新疆天北經濟帶地下水水化學特征與循環(huán)演化研究

劉雪松，張燕君，蔡月梅

(1.中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定 071051；2.河北地質大學，河北 石家莊 050031)

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新疆天北經濟帶地下水水化學特征與循環(huán)演化研究

劉雪松1，張燕君2，蔡月梅1

(1.中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定 071051；2.河北地質大學，河北 石家莊 050031)

以天山北麓經濟帶呼圖壁河、瑪納斯河、安集海、奎屯河四個地下水水化學演化剖面為例，從水化學類型隨地形地貌的變化特征和水化學演化規(guī)律方面揭示了該區(qū)域地下水的循環(huán)演化及水化學形成機制。潛水和淺層承壓水從山前到沙漠邊緣水化學類型呈現(xiàn)出明顯的分帶特征，總體上表現(xiàn)為HCO3·SO4-Ca(Mg)→ HCO3·SO4-Na·Ca→ SO4·Cl-Na(Ca)→Cl·SO4-Na(Mg)；深層承壓水從山前補給后進入深層循環(huán)，和潛水及淺層承壓水表現(xiàn)出相異的循環(huán)機制和水化學類型。通過地下水水化學演化剖面的橫向和縱向對比，發(fā)現(xiàn)TDS由山前到沙漠邊緣區(qū)變化巨大，由東到西變化規(guī)律差異性也較為明顯。此外結合區(qū)域地下水水化學特征和水文地質條件，從飽和指數(shù)和蘇林水化學類型兩個方面進行分析，探討天北經濟帶的地下水水化學循環(huán)演化和形成機制。

天山北坡經濟帶；地下水水化學特征；水化學演化及形成機制

1 區(qū)域概況

天山北坡經濟帶是新疆最具活力的經濟區(qū)域，該區(qū)域的經濟產值占到全疆的42.4%，而中部是北坡經濟帶的核心區(qū)域，集中著烏魯木齊、昌吉、石河子和奎屯等重要城鎮(zhèn)，是新疆開放發(fā)展的排頭兵，也是一帶一路經濟帶的核心區(qū)域[1]。天山北麓中部處于準噶爾盆地準噶爾南緣坳陷，南依中天山，北部為山前沖洪積傾斜平原，地形總體為南高北低，東高西低，由南東向北西傾斜。地貌總體上從南到北依次為山地一前山丘陵一山麓傾斜平原一沖一湖積平原[2]。該區(qū)屬于中溫帶大陸型干旱氣候區(qū)，晝夜溫差大，多年平均降水量不足200 mm，多年平均蒸發(fā)量大于1 000 mm。區(qū)域的南部中高山區(qū)，常年積雪，有現(xiàn)代冰川分布,是水資源的補給來源；自東向西發(fā)育有烏魯木齊河、頭屯河、三屯河、呼圖壁河、瑪納斯河、安集海河、奎屯河等河流，均以出山河流形式，穿越山前構造洼地，進入山前傾斜平原，與地下水相互轉化，消失于沿途潛水蒸發(fā)或尾閭湖泊[3-4]。

2 地下水水化學特征

天山北麓中部地下水具有典型干旱盆地水化學特征，以呼圖壁、瑪納斯、安集海、奎屯河為例說明，特點如下：

1)水化學類型隨地形地貌變化呈現(xiàn)總體相同性和細節(jié)差異性

潛水水化學類型從上游到下游總體上由重碳酸類型水向氯化物類型水轉變，變化趨勢依次為：瑪納斯和奎屯河HCO3·SO4-Ca·Mg→HCO3·SO4-Na·Ca→SO4·Cl-Na·Ca→Cl·SO4-Na·Mg水；安集海河流域：HCO3·SO4-Ca→HCO3·SO4-Ca·Na→SO4·Cl-Na→Cl·SO4-Na水；呼圖壁河流域：HCO3·SO4-Ca·Na→HCO3·Cl·SO4-Na·Ca→Cl·SO4-Na水。由此上述水化學演變趨勢可知，流域地下水(地表水)陰離子類型均以低礦化HCO3·SO4開始，說明上游流域的巖石礦物淋溶狀態(tài)相近，處在難溶鹽淋溶階段；陽離子類型以三種類型開始，呼圖壁河流域為Ca·Na水，說明淋溶主要是堿土金屬硅酸鹽類；瑪納斯河和奎屯河流域為Ca·Mg水、安集海為Ca水，說明淋溶主要是堿土金屬硅酸鹽和碳酸鹽類。由于上游地下水水化學背景不同，下游地下水的演化趨勢和最終演化結果也不同，每個流域末端陰離子類型均轉化為高礦化Cl·SO4型水，陽離子類型分別為Na和Na·Mg水，代表了水-巖作用的終點。

