疏勒河流域地下水化学特征及控制因素研究

　　摘要：为了解决疏勒河流域地下水退化过程中出现的生态环境问题，在分析疏勒河中下游盆地地下水TDS含量空间变化和分析地下水化学特征的基础上，阐明了控制该地区地下水化学演化的主要因素，结果表明：疏勒河流域地下水TDS含量从祁连山前至瓜州盆地逐渐增大，研究区地下水的流动方向为祁连山前→玉门-踏实盆地→瓜州盆地；祁连山前泉水、玉门-踏实盆地地下水和瓜州盆地地下水的主要水化学类型分别为Mg-Ca-HCO3、Mg-Ca-HCO3-SO4、Na-Mg-SO4-Cl型；控制疏勒河流域地下水水化学演化的主要因素包括岩石风化作用和蒸发结晶作用，其中岩石风化作用占主导地位。

　　关键词：干旱区；地下水；水化学演化；疏勒河流域

　　中图分类号：TV211.1+2

　　文献标志码：A

　　地處河西走廊西端的疏勒河流域是典型的内陆河流域。流域灌区主要包括昌马灌区、双塔灌区和花海灌区，总灌溉面积8.38万hm2[1]。为了满足疏勒河灌区不断增长的用水需求，在疏勒河出山口的昌马盆地修建了昌马水库，在瓜州县双塔乡修建了双塔水库[2]。两个水库修建后，该地区出山口径流几乎全被人为控制，影响疏勒河流域地表水和地下水的循环转化过程[3]，使得原来依靠地下水生存的荒漠河岸林大片死亡，土地沙漠化严重，该地区成为沙尘暴频发的地区之一。

　　为了协调灌区农业生产和生态环境用水，疏勒河流域实行定期分水计划。受定期分水限制，当地居民开挖机井以满足平时用水需求。据不完全统计，该地区目前有开采井3382眼，总开采量16870万m3/a，灌溉面积2.5万hm2[4]。受地下水大量开采影响，昌马灌区地下水水位累计下降了0.6～3.0m，双塔灌区地下水水位累计下降了2.0～8.0m。地下水水位下降导致疏勒河流域湿地大面积萎缩。长期以来，由泉水溢出汇集而成的塘坝水除了保证农田灌溉外，每年有250万m3水流入该地区的荒漠草原。截至2004年7月，几乎所有的塘坝水已经干涸，而疏勒河流域的地下水水位仍在下降，地下水咸化明显[4]。

　　要解决疏勒河流域地下水退化过程中出现的生态环境问题，需要对疏勒河流域地下水的水化学环境及其主要影响因素有一个系统和全面的认识。干旱区地下水的化学组成受诸多因素影响，包括降水、地质条件、含水层中的矿物、含水层中的水文地球化学过程等，各因素相互作用、相互影响导致含水层中的地下水出现多种水化学类型[5]。通常利用地下水中主要离子的含量来确定地下水的水化学类型。地下水主要离子的空间变化可以反映区域含水层的异质性和连通性[6]，揭示主导研究区地下水演化的机制[7]。鉴于此，笔者在分析疏勒河中下游盆地地下水TDS含量空间变化和地下水化学特征的基础上，阐明控制该地区地下水化学演化的主要因素，以期为维护区域地下水环境安全提供理论基础和参考依据。

　　1研究区概况

　　疏勒河流域位于河西走廊西部，青藏高原和内蒙古阿拉善高原的过渡地带，发源于祁连山脉的岗格尔肖合力岭冰川，是河西走廊上三大内陆河之一[8]。疏勒河干流自东向西全长670km，流域面积17万km2，其中干流流域面积4.13万km2。河流从昌马峡出山后进入昌马灌区和双塔灌区。其中疏勒河河源至昌马水库为上游，昌马水库至双塔水库为中游，双塔水库至哈拉湖为下游。双塔水库建成后，拦截了绝大部分地表径流，导致下游河道干涸[9]。疏勒河流域有非常丰富的地下水资源，赋存于第四系松散岩孔隙中。据计算，疏勒河平原区地下水总补给量（包括降水入渗、山前侧向补给、地表水体入渗和灌溉回归水补给）约14.38亿m3/a。

　　疏勒河冲积扇区域基岩为古生代低变质角闪岩相，在其上沉积了侏罗系、白垩系、第三系和第四系。古生代低变质角闪岩相的基底埋深大于3000m，第四系沉积物厚度顺着疏勒河的流向逐渐变薄。在疏勒河冲积扇顶部，第四系松散沉积物厚度为500～600m；在冲积扇边缘的细土平原区第四系松散沉积物厚度减小为150～200m，而在北山和宽滩山前小于50m。从地层分布来看，下更新统南部厚度大，向北明显变薄。由全新统（Q4）砾石层组成的冲积扇表面坡度、沉积层厚度及沉积物粒度从扇顶向扇缘逐渐变缓、变薄、变细[11]，见图1。

