喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水質(zhì)量空間變化及影響因素分析

支博遠，閆志雲(yún)，2，3，曾妍妍，2，3，賽永成，李 珍，汪康銘，斯琴高娃·巴音布力克

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830052；3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點實驗室，烏魯木齊 830052）

地下水資源是生活、灌溉用水的主要來源，隨著畜牧業(yè)的發(fā)展和耕地面積的擴張，糞便以及化肥農(nóng)藥的殘留物隨著降水淋濾會加重淺層地下水質(zhì)量的劣化[1,2]。Xu 等[3]發(fā)現(xiàn)長期使用含鹽量高的地下水灌溉，會影響土壤的通透性，抑制植物生長。近年來，常用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評價法、綜合指數(shù)法、Wilcox 圖解和USSL 圖解法等方法進行地下水質(zhì)量評價[4,5]，袁瑞強等[6]以洞庭湖上游平原淺層地下水為研究內(nèi)容，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進行水質(zhì)評價，高振凱等[7]用模糊綜合法對寧夏吳靈灌區(qū)進行地下水質(zhì)量評價，魯照[8]基于熵權(quán)改進的綜合指數(shù)法研究鄱陽湖水質(zhì)年際變化特征及空間分布，譚浩等[9]用Wilcox 圖解和USSL 圖解法等對關(guān)中平原中部的涇惠渠灌區(qū)的灌溉水質(zhì)進行評價。

新疆喀什噶爾河流域以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主[10]。農(nóng)業(yè)灌溉以引水灌溉為主，研究區(qū)處于干旱半干旱區(qū)，由于水分蒸發(fā)較大，鹽分易累積于地表，使土壤發(fā)生鹽漬化，從而影響了本流域的農(nóng)業(yè)發(fā)展。本文對喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水質(zhì)量和灌溉適宜性進行評價，同時，系統(tǒng)分析灌區(qū)地下水質(zhì)量的空間變化規(guī)律及地下水質(zhì)量劣化的主要影響因素，旨在為喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水可持續(xù)開發(fā)利用和污染防治提供理論依據(jù)，對于保證當(dāng)?shù)厝嗣裆眢w健康及改善區(qū)域地下水環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

位于新疆塔里木盆地西部邊緣的喀什噶爾河流域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶詺夂?，降水量少、蒸發(fā)量多、地勢復(fù)雜、水資源分布不均衡、水文循環(huán)緩慢，整個流域的地勢總體為西高東低。區(qū)域主要地貌類型為山前沖洪積傾斜平原和細土平原，山前沖洪積傾斜平原為單一結(jié)構(gòu)潛水區(qū)，巖性以砂礫和粗砂為主；細土平原為多層結(jié)構(gòu)的潛水-承壓水區(qū)，巖性為亞黏土、中粗砂和粉細砂等?？κ哺翣柡恿饔虻叵滤饕邮芩畮烊霛B補給、渠系滲漏補給和農(nóng)田灌溉入滲補給等，地下水徑流自西向東，排泄以泉水排泄、側(cè)向徑流、潛水蒸發(fā)蒸騰及人為開采為主[11-13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

2014～2018 年共采集地下水水樣399 組（其中，單一結(jié)構(gòu)潛水、承壓水區(qū)潛水和承壓水水樣分別為105 組、19 組和275組）（圖1）。水樣測試由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所和新疆地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊實驗室完成，現(xiàn)場測定pH、水溫和電導(dǎo)率（EC）等指標(biāo)，實驗室測定溶解性總固體（TDS）、總硬度（TH）、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、F-和Fe 等指標(biāo)。經(jīng)檢驗，地下水水樣數(shù)據(jù)的陰陽離子平衡誤差值E＜±5%，說明所有水樣數(shù)據(jù)均為可靠數(shù)據(jù)。

圖1 地下水取樣點分布圖

1.3 地下水質(zhì)量評價

采用F值評分法對研究區(qū)地下水質(zhì)量進行評價。首先依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB∕T 14848-2017）》，評價各個指標(biāo)所屬類別，并按表1對各個指標(biāo)賦單項指標(biāo)水質(zhì)評分值[14]。

