喀什噶爾河流域平原區(qū)深層承壓水咸化機(jī)理研究

王紅太，周金龍,2，曾妍妍,2，范 薇,2，魏 興,2，時(shí)雯雯

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830052)

地下水咸化已成為世界范圍內(nèi)水資源管理面臨的嚴(yán)峻問題之一，表現(xiàn)為地下水中溶解物質(zhì)大量富集，危及地下水資源的未來(lái)開發(fā)及利用。多位學(xué)者對(duì)不同地區(qū)的地下水鹽分來(lái)源和咸化機(jī)理進(jìn)行了研究，Sun等[1]對(duì)敦煌盆地地下水咸化過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明地下水咸化過(guò)程由溶濾、蒸發(fā)和蒸騰作用主導(dǎo)。李成誠(chéng)[2]對(duì)運(yùn)城盆地高氟地下咸水成因機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明控制深層地下水咸化的主要原因?yàn)楣畔趟a(bǔ)給和水巖相互作用。林麗等[3]在對(duì)塔里木盆地深層承壓水研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)研究區(qū)深層承壓水有咸化趨勢(shì)，咸化原因?yàn)樵搅餮a(bǔ)給及開采不規(guī)范。地下水咸化的機(jī)理包括可溶性礦物的溶解、古咸水補(bǔ)給、蒸發(fā)濃縮過(guò)程、地下水水位抬升、離子交換吸附作用、海水入侵、咸水越流補(bǔ)給、人類活動(dòng)(過(guò)度開采地下水、農(nóng)業(yè)灌溉和化肥)等[4-6]。

喀什噶爾河流域平原區(qū)深居歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海岸，水汽難以到達(dá)，氣候干燥，該地區(qū)水資源量相對(duì)豐富，但時(shí)空分布不均，水資源總量的控制精度不高，屬于水質(zhì)型缺水[7]。近年來(lái)隨著研究區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水資源的需求量也持續(xù)增長(zhǎng)，地表水資源明顯供應(yīng)不足，部分地區(qū)出現(xiàn)不合理開采地下水現(xiàn)象，使得地下水咸化更加嚴(yán)重，對(duì)居民生活飲水和農(nóng)業(yè)灌溉產(chǎn)生了不利的影響。環(huán)境同位素δD和δ18O是研究水循環(huán)的理想示蹤劑，可根據(jù)地下水中δD和δ18O的特征以及分析氘盈余值(d)和δ18O與TDS之間的關(guān)系，確定鹽漬化過(guò)程及地下水咸化機(jī)理[8]。為了分析研究區(qū)深層承壓水的咸化機(jī)理，指導(dǎo)深層承壓水的合理開采及利用，本文基于水化學(xué)和環(huán)境同位素分析技術(shù)，揭示研究區(qū)深層承壓水的補(bǔ)給來(lái)源和咸化機(jī)理，以期對(duì)該區(qū)地下水資源的合理開發(fā)、管理和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

喀什噶爾河流域地處新疆維吾爾自治區(qū)西南部、塔里木盆地西部邊緣，是新疆糧棉種植生產(chǎn)基地之一，屬暖溫帶大陸干旱氣候，降水稀少，蒸發(fā)量較大，地形復(fù)雜，水資源分布極不均勻，水文循環(huán)緩慢。喀什噶爾河是喀什地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第三師的重要供水來(lái)源地，居民日常生活用水多數(shù)依靠開采地下水，地下水資源的開發(fā)利用程度較高，已開采8.6154×108m3[9]。流域地勢(shì)總體為西高東低，北部、西部、南部均為山區(qū)，海拔918～7 559 m，高程變化極大。研究區(qū)位于喀什噶爾河流域平原區(qū)，山前沖洪積平原和沖積平原為區(qū)域主要地貌類型[7,10-11]。研究區(qū)主要含水層系統(tǒng)為第四系松散巖類孔隙含水巖系，山前沖洪積平原為單一結(jié)構(gòu)潛水區(qū)，巖性以卵礫石和砂卵礫石為主，山前沖洪積平原及沖積平原接觸帶巖性主要為砂礫石和砂卵礫石；沖積平原為多層結(jié)構(gòu)的潛水-承壓水區(qū)，巖性為亞黏土、礫砂、砂礫石、中粗砂、中細(xì)砂和粉細(xì)砂等[12-13]。

喀什噶爾河流域地下水徑流由西向東，地下水主要接受大氣降水、冰雪融水、地下水側(cè)向補(bǔ)給、河道潛流入滲、河流補(bǔ)給，基巖裂隙水補(bǔ)給、水庫(kù)入滲補(bǔ)給、渠系滲漏補(bǔ)給、暴雨洪流入滲、農(nóng)田灌溉入滲補(bǔ)給和井泉水回歸入滲補(bǔ)給等[12]。泉水排泄、側(cè)向徑流排泄、潛水蒸發(fā)蒸騰和人工開采等是研究區(qū)地下水排泄的主要方式[10]。

