甘肅民勤綠洲北部荒漠區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因分析

田遼西,劉德玉

1)甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,甘肅張掖,734000;2)甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗室,蘭州,730050;3)甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,蘭州,730050

內(nèi)容提要:民勤綠洲北部荒漠區(qū)作為國家北方防沙帶的重要組成部分以及石羊河下游生態(tài)保護(hù)治理區(qū),在地下水水化學(xué)方面的研究程度很低。在野外調(diào)查、勘探及采樣測試的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計、Piper三線圖、離子相關(guān)性分析、Gibbs圖及離子比例系數(shù)等方法對民勤綠洲北部荒漠區(qū)的地下水水化學(xué)特征及成因進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明:研究區(qū)地下水溶解性總固體以及硬度值較高,水化學(xué)類型主要為Cl-·S-Na+型。地下水水質(zhì)總體能夠滿足生態(tài)屏障區(qū)種植旱生、耐鹽植被的需要。地下水水化學(xué)演化是由蒸發(fā)濃縮作用主導(dǎo)、風(fēng)化溶解和陽離子交換共同作用的結(jié)果。地下水中超標(biāo)的高硝酸鹽氮水與牲畜糞便污染有關(guān),高氟水的形成受原生地質(zhì)環(huán)境背景影響。成果不僅進(jìn)一步提高了區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)的研究程度,亦可為民勤綠洲區(qū)保護(hù)、北方防沙帶以及石羊河下游生態(tài)保護(hù)治理區(qū)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

民勤縣地處甘肅省河西走廊石羊河流域下游,三面被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍,生態(tài)環(huán)境脆弱。該地區(qū)不僅是全國最干旱、荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一,而且還是我國北方地區(qū)沙塵暴的四大發(fā)源地之一。若沙漠化繼續(xù)發(fā)展下去,將導(dǎo)致騰格里沙漠與巴丹吉林沙漠在民勤北部會合,民勤綠洲的生態(tài)屏障作用將消弱,有可能成為“第二個羅布泊”,兩大沙漠聯(lián)手東進(jìn)南下,直接威脅西北、華北多個省市,后果將不堪設(shè)想。

民勤綠洲北緣荒漠區(qū)作為國家重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃“三區(qū)四帶”之北方防沙帶的重要組成部分,同時也屬于甘肅省主體功能區(qū)劃“三屏四區(qū)”之石羊河下游生態(tài)保護(hù)治理區(qū),地理位置特殊,生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大。在該地區(qū)開展植樹造林,防風(fēng)固沙,改善生態(tài)環(huán)境,建立強(qiáng)有力的綠色生態(tài)屏障,成為拯救民勤綠洲和阻止兩大沙漠合體的最佳方式,而建立生態(tài)屏障首先要解決的就是水資源問題。民勤綠洲北部荒漠區(qū)氣候極端干旱,降水稀少,蒸發(fā)量大,無地表水資源。在地表水資源相對匱乏的干旱、半干旱地區(qū),地下水資源具有不可替代的作用(魏水蓮等,2017)。開展地下水水化學(xué)研究對地下水資源利用和管理及與其有關(guān)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)均具有重要意義(章光新等,2006)。目前,國內(nèi)學(xué)者對民勤綠洲盆地內(nèi)的地下水研究程度較高,主要集中于水位(陳麗娟,2012)、水化學(xué)特征(李會亞等,2017;劉文杰等,2009;石培澤等,2004)、水質(zhì)(汪新波,2013)、礦化度(王旭虎,2014;李小玉,2005)的時空變化等方面。盆地之外的北部荒漠區(qū)因自然環(huán)境條件較為惡劣、人煙稀少、交通不便等原因,在地下水化學(xué)方面的研究程度很低,尤其對于該地區(qū)地下水水質(zhì)能否滿足植樹造林,防風(fēng)固沙的需要尚不清楚。本文通過野外調(diào)查、勘探及采樣測試,研究了荒漠區(qū)的地下水化學(xué)特征及成因,并與上游的民勤綠洲盆地區(qū)進(jìn)行了對比分析,成果進(jìn)一步搞清楚了民勤綠洲北部荒漠區(qū)的地下水化學(xué)特征,可為民勤綠洲區(qū)保護(hù)、北方防沙帶以及石羊河下游生態(tài)保護(hù)治理區(qū)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理基本情況

