諾木洪河流域地下水水化學特征及演化規(guī)律研究

楊炳超,李小等,張　戈,李成柱

(中國地質調查局 西安地質調查中心，陜西 西安 710054)

?

諾木洪河流域地下水水化學特征及演化規(guī)律研究

楊炳超,李小等,張戈,李成柱

(中國地質調查局 西安地質調查中心，陜西 西安 710054)

地下水；水化學特征；演化規(guī)律；諾木洪河流域

諾木洪河流域是青海省柴達木盆地內一個典型的內陸河流域。該流域內氣候干旱、降水稀少、生態(tài)環(huán)境脆弱。區(qū)內農業(yè)灌溉、生產、生活和生態(tài)用水都來源于河水與地下水，人們在開發(fā)利用水資源的同時也影響了地下水循環(huán)條件，導致先前的天然地下水賦存環(huán)境發(fā)生改變，致使沖洪積平原區(qū)生態(tài)發(fā)生改變。土壤鹽堿化、水質礦化等問題已經(jīng)引起當?shù)卣陀嘘P部門的重視。建國以來，諾木洪河流域先后開展了1∶20萬、1∶5萬水文地質調查，基本查清了研究區(qū)水文地質特征和地下水循環(huán)機理，但是在地下水水化學演化規(guī)律方面認識不足。因此，本研究對青海省諾木洪河流域地下水水化學特征與演化規(guī)律進行了分析，不僅有助于當?shù)睾侠黹_發(fā)利用水資源、保護生態(tài)環(huán)境，而且對柴達木盆地以及西北地區(qū)其他內陸盆地進行相關研究工作具有一定的借鑒意義。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省都蘭縣宗加鎮(zhèn)境內，地理坐標為東經(jīng)96°07′～96°43′、北緯36°14′～36°46′，南北長約50 km，東西寬約60 km，流域總面積約 3 000 km2。地貌單元上可分為山區(qū)、戈壁灘、沖洪積平原和沖湖積平原區(qū)。位于沖洪積平原區(qū)的諾木洪農場南北寬度約5 km，東西長度近20 km，是我國最大的原生態(tài)野生枸杞群落林帶，枸杞種植面積已突破60 km2。諾木洪河發(fā)源于南面的布爾汗布達山，途經(jīng)戈壁灘、沖洪積平原和沖湖積平原區(qū)向北流入柴達木河，最終匯入南霍布遜尾閭湖，是區(qū)內農業(yè)灌溉用水的主要來源。

該地區(qū)地下水總流向由南向北，戈壁帶地下水為潛水，含水層為砂卵礫石，水位埋深10～100 m；沖洪積平原地下水為上部潛水、下部多層承壓水的結構特征，含水層為砂、砂礫石，潛水水位埋深1～10 m；沖湖積平原地下水也為上部潛水、下部多層承壓水的結構特征，含水層為砂、含礫砂，潛水水位埋深小于5 m。

在圖1所示的采樣點Y30點以南，地下水接受諾木洪河河水補給，在Y30點以北地區(qū)形成地下水溢出帶，以泉水或潛流方式的地下水補給河水。

圖 1諾木洪河流域采樣點分布圖

Fig.1Sampling locations in Nuomuhong River Basin

2　研究方法

2.1樣品采集與測試

2.2分析方法

綜合運用Piper 三線圖圖示法和離子比例系數(shù)，系統(tǒng)研究地下水水化學的空間分布特征與演變規(guī)律。Piper三線圖采用AquacChem V4.0水化學軟件繪制，可以簡單直觀地展現(xiàn)主要離子的空間分布特征[2-3]。離子比例系數(shù)法通過對比分析水化學成分中各種組分含量之間比例系數(shù)的相互關系，來研究地下水化學形成及演化趨勢[4-12]。

3　結果與分析

3.1地下水水化學空間分布特征

諾木洪河流域地下水水化學的空間分布與地下水循環(huán)特征緊密相關，由南向北沿著地下水徑流主方向具有較強的分帶性(圖2)。在戈壁灘與沖洪積平原，地下水徑流較快，地下水中各離子含量一般為20%～40%，表現(xiàn)為多元型水化學特征(圖3)，水化學類型主要為HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca型、HCO3·Cl-Na·Mg·Ca型，礦化度一般小于1 g/L，基本為淡水；而在沖湖積平原區(qū)，地下水徑流緩慢，水化學類型比較單一，主要為Cl-Na型，礦化度由1 g/L增至10 g/L以上，最大可達302 g/L，為咸水、鹵水[13]。

