張掖盆地不同水體TDS變化規(guī)律及其水文循環(huán)指示意義

陳明聰

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 前言

TDS是水中總?cè)芙夤腆w含量，它直接反映了水的咸化程度[1]，是地下水水化學(xué)長(zhǎng)期演變的最終結(jié)果，也是表征水文地球化學(xué)作用過(guò)程的重要參數(shù)，可集中反映區(qū)域水文地球化學(xué)特征[2]。干旱半干旱地區(qū)地下水鹽化是影響和控制地下水環(huán)境的重要因素，已在全球范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注和重視。地下水鹽化是指地下水總?cè)芙夤腆w(TDS)和所有化學(xué)組分濃度的增加，沿著地下水流方向從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)發(fā)生相應(yīng)的變化[3]。我國(guó)西北內(nèi)陸干旱盆地平原區(qū)松散沉積層地下水的咸化過(guò)程主要是大陸鹽化過(guò)程，溶濾和蒸發(fā)作用是其主要表現(xiàn)形式[1]。

李文鵬等[4]將內(nèi)陸干旱盆地平原區(qū)地下水劃分為四級(jí)地下水流系統(tǒng)，即山前局部地下水流系統(tǒng)(Ⅰ)、區(qū)域地下水流系統(tǒng)(Ⅱ)、滯流地下水流系統(tǒng)(Ⅲ)和細(xì)土平原區(qū)易變的局部地下水流系統(tǒng)(Ⅳ)。山前局部地下水流系統(tǒng)(Ⅰ)的地下水接受補(bǔ)給條件好，徑流交替積極，以鹽分溶濾作用為主。在區(qū)域地下水流系統(tǒng)(Ⅱ)和易變的局部地下水流系統(tǒng)(Ⅳ)共同作用下，地下水和地層中的鹽分在水平方向上從盆地邊緣向中心遷移和聚集，在垂向上則從深部向淺部遷移和聚集，這就是為什么盆地中部廣大地區(qū)地下水具有上咸下淡的普遍特點(diǎn)以及深部存在由盆地邊緣向中部延伸的舌狀淡水帶的主要原因。

孫芳強(qiáng)等[5]研究了鄂爾多斯盆地白堊系地層的水化學(xué)特征，并以此為依據(jù)研究了水化學(xué)對(duì)地下水循環(huán)的指示意義。于靜潔等[6]、宋獻(xiàn)方等[7]和宋洋等[8]利用水化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)，分別研究了永定河、潮白河和柳江盆地東宮河流域地下水的循環(huán)特征。劉蔚等[9]研究了黑河流域水體的水化學(xué)特征，認(rèn)為地下水體化學(xué)特征在氣候與地質(zhì)因素的影響下形成自南向北3個(gè)基本帶：一是山區(qū)裂隙水及山前礫石帶重碳酸鹽帶；二是山前沖、洪積、湖積平原硫酸鹽帶；三是荒漠區(qū)及積鹽洼地氯化物帶。丁宏偉等[10]認(rèn)為河西走廊平原區(qū)地下水化學(xué)成分呈現(xiàn)水平和垂直分帶性，主要是受溶濾和大陸鹽化作用共同影響，依據(jù)走廊平原地下水的礦化程度， 自南而北可劃分出三個(gè)基本水化學(xué)帶： 淡水帶、咸水覆蓋下的淡水—微咸水帶和咸水帶，張掖盆地多數(shù)地區(qū)位于淡水帶。黑河中游灌區(qū)地下水化學(xué)成分具有空間分異特征[11-12]，地表水與地下水主要水化學(xué)類(lèi)型從東南向西北都經(jīng)過(guò)了由HCO3-－SO42-型水向SO42-－HCO3-型水，再向SO42-－Cl-型水演化的過(guò)程[13]。王丹丹等[14]研究了額濟(jì)納盆地生態(tài)輸水期間和間歇期地下水的水化學(xué)成分變化，研究表明，地下水的水化學(xué)類(lèi)型并未改變，但是TDS、總硬度和主要離子含量有了明顯的增加。天然水的化學(xué)成分是水在循環(huán)過(guò)程中與周?chē)h(huán)境長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果。地下水與地表水相互轉(zhuǎn)化過(guò)程，水中溶解的物質(zhì)伴隨水量的交換同步進(jìn)行。天然水化學(xué)組成從一定程度上記錄著水體形成、運(yùn)移的歷史，是了解地下水與地表水相互作用的一種“有效示蹤方法”[15-16]，同樣，可以將水體的TDS參數(shù)作為張掖盆地不同水體水循環(huán)的示蹤劑。綜上所述，在以往張掖盆地的地下水循環(huán)研究中，僅從區(qū)域的角度給出了地下水水化學(xué)特征的變化規(guī)律，對(duì)于張掖盆地主要地表水體在水循環(huán)中的作用，以及盆地不同部位地下水TDS分布特征的高精度研究，尚未見(jiàn)此類(lèi)報(bào)道。

