新疆莎車縣地下水化學(xué)特征及形成機(jī)制

楊 鵬，丁國梁，王振山，呂恒陽

(新疆兵團(tuán)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

莎車縣位于新疆葉爾羌河流域中上游，是新疆第一人口大縣，隨著莎車縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，各業(yè)對(duì)水資源的需求不斷增加，單一的地表水源已經(jīng)不能滿足日益增長的用水需求，地下水資源的重要性及不可替代性越來越突出。

地下水的水化學(xué)成分主要受含水層的巖性、地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件及人類工程活動(dòng)影響等控制，其在一定程度上能夠反映出該地區(qū)地下水是如何演變而成的。為了合理科學(xué)的利用地下水資源，對(duì)地下水進(jìn)行有效保護(hù)，對(duì)本地區(qū)地下水化學(xué)特性和控制因素的了解，就顯得尤為重要。張杰[1-3]等對(duì)葉河流域的地表水水化學(xué)特征及其控制因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明葉爾羌河地表水中的離子主要受巖石風(fēng)化、蒸發(fā)結(jié)晶和陽離子交換的影響,其中石膏和巖鹽的溶解占據(jù)了巖石風(fēng)化作用的主要過程。武倩倩[4]等對(duì)葉爾羌河流域地下水補(bǔ)給來源進(jìn)行了研究，指出流域地下水不是來自大氣降水的直接入滲，而是地表水體滲漏補(bǔ)給。林麗[5]等研究了葉河淺層地下水化學(xué)特征及形成機(jī)制，得出地下水中離子主要來自巖鹽、硫酸鹽和硅酸鹽等礦物的風(fēng)化和溶解的結(jié)論。而關(guān)于莎車縣地下水化學(xué)組分及特征的研究工作相對(duì)較少。因此，本文以莎車縣為研究區(qū)，通過對(duì)莎車縣地下水的化學(xué)特征進(jìn)行研究，了解地下水中各類離子的含量、來源及形成機(jī)理，從而為該地區(qū)地下水的合理利用及保護(hù)提供指導(dǎo)和建議。

1 材料與研究方法

1.1 莎車縣概況

葉爾羌河流域位于塔里木盆地的西南面，灌區(qū)總面積為753.39萬畝，灌區(qū)東西兩側(cè)位于塔克拉瑪干沙漠、布古里沙漠和托克拉克沙漠之間,是新疆西部干旱區(qū)最大的灌區(qū)，莎車縣灌區(qū)位于葉河中上部，是葉河流域平原灌區(qū)中最大的子灌區(qū)。

莎車縣地處塔里木盆地的西部，葉河沖積平原中上游。總面積8 956.7 km2，山丘區(qū)面積約為3 163.8 km2，平原面積為5 792.9 km2(其中荒漠區(qū)面積2 292.9 km2)。全縣地勢總體由南向北傾斜，以喀群站為界，南部為山區(qū)，北部為平原區(qū)。平原區(qū)東部毗鄰塔克拉瑪干大沙漠，西部為布古里沙漠，中部沿葉爾羌河兩側(cè)10～20 km的范圍為人工綠洲灌區(qū)，灌區(qū)灌溉面積183.4萬畝，該區(qū)同時(shí)也為地下水的主要開發(fā)利用區(qū)。

莎車縣屬于暖溫帶大陸性氣候，氣候干燥，雨量稀少，蒸發(fā)大，年平均氣溫13.3℃，極端高溫41℃，極端低溫-27℃。1954-2018年平均降水量為55.93 mm，年均蒸發(fā)量達(dá)到2 235.6 mm(E601型)，主要集中在3-9月。

莎車縣地下水賦存于葉爾羌河流域沖洪積平原第四紀(jì)松散沉積物之中，含水層類型由單一結(jié)構(gòu)孔隙潛水轉(zhuǎn)為多層結(jié)構(gòu)承壓水。地下水埋深南部多大于30 m，除葉爾羌河西側(cè)綠洲區(qū)由于受人工開采的影響，地下水埋深在10～20 m之間外，其余大部分地區(qū)地下水埋深普遍在3～10 m。地下水總體徑流方向與河流走向基本一致，呈SW-NE向，水力坡度由南向北遞減。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與測試

本研究于2018年5月-2019年9月期間對(duì)莎車縣進(jìn)行地下水樣采集，共采集水樣53組，全部為淺層地下水樣品，地下水采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