　　疏松巨厚的第四系沉积物是研究区主要的潜水含水层。研究区潜水含水层厚度自南而北逐渐变薄。疏勒河冲积扇区为最富水地段，单井涌泉量大于5000m3/d，冲积扇缘及以西地带为1000～3000m3/d，疏勒河尾闾区及北山山前地区小于1000m3/d。近年来，受研究区地表水截流灌溉和地下水大量抽取利用影响，玉门和瓜州盆地部分地区泉水消失，区域地下水水位累计下降幅度分别超过6m和3m[12]。

　　2样品采集与分析

　　2012年、2013年先后两次对疏勒河流域地下水进行调查和采样，共获得地下水样品32组，采集的地下水样品主要来源于泉水、饮用水井和灌溉井。采集样品前，先用目标水体彻底涮洗高密度聚乙烯（HDPE）采样瓶3次，然后在采样瓶中装满目标水样，并用封口膜（Pafilm）密封口。采集的地下水样品立即冷藏并带回实验室，放入冰箱冷藏待测。

　　地下水样品的TDS含量在野外利用HACH40d便携式水质分析仪（USA）现场测试完成，地下水HCO-3浓度在样品收集后24h内利用硫酸滴定，其他离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO2-4、Cl-、NO-3浓度在中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室的ICS-2500离子色谱仪（Dionex，Sunnyvale，CA）上测试完成。

　　3结果及讨论

　　3.1地下水TDS含量变化

　　疏勒河流域祁连山前泉水、中下游地区地下水TDS含量见表1。整个疏勒河流域除瓜州盆地西北缘几个地下水采样点TDS含量大于1000mg/L，属于咸水外，其余各点TDS含量均小于1000mg/L，属于淡水。从祁连山前至瓜州盆地，研究区地下水TDS含量逐渐增大，表明研究区地下水流动方向为祁连山前→玉门-踏实盆地→瓜州盆地。研究区地下水TDS含量最小的区域在祁连山前，最大的区域在瓜州盆地西北缘，而瓜州盆地為疏勒河流域地表水和地下水的排泄区。祁连山前泉水与玉门-踏实盆地地下水的TDS含量差异较小，但玉门-踏实盆地与瓜州盆地TDS含量差异显著变大，表明从祁连山前至玉门-踏实盆地地下水补给速率大，地下水滞留时间短，水岩相互作用弱；同时，指示了瓜州盆地地下水补给速率小于玉门-踏实盆地的，地下水流动缓慢，受水岩作用和蒸发作用影响较大，地下水可溶解离子含量增加，盐度变大。这一特点也印证了我国内陆河流域地下水演化具有沿着地下水流动方向地下水TDS含量缓慢增大的规律[13]。

　　3.2地下水水化学组成

　　疏勒河流域地下水主要离子组成表明：祁连山前泉水中阳离子的丰度由大到小的顺序为Mg2+>Ca2+>Na+>K+，祁连山前泉水中阴离子丰度由大到小的顺序为SO2-4>HCO-3>Cl->NO-3；玉门-踏实盆地地下水阳离子丰度由大到小的顺序为Mg2+>Ca2+>Na+>K+，阴离子丰度由大到小的顺序为HCO3->SO2-4>Cl->NO-3；瓜州盆地地下水阳离子丰度由大到小的顺序为Mg2+>Na+>Ca2+>K+，阴离子丰度由大到小的顺序为SO2-4>Cl->HCO-3>NO-3。

　　研究区地下水主要离子含量的空间变化揭示，从祁连山前至下游瓜州盆地，地下水各主要离子含量增大，增大幅度较大的为Mg2+、Na+、SO2-4和Cl-。Ca2+和HCO-3含量基本保持不变，可能是这两种离子在地下水中的含量已经饱和。祁连山前泉水和玉门-踏实盆地地下水中主要阳离子为Mg2+和Ca2+，瓜州盆地地下水中Na+浓度明显高于Ca2+的，但依旧低于Mg2+的。瓜州盆地地下水中Cl-浓度增大，其浓度高于HCO-3的，但低于SO2-4的。