1.2 樣品采集與測(cè)定

圖1 喀什噶爾河流域平原區(qū)深層承壓水采樣點(diǎn)分布圖

利用SPSS 19對(duì)各化學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。利用AquaChem 3.7中phreeqc模塊計(jì)算各礦物的飽和指數(shù)(SI)，Grapher 11制作離子比例圖，綜合利用礦物飽和指數(shù)和離子比探討喀什噶爾河流域平原區(qū)深層承壓水咸化成因。

2 結(jié)果與分析

2.1 深層承壓水咸化概況

圖2 喀什噶爾河流域平原區(qū)深層承壓水咸化主要指標(biāo)年際變化

2.1.2 咸化程度 2016年深層承壓水咸化系數(shù)計(jì)算公式如下：

SC<1為淡水，SC在1～2之間為微咸水，SC>2為咸水，SC越大咸化程度越高[14]。表1列出了喀什噶爾河流域平原區(qū)13組深層承壓水取樣點(diǎn)咸化系數(shù)，由表1看出，研究區(qū)共計(jì)6組水樣咸化系數(shù)<1，分別為喀什市1組、疏勒縣2組、岳普湖縣3組；3組水樣咸化系數(shù)處于1～2之間，分別為疏勒縣1組、英吉沙縣1組、阿圖什市1組；4組水樣咸化系數(shù)>2，分別為喀什市1組、伽師縣3組。研究區(qū)淡水、微咸水、咸水的比例分別為46.1%、23.1%、30.8%。

表1 喀什噶爾河流域平原區(qū)13組深層承壓水取樣點(diǎn)咸化系數(shù)

2.2 深層承壓水水化學(xué)類型分析

圖3 研究區(qū)深層承壓水水化學(xué)組分含量

圖4 研究區(qū)深層承壓水Piper三線圖

2.3 深層承壓水的δD與δ18O分布特征

全球大氣降水線方程(GMWL)為：δD=8δ18O+10，喀什噶爾河流域平原區(qū)大氣降水線方程(LMWL)為：δD=8δ18O+15[16]。利用喀什噶爾河流域平原區(qū)地下水的δD與δ18O數(shù)據(jù)，繪制了δD-δ18O關(guān)系圖(圖5)，喀什噶爾河流域平原區(qū)深層承壓水具有低氫氧穩(wěn)定同位素的特點(diǎn)，δD值變化區(qū)間為-92.7‰～-58.2‰，平均值為-76.9‰，δ18O值變化區(qū)間為-12.8‰～-7.8‰，平均值-10.6‰。研究區(qū)深層承壓水氫氧穩(wěn)定同位素組成分布于全球大氣降水線兩側(cè)，表明大氣降水為其補(bǔ)給來(lái)源，屬大氣成因[17]。兩組水樣點(diǎn)落于地區(qū)降水線左側(cè)，表明該地下水在運(yùn)移過(guò)程中與周邊的CO2發(fā)生了水氣相互作用，大部分水樣點(diǎn)位于地區(qū)降水線之下，表明深層承壓水受到一定的非平衡蒸發(fā)的影響，然而深層承壓水不大可能經(jīng)歷強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用，因此認(rèn)為深層承壓水可能受到上層潛水、淺層承壓水的越流補(bǔ)給，地下水與含水介質(zhì)發(fā)生了水巖相互作用[17-18]。

圖5 研究區(qū)深層承壓水氫氧同位素圖

2.4 深層承壓水的咸化機(jī)理

2.4.1 蒸發(fā)作用 深層承壓水的氘盈余值“d”反映樣品偏離當(dāng)?shù)卮髿饨涤昃€的程度，d與TDS的關(guān)系可用來(lái)區(qū)別蒸發(fā)和溶濾作用對(duì)水體的影響[17,19]。研究區(qū)深層承壓水d值變化范圍為-1.50‰～18.70‰，平均值為7.68‰，空間變化大，僅一個(gè)樣品d值小于0，表明其受到了強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用[20]。研究區(qū)d值隨TDS的增加有增加趨勢(shì)(圖6)，表明研究區(qū)地下水受蒸發(fā)作用影響??；研究區(qū)大部分水樣點(diǎn)δ18O隨著TDS增加而降低，表明地下水咸化與水巖相互作用因素有關(guān)[20]。

圖6 研究區(qū)深層承壓水δ18O、d與TDS的關(guān)系圖

圖7 研究區(qū)深層承壓水樣離子比例系數(shù)圖

表2 研究區(qū)深層承壓水中離子相關(guān)性

計(jì)算各礦物的飽和指數(shù)(SI)以確定地下水中礦物的溶解和沉淀情況[23]。研究區(qū)地下水中白云石SI值范圍在-6.62～-2.65之間，方解石SI值范圍在-3.08～-1.68之間，文石SI值范圍在-3.22～-1.82之間，石膏SI值范圍在-4.75～-2.27之間，硬石膏SI值范圍在-4.97～-2.49之間，巖鹽SI值范圍在-9.80～-6.24之間(圖8)。各礦物的飽和指數(shù)均為負(fù)值，表明礦物在地下水中可進(jìn)行進(jìn)一步溶解，且飽和指數(shù)均隨著TDS增加而增加，表明碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物和巖鹽的溶解是深層承壓水咸化的主要原因。