水樣采集均取自農(nóng)灌機(jī)井中，為保證采集的地下水為新鮮水及源頭水，采樣均在機(jī)電井抽水至少10 min以后且保證水清沙凈條件下，直接在出水泵管的管口進(jìn)行采集。為了防止樣品成分發(fā)生改變，取樣所用盛樣容器均采用未經(jīng)污染的500 ml聚氯乙烯瓶，采集前用擬采集的新鮮水體清洗瓶體及瓶蓋至少3次以上，采集時(shí)水體全部充滿容器，不留氣泡。樣品經(jīng)過采集完成以后，隨即放入溫度恒定在4℃中的冷藏箱，并在24h內(nèi)送至試驗(yàn)檢測中心完成檢測。

樣品具體檢測由新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司試驗(yàn)檢測中心完成，CO3-和HCO3-使用雙指示劑中和測定[6]，Cl-采用硝酸銀滴定法進(jìn)行測定[7]，SO42-離子含量采用乙二胺四乙酸二鈉-鋇滴定法方法測定，Na+和K+離子含量通過火焰發(fā)射光譜法測定，Ca2+、Mg2+離子含量通過乙二胺四乙酸二鈉滴定進(jìn)行測定[8-11]，TDS使用烘干測定法(105℃)測定。

1.2.2 研究方法

描述性梳理統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS軟件進(jìn)行，水化學(xué)參數(shù)箱線圖、Piper三線圖和離子相關(guān)性圖用Origin軟件繪制，通過以上圖表，揭示莎車縣的地下水化學(xué)類型、組分含量及其特征。為分析地下水化學(xué)成因，本次利用Grapher軟件繪制了Gibbs圖，同時(shí)采用氯堿指數(shù)及離子比值加以輔助分析。

圖1 地下水取樣點(diǎn)分布圖

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水化學(xué)組份特征

采用SPSS軟件對(duì)53組地下水樣(取樣機(jī)井深度80～120 m)的九項(xiàng)離子含量指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，地下水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，地下水化學(xué)參數(shù)箱線圖見圖2。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，莎車縣地下水樣pH值在6.8～8.1之間，平均值7.4，均為中性水；TDS(礦化度)變化范圍在388.0～5 922.0 mg/L之間，平均值1 669.6 mg/L，淡水(TDS<1 g/L)、微咸水(1～3 g/L)和咸水(3～10 g/L)分別占取樣數(shù)量的30.2%、60.4%和9.4%；總硬度(TH)值在249.8～1 874.0 mg/L之間，其中微硬水(150～300 mg/L)、硬水(300～450 mg/L)和極硬水(>450 mg/L)分別占取樣數(shù)量的5.7%、20.7%和73.6%。表明莎車縣地下水為高硬度、微咸水為主的中性水。

地下水中陽離子含量表現(xiàn)出Na++K+>Ca2+>Mg2+，陰離子含量表現(xiàn)出：SO42->Cl->HCO3-+CO32-。由此可得出莎車縣的地下水中陽離子以Na+、K+和Ca2+為主，陰離子以SO42-、Cl-為主。

圖2 地下水化學(xué)參數(shù)箱線圖

2.2 離子相關(guān)性分析

對(duì)莎車縣地下水中的各項(xiàng)離子進(jìn)行了相關(guān)性分析，可以分析各離子之間是否有關(guān)聯(lián)，來源是否相同。采用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2，從表中可以看出，水樣中SO42-與各陽離子之間表現(xiàn)出了顯著相關(guān)，與Na+、Mg2+和Ca2+的相關(guān)系數(shù)也分別達(dá)到0.945、0.824和0.823。Na+與各陰離子之間表現(xiàn)出了顯著相關(guān)，與Cl-和SO42-的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.966和0.945。各陰離子之間Cl-和SO42-的相關(guān)系數(shù)為0.918。分析莎車縣的區(qū)域地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)莎車縣地層中廣泛分布有白云石、石膏和芒硝等蒸發(fā)鹽類礦物，根據(jù)這一現(xiàn)象，進(jìn)一步推斷地層中的蒸發(fā)鹽類礦物的風(fēng)化溶解是控制莎車縣地下水化學(xué)成分主要因素。

本次分析同時(shí)發(fā)現(xiàn)，地下水礦化度(TDS)與各陰陽離子之間相關(guān)性也較好，其中SO42-、Na+、Cl-與礦化度的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.975、0.966、0.908，表明這幾種離子的濃度大小與空間分布對(duì)TDS的大小和分布有著重要的影響。各離子與礦化度的相關(guān)系數(shù)性排序?yàn)镾O42->Na+>Cl->Mg2+>Ca2+>HCO3-。

表1 地下水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)表(n=53)