地下水資源作為水資源的重要組成部分和表現(xiàn)形式，在西北干旱區(qū)具有不可替代的作用，許多地區(qū)甚至是唯一的可用水源[4]。地下水的TDS是其能否成為資源的重要參數(shù)。因此，研究西北內(nèi)陸盆地地下水的TDS變化規(guī)律，對(duì)于研究區(qū)域水文地球化學(xué)演化和開(kāi)發(fā)利用區(qū)域地下水資源具有重要意義。

2 研究區(qū)概況

張掖盆地地處河西走廊中段，西靠臨澤，東至山丹、民樂(lè)，南為祁連山，北依龍首山，氣候特征表現(xiàn)為熱量充足，日照長(zhǎng)，溫差較大，屬于大陸荒漠性氣候[17]，年降水量＜200mm，年水面蒸發(fā)量＞2 050mm[18]。區(qū)內(nèi)地形地貌平坦，南高北低，地貌上分為祁連山山前沖洪積戈壁平原和盆地中部沖洪積細(xì)土平原以及北部龍首山山前戈壁平原[19]。祁連山山前洪積扇及細(xì)土平原規(guī)模大，扇頂部水位埋深＞200m，潛水含水層由單一厚層狀粗顆粒的卵礫石及砂礫石組成。至扇中地帶，水位埋深50～150m，含水層中含泥質(zhì)漸多，及扇緣和細(xì)土平原南部，水位埋深10～50m，含水介質(zhì)顆粒漸細(xì)，由單一的潛水含水層漸變?yōu)槎鄬拥臐撍袎核畮r組。北部龍首山山前沖洪積扇及細(xì)土平原規(guī)模小[20]。

盆地內(nèi)富水性最豐富的地段是黑河洪積扇中下部，單井(降深5m)出水量＞5 000m3/d，其次是扇緣帶盆地及黑河沿岸地帶，單井出水量3 000～5 000m3/d，南北山前最差，＜1 000m3/d[21]。

張掖盆地地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源是黑河、梨園河以及走廊上游河流的入滲補(bǔ)給，地下水的流動(dòng)方向與地勢(shì)變化的方向基本一致，即從東南方向流向西北方向，最后在新華鎮(zhèn)西北方向區(qū)域側(cè)向流出張掖盆地，進(jìn)入酒泉東盆地。受黑河和梨園河入滲補(bǔ)給的影響，在兩條河的下游平原堡鎮(zhèn)和臨澤縣一帶分別有泉水溢出，成為了地下水排泄的一種重要方式。

祁連山發(fā)育的河流在祁連山前戈壁帶強(qiáng)烈滲漏補(bǔ)給地下水，主要河流有黑河及其支流山丹河、梨園河等。在干旱季節(jié)及雨量較少的年份，黑河在312國(guó)道黑河大橋至高崖水文站段水量極小。河水補(bǔ)給地下水后即向水頭較低處流動(dòng)，在甘州區(qū)靖安鄉(xiāng)和臨澤縣新華鄉(xiāng)以泉水或自流井的形式流出地表。