表1 單項指標(biāo)水質(zhì)評分值表

再按照式（1）和式（2）計算綜合評分值F：

式中：F為各項指標(biāo)水質(zhì)綜合評分值；Fi為各單項指標(biāo)水質(zhì)評分值；為單項指標(biāo)水質(zhì)評分值Fi的算術(shù)平均值；Fmax為各單項指標(biāo)水質(zhì)評分值中的最大值。根據(jù)F值劃分地下水質(zhì)量等級（表2）。

表2 地下水質(zhì)量級別標(biāo)準(zhǔn)

1.4 灌溉適宜性評價

采用USSL圖（鈉吸附比SAR與EC的關(guān)系）分析地下水堿害與鹽害對土壤的影響，同時，采用Wilcox圖（鈉百分比SSP和EC的關(guān)系）分析地下水質(zhì)量對土壤和作物的影響，并進行灌溉適宜性分類。鈉吸附比SAR和鈉百分比SSP計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水水化學(xué)特征分析

采用描述性統(tǒng)計分析灌區(qū)地下水化學(xué)組分特征（表3），pH 值范圍在6.61～9.93，整體為偏弱堿性。地下水中主要陽離子含量大到小依次為Na+、Mg2+、Ca2+，主要陰離子含量大到小依次為SO42-、Cl-、HCO3-。地下水中TDS 范圍為214.00～96 991.02 mg∕L，均值為6 399.31 mg∕L，其中淡水（TDS＜1 g∕L）、微咸水（TDS=1～3 g∕L）、咸水（TDS=3～10 g∕L）和鹽水（TDS=10～50 g∕L）分別占總水樣的37.6%、32.2%、24.2%和6.0%。

表3 地下水水化學(xué)指標(biāo)特征參數(shù)統(tǒng)計表

從Piper 三線圖（圖2）可以看出，研究區(qū)不同含水層水化學(xué)環(huán)境有所差異，單一結(jié)構(gòu)潛水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總和的42.9%、28.8%和28.3%，SO42-、Cl-和HCO3-壓水區(qū)潛水水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na為主，這主要是因為承壓水區(qū)潛水主要集中在細土平原區(qū)，埋藏較淺，該區(qū)域蒸發(fā)強烈且地下徑流遲緩，以致于溶解度較小的鈣、鎂碳酸鹽率先達到飽和并沉淀析出[15]。

圖2 地下水Piper三線圖

2.2 地下水質(zhì)量及灌溉適宜性評價結(jié)果

2.2.1 地下水質(zhì)量評價

根據(jù)水樣檢測結(jié)果選取8 個超標(biāo)指標(biāo)（TDS、TH、Na+、Cl-、SO42-、NO3-、F-和Fe）作為評價因子，根據(jù)F值評分法分別占陰離子總量的54.7%、24.8%和20.5%，水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na·Mg（17.1%）為主；承壓水區(qū)潛水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總和的47.7%、29.1%和23.2%，SO42-、Cl-和HCO3-分別占陰離子總和52.2%、36.0%和11.8%，水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na（26.3%）為主；承壓水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總和的44.2%、27.3%和28.5%，SO42-、Cl-和HCO3-分別占陰離子總和54.9%、30.1%和15.0%，水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na·Mg （22.4%） 和SO4·Cl-Na （19.1%） 為主。單一結(jié)構(gòu)潛水和承壓水水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na·Mg 為主，承計算可知單一結(jié)構(gòu)潛水I～III 類水占比分別為4.8%、22.9%和36.2%，IV 和V 類水占比分別為12.4%和23.7%；承壓水區(qū)潛水I～III 類水占比分別為5.3%、21.1%和5.2%，IV 和V 類水占比分別為5.2%和63.2%；承壓水I～III 類水占比分別為4.0%、20.4%和23.3%，IV 和V 類水占比分別為10.1%和42.2%（圖3）。由質(zhì)量類別占比可知，按質(zhì)量優(yōu)劣排序：單一結(jié)構(gòu)潛水＞承壓水＞承壓水區(qū)潛水。灌區(qū)單一結(jié)構(gòu)潛水多分布在山前沖洪積傾斜平原，受到大氣降水入滲補給和山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補給，水質(zhì)相對較好；地下水從山前沖洪積傾斜平原流動到細土平原區(qū)的過程中，受到上游的側(cè)向補給，攜帶了鹽類離子，致使承壓水區(qū)鹽類離子濃度過高，且細土平原潛水埋深較淺，受到蒸發(fā)作用的影響，致使承壓水區(qū)潛水中礦化度升高趨于咸化，水質(zhì)劣化。