圖 2諾木洪河流域水化學圖

Fig.2Hydrochemistry graph of Nuomuhong River Basin

從Piper三線圖(圖3)中可以看出，地下水的類型主要為HCO3·SO4·Cl-Na型及Cl-Na型，表現(xiàn)為多元型水化學特征。在戈壁灘，地下水水化學類型以HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca型為主，反映了補給區(qū)的特征；在沖洪積平原，水化學類型以HCO3·Cl-Na·Mg為主，反映了徑流區(qū)的特征；在沖湖積平原，水化學類型以Cl-Na型為主，反映了排泄區(qū)的特征。

圖 3諾木洪河流域水化學Piper三線圖

Fig.3Hydrochemistry Piper graph of Nuomuhong River Basin

3.2地下水化學離子組分來源及演化趨勢

3.2.1r(Na+)-r(Cl-)與r(Na+/Cl-)-r(Cl-)的相互關系首先，分析地下水中r(Na+)與r(Cl-)的相互關系，結果(圖4)顯示，沿徑流方向地下水中Na+和Cl-濃度都在增長；在河水和潛水中，r(Na+/Cl-)近似等于1，說明潛水受石鹽(NaCl)溶濾作用和蒸發(fā)濃縮作用的影響；在承壓水中，r(Na+/Cl-)略大于1，說明承壓水中Na+的來源不僅與石鹽的溶濾作用有關，而且受到石膏、蘇打和硅酸納鹽型礦物溶解的影響[14-15]。

由r(Na+/Cl-)與r(Cl-)的關系(圖5)可以看出，在地下水徑流過程中，河水和潛水中Na+與Cl-兩者增長的速率大致相當，r(Na+/Cl-) /r(Cl-)在1附近，表明區(qū)內河水和潛水主要受石鹽溶濾作用和蒸發(fā)濃縮作用的影響。而承壓水中Na+濃度增長的速率明顯大于Cl-，r(Na+/Cl-)/r(Cl-)值則呈1∶1增長趨勢，說明區(qū)內在發(fā)生石鹽溶濾的同時，還發(fā)生著硅酸鈉鹽礦物溶濾作用和強烈的Ca-Na陽離子交換作用，使得Na+濃度迅猛升高。

圖 4　諾木洪河流域地下水r(Na+)與r(Cl-)的相互關系Fig.4　Relation of r(Na+) and r(Cl-) of groundwater in Nuomuhong River Basin圖 5　諾木洪河流域地下水r(Na+/Cl-)與r(Cl-)的相互關系Fig.5　Relation of r(Na+/Cl-) and r(Cl-) of groundwater in Nuomuhong River Basin

圖 6　諾木洪河流域地下水r(Ca2+)與)的相互關系Fig.in Nuomuhong River Basin圖 7　諾木洪河流域地下水r(Ca2++Mg2+)與的相互關系Fig.groundwater in Nuomuhong River Basin

3.2.4r(Mg2+/Ca2+)與r(Na+/Ca2+)的相互關系從r(Mg2+/Ca2+)與r(Na+/Ca2+)的相互關系(圖8)可以看出，區(qū)內所有水樣r(Na+/Ca2+)的值均大于1，說明區(qū)內發(fā)生了Na-Ca陽離子交換吸附作用。潛水中大部分r(Mg2+/Ca2+)值小于1，表明潛水在徑流過程中受石膏、螢石和方解石等礦物溶解的影響。部分承壓水和少部分潛水中r(Mg2+/Ca2+)值大于1，說明局部地區(qū)存在著氟鎂石類含鎂礦物的溶濾作用[18]。

圖 8　諾木洪河流域地下水r(Mg2+/Ca2+) 與r(Na+/Ca2+)的相互關系Fig.8　Relation of r(Mg2+/Ca2+ ) andr(Na+/Ca2+) of groundwater in Nuomuhong River Basin圖 9　諾木洪河流域地下水與的相互關系Fig.groundwater in Nuomuhong River Basin

3.2.6Na-Ca陽離子交換地下水中Na-Ca陽離子交換在地下水的形成和演化方面具有重要意義。通常采用鈉吸附比(SAR)來表征Na-Ca陽離子交換。其計算公式為：

(1)

由區(qū)內地下水SAR與距出山口距離關系圖(圖10)可以看出，戈壁灘地下水SAR值基本不變，進入沖洪積平原(即距離出山口25～35 km處)后，潛水和承壓水中SAR值沿著地下水徑流方向均在逐漸變大，表明戈壁灘區(qū)地下水中陽離子交換作用幾乎不發(fā)生，在沖洪積平原和沖湖積平原區(qū)(即距離出山口35～45 km處)，陽離子交換作用逐漸增強，而且潛水中SAR值增幅明顯大于承壓水，這與潛水徑流速度要快于承壓水有關。從承壓水中陽離子濃度的變化(圖11)可以明顯看到，Na+含量不斷增加，到?jīng)_湖積平原區(qū)(距離出山口40 km處)后急劇增高；Mg2+含量略有所增加，比較穩(wěn)定；Ca2+含量波動變化，先是緩慢增加，在沖洪積平原區(qū)其含量明顯減少，之后又緩慢增加，表明承壓水在沖洪積平原區(qū)發(fā)生了強烈的Na-Ca陽離子交換作用[19-20]。