3 研究方法

2014年，筆者在張掖盆地開(kāi)展了水文地質(zhì)調(diào)查工作(見(jiàn)圖1)，選取了大量地表水和地下水調(diào)查點(diǎn)以及勘探孔，并進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試分析。取樣原則是沿平行于和垂直于地下水流動(dòng)方向開(kāi)展取樣，對(duì)于沒(méi)有采集到樣品的區(qū)域收集前人數(shù)據(jù)綜合分析?？碧娇桌梅飧羝骷夹g(shù)進(jìn)行分層取樣。通過(guò)分析水平方向和垂直方向地下水的TDS變化規(guī)律，分析了張掖盆地不同水體之間的循環(huán)轉(zhuǎn)化。

圖1 研究區(qū)交通位置圖及取樣點(diǎn)分布圖

4 分析

4.1 河流的TDS特征

河水是該區(qū)域地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源，因此首先分析河水的TDS特征，對(duì)于研究整個(gè)盆地的地表水和地下水的循環(huán)具有指示和控制作用。

黑河干流和梨園河是張掖盆地兩條較大的河流，發(fā)源于祁連山，匯水面積較大，其年平均徑流量分別為16.8×108m3/a和2.48×108m3/a，大磁窯河和小磁窯河同樣發(fā)源于祁連山，但是匯水面積較小，流量較小，一般年徑流量＜0.2×108m3/a(見(jiàn)下表)。從下表中可以看出，河流的大小不同，明顯的顯示出出山口河水TDS的不同，大河流(黑河、梨園河)河水的TDS較低，一般低于300mg/L，而小河流河水的TDS較高，接近1 000mg/L。

河水的來(lái)源主要是冰雪融水和山間降水，冰雪融水和降水形成地表徑流，匯集后進(jìn)入河道。地表徑流與基巖相互接觸，發(fā)生溶濾作用，從而TDS較降水有一定的升高。因?yàn)槭窃谙嗤牡貐^(qū)，所以蒸發(fā)強(qiáng)度相同。大河流的流量大，一定的蒸發(fā)對(duì)其TDS影響不明顯；小河流的流量較小，小到了在自然條件下幾乎被蒸干的地步，受蒸發(fā)后剩余的河水量很小，從而導(dǎo)致小河流河水的TDS較高。

主要河流河水的TDS值

4.2 剖面Ⅰ方向(SW-NE)地下水的TDS變化

首先分析從祁連山至龍首山方向(SW-NE)即垂直于走廊走向方向地下水TDS的變化。取樣點(diǎn)的TDS變化如圖2。

圖2 剖面Ⅰ地下水TDS變化規(guī)律圖

通過(guò)圖2不同調(diào)查點(diǎn)的TDS對(duì)比可以看出，地下水的TDS總體處于上升的趨勢(shì)。在溢出帶上游，地下水的TDS具有上升趨勢(shì)，說(shuō)明河水在祁連山前入滲補(bǔ)給地下水后，與圍巖發(fā)生溶濾作用，導(dǎo)致地下水的TDS有了一定的升高；到溢出帶的下游，地下水的TDS具有明顯的上升趨勢(shì)，尤其是到了龍首山前，部分區(qū)域地下水的TDS＞1 000mg/L，與祁連山前地下水的TDS有明顯差異，反應(yīng)了走廊南北兩側(cè)補(bǔ)給源的不同。祁連山山體高大，雨水充沛，在漫長(zhǎng)的第四紀(jì)沉積物的形成過(guò)程中，形成了一個(gè)相對(duì)難溶的環(huán)境[22]，因而地下水的TDS上升緩慢；龍首山雨水較少，山前的棱角狀—次棱角狀沉積物也表明，該區(qū)域并未接受大規(guī)模的沖積和搬運(yùn)，因此圍巖中可溶性物質(zhì)相對(duì)較高，從而導(dǎo)致龍首山前地下水TDS較高，水質(zhì)與祁連山前的地下水明顯不同。