研究區(qū)位于民勤綠洲北部荒漠區(qū)(圖1),西至河西走廊內(nèi)部山地的韓家井—九個井一帶低山丘陵,東至灰山一帶,北至磨子山一帶,地理坐標(biāo)為:103°1′～104°0′E,39°2′～39°33′N,面積約3140 km2。研究區(qū)南部毗鄰民勤綠洲湖區(qū),西北部為巴丹吉林沙漠的東侵部分,東南為騰格里沙漠。區(qū)內(nèi)海拔1240～1580 m。地貌類型主要為低山丘陵、沖洪積平原及沙漠。植被低矮稀疏,沙漠化嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境脆弱。局部沖湖積層內(nèi)富含巖鹽、石膏、芒硝等礦產(chǎn)資源。

研究區(qū)氣候極端干旱,屬于典型的大陸性沙漠氣候,降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,日照長,晝夜溫差大,大風(fēng)及沙塵暴頻發(fā)。年均氣溫8.8℃,年均降水量僅約90 mm,蒸發(fā)量達(dá)到2600 mm以上。該區(qū)西南部的石羊河屬于河西走廊內(nèi)流水系,發(fā)育于祁連山的冷龍嶺,自東向西由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河及多條小溝小河組成,流域面積4.16×104km2,多年平均總徑流量15×108m3。西大河匯入永昌與民勤交界的昌寧盆地,大靖河在下游消失于騰格里沙漠,其余河流經(jīng)武威盆地匯入石羊河,經(jīng)紅崖山水庫注入民勤盆地,終于青土湖尾閭區(qū)。

1.2 地層巖性

前第四系地層主要分布在基巖山區(qū),主要有:太古宙—古元古代(Ar—Pt1)的黑云母斜長片麻巖、二云母石英片巖、大理巖等;石炭系(C)的砂巖、灰?guī)r等;新近系(N)的泥巖、砂巖、砂礫巖夾石膏薄層;侵入巖主要為花崗巖類。

第四系地層主要分布在深井坑、深坑井等凹陷(斷陷)盆地內(nèi),主要有:上更新統(tǒng)湖積(Qp3l)粉土、粉質(zhì)黏土(上層)及細(xì)砂、中砂(下層);全新統(tǒng)沖洪積(Qhal+pl)碎石、角礫及砂礫石;風(fēng)積(Qheol)的沙土,主要由石英、長石及巖屑組成。

1.3 水文地質(zhì)

研究區(qū)總體屬于水資源相對貧乏區(qū),且地下水分布具有不均勻性。受構(gòu)造～地貌諸因素控制,可分為丘陵山地(隆起帶臺地)及凹陷(斷陷)盆地兩類水文地質(zhì)單元。

(1)丘陵山地(隆起帶臺地):指徐家井山、黑山、灰山等民勤北部山區(qū)。因補(bǔ)給和賦存條件較差,丘陵山地的地下水分布不均。而在部分溝谷有暫時性洪流及溝谷潛水分布,是盆地地下水的補(bǔ)給源區(qū)。根據(jù)普查、物探及鉆探資料,丘陵山地地下水相對貧乏,但水質(zhì)較好,以低礦化度微咸水為主,局部有淡水。

(2)凹陷(斷陷)盆地: 指深井坑、黑坑井、青土湖等凹陷(斷陷)盆地,地下水主要源于雨洪及溝谷潛流,匯集并儲存于盆地。含水層巖性主要為砂及砂礫石,水量相對豐富,但礦化度較高,大部分為微咸水—咸水,在青土湖以北的東、西硝池一帶為鹽水—鹵水。

綜上所述,民勤綠洲北部荒漠區(qū)地下水富水性差異較大,水質(zhì)成因類型復(fù)雜,地下水形成于丘陵山地,匯集于儲水盆地,主要排泄于蒸發(fā)。

2 地下水樣品采集及測試

2.1 地下水樣品采集

通過水文地質(zhì)調(diào)查,在研究區(qū)內(nèi)共采集地下水樣品29組,主要來源于民井(26組),其次為鉆孔(3組)。采樣點(diǎn)地下水位埋深1～28m,均為淺層地下水,地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水,采樣點(diǎn)分布位置見圖2。地下水樣品的采集、保存和流轉(zhuǎn)按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求執(zhí)行。

圖2 民勤綠洲北部荒漠區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution of sampling sites in the northern desert area of Minqin Oasis