圖 10諾木洪河流域地下水SAR與距出山口距離的關系

Fig.10Relation of SAR and distance of groundwater in Nuomuhong River Basin

圖 11諾木洪河流域承壓水中陽離子濃度的變化

Fig.11Change of cations of confined water in Nuomuhong River Basin

4　結　論

1)諾木洪河流域地下水水化學特征具有明顯的分帶性，與地下水從補給-徑流-排泄的循環(huán)規(guī)律相吻合。沿著沖洪積扇軸線方向由南而北，地下水水化學類型和礦化度呈環(huán)帶狀變化。在戈壁灘地下水補給區(qū)，地下水水化學作用以溶濾作用為主，水化學類型以HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca型為主，礦化度小于1 g/L，為淡水；在沖洪積平原地下水徑流區(qū)，溶濾作用占主導地位，并伴有陽離子交換作用，水化學類型以HCO3·Cl-Na·Mg、SO4·Cl-Na·Mg型為主，地下水礦化度從1 g/L增至5 g/L，為微咸-咸水；在沖湖積平原地下水排泄區(qū)，水化學作用以蒸發(fā)濃縮作用和陽離子交換作用為主，水化學類型以Cl-Na型為主，礦化度增至5 g/L以上，最大可達302 g/L，為咸水-鹵水。

2)溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用和陽離子交換作用是諾木洪河流域地下水主要的水化學形成作用，溢出帶以南主要為溶濾作用，自溢出帶以北以蒸發(fā)濃縮作用和陽離子交換作用占主導；沿地下水徑流方向，主要發(fā)生了石鹽、石膏和長石的溶解反應、方解石和白云石的沉淀反應及Ca-Na 陽離子交換反應，致使地下水由HCO3·SO4·Cl-Na·Mg·Ca型淡水逐漸向Cl-Na型鹵水演變過渡，鹽分在沖湖積平原區(qū)不斷富集。

[1]國家環(huán)境保護總局.GB 3838-2002 水質、采樣方案設計技術規(guī)定 [S].北京:中國環(huán)境科學出版社,2002.

State Environmental Protection Administration of China.GB 3838-2002 Water quility-Techmical regulation on the design of sampling programmes [S].Beijing:China Environmental Science Press,2002.

[2]陸徐榮,周愛國,王茂亭,等.Piper圖解淮河流域江蘇地區(qū)淺層地下水水質演化特征 [J].工程勘察，2010 (2)：42-47.

Lu X R,Zhou A G,Wang M T,et al．Characteristic analysis of phreatic water equality evolution by Piper diagram in Huaihe river drainage area,Jiangsu Province [J].Geotechnical Investigation & Surveying，2010(2)：42-47.

[3]沈照理,朱宛華,鐘佐琰.水文地球化學基礎 [M].北京:地質出版社,1986.

Shen Z L，Zhu W H，Zhong Z Y.Foundation of hydrogeology chemistry [M].Beijing:Geology Press,1986.

[4]Van der Hoven S J,Solomon D K,Moline G R.Natural spatial and temporal variations in groundwater chemistry in fractured,sedimentary rocks-Scale and implications for solute transport [J].Applied Geochemistry,2005,20(5):861-873.

[5]錢會,覃蘭麗,姬亞東,等.鄂爾多斯盆地摩林河水化學成分的形成機制 [J].干旱區(qū)研究,2007,24(5):590-597.

Qian H,Qin L L,Ji Y D,et al.Study on the formation mechanism of chemical constitution of stream water of the Molin river in the Ordos basin [J].Arid Zone Research,2007,24(5):590-597.

[6]陳立,張發(fā)旺,程彥培,等.寧夏海原盆地地下水水化學特征及其演化規(guī)律 [J].現(xiàn)代地質,2009,23(1):9-14.

Chen L,Zhang F W,Cheng Y P,et al．Hydrogeochemical characteristics and evolution laws of groundwater in Haiyuan Basin,Ningxia [J].Geoscience,2009,23(1):9-14.

[7]溫小虎,仵彥卿,蘇健平,等.額濟納盆地地下水鹽化特征及機理分析 [J].中國沙漠,2006,26(5):836-841.

