道和勝金鄉(xiāng)，以及高昌區(qū)東南的三堡鄉(xiāng)、二堡鄉(xiāng)，鄯善縣主要分布在火車站鎮(zhèn)和七克臺(tái)鎮(zhèn)；其次為HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型，主要分布在托克遜縣城以北和高昌區(qū)以南區(qū)域，由西向東呈帶狀分布在伊拉湖鄉(xiāng)、郭勒布依鄉(xiāng)、221團(tuán)場(chǎng)和恰特喀勒鄉(xiāng)。

圖3 地下水水化學(xué)Piper三線圖Fig.3 Piper diagram of groundwater hydrochemistry

圖4 地下水水化學(xué)類型分區(qū)Fig.4 Zoning map of groundwater hydrochemical types

3.2 水化學(xué)成因分析

3.2.1 蒸發(fā)濃縮作用 Gibbs 圖是一種半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，可以直觀判斷出影響地下水化學(xué)形成作用的類型［4,17］。研究區(qū)潛水和承壓水取樣點(diǎn)均分布在Gibbs圖的中部和右上部（圖5），表明水化學(xué)特征受到了蒸發(fā)濃縮和巖石風(fēng)化雙重作用的影響。而大氣降水對(duì)研究區(qū)的水化學(xué)特征幾乎沒(méi)有影響，這與研究區(qū)常年干旱、降水量少、蒸發(fā)強(qiáng)烈有關(guān)。

圖5 地下水水化學(xué)Gibbs圖Fig.5 Gibbs plots of groundwater hydrochemistry

3.2.2 基于離子比分析 采用離子比值法進(jìn)一步分析地下水中各化學(xué)成分的來(lái)源。

當(dāng)γ(Na++K+)/γCl-＞1 時(shí)，地下水中的Na+和K+主要受到巖鹽溶解的影響，反之為硅酸鹽溶解的影響［18］。由圖6a可知，大多數(shù)潛水和承壓水取樣點(diǎn)都位于y=x之上，有少量的潛水取樣點(diǎn)位于y=x之下，說(shuō)明研究區(qū)地下水中的Na+和K+主要來(lái)自巖鹽的溶解，少量潛水中的Na+和K+來(lái)自硅酸鹽的溶解。

圖6 地下水離子比值相關(guān)圖Fig.6 Correlation diagram of iron ratio in groundwater

4 水質(zhì)評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)過(guò)程實(shí)例

內(nèi)梅羅指數(shù)法和改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法的水質(zhì)評(píng)價(jià)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，本文略去上述2 種方法的評(píng)價(jià)過(guò)程；模糊綜合評(píng)價(jià)法較上述2種方法評(píng)價(jià)步驟多，且計(jì)算量較大。本文主要介紹模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)過(guò)程。以研究區(qū)D7取樣點(diǎn)（承壓水）為例，評(píng)價(jià)過(guò)程描述如下。D7取樣點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 D7取樣點(diǎn)的水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.2 Water quality test data at D7 sampling point /(mg·L-1)

4.1.1 建立評(píng)價(jià)因子集和評(píng)價(jià)集 評(píng)價(jià)因子集為：

4.1.2 建立評(píng)價(jià)因子的權(quán)重矩陣AD7 取樣點(diǎn)的各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 D7取樣點(diǎn)各因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果Tab.3 Weight calculation results of each factor at D7 sampling point

評(píng)價(jià)因子的權(quán)重矩陣A為：

A=[0.111 0.113 0.093 0.068 0.128 0.067 0.030 0.029 0.187 0.168 0.006]

D7取樣點(diǎn)模糊評(píng)價(jià)矩陣為：

4.1.4 建立評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣B由模糊數(shù)學(xué)模型：B=A·R計(jì)算出評(píng)價(jià)矩陣B7。

隸屬度最大的一項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的水質(zhì)級(jí)別為模糊綜合評(píng)價(jià)的等級(jí)［24］。0.638 最大，則D7 取樣點(diǎn)的水質(zhì)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

按照同樣的方法計(jì)算出研究區(qū)其他43 個(gè)取樣點(diǎn)的水質(zhì)等級(jí)。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Evaluation results of fuzzy comprehensive evaluation method

