奎屯河流域平原區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因分析

張福初, 吳 彬, 高 凡, 杜明亮, 徐連統(tǒng)

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

地下水水化學(xué)成分是地下水循環(huán)過程中不斷與周圍環(huán)境(大氣、地表水、巖石)長期相互作用的結(jié)果[1-3]，水化學(xué)類型、特性及成因受氣候條件、地層巖性、地形地貌、地表水及人類活動等因素控制[4-5]. 識別特定流域的地下水水化學(xué)元素的遷移規(guī)律及水化學(xué)特征的演變規(guī)律有助于研究地下水的起源與形成，揭示地下水的演變規(guī)律[6-7]，對合理開發(fā)利用與保護(hù)地下水資源具有重要意義[8].

地下水是奎屯河流域農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及生活供水的主要水源. 奎屯河流域是我國典型的高氟、高砷區(qū)，針對該流域已經(jīng)開展了許多相關(guān)研究. 如邵琳琳等[9]針對奎屯河流域F-的空間分布特征進(jìn)行了調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)F-呈現(xiàn)明顯的徑向水平分帶性；李巧等[10]分析了奎屯河流域地下水中NH4+/NT(質(zhì)量濃度之比，其中NT為總氮素)、Eh與砷濃度之間的相關(guān)性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)砷濃度隨著Eh的減小而增加，隨著NH4+/NT的增加而減少；袁翰卿等[11]通過對奎屯河流域地下水中常量元素和微量元素進(jìn)行分析，探討了地下水中砷富集的影響因素，得出還原環(huán)境、干旱半干旱的氣候條件、封閉的地球化學(xué)環(huán)境及交替緩慢的水文地質(zhì)條件均為砷富集提供了有利條件. 已有研究成果主要集中在地下水中氟和砷富集規(guī)律方面，對于地下水水化學(xué)特征、演變規(guī)律和成因等的基礎(chǔ)研究仍需要加強(qiáng). 該文在前人研究基礎(chǔ)上，于2017—2019年對奎屯河流域平原區(qū)水文地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，采集了大量水樣，系統(tǒng)分析了地下水水化學(xué)組分空間分布、水化學(xué)特征，演變規(guī)律和成因，為進(jìn)一步研究氟、砷富集規(guī)律夯實(shí)基礎(chǔ)，為合理利用與有效保護(hù)地下水資源提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

奎屯河流域(83°30′E～85°11′E、44°06′N～45°20′N)位于新疆天山北坡中部，準(zhǔn)噶爾盆地西南緣[12]. 流域南北最長240 km，東西最寬160 km，總面積2.83×104km2，其中山區(qū)面積1.19×104km2，平原區(qū)面積1.64×104km2. 屬溫帶大陸性干旱氣候，年均降水量162.6 mm，年均蒸發(fā)量1 208.3 mm. 平原區(qū)地形特征為南北高、中北部低、東部高、西部低，海拔由900～1 200 m降至250 m. 中生代，西、南、北三面隆起為山地，中部沉降為盆地. 新生代，在強(qiáng)烈的喜瑪拉雅構(gòu)造運(yùn)動作用下，山地與盆地間斷塊式的升降運(yùn)動增強(qiáng)，使中生代地層產(chǎn)生斷裂和褶皺，形成了車西鼻隆、卡因迪克隆起、柳溝鼻隆、六十四戶鼻隆、西湖隆起、獨(dú)山子背斜等一系列褶皺構(gòu)造和以烏蘇—奎屯為中心的沉積區(qū)(見圖1).

注： Ⅰ1—奎屯河沖洪積礫質(zhì)平原區(qū)； Ⅰ2—奎屯河沖洪積細(xì)土平原區(qū)； Ⅰ3—奎屯河沖積細(xì)土平原區(qū)； Ⅱ1—四棵樹河，古爾圖河沖洪積礫質(zhì)平原區(qū)； Ⅱ2—四棵樹河，古爾圖河沖洪積細(xì)土平原區(qū)； Ⅲ—佐頓艾力生沙漠； Ⅳ—三河匯流沖湖積平原區(qū).