圖8 TDS與飽和指數(shù)的關(guān)系

2.4.3 陽(yáng)離子交換作用 鈉吸附比(SAR)通常用于衡量灌溉水中鈉離子的危害程度，SAR越高水中含Na+越多。在進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)，使用咸化的地下水會(huì)引起土壤的次生鹽漬化，同時(shí)SAR可以反映地下水在混合作用下水巖(土)之間的陽(yáng)離子交換作用[24]，其公式為：

研究區(qū)SAR范圍在1.69～26.18之間，由圖9看出，研究區(qū)深層承壓水中SAR隨著TDS的增加而增加，表明離子交換作用明顯，Ca2+置換含水介質(zhì)所吸附的部分Na+，導(dǎo)致水中Na+升高，使得地下水趨于咸化。

圖9 深層承壓水中SAR與TDS的關(guān)系圖

3 討 論

在內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)，深層承壓淡水是生活用水、工業(yè)用水及農(nóng)業(yè)灌溉用水最重要的來(lái)源。隨著塔里木河綜合治理工程的實(shí)施，灌區(qū)地表水引水量逐年減少，對(duì)地下水資源的依賴程度逐年增加。據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)水資源公報(bào)(2004—2016)》，喀什地區(qū)2016年地下水開采量為2.155×109m3，較2004年擴(kuò)大1.550×109m3[25]。地下水咸化與人類活動(dòng)的影響關(guān)系是相互的，長(zhǎng)期大規(guī)模開采深層地下淡水會(huì)導(dǎo)致地下水質(zhì)量降低(增加地下水鹽度)，從而影響農(nóng)業(yè)發(fā)展；農(nóng)業(yè)活動(dòng)密集的區(qū)域易發(fā)生土壤鹽漬化，該現(xiàn)象與長(zhǎng)期使用劣質(zhì)高鹽度地下水進(jìn)行灌溉有關(guān)，同時(shí)由于鹽可能會(huì)在系統(tǒng)中循環(huán)再利用，使得地下水和土壤進(jìn)一步被污染[26]。長(zhǎng)期使用高鹽度的灌溉水會(huì)使植物細(xì)胞性脫水和死亡，地下水咸化也會(huì)引起微量元素增加，在超過(guò)植物的耐受能力時(shí)，就會(huì)降低農(nóng)作物產(chǎn)量或引起病害[27]?？κ驳貐^(qū)是農(nóng)業(yè)大區(qū)，主要種植玉米、小麥和棉花等農(nóng)作物，研究區(qū)深層承壓水中微咸水、咸水比例達(dá)53.9%，咸化現(xiàn)象嚴(yán)重，在使用咸水進(jìn)行灌溉時(shí)適當(dāng)施加氮肥有利于提高鹽脅迫下玉米及棉花的產(chǎn)量，而適當(dāng)?shù)厥褂梦⑾趟畬?duì)小麥進(jìn)行灌溉可以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的效果，其中至關(guān)重要的是制定合理的灌溉制度，考慮研究區(qū)氣候干燥、蒸發(fā)強(qiáng)烈，利用自然降水對(duì)土壤進(jìn)行淋鹽措施實(shí)施較困難，建議采用咸-淡水輪灌制度[28-31]。

本文對(duì)比了2011、2014年和2016年3期深層承壓水水樣的水化學(xué)數(shù)據(jù)年平均值變化，計(jì)算了2016年深層承壓水的咸化程度，并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、同位素分析、相關(guān)性分析和Phreeqc模型模擬研究了深層承壓水咸化的原因。然而，本文地下水采樣點(diǎn)的布置分布不均且同位素采樣沒有包含附近河水、城鎮(zhèn)生活污水、工廠排污水和農(nóng)業(yè)活動(dòng)排水等樣品。地下水水化學(xué)性質(zhì)受自然因素與人為因素共同影響，本文著重分析了研究區(qū)地下水受自然因素的影響，對(duì)人為因素尚缺乏分析。在后續(xù)研究中需要優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)采樣方案，開展多年水樣巡回取樣分析，將附近河水、城鎮(zhèn)生活污水、工廠排污水和農(nóng)業(yè)活動(dòng)排水等進(jìn)行同位素采樣分析，以期進(jìn)一步明確地下水咸化受人為因素影響的程度。同時(shí)，研究建議的咸-淡水輪灌方法尚未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可考慮進(jìn)一步開展多年的田間試驗(yàn)及模擬，對(duì)本文結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證與補(bǔ)充。

4 結(jié) 論

3)深層承壓水δD值變化范圍為-92.7‰～-58.2‰(平均值-76.9‰)，δ18O值變化范圍為-12.8‰～-7.8‰(平均值-10.6‰)。深層承壓水補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，受到上覆潛水、淺層承壓水的越流補(bǔ)給。d值變化范圍為-1.50‰～18.70‰，平均值7.68‰。研究區(qū)深層承壓水受蒸發(fā)作用影響小，地下水咸化與水巖相互作用因素有關(guān)，離子交換作用明顯。導(dǎo)致研究區(qū)深層承壓水咸化的重要因素是硫酸鹽、巖鹽等蒸發(fā)巖礦物的溶濾。