2.2 地下水樣品測試

3 結(jié)果和分析

3.1 地下水化學(xué)特征

3.1.1地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計分析

研究區(qū)29組水樣的pH、溶解性總固體(TDS)、總硬度、K+、Cl-等12項水化學(xué)參數(shù)見表1、表2。由表可知:研究區(qū)地下水的pH值介于7.1～8.9,平均值為7.8,呈弱堿性?？傆捕戎到橛?0.0～1751.0 mg/L,平均值為540.2 mg/L,以極硬水(>450 mg/L)占比最多,為44.8%,其次分別為硬水(300～450 mg/L)、微硬水(150～300 mg/L)及軟水(<150 mg/L),占比分別為31.0%、20.7%及3.5%。TDS值變化范圍為0.7333～6.093 g/L,平均值為2.346 g/L。從水質(zhì)來講,微咸水(1～3 g/L)占比最大,為62.1%,其次為咸水(3～10 g/L),占比31.0%,少部分為淡水(<1 g/L),占比6.9%,淡水點(diǎn)零星分布于西部的韓家井～徐家井山一帶。

表1 民勤綠洲北部荒漠區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)一覽表Table 1 List of hydrochemical parameters in the northern desert area of Minqin Oasis

表2 民勤綠洲北部荒漠區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征值Table 2 Statistical eigenvalues of hydrochemical parameters in the northern desert area of Minqin Oasis

3.1.2地下水化學(xué)類型分析

圖3 民勤綠洲北部荒漠區(qū)水化學(xué)Piper三線圖(圖中各離子單位為meq/L)Fig.3 Piper trigram of hydrochemistry in the northern desert area of Minqin Oasis(the unit of the inos is meq/L)

3.1.3地下水離子相關(guān)性分析

表3 民勤綠洲北部荒漠區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Correlation coefficient matrix of hydrochemical parameters in the northern desert area of Minqin Oasis

3.2 地下水化學(xué)特征成因分析

3.2.1地下水Gibbs圖

圖4 民勤綠洲北部荒漠區(qū)地下水Gibbs圖Fig.4 Gibbs diagram of groundwater in the northern desert area of Minqin Oasis

3.2.2離子比例系數(shù)

γ(Cl-)/[γ(Na+)+γ(K+)]值常用來判斷地下水中Na+和K+來源于巖鹽的溶解還是硅酸巖的溶解(吳平等,2019)。如果比值大于1,則主要為巖鹽的溶解,反之則為硅酸巖的溶解。由圖5a可知,絕大部分的采樣點(diǎn)分布在1∶1等值線的附近及上方,只有1個采樣點(diǎn)分布于1∶1等值線的下方,說明研究區(qū)地下水中Na+和K+主要來源于巖鹽溶解。

3.2.3高硝酸鹽氮水及高氟水的成因分析

由3.1.1 地下水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計分析可知,研究區(qū)地下水中存在超標(biāo)的高硝酸鹽氮水及高氟水。

高硝酸鹽氮水的形成一般與人類活動有關(guān)(毛若愚等,2016),是一項重要的人為影響指示因子(袁利等,2022)。人類活動中容易造成地下水中硝酸鹽污染的影響因素主要有農(nóng)作物施肥、生活污水及工業(yè)廢水排放、垃圾及糞便堆放等方面。研究區(qū)地處民勤縣北部荒漠區(qū),自然環(huán)境相對惡劣,人煙稀少,無農(nóng)業(yè)種植且工業(yè)活動可以忽略。本次采樣利用的民井主要是供牧民放牧?xí)r的臨時人畜飲用井,成井工藝簡陋,井口無封蓋或者半封蓋,在民井周邊遺留有大量羊糞。牲畜糞便中含有大量的氮,滲入地下后經(jīng)過分解轉(zhuǎn)化可形成硝酸鹽,容易造成淺層地下水污染。此外,采樣點(diǎn)中有3個為剛施工完成的鉆孔,鉆孔周邊無牲畜糞便,地下水中硝酸鹽氮質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅰ～Ⅲ類水,均不超標(biāo),從而進(jìn)一步說明超標(biāo)的高硝酸鹽氮水與牲畜糞便污染有關(guān)。