奎屯河流域被第四系廣泛覆蓋，從南北山區(qū)山前礫質(zhì)平原至中部細(xì)土平原，第四系松散沉積物由單一的卵礫石、砂礫石漸變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)的砂礫石、砂、黏性土層，地下水類型由單一結(jié)構(gòu)潛水過渡到多層結(jié)構(gòu)潛水—承壓水(見圖2). 由于南北山區(qū)山體升降幅度、侵蝕搬運(yùn)強(qiáng)度的差異，平原區(qū)形成以南山松散巖類堆積物為主的含水層. 山區(qū)水資源(包括降水和冰雪融水)是內(nèi)陸盆地平原地下水的主要補(bǔ)給來源[13]. 奎屯河流域平原區(qū)的地下水資源主要來自南山區(qū)，山前沖洪積礫質(zhì)平原是地下水的主要補(bǔ)給區(qū). 地下水在山前接受補(bǔ)給后，從南向北徑流，直至128團(tuán)、126團(tuán)，受車西鼻狀隆起阻擋，轉(zhuǎn)向西或西北徑流入艾比湖. 地下水的主要補(bǔ)給項為河道滲漏、渠系滲漏、田間入滲、庫塘滲漏和山前側(cè)向補(bǔ)給，地下水的主要排泄項有人工開采、蒸發(fā)蒸騰、泉水溢出和側(cè)向徑流.

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖(A-A′)

1.2 采樣與測試

2017年、2018年、2019年分別采集地下水樣50組、134組和132組，合計316組(見圖1). 其中，礫質(zhì)平原區(qū)潛水水樣40組、細(xì)土平原區(qū)潛水水樣79組、細(xì)土平原區(qū)承壓水水樣196組. 地下水樣品取自農(nóng)業(yè)灌溉井、手壓井和鉆孔，采樣井深5.0～500 m. 樣品采集、保存、運(yùn)送嚴(yán)格按照HJ/T 16—2004《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行. 樣品測試委托新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊化驗室完成，測試項目包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-的濃度以及pH、TDS(礦化度)和TH(總硬度)，其中pH采用玻璃電極法測定；Na+和K+的濃度采用火焰原子吸收分光光度法測定，檢測限分別為0.01、0.05 mg/L；Ca2+、Mg2+、HCO3-的濃度和TH用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定，檢測限均為1.0 mg/L；Cl-濃度用硝酸銀容量法測定，檢測限為1.0 mg/L；SO42-濃度用硫酸鋇比濁法測定，檢測限為5.0 mg/L；TDS采用重量法測定，不確定度為±0.1 mg/L.

為保證樣品測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，運(yùn)用野外運(yùn)輸空白樣控制樣品測試，測定結(jié)果顯示，各項檢測數(shù)據(jù)均低于檢出限. 經(jīng)檢驗，研究區(qū)采集水樣陰陽離子的平衡誤差為-3.99%～3.98%，證明數(shù)據(jù)均可靠.

1.3 研究方法

該文在對地下水水化學(xué)組分進(jìn)行描述性統(tǒng)計和主要組分空間差異分析基礎(chǔ)上，運(yùn)用AquaChem軟件繪制Piper三線圖，劃分地下水水化學(xué)類型；采用Grapher軟件繪制Gibbs圖，探究水化學(xué)成分形成機(jī)制；應(yīng)用離子比值法、飽和指數(shù)、陽離子交替吸附作用等方法進(jìn)一步識別主要離子來源.

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水水化學(xué)組分描述性統(tǒng)計特征

地下水中主要離子成分及含量可用來分析地下水水化學(xué)控制因素及物質(zhì)來源. 由表1可知，礫質(zhì)平原區(qū)潛水、細(xì)土平原區(qū)潛水及承壓水pH范圍分別為6.8～8.2、6.7～8.7、6.3～9.6，平均值分別為7.5、7.6、7.9，整體呈弱堿性.

表1 研究區(qū)水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計

礫質(zhì)平原區(qū)潛水TDS范圍為109～1 277 mg/L，平均值為348 mg/L，其中淡水占比為95%，微咸水占比為5%；細(xì)土平原區(qū)潛水TDS范圍為149～7 860 mg/L、平均值為 2 070 mg/L，其中淡水占比為41%，微咸水比占為31.7%，咸水占比為27.3%；細(xì)土平原區(qū)承壓水TDS范圍為93.8～905 mg/L，平均值為245 mg/L，均為淡水.

礫質(zhì)平原區(qū)潛水TH范圍為60.1～773 mg/L，平均值為206 mg/L，水樣以軟水和微硬水為主，合計占比為33.3%；細(xì)土平原區(qū)潛水TH范圍為18.1～3 410 mg/L，平均值為681 mg/L，水樣以微硬水、極硬水為主，合計占比為70.6%；細(xì)土平原區(qū)承壓水TH范圍為2.8～535 mg/L，平均值為89.7 mg/L，水樣以極軟水和軟水為主，合計占比為87.6%.