圖3 地下水質(zhì)量評價結(jié)果

2.2.2 灌溉適宜性評價

由于水樣EC檢測數(shù)據(jù)較少，只選用含EC檢測數(shù)據(jù)的46組地下水水樣用于灌溉適宜性評價。根據(jù)鈉吸附比SAR和EC的大小將USSL 圖（圖4）劃分為16 個區(qū)域，圖中C 代表鹽化級別，EC值越大表示可溶性鹽質(zhì)量濃度過高，用于灌溉會使土壤趨于鹽化；S 代表堿化級別，SAR值越大，土壤越趨于堿化[16]。地下水灌溉適宜性根據(jù)SAR值可以分為4 類[17]：優(yōu)秀（SAR＜10）、良好（10≤SAR＜18）、較差（18≤SAR＜26）和極差（SAR≥26）。單一結(jié)構(gòu)潛水的SAR值介于0.73～9.98，平均值為4.27；承壓水水區(qū)潛水的SAR值介于1.79～22.67，平均值為6.56；承壓水的SAR值介于0.36～16.83，平均值為5.28。C2-S1和C3-S1 區(qū)域的地下水適宜灌溉，其他區(qū)域均不宜用以灌溉[18]，單一結(jié)構(gòu)潛水、承壓水區(qū)潛水和承壓水中適宜灌溉水樣占比分別為50.0%、37.5%和21.5%，而不適宜灌溉水樣占比分別為50.0%、62.5%和78.5%，表明該流域地下水存在較為嚴(yán)重的鈉害。

圖4 灌溉適宜性評價的USSL圖

Wilcox 圖是根據(jù)納百分比SSP和EC的大小將灌溉適宜性劃分為5類（圖5），單一結(jié)構(gòu)潛水中水質(zhì)極好、水質(zhì)良好、水質(zhì)適宜、水質(zhì)保留和水質(zhì)不適宜區(qū)占比分別為10.0%、70.0%、0.0%、10.0%和10.0%，承壓水區(qū)潛水中占比分別為12.5%、25.0%、0.0%、25.0%和37.5%，承壓水中占比分別為3.6%、17.9%、7.1%、25.0%和46.4%。水質(zhì)極好、水質(zhì)良好和水質(zhì)適宜區(qū)為可直接灌溉區(qū)域，水樣占比為41.3%；水質(zhì)保留和水質(zhì)不適宜區(qū)為不可直接灌溉區(qū)域，水樣占比為58.7%，與USSL 圖中灌溉水評價結(jié)果相近，適宜灌溉與不宜灌溉水樣約為2∶3。

圖5 灌溉適宜性分類的Wilocx圖

2.3 灌區(qū)地下水質(zhì)量空間變化

考慮到承壓水區(qū)潛水取樣點較少，為了防止空間插值誤差過大，保持插值的連續(xù)性，將承壓水區(qū)潛水和承壓水合并為承壓水區(qū)含水層分析，為了直觀反映喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水質(zhì)量的空間變化，采用ArcGIS 克里金插值法繪制出灌區(qū)地下水質(zhì)量的空間分布圖（圖6）。

圖6 地下水質(zhì)量空間分布圖

單一結(jié)構(gòu)潛水含水層水質(zhì)良好類（Ⅰ～Ⅲ類水）主要分布在喀什市、疏附縣、疏勒縣、阿克陶縣和英吉沙縣等區(qū)域，其中Ⅲ類水分布最廣，Ⅱ類水次之；水質(zhì)較差類（Ⅳ和Ⅴ類水）主要分布在阿圖什市、英吉沙縣和伽師縣等區(qū)域，其中Ⅳ類水分布范圍較廣。

承壓水區(qū)含水層水質(zhì)良好類主要分布在疏勒縣、阿克陶縣、伽師縣和岳普湖縣等區(qū)域，其中Ⅲ類水分布范圍最廣；水質(zhì)較差類主要分布在喀什市、英吉沙縣、岳普湖縣和伽師縣等區(qū)域，其中Ⅴ類水分布范圍較廣。