除變異系數(shù)外，其余單位均為：mg/L

表2 莎車縣地下水離子濃度相關(guān)系數(shù)圖

圖3 地下水Piper三線圖

2.3 地下水水化學(xué)類型特征

基于莎車縣范圍內(nèi)53組地下水化學(xué)成分化驗(yàn)結(jié)果，繪制莎車縣地下水Piper三線圖(圖3)，從圖中可以反映出莎車縣地下水主導(dǎo)陽離子是Na+和Mg2+，平均含量分別為45%、36%；主導(dǎo)陰離子是Cl-和SO42-，平均含量分別為35%、30%。

此外，采用舒卡列夫順序命名法對(duì)莎車縣地下水化學(xué)類型進(jìn)行分類，繪制地下水水化學(xué)類型分區(qū)見圖4。從圖中可以看出，莎車縣地下水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na·Mg型、HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3·SO4-Mg和Cl·SO4-Na·Mg型等為主。地下水在徑流過程中，由于受到各項(xiàng)補(bǔ)給的影響，尤其是地表水體的滲漏補(bǔ)給，在空間分布上呈現(xiàn)出明顯的分帶規(guī)律：由南向北，由近河地帶到遠(yuǎn)離河谷地帶，地下水化學(xué)類型由HCO3-SO4型逐漸向SO4-HCO3型和SO4-Cl型轉(zhuǎn)變。具體為：闊什艾日克鄉(xiāng)以南的近河地帶為地下水化學(xué)類型為HCO3-SO4型，該鄉(xiāng)以北及遠(yuǎn)離河道地帶的為SO4-Cl型，而在莎車縣西部和東部的綠洲與荒漠的過渡帶區(qū)域，水化學(xué)類型為Cl-SO4型。

2.4 地下水的礦化度特征

利用surfer軟件采用利用克里金插值法繪制莎車縣地下水礦化度分區(qū)圖見圖5，分區(qū)結(jié)果表明，莎車縣地下水礦化度的空間變化規(guī)律基本一致與水化學(xué)類型空間變化規(guī)律一致，即在地下水徑流的過程中，主要受到地下水的補(bǔ)給條件影響，尤其是地表水的滲漏補(bǔ)給，呈現(xiàn)出明顯的分帶規(guī)律，沿著地下水的徑流方向，地下水中的礦化度逐漸增高；垂直于葉爾羌河河道，隨著距河道的距離的增加，礦化度逐漸增高。分析認(rèn)為，主要與葉爾羌河道的滲漏補(bǔ)給有關(guān)，葉爾羌河河水礦化度較低，而河水滲漏又是莎車縣地下水的主要補(bǔ)給源，河水大量補(bǔ)給地下水，使得地下水被淡化，故而礦化度較低。而距離河道較遠(yuǎn)的地帶，地表水體的補(bǔ)給作用減弱，僅能有限的接收農(nóng)田灌溉水的入滲補(bǔ)給，故礦化度更接近本底值。在灌區(qū)外圍，由于地下水埋深較淺，地下水蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致水中的礦物離子不斷富集，造成地下水礦化度較高。

圖4 莎車縣地下水化學(xué)圖

圖5 莎車縣地下水礦化度分區(qū)圖

2.5 地下水化學(xué)形成機(jī)制分析

地下水的化學(xué)成分在徑流過程中經(jīng)歷了復(fù)雜而漫長演變過程,受到多種多樣偶然因素的影響和制約。在地下水體環(huán)境中，含鹽類礦物的溶解和蒸發(fā)濃縮可以改變地下水的化學(xué)成分，這些含鹽類礦物包括碳酸、硫酸及硅酸鹽。此外，大氣降水、礦物巖石風(fēng)化等也可改變地下水的化學(xué)成分。

為了定性判斷對(duì)地下水化學(xué)成分影響的主導(dǎo)因子，可通過繪制Gibbs圖直觀地反映地下水的離子成分是傾向于“降水型”、“礦物風(fēng)化型”，還是“蒸發(fā)-濃縮型”。Gibbs圖是一種坐標(biāo)關(guān)系圖，其縱軸為TDS的對(duì)數(shù)，橫軸為γNa+/γ(Na++Ca2+)或γCl-/γ(Cl-+HCO3-)。在Gibbs圖中，水樣點(diǎn)落在右下角區(qū)域時(shí)，說明該水樣點(diǎn)水化學(xué)離子成分主要受大氣降水影響，屬于降水型；水樣點(diǎn)落在左中部區(qū)域時(shí)，說明該水樣點(diǎn)水化學(xué)離子成分主要受巖石風(fēng)化影響，屬于礦物風(fēng)化型；水樣點(diǎn)落在右上角區(qū)域時(shí)，說明該水樣點(diǎn)水化學(xué)離子成分主要受蒸發(fā)濃縮影響，屬于蒸發(fā)-濃縮型。