礫質(zhì)平原區(qū)潛水中陽離子相對豐度為Ca2+>Na+>Mg2+>K+，細(xì)土平原區(qū)潛水及承壓水中陽離子相對豐度為Na+>Ca2+>Mg2+>K+；礫質(zhì)平原區(qū)潛水中陰離子相對豐度為SO42->HCO3->Cl-，細(xì)土平原區(qū)潛水中陰離子相對豐度為SO42->Cl->HCO3-，細(xì)土平原區(qū)承壓水中陰離子相對豐度為HCO3->SO42->Cl-.

沿著地下水流向，細(xì)土平原區(qū)潛水各項水化學(xué)組分含量相較于礫質(zhì)平原區(qū)潛水呈升高趨勢，各分區(qū)水化學(xué)組分除pH外，其余指標(biāo)的變異系數(shù)均大于10%，為中等或強(qiáng)變異性，表明各化學(xué)組分在空間分布上存在較大的離散型和波動性特征. 在細(xì)土平原區(qū)中，潛水及承壓水中的Na+及潛水中的SO42-平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)較礫質(zhì)平原區(qū)偏高，表明它們在細(xì)土平原區(qū)中的絕對含量較大，且空間分布不均勻，局部富集程度高.

2.2 地下水水化學(xué)主要參數(shù)空間分布特征

研究區(qū)SO42-、Na+的濃度及變異系數(shù)較高，繪制空間分布圖以分析其空間分布特征. 由圖3可知，SO42-、Na+濃度空間分布變化趨勢基本一致，均為由南向北逐漸升高. 研究區(qū)東北部離子濃度最高，這是由于研究區(qū)地勢由南向北逐漸變低，在接受北山區(qū)補(bǔ)給后，受到車西鼻隆及東部奎屯河平原區(qū)上游從南向北徑流影響，潛水溢出帶的地下水蒸發(fā)濃縮作用增強(qiáng)所致. 此外，研究區(qū)中南部離子濃度出現(xiàn)小幅度升高，受卡因迪克隆起及柳溝隆起阻擋，地下水位較高，導(dǎo)致離子富集，使離子濃度呈小幅度升高現(xiàn)象.

圖3 主要離子濃度空間分布

2.3 地下水水化學(xué)類型

Piper三線圖(見圖4)可以直觀反映水體的化學(xué)組分和水化學(xué)類型[14-15]. 研究區(qū)水化學(xué)類型共有29種，其中山前礫質(zhì)平原區(qū)潛水有11種，以HCO3·SO4-Ca和HCO3·SO4-Ca·Na型為主，分別占總樣品的14.0%、23.3%. 細(xì)土平原區(qū)潛水有17種，以SO4·Cl-Na和SO4·Cl-Na·Ca·Mg型為主，分別占總樣品的20.2%、15.5%. 細(xì)土平原區(qū)承壓水有22種，以HCO3-Ca·Na、HCO3·SO4-Ca·Na和HCO3·SO4·Cl-Na型為主，分別占總樣品的15.2%、23.0%、12.6%.

圖4 研究區(qū)地下水水化學(xué)Piper三線圖

沿地下水流方向，礫質(zhì)平原區(qū)潛水由HCO3·SO4-Ca、HCO3·SO4-Na·Ca型過渡到HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型，細(xì)土平原區(qū)潛水由HCO3·SO4·Cl-Na·Ca、HCO3·Cl-Na·Mg、SO4·Cl-Na·Ca型轉(zhuǎn)變?yōu)镾O4·Cl-Na·Ca、SO4·Cl-Na型，在研究區(qū)西北部有部分Cl-Na型. 細(xì)土平原區(qū)承壓水自南向北由HCO3-Na·Ca型轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3·SO4·Cl-Na·Ca、HCO3·SO4-Na·Ca型，最終轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3·SO4·Cl-Na型，其中HCO3·Cl-Na型在研究區(qū)北部分布較廣.