5 結(jié)果與分析

3 種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。在內(nèi)梅羅指數(shù)法中，Ⅲ類及以上水質(zhì)點(diǎn)有25 個(gè)，約占總?cè)狱c(diǎn)的56.8%，而Ⅳ類、Ⅴ類水質(zhì)點(diǎn)有19 個(gè)，約占總?cè)狱c(diǎn)的43.2%。在改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法中，Ⅲ類及以上水質(zhì)點(diǎn)有27 個(gè)，約占總?cè)狱c(diǎn)的61.3%，而Ⅳ類水質(zhì)點(diǎn)有17 個(gè)，約占總?cè)狱c(diǎn)的38.7%，無(wú)Ⅴ類水。在模糊綜合評(píng)價(jià)法中，Ⅲ類及以上水質(zhì)點(diǎn)有32 個(gè)，約占總?cè)狱c(diǎn)的72.7%，而Ⅳ類、Ⅴ類水取樣點(diǎn)有12個(gè)，約占27.3%。

表5 3種方法水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Water quality evaluation results of three methods

由表5 可以看出，不同方法間的評(píng)價(jià)結(jié)果有一定的差異，改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-93）中推薦的內(nèi)梅羅指數(shù)法（F值評(píng)分法）的評(píng)價(jià)結(jié)果契合度為56.8%、52.3%。改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果一致性最好，但是內(nèi)梅羅指數(shù)法中的Ⅳ、Ⅴ類水占比最高為43.2%，是因?yàn)閮?nèi)梅羅指數(shù)法在計(jì)算綜合評(píng)分值時(shí)，過(guò)于突出單項(xiàng)組分的最大值對(duì)地下水的影響程度，而且認(rèn)為所有的評(píng)價(jià)因子對(duì)地下水質(zhì)量的影響程度是相同的［25］，而改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法賦予不同評(píng)價(jià)因子權(quán)重值，削弱了最大值的影響，Ⅳ、Ⅴ類水占比較內(nèi)梅羅指數(shù)法有所下降，為38.7%。模糊綜合評(píng)價(jià)法中的Ⅳ、Ⅴ類水占比最低為27.3%，是因?yàn)槠渫ㄟ^(guò)構(gòu)建隸屬度函數(shù)充分考慮了各級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的接近程度，又考慮了評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，更加綜合的反映水質(zhì)情況，得到較好的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果［26］。

從評(píng)價(jià)結(jié)果上來(lái)看，Ⅲ類及以上水質(zhì)占比由高到低為：模糊綜合評(píng)價(jià)法、改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法。依據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果繪制地下水質(zhì)量分區(qū)圖（圖7）。吐魯番盆地平原區(qū)地下水大部分為Ⅲ類及以上水質(zhì)，Ⅳ、Ⅴ類水主要分布在托克遜縣的博斯坦鄉(xiāng)和鄯善縣以東的火車站鎮(zhèn)和七克臺(tái)鎮(zhèn)。

圖7 地下水質(zhì)量分區(qū)Fig.7 Distribution of groundwater quality

6 結(jié)論

（2）研究區(qū)地下水水化學(xué)特征主要受蒸發(fā)濃縮和巖石風(fēng)化共同作用的影響，不受大氣降水的影響。地下水中的Na+、K+、Cl-主要來(lái)自巖鹽的溶解，少量潛水中的Na+和K+來(lái)自硅酸鹽的溶解；Ca2+、Mg2+主要來(lái)自蒸發(fā)巖的溶解。除此之外，研究區(qū)地下水還受到陽(yáng)離子交換作用的影響。

（3）從3 種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的結(jié)果來(lái)看，研究區(qū)Ⅲ類及以上水質(zhì)占比均高于55%，地下水質(zhì)量整體較好；改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果契合度最高，為56.8%；模糊綜合評(píng)價(jià)法的Ⅳ、Ⅴ類水占比最低為27.3%，Ⅳ、Ⅴ類水主要分布在托克遜縣的博斯坦鄉(xiāng)和鄯善縣以東的火車站鎮(zhèn)和七克臺(tái)鎮(zhèn)。