承壓水和潛水在上游處于同一個地下水化學演化背景，在流域下游較潛水而言，陰離子類型變化較小，其中淺層承壓水仍保持低礦化HCO3·SO4水，深部則出現(xiàn)極低礦化HCO3水，陽離子類型均轉變?yōu)镹a水。

2)地下水礦化度特征鮮明，由上游到下游礦化度變化巨大，由東到西變化規(guī)律差異明顯。

(1)東部呼圖壁和瑪納斯地區(qū)，上游地下水礦化度在170～200 mg/L之間，西部安集海和奎屯約120～138 mg/L，相差55 mg/L左右，說明東部與西部在上游流域面積、徑流途徑和時間以及巖性、徑流量等方面存在差異。東部瑪納斯河、呼圖壁河流域面積，特別是流經第三系的面積較大，礦化程度較上游明顯增加，如瑪納斯河(見圖1), 從煤窯-肯斯瓦特-紅山嘴水文站，礦化度不斷升高，特別是流經肯斯瓦特-紅山嘴水文站之間(第三系)時，礦化度上升加快，平均每平方公里貢獻值增加了0.08 mg/L。

圖1 瑪納斯河礦化度圖

(2)溢出帶以后礦化度升高,但是起伏變化較大，流域差異十分突出，呼圖壁和安集海流域礦化度變化相對平穩(wěn)，瑪納斯和奎屯則十分劇烈，說明前者地下水化學環(huán)境基本處于自然狀態(tài)，而后者在人為因素影響下,水環(huán)境受到強烈干擾，水化學環(huán)境十分復雜(見圖2)。

(3)下游臨近沙漠邊緣區(qū)，西部較東部礦化度明顯偏高。

3)離子變化特征差異明顯

以溢出帶為界，溢出帶以南，以Ca2+、HCO3-為主，離子含量變化及排列順序相對穩(wěn)定，Ca2+、Mg2+>Na+，HCO3->SO42-、CI-，說明地下水流暢，水化學環(huán)境是穩(wěn)定的；溢出帶以北，陽離子以Na+為主，含量次序相反，并隨徑流差距變大，陰離子多數(shù)以SO42-、CI-為主,，HCO3-與SO42-、CI-含量順序則隨TDS值的高低呈交替變化。其中瑪納斯、奎屯流域變化尤為強烈，安集海相對較弱，呼圖壁則變化最小，陰離子變化基本一致，上述特征，同樣說明了各流域受到人為因素干擾的程度不同水化學環(huán)境復雜性不同(見圖3、圖4)。

圖2 天山北麓中部剖面礦化度分布圖

圖3 天山北麓中部剖面地下水陽離子分布圖

圖4 天山北麓中部剖面地下水陰離子分布圖

地下水的背景特征與基巖地下水離子的組成有密切關系，由表1可看出，在縱向上，Na/Ca值上游遠遠小于下游，反應了地下水自然演化的趨勢；在橫向上，東部上游Na/Ca值大于西部，特別呼圖壁流域上游地下水Na/Ca為0.6，高于西部相鄰的3個流域，說明東部Na源豐富，西部物源Ca元素相對豐富。下游地區(qū)Na/Ca值在東西方向出現(xiàn)交替變化現(xiàn)象，呼圖壁和安集海流域分別為11.32、9.7，Na富集程度最高，奎屯次之，Na/Ca為6.62，瑪納斯最小，僅有1.72，Na富集程度最小。上下游Na/Ca差值在一定程度上可說明環(huán)境的演變程度，在自然狀態(tài)下，內陸干旱盆地平原區(qū)地下水上下游Na/Ca差值較大，安集海和呼圖壁流域上下游Na/Ca差值最大，說明水化學演化仍處在自然狀態(tài)，瑪納斯流域上下游rNa/rCa差值最小，遠低于其它流域，說明水化學環(huán)境受干擾最大，淺層地下水正在失去自然水化學演化特征；奎屯流域水化學演化雖然受到人為活動干擾，但是還基本保留著自然演化特征。