2.4 地下水水化學(xué)特征影響因素

Gibbs圖[16]通過繪制TDS與γ(Na+)/γ(Na++Ca2+)的相關(guān)關(guān)系以反映大氣降水、蒸發(fā)濃縮及巖石風(fēng)化溶解作用所控制的水化學(xué)過程[17-18]. 由圖5可知，研究區(qū)潛水及承壓水主要分布在蒸發(fā)濃縮與巖石溶濾端元，其中，礫質(zhì)平原區(qū)潛水與細(xì)土平原區(qū)承壓水主要分布在巖石風(fēng)化端元，細(xì)土平原區(qū)潛水在巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮端元均有分布，表明礫質(zhì)平原區(qū)潛水及細(xì)土平原區(qū)承壓水水化學(xué)成分主要來源于巖石風(fēng)化，細(xì)土平原區(qū)潛水則受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮雙重作用影響.

圖5 研究區(qū)地下水Gibbs圖

通過不同巖性端元間的對比可以判別流域不同巖石風(fēng)化類型對天然水溶質(zhì)的影響[19-20]. 由圖6可知，樣點(diǎn)主要落在蒸發(fā)巖和硅酸鹽巖之間，較為集中分布在蒸發(fā)巖端元，反映了研究區(qū)主要離子來源于蒸發(fā)巖溶解. 礫質(zhì)平原區(qū)潛水在3種巖性端元均有分布，主要分布于蒸發(fā)巖和碳酸巖端元，說明其離子來源由2種巖性共同作用. 細(xì)土平原區(qū)地下水部分水樣點(diǎn)靠近硅酸鹽巖端元，表明其受硅酸鹽風(fēng)化作用的影響；部分水樣點(diǎn)靠近碳酸巖端元，說明碳酸鹽礦物亦有一定貢獻(xiàn).

圖6 研究區(qū)不同含水層巖性端元比值

2.4.1巖石風(fēng)化與溶濾作用

地下水流經(jīng)土壤或巖石時，溶濾作用會導(dǎo)致部分化學(xué)成分進(jìn)入地下水，水文地球化學(xué)研究常采用地下水溶質(zhì)主離子間的比值關(guān)系指示水巖相互作用[21-22]，反映水化學(xué)形成的控制因素.

γ(K++Na+)/γ(Cl-)關(guān)系可以反映K+和Na+的主要來源[23]，為排除陽離子交換和人類活動影響，該文選取礫質(zhì)平原區(qū)頂端樣品進(jìn)行分析〔見圖7(a)〕，可以看出，礫質(zhì)平原區(qū)潛水水化學(xué)離子γ(K++Na+)/γ(Cl-)均大于1.0，表明研究區(qū)K+和Na+的來源主要為巖鹽溶解.

γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)關(guān)系可以判斷SO42-、Cl-的主要來源[24-26]. 潛水水樣點(diǎn)主要分布在Y=X上側(cè)，表明SO42-、Cl-主要受蒸發(fā)巖溶解影響〔見圖7(b)〕；承壓水水樣點(diǎn)大部分分布于Y=X的上側(cè)，少量水樣點(diǎn)分布于Y=X下側(cè)，上側(cè)點(diǎn)多分布于研究區(qū)的北部，SO42-、Cl-主要受蒸發(fā)巖溶解控制，下側(cè)點(diǎn)多分布于研究區(qū)的南部，主要受碳酸鹽礦物溶解控制.

圖7 地下水離子比值相關(guān)關(guān)系

γ(Mg2++Ca2+)/γ(HCO3-+SO42-)可以反映地下水中Mg2+和Ca2+的來源[27-28]〔見圖7(c)〕. 潛水水樣點(diǎn)多數(shù)落在Y=X的上側(cè)，表明潛水中Mg2+和Ca2+的來源主要是碳酸鹽溶解，承壓水水樣點(diǎn)大部分落于Y=X下側(cè)，表明承壓水中Mg2+和Ca2+的來源主要是硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解. 由于研究區(qū)地下水化學(xué)作用主要來自蒸發(fā)巖溶解，因此，蒸發(fā)巖溶解為Mg2+和Ca2+的主要來源，其次來自硅酸鹽和碳酸鹽溶解，這也是Ca2+、HCO3-含量高但變異系數(shù)小的原因.

2.4.2蒸發(fā)濃縮作用

研究區(qū)南部新近系泥巖含有CaSO4(石膏)、CaCO3(方解石)和CaMg(CO3)2(白云石)等礦物，可利用PHREEQC軟件計算主要礦物的飽和指數(shù)(SI)，用以判定礦物的溶解程度，以反映蒸發(fā)濃縮作用對地下水化學(xué)形成的過程[29]. 礦物SI用離子活度積與溶解度比值以10為底的對數(shù)來表示，方便顯示溶液各組分與對應(yīng)的固相是否處于平衡狀態(tài). 考慮到樣品在采集、檢測等環(huán)節(jié)誤差的存在，因此在實(shí)際過程中當(dāng)SI在0±0.5之間時，即可認(rèn)為水溶液與礦物達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài).