綜上，I～III 類水在喀什市、疏勒縣和阿克陶縣等區(qū)域均有分布，但所占比重較小，IV 和V 類水主要分布在岳普湖縣和伽師縣等區(qū)域。

2.4 地下水質(zhì)量空間變化的影響因素分析

2.4.1 因子分析

選取TDS、TH、Na+、Cl-、SO42-、NO3-和Fe 等7 項指標(biāo)進行因子分析，同時考慮Ca2+、Mg2+含量對TDS、TH 影響較大，HCO3-與諸多離子相關(guān)性較大，故也將Ca2+、Mg2+和HCO3-作為因子分析的指標(biāo)。對10 項指標(biāo)進行KMO 和巴特利球體檢驗，經(jīng)檢驗，單一結(jié)構(gòu)潛水、承壓水區(qū)潛水和承壓水的KMO 值分別為0.549、0.514、0.510，表明均可做因子分析，并分別選取特征根大于1的公因子3個、3個和2個，其累計貢獻率分別為89.71%、98.26%和84.36%，均能很好的反映原始信息[19]。由表4可知，3種含水層水樣的F1因子貢獻率均大于其他因子貢獻率，表明F1因子對地下水質(zhì)量影響較大。

表4 水化學(xué)指標(biāo)旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

在單一結(jié)構(gòu)潛水中F1 因子載荷較高的指標(biāo)為Na+、Ca2+、

Mg2+、Cl-、SO42-、TDS 和TH，由Gibbs 圖可知（圖7），取樣點大多分布在受蒸發(fā)濃縮和巖石溶濾作用控制的區(qū)域，在強烈的蒸發(fā)濃縮作用下，易形成以Na+、Cl-為主的高TDS水，另外有少量取樣點分布在Gibbs 圖之外，可能受到人類活動或者陽離子交換作用。γ（Ca2+∕Na+）∕γ（HCO3-∕Na+）和γ（Ca2+∕Na+）∕γ（Mg2+∕Na+）的離子比值關(guān)系可反映離子來源（圖8），灌區(qū)地下水水化學(xué)離子主要分布在蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽巖所控制的區(qū)域，另有少量離子分布在碳酸鹽巖控制區(qū)域，第四系以來海退過程中殘留的蒸發(fā)鹽巖礦物（巖鹽、石膏等）溶解，是地下水中Na+、Ca2+、Cl-、SO42-的主要來源；巨厚沉積層中富含長石碎屑物（鈉長石），而長石碎屑物經(jīng)碳酸化作用，使地下水中Na+增多[20]，說明地下水主要水化學(xué)離子主要來自蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽巖的溶解。F2 因子載荷較高的指標(biāo)為NO3-，硝態(tài)氮濃度高的區(qū)域主要集中在耕地，由于污水的排放和大量的農(nóng)用肥料，在降雨和農(nóng)業(yè)灌溉過程中，NO3-會滲透到土壤中，并經(jīng)包氣帶流入地下水，造成水質(zhì)惡化[21]。F3 因子荷載較高的指標(biāo)為HCO3-，一方面在徑流條件較好的區(qū)域以溶濾作用為主，由于碳酸鹽、硅酸鹽礦物的溶解致使HCO3-含量增多；另一方面有機質(zhì)參與的脫硫酸作用和鐵錳氧化物的還原作用會產(chǎn)生大量HCO3-[22]。

圖7 地下水Gibbs圖

圖8 地下水離子比值端元圖

在承壓水區(qū)潛水中F1 因子中載荷較高的指標(biāo)與單一結(jié)構(gòu)潛水的中的指標(biāo)相比，少了Ca2+、Mg2+和SO42-，這是由于承壓NO3-，NO3-對該含水層水質(zhì)影響較大，F(xiàn)1 因子可能與農(nóng)業(yè)化水區(qū)潛水埋深較淺，在蒸發(fā)濃縮作用下Ca2+、Mg2+和SO42-等離子相繼析出，促使該含水層中Ca2+、Mg2+和SO42-減少；增加了肥、生活污水和牲畜糞便等人類活動有關(guān)。F2 因子中載荷較高的指標(biāo)Mg2+和SO42-，主要因為硅酸鹽巖、硫酸鹽等礦物的溶解。F3因子中載荷較高的指標(biāo)為Ca2+和Fe，Ca2+來源于硅酸鹽礦物的溶解，F(xiàn)e主要是由于褐鐵礦、菱鐵礦等礦物的溶解，另一方面是因為原生地質(zhì)作用導(dǎo)致平原第四系地層中含有豐富的有機質(zhì)，有機質(zhì)在微生物作用下分解出還原性物質(zhì)，使難溶高價鐵氧化物被還原成低價的鐵易溶鹽，造成地下水中Fe 含量升高，承壓水區(qū)潛水中6.2%的水樣氧化還原電位Eh＜70，指示該含水層處于還原或亞還原環(huán)境[23]。