表1 天山北麓中部流域地下水Na/Ca值

圖5 天山北麓中部飽和指數(shù)結算結果

3 水化學循環(huán)演化

如上對天山北麓中部地下水系列水化學特征的分析，結合水文地質條件，發(fā)現(xiàn)中部地區(qū)的水化學循環(huán)演化模式具有其獨特性，呼圖壁和安集海流域包括二次轉化過程，即硅酸鹽、碳酸鹽及少量硫化物(氧化)溶解構成的第一次水化學循環(huán)(降水→基巖裂隙水)過程，溢出帶附近可溶巖溶解-飽和相對平衡的第二次循環(huán)轉化過程。但是呼圖壁流域方解石(CaCO3)與白云石(CaMg(CO3)2)溶解飽和狀態(tài)相差較大，前者處于平衡-沉淀狀態(tài)，后者處于過飽和狀態(tài)；安集海則兩者同步(見圖5)?，敿{斯和奎屯流域水化學循環(huán)在五次以上，瑪納斯流域在地表水與地下水的多次交替中，方解石處于過飽和，而白云石(CaMg(CO3)2)和石膏(CaSO4)處于非飽和狀態(tài)，并且起伏較大，說明系統(tǒng)的溶濾作用較強，碳酸鹽和硫酸鹽均未出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象(見圖5)?？秃觿t溶濾作用相對稍差，碳酸鹽均已飽和，且都在0～1之間，因此礦化程度較高。

從循環(huán)演化分析上看，自然狀態(tài)下情形下從山前到沙漠邊緣區(qū)，該區(qū)域地下水水化學一般經歷兩次演化過程。對于經歷多次水化學循環(huán)過程的瑪納斯流域來說，是人類活動干擾了地下水的正常循環(huán)演化，導致水化學發(fā)生多次循環(huán)演化。

[1]天山北坡經濟帶發(fā)展規(guī)劃[M]. 新疆維吾爾自治區(qū)政府.2011.7.

[2]諶天德，王旭光，等.準噶爾盆地地下水資源及其環(huán)境問題[D].北京:地質出版社.2009.

[3]周宏春.準噶爾盆地西南緣地下水流系統(tǒng)與懸河補給機理[M].中國西北典型干旱區(qū)地下水流系統(tǒng)[C].北京:地震出版社.1995.72-81.

[4]肖重華,李鵬，等. 天山北麓中段拗陷帶地下水庫的特征及其開發(fā)利用建議[J].水文地質工程地質.2005,18(4): 74.

The research of cycling and groundwater hydrochemical characteristics of economic belt in Tianbei in Xinjiang autonomous regions

LIU Xue-song1，ZHANG Yan-jun2，CAI Yue-mei1

(1.Chinese geological survey of hydrological geology and environmental geological survey center, Baoding 071051,China；2.Hebei university of geosciences, Shijiazhuang 050031, China)

In this paper, four groundwater hydrochemical profiles of Hutubi River, Manasi River, Anjihai River and Kuitun River in the northern foot of Tianshan Mountain are taken as examples. According to the variation of hydrochemical types with topographic features and hydrochemical evolution, we can see that the evolution of groundwater in this area and the formation mechanism of water chemistry. From the mountain to the edge of the desert, the water chemistry types of unconfined aquifer and shallow confined aquifer show obvious zonation which generally represented as HCO3SO4-Ca (Mg)→HCO3SO4-Na Ca→SO4Cl-Na (Ca)→Cl SO4-Na (Mg). The deep confined groundwater enters the deep circulation from the front of the mountain after being recharged exhibits different cycle mechanism and hydrochemical type from unconfined aquifer and shallow confined aquifer. According to the horizontal and vertical comparison of the groundwater hydrochemical evolution, we found that the TDS varies obviously from the front of the mountain to the edge of the desert and from east to west. In addition, combined the regional groundwater hydrochemical characteristics and hydrogeological conditions, the evolution and formation mechanism of groundwater hydrochemical cycle in Tianbei economic belt are discussed from saturation index and Su Lin water chemistry type.

economic zone of north Tianshan Mountain；chemical characteristic of the groundwater；Mechanism of water chemical evolution and formation

2016-12-15

劉雪松(1977-)，男，河北保定人，高級工程師，主要從事污染場地調查技術與修復方法研究。

P641.12

A

1004-1184(2017)02-0024-03