水樣點(diǎn)中CaCO3及CaMg(CO3)2在細(xì)土平原區(qū)潛水絕大部分呈飽和狀態(tài)〔見圖7(e)〕，在細(xì)土平原區(qū)承壓水與礫質(zhì)平原區(qū)潛水部分未飽和〔見圖7(d)(f)〕，由此得出在細(xì)土平原區(qū)承壓水及礫質(zhì)平原區(qū)潛水中CaCO3、CaMg(CO3)2還可以繼續(xù)溶解；CaSO4在研究區(qū)地下水中均未達(dá)到飽和狀態(tài)，也可繼續(xù)溶解.

2.4.3陽離子交替吸附作用

陽離子交替吸附作用對含高濃度TDS的地下水形成具有重要意義，利用氯堿指數(shù)(CAI)[30]可以識別判斷陽離子交替吸附強(qiáng)度關(guān)系，陽離子交換作用越強(qiáng)，CAI1與CAI2的絕對值越大，陽離子交換作用越易發(fā)生[31]，公式如下：

(1)

(2)

由圖7(g)(h)可知，研究區(qū)各區(qū)均發(fā)生了不同程度的陽離子交替吸附作用，其強(qiáng)弱程度按照氯堿指數(shù)大小排序依次為細(xì)土平原區(qū)承壓水>細(xì)土平原區(qū)潛水>礫質(zhì)平原區(qū)潛水. 潛水CAI1集中在-1～1，CAI2集中在-0.05～0.05，變異系數(shù)較?。怀袎核瓹AI1集中在-1～1，CAI2集中在-0.05～0.05,但波動范圍大，陽離子交替吸附作用最強(qiáng). 當(dāng)?shù)叵滤蠺DS濃度增大時，CAI負(fù)值隨之減小，即絕對值愈大，陽離子交換吸附作用越強(qiáng). 所以陽離子來源主要為地下水中的Ca2+、Mg2+與圍巖礦物中吸附態(tài)的K+、Na+進(jìn)行交換時從圍巖中釋出.

3 結(jié)論

a) 研究區(qū)地下水整體呈弱堿性；不同區(qū)域地下水化學(xué)組分含量變化較大. 礫質(zhì)平原區(qū)潛水中陽離子主要為Ca2+，陰離子主要為HCO3-、SO42-；細(xì)土平原區(qū)潛水中陽離子主要為Na+，陰離子主要為SO42-、Cl-；細(xì)土平原區(qū)承壓水中陽離子主要為Na+、Ca2+，陰離子主要為HCO3-.

b) 由南向北沿著地下水流向，各項水化學(xué)組分含量呈升高趨勢，各分區(qū)水化學(xué)組分除pH外，其余指標(biāo)變異系數(shù)均大于10%，在空間分布上存在較大的離散型和波動性特征. 離子濃度高的區(qū)域集中在研究區(qū)東北部，中南部有小幅度升高.

c) 研究區(qū)水化學(xué)類型共有29種. 沿地下水流方向，礫質(zhì)平原區(qū)潛水由HCO3·SO4-Na·Ca型過渡到HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型，細(xì)土平原區(qū)潛水由HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型轉(zhuǎn)變?yōu)镾O4·Cl-Na·Ca型，細(xì)土平原區(qū)承壓水由HCO3-Na·Ca型最終轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3·SO4·Cl-Na型，HCO3·Cl-Na型在研究區(qū)北部分布較廣.

d) 研究區(qū)地下水主要受蒸發(fā)濃縮與巖石溶濾作用，離子組分主要來源于蒸發(fā)巖溶解，CaCO3及CaMg(CO3)2在細(xì)土平原區(qū)潛水呈飽和狀態(tài)，在細(xì)土平原區(qū)承壓水及礫質(zhì)平原區(qū)潛水中未飽和，CaSO4地下水中未達(dá)到飽和狀態(tài)；各區(qū)均發(fā)生了不同程度的陽離子交替吸附作用，作用的強(qiáng)弱程度表現(xiàn)為細(xì)土平原區(qū)承壓水>細(xì)土平原區(qū)潛水>礫質(zhì)平原區(qū)潛水.