Wen X H,Wu Y Q,Su J P,et al.Groundwater stalinization characteristics and mechanism in Ejina Basin [J].Journal of Desert Research,2006,26(5):836-841.

[8]姜凌,李佩成,郭建青．賀蘭山西麓典型干旱區(qū)綠洲地下水水化學特征與演變規(guī)律 [J].地球科學與環(huán)境學報，2009，31(3)：285-290．

Jiang L,Li P C,Guo J Q.Hydrochemical characteristics and evolution laws of groundwater in typical oasis of arid areas on the west of Helan Mountain [J].Journal of Earth Sciences and Environment,2009，31(3)：285-290．

[9]唐然,溫忠輝,束龍倉,等.綏化市地下水水化學特征及水質現(xiàn)狀評價 [J].水資源保護,2013,29(4):19-25.

Tang R,Wen Z H,Shu L C,et al．Hydro-chemical characteristics and water quality assessment of groundwater in Suihua City [J].Water Resources Protection,2013,29(4)：19-25.

[10]趙新鋒，陳建耀，唐常源，等．珠江三角洲小流域地下水化學特征及演化規(guī)律 [J].生態(tài)環(huán)境,2007,16(6):1620-1626.

Zhao X F,Chen J Y,Tang C Y,et al．Hydrochemical characteristics and evolution of groundwater in a small catchment of Pearl River Delta [J].Ecology and Environment,2007,16(6):1620-1626.

[11]章光新,鄧偉,何巖,等．中國東北松嫩平原地下水水化學特征與演變規(guī)律 [J].水科學進展,2006,17(1):20-28.

Zhang G X,Deng W,He Y，et al．Hydrochemical characteristics and evolution laws of groundwater in Songnen Plain,Northeast China [J].Advances in Water Science,2006,17(1):20-28.

[12]Wicks C M,Herman J S.The effect of a unite on the geochemical evolution of groundwater in the upper floridian aquifer system [J].Journal of Hydrology,1994,153:139-155.

[13]韓佳君，周訓，姜長龍，等.柴達木盆地西部地下鹵水水化學特征及其起源演化 [J].現(xiàn)代地質,2013,27(6):1454-1464.

Han J J,Zhou X,Jiang C L,et al．Hydrochemical characteristics,origin and evolution of subsurface brines in western Qaidam Basin [J].Geoscience,2013,27(6):1454-1464.

[14]Jalali M．Chemical characteristics of groundwater in parts of mountainous region，Alvand，Hamadan，Iran [J].Environmental Geology，2006，51(3)：433-446．

[15]Adams S,Titus R,Pietersen K,et al.Hydrochemical characteristics of aquifers near Sutherland in the Western Karoo,South Africa [J].Journal of Hydrology,2001(24):919-931.

[16]Razowska L.Changes of groundwater chemistry caused by the flooding of iron mines Estochowa Region,Southern Poland [J].Journal of Hydrology,2001,244:17-32.

[17]Wu F F,Wang X.Eutrophication evaluation based on setpair analysis of Baiyangdian Lake,North China [J].Procedia Environmental Sciences,2012,13:1030-1036.

[18]姜凌,李佩成,胡安焱.內蒙古阿拉善腰壩綠洲地下水水化學特征 [J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(11):106-110.

Jiang L,Li P C,Hu A Y.The groundwater chemical characteristics in the Yaoba oasis of Alxa area Inner Mongolia [J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2009,23(11):106-110.

[19]Karro E,Marandi A,Vaikmae.The origin of increased salinity in the Cambrian-Vendian aquifer on the Kopli Peninsula, Northern Estonia [J].Hydrogeology Journal,2004,12:424-435.

[20]Stallard R F,Edmond J M.Geochemistry of the Amazon river:The influence of the geology and weathering environment on dissolved load [J].Journal of Geophysics Resource,1983,88:9671-9688.

Hydrochemistry characteristics and evolution of groundwater in Nomhon River Basin in Qinghai

YANG Bingchao,LI Xiaodeng,ZHANG Ge,LI Chengzhu

(Xi’anCenterofGeologicalSurvey,ChinaGeologicalSurvey,Xi’an,Shaanxi710054,China)

groundwater;hydrochemistry characteristics;evolution law;Nomuhong River Basin

時間:2016-09-0709:03DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.10.030

2015-03-30

中國地質調查局地質調查項目“柴達木盆地循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)1∶5萬水文地質調查”(1212011220974)

楊炳超(1977-)，男，陜西西安人，碩士，助理研究員，主要從事水文地質與水環(huán)境化學研究。E-mail:abing24@163.com

P641.12

A

1671-9387(2016)10-0214-07

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160907.0903.060.html