在排除受人為污染的前提下,高氟水的形成一般與其原生地質(zhì)環(huán)境背景密切相關(guān)(劉德玉等,2022)。我國北方氟病區(qū)按其成因主要劃分為干旱半干旱區(qū)次生累計富氟型、富氟溫泉型和火山活動成因型,均分布在第四紀(jì)地層之內(nèi)(徐立榮等,2012)。有研究(高麗,2002)表明,花崗巖中黑云母含量達(dá)到5%左右,片麻巖中黑云母含量達(dá)20%～40%,而云母類礦物中含易溶性氟本底值很高。在研究區(qū)四周分布的基巖山區(qū),其巖性主要為黑云母斜長片麻巖、二云母石英片巖以及黑云母花崗巖。片麻巖及花崗巖中普遍存在的黑云母礦物在溶解過程中會向地下水中釋放大量的氟離子,而區(qū)域蒸發(fā)濃縮主導(dǎo)的水文地球化學(xué)作用則是驅(qū)動氟離子向淺層地下水中遷移、富集的主要因素,在地勢低洼的山間盆地及湖積匯水洼地,地下水位埋深淺,地下水徑流滯緩,在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用影響下,在淺表的第四紀(jì)地層內(nèi)有利于鹽分的濃縮和氟的大量富集(巴建文等,2010),如研究區(qū)西部深井坑凹陷盆地一帶淺層地下水的F-離子質(zhì)量濃度高達(dá)4～8 mg/L。

4 討論

本文主要研究了民勤北部荒漠區(qū)的地下水水化學(xué)特征及成因機(jī)制,將其與南部民勤綠洲盆地區(qū)已有的研究成果(李會亞等,2017)進(jìn)行對比分析可以進(jìn)一步系統(tǒng)揭示石羊河流域下游民勤段的地下水水化學(xué)特征與演化模式。

(1)與民勤綠洲區(qū)相比,荒漠區(qū)的地下淡水(<1 g/L)占比很小,絕大部分為微咸水(1～3 g/L)～咸水(3～10 g/L),反映出從綠洲區(qū)到荒漠區(qū)地下水呈咸化的發(fā)展趨勢。另外,有研究表明(張長春,2003;王文科,2018):干旱區(qū)主要植物生長狀態(tài)與地下水礦化度有一定關(guān)系。當(dāng)潛水礦化度為3～5 g/L時,植物生長良好;潛水礦化度為5～8 g/L時,植物生長較好;潛水礦化度大于10 g/L時,絕大多數(shù)植物會枯萎死亡。從本文研究結(jié)果來看,采樣點(diǎn)地下水水質(zhì)總體能夠滿足生態(tài)屏障區(qū)種植旱生、耐鹽植被的需要。區(qū)內(nèi)的地下水資源雖然分布不均,但在有利的儲水構(gòu)造地段,仍賦存有水量較為豐富的地下水,就干旱荒漠區(qū)而言其水質(zhì)較好。如本次獲得找水突破的3個鉆孔單井涌水量達(dá)到1000～1500 m3/d,TDS為2.27～6.09 g/L,即為例證。

(3)綠洲區(qū)的地下水水化學(xué)演化是由蒸發(fā)濃縮作用主導(dǎo)、風(fēng)化溶解和陽離子交換共同作用的結(jié)果,與荒漠區(qū)的演化模式相同,具有一致性。

(4)民勤綠洲區(qū)地下水中的Na+主要來源于巖鹽溶解,其次為硅酸巖的溶解,與荒漠區(qū)相同。受地層巖性及礦物成分差異的影響,綠洲區(qū)地下水中的Ca2+及Mg2+主要來自于蒸發(fā)巖、碳酸鹽礦物以及硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解,而荒漠區(qū)則主要來自于蒸發(fā)巖及硅酸鹽的溶解,碳酸鹽礦物的溶解作用相對較小。

5 結(jié)論

(2)研究區(qū)地下水水化學(xué)演化是由蒸發(fā)濃縮作用主導(dǎo)、風(fēng)化溶解和陽離子交換共同作用的結(jié)果。地下水中的Ca2+及Mg2+主要來自于巖鹽、石膏、芒硝等蒸發(fā)巖及硅酸鹽的溶解,Na+主要來源于巖鹽溶解,其次為硅酸巖的溶解。

(3)研究區(qū)地下水中存在超標(biāo)的高硝酸鹽氮水與高氟水。高硝酸鹽氮水與放牧產(chǎn)生的牲畜糞便污染有關(guān)。片麻巖及花崗巖中廣泛存在的黑云母礦物、蒸發(fā)濃縮主導(dǎo)的水文地球化學(xué)作用以及地勢低洼的匯水條件是形成高氟水的主要因素。