在承壓水中只有F1和F2因子，F(xiàn)1因子中載荷較高指標(biāo)與F1 高度正相關(guān)，F(xiàn)1 因子代表了水巖相互作用，F(xiàn)2 因子中NO3-載荷較高，由于研究區(qū)大量開采承壓水，導(dǎo)致潛水越流補給承壓水，攜帶潛水中NO3-等離子進入承壓含水層，造成承壓水中NO3-含量增加，F(xiàn)2代表了人類活動的間接作用。

2.4.2 其他影響因素分析

（1）水文地質(zhì)條件?？κ哺翣柡恿饔蚪涤晗∩佟⒄舭l(fā)量大，鹽類離子從埋藏較淺的地下水析出，鹽分堆積地表，造成了鹽漬化。這些鹽類又通過蒸發(fā)-入滲的垂向交替運動進入到地下水中，鹽分在土壤和地下水之間循環(huán)利用，使得水質(zhì)變差。單一結(jié)構(gòu)潛水分布在山前沖洪積傾斜平原區(qū)，該區(qū)域地勢起伏顯著，地下水動力條件較好，超標(biāo)離子易遷移；多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓水區(qū)分布在細土平原區(qū)，該區(qū)域地勢較為平緩，地下徑流遲緩，水力梯度相對較小，減緩了超標(biāo)離子的移運，使地下水中超標(biāo)離子增多，地下水質(zhì)量劣化。

（2）陽離子交換作用。利用氯堿指數(shù)（CAI-1 和CAI-2）來分析陽離子交換作用發(fā)生的強度和方向[公式（5）～（6）]，若CAI-1 和CAI-2 均為負(fù)值，表明地下水中Ca2+、Mg2+與顆粒物上的Na+發(fā)生離子交換，使得地下水中Na+含量升高，Ca2+、Mg2+含量降低[24]；若兩者均為正值，則反之。圖9 所示絕大部分采樣點CAI-1 和CAI-2 均小于0，表明發(fā)生了反向陽離子交換作用，氯堿指數(shù)減小，陽離子交換作用增強，地下水中Na+含量增多，導(dǎo)致地下水質(zhì)量劣化。

圖9 氯堿指數(shù)圖

3 結(jié) 論

（1）喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水pH 值范圍為6.39～10.50，地下水整體呈弱堿性，TDS相對較高，多為高礦化度水。陽離子以Na+為主，陰離子以SO42-和Cl-為主，地下水水化學(xué)類型主要為SO4·Cl-Na、SO4·Cl-Na·Mg和SO4·Cl-Na·Ca型。

（2）喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水質(zhì)量整體較差，超Ⅲ類地下水主要分布在岳普湖縣和伽師縣等區(qū)域，含水層水質(zhì)的優(yōu)劣表現(xiàn)為單一結(jié)構(gòu)潛水＞承壓水＞承壓水區(qū)潛水。研究區(qū)地下水存在較為嚴(yán)重的鈉害，適宜灌溉與不宜灌溉地下水水樣約為2∶3，部分區(qū)域地下水不能直接進行灌溉，否則會抑制植物生長。

（3）喀什噶爾河流域灌區(qū)地下水質(zhì)量劣化主要受到蒸發(fā)濃縮和巖石溶濾的雙重作用影響，其中又以蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽巖風(fēng)化溶濾為主；此外，還受到水文地質(zhì)條件，原生還原環(huán)境，農(nóng)業(yè)化肥、牲畜糞便和生活污水等人類活動和陽離子交換等作用的影響。