根據(jù)莎車縣各地下水取樣點(diǎn)的水化學(xué)成分，將各取樣點(diǎn)展點(diǎn)到Gibbs圖中，從圖6中可以看出，水樣點(diǎn)多落在的右上角的蒸發(fā)濃縮作用控制(ECD)區(qū)域，也有部分水樣點(diǎn)落在中上部，略靠近于RWD區(qū)域。表明莎車縣地下水水化學(xué)離子成分主要受蒸發(fā)-濃縮作用控制，其次是受巖石風(fēng)化作用，未受到大氣降水作用影響。這與莎車縣干旱少雨，多年平均降水量55.93 mm基本上是相互呼應(yīng)的。

圖6 地下水化學(xué)Gibbs分布圖

2.6 陽離子交替吸附

陽離子交換作用也對(duì)地下水化學(xué)成分的變化起到重要作用。在含水層中，吸附于巖石和土壤表面的陽離子和水中的其它陽離子發(fā)生了離子交換，從而改變了地下水的化學(xué)成分。本次采用氯堿指數(shù)(CAI1和CAI2)進(jìn)一步分析研究莎車縣地下水中陽離子的交替吸附作用：

CAI1= Cl--(Na++K+)/ Cl-(meq/L)

(1)

CAI2= Cl--(Na++K+)/ SO42-+ HCO3-+ CO32-+NO3-(meq/L)

(2)

假若CAI1與CAI2均大于0，則反映出水中的Na+、K+與含水層巖土體中的Ca2+、Mg2+發(fā)生了交替吸附；若小于0，則反映出水中的Ca2+、Mg2+與含水層巖土體中Na+、K+的發(fā)生了交替吸附。CAI絕對(duì)值越大，說明陽離子交換效果越強(qiáng)[5]。

地下水氯堿指數(shù)計(jì)算結(jié)果數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析見表3，所有水樣點(diǎn)CAI1、CAI2值均大于0，CAI1值最大為42.48，CAI2值最大為42.34，表明莎車縣地下水中的陽離子成分確實(shí)與含水層巖土體中的離子發(fā)生了交替吸附。由此可以證明，陽離子交替吸附作用也是影響莎車縣地下水化學(xué)組分的重要因素。

表3 地下水氯堿指數(shù)計(jì)算結(jié)果數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析(n=53)

3 結(jié)語

(1)莎車縣地下水pH介于6.8～8.1，均為中性水；TDS濃度介于388.0～5922.0 mg/L，淡水(TDS<1 g/L)、微咸水(1～3 g/L)和咸水(3～10 g/L)分別占取樣數(shù)量的30.2%、60.4%和9.4%；總硬度介于249.8～1874.0 mg/L，微硬水(150～300 mg/L)、硬水(300～450 mg/L)和極硬水(>450 mg/L)分別占取樣數(shù)量的5.7%、20.7%和73.6%。離子當(dāng)量濃度關(guān)系為Na++K+>Ca2+>Mg2+、SO42->Cl->HCO3-+CO32-。

(2)莎車縣地下水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na·Mg型、HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3·SO4-Mg和Cl·SO4-Na·Mg型等為主。受地下水的徑流補(bǔ)給影響，地下水化學(xué)類型在空間分布上具有明顯的規(guī)律：由南向北，由近河地帶到遠(yuǎn)離河谷地帶，地下水化學(xué)類型由HCO3-SO4型向SO4-HCO3型和SO4-Cl型過渡。

(3)莎車縣地下水淡水、微咸水和咸水分別占地下水水樣的30.2%、60.4%和9.4%，地下水TDS平面空間分布呈現(xiàn)明顯的分帶規(guī)律，礦化度由南部的小于0.5 g/L沿著地下水的徑流方向逐漸增高至2 g/L；垂直于河道方向，由近河地帶的0.5～1 g/L，逐漸向遠(yuǎn)離河道的地帶升高至3～5 g/L。

(4)蒸發(fā)、濃縮作用是控制莎車縣地下水化學(xué)成分的主要因子，其次是受巖石風(fēng)化作用。此外，陽離子交替吸附作用也對(duì)地下水化學(xué)組分的形成起到重要作用，含鹽礦物的溶解為地下水提供了Na+和Cl-，酸鹽和硅酸鹽等蒸發(fā)巖礦物的溶解為地下水提供了豐富的Ca2+、Mg2+。