4.3 剖面Ⅱ(SE-NW)地下水TDS變化

圖3為沿走廊方向(由東南向西北)的地下水TDS變化曲線。從圖3可以看出，沿走廊方向在石崗墩一帶，地下水未受河水入滲影響之前，隨著地下水的流動(dòng)，地下水的TDS有上升趨勢(shì)，反應(yīng)了地下水與圍巖之間的溶濾作用。隨著地下水的流動(dòng)，由于受到黑河和梨園河的影響，地下水的TDS在兩河河道處有了明顯的下降，兩河影響帶最低點(diǎn)ZY396和HQ3的TDS與河水無(wú)異，表明了河水通過(guò)河床強(qiáng)烈滲漏補(bǔ)給地下水，反應(yīng)了該區(qū)域河流—含水層系統(tǒng)的特征[23]。

圖3 沿走廊方向取樣點(diǎn)TDS變化圖

4.4 垂向TDS對(duì)比

垂向?qū)Ρ确治鲋惺褂昧丝碧娇追謱映樗鸵绯鰩Р煌畹臉悠窋?shù)據(jù)。侯光才等[24]在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“鄂爾多斯盆地地下水勘查”研究中使用了封隔器技術(shù)開(kāi)展分層取樣，效果明顯?？碧娇桌梅飧羝鬟M(jìn)行分層抽水，可以認(rèn)為上下層的水樣分別代表含水層上、下段的水質(zhì)情況。溢出帶不同層位分析中分別采用了20～30m的井和100m的機(jī)民井，同樣可以將這些水樣分別視為含水層上、下段的代表。

勘探孔的數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖4。從圖4中可以看出，HQ9、HQ10、HQ13的上下層水的TDS基本一致，究其原因，這三個(gè)點(diǎn)位于地層巖性單一結(jié)構(gòu)區(qū)，為單一砂礫石，滲透性極好，極好的導(dǎo)通性導(dǎo)致上下層水質(zhì)情況幾乎一致。

圖4 不同深度樣品TDS對(duì)比圖

HQ1、HQ4、HQ6、HQ7、HQ8-2、HQ11、HQ12這些點(diǎn)上層水的TDS明顯高于下層水，究其原因，這些點(diǎn)基本都位于多層結(jié)構(gòu)區(qū)，上下含水層都有厚約10m的粘土層作為隔水層，由于地下水的深層循環(huán)和頂托補(bǔ)給作用，導(dǎo)致上層的TDS高于下層。

新華鎮(zhèn)、蓼泉鄉(xiāng)、板橋鎮(zhèn)三個(gè)調(diào)查點(diǎn)淺井的TDS和相同位置深井的TDS有明顯的區(qū)別，淺井的TDS要高于深井的TDS，井水TDS隨著井深的增加而減小。形成這一特征的原因是這三個(gè)地點(diǎn)處于地下水流線上升區(qū)，存在深層地下水對(duì)淺層水的頂托補(bǔ)給，由于溶濾作用和淺層地下水的蒸發(fā)濃縮作用，導(dǎo)致淺井的TDS較高，深井的TDS較低。

5 結(jié)論

(1) 調(diào)查研究表明，張掖盆地地表水和地下水TDS普遍不高，基本都屬于淡水。

(2) 張掖盆地的河流—含水層系統(tǒng)特征明顯，河水與含水層之間存在密切的聯(lián)系，作為地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源，河水對(duì)地下水的影響明顯。

(3) 地下水TDS橫向變化規(guī)律：地下水在流動(dòng)過(guò)程中，在不受河流、山前側(cè)向補(bǔ)給等情況下，TDS有增大的趨勢(shì)，反映了地下水在徑流過(guò)程中的溶濾作用；在受到河水、山前側(cè)向補(bǔ)給后，則地下水會(huì)顯示出補(bǔ)給源的特征。

(4) 地下水TDS垂向變化規(guī)律：在富水性較好的單一結(jié)構(gòu)區(qū)，地下水水質(zhì)在垂向上差別不大，幾乎一致；在多層結(jié)構(gòu)區(qū)和排泄帶附近，不同深度地下水的TDS具有差異，隨著深度的增大，地下水的TDS降低，反映了地下水的頂托補(bǔ)給作用。

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