　　水化学Piper图可直观揭示水体中主要离子的空间关系，是分析地下水水化学类型常用的方法。由图2可知，从祁连山前至下游瓜州盆地，地下水中的弱酸根离子、碱土金属离子占比逐渐减小，强酸根离子和碱土金属离子占比增大。祁连山前泉水的主要水化学类型为Mg-Ca-HCO3型，玉门-踏实盆地地下水主要为Mg-Ca-HCO3-SO4型，瓜州盆地地下水主要为Na-Mg-SO4-Cl型。疏勒河流域地下水水化学类型从祁连山前的Mg-Ca-HCO3型逐渐演化为Na-Mg-SO4-Cl型。同时，地下水中的阳离子含量从疏勒河流域上游的Mg2+为主逐渐演变为Na+为主，反映了西北干旱区受矿物溶解和蒸发作用共同影响的典型地下水水流特征[14]。

　　3.3地下水水化学演化及其影响因素

　　Gibbs图可以用来有效解释地下水中溶质的物质来源和演化过程。Gibbs图将影响水体化学组成及演化的因素归纳为大气降水、岩石风化和蒸发结晶3种。疏勒河流域山前泉水离子含量比ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）为0.15～0.57，玉门-踏实盆地地下水ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）为0.23～0.69，瓜州盆地地下水ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）为0.37～0.84。疏勒河流域水体的Gibbs图表明，该地区绝大部分地下水样品落在岩石风化区，少部分来自瓜州盆地的地下水和疏勒河中游的河水样品落在了蒸发结晶区，且这部分样品具有较高的TDS含量和ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）值（见图3）。岩石风化作用是控制整个疏勒河流域地下水演化的主要因素，但瓜州盆地部分区域地下水化学组成受蒸发结晶作用影响较大。

　　祁连山前泉水、玉门-踏实盆地地下水和瓜州盆地地下水中Na+与Cl-相关性显著，确定系数大于0.9。岩盐溶解是疏勒河流域地下水中Na+和Cl-的主要来源。离子含量比ρ（Na+）/ρ（Cl-）作为盐分淋溶与积累强度的标志，通常用来反映地下水在水平方向上的变化特点[15-16]。如果地下水中Na+和Cl-全部来源于岩盐溶解，则ρ（Na+）/ρ（Cl-）值接近1。祁连山前泉水、玉门-踏实盆地地下水和瓜州盆地地下水ρ（Na+）/ρ（Cl-）值几乎都大于1（见图4（a）），揭示研究区地下水中Na+除来源于岩盐溶解外，还有其他来源。疏勒河流域地表水和地下水的水文监测研究发现，地表水渗漏是该区地下水的主要补给来源[17]。疏勒河流域含水层多由冲积物和洪积物组成，因此含水层内部含有大量黏土矿物[18]。

　　地表水下渗过程中不断用自身已经溶解的Ca2+和Mg2+置换含水层中的Na+，其置换方程[19]：

　　Na2（黏土矿物）+（Ca2++Mg2+）（地下水）→

　　（Ca+Mg）（黏土矿物）+2Na+（地下水）（1）

　　通过以上离子交换反应，地下水中Na+含量增加，Ca2+和Mg2+含量相对减少。含水层中的硅酸盐矿物溶解也会释放出Na+，其反应方程：

　　2NaAlSi3O8+2CO2+11H2O→

　　2Na++Al2Si2O5（OH）4+4H4SiO4+2HCO-3（2）

　　因此，疏勒河流域地下水中的Na+可能来源于离子交换和硅酸盐矿物的溶解。类似的现象还出现在我国西北吉兰泰盐湖附近的地下水中[15]。如果地下水水化学演化主要受蒸发作用的影响而不是水岩交互作用，则ρ（Na+）/ρ（Cl-）值保持恒定[18]。疏勒河流域地下水总体来说随着Cl-浓度的增大，ρ（Na+）/ρ（Cl-）值逐渐减小，进一步证明水岩交互作用是影响研究区地下水水化学组成的主要因素。瓜州盆地部分地下水随着Cl-浓度的增大，ρ（Na+）/ρ（Cl-）值几乎保持不变，表明这些地下水样品的水化学组成主要受蒸发作用的影响。

　　一般来说，地下水中的Ca2+和Mg2+可能来源于水体中碳酸盐、蒸发岩和硅酸盐的风化。通常利用地下水中Ca2++Mg2+含量与HCO-3含量的关系解释地下水中Ca2+和Mg2+的来源[15]。随着地下水盐度的增大，Ca2+和Mg2+在地下水中的溶解速率大于HCO-3的。如果地下水中Ca2+和Mg2+仅来自于碳酸盐矿物的溶解，如方解石和白云石离子含量比ρ（Ca2++Mg2+）/ρ（HCO-3）值约为0.5[19]，其溶解反应方程：

　　CaMg（CO3）2+2H2O+2CO2→Ca2++Mg2++4HCO-3（3）

　　疏勒河流域地下水中Ca2++Mg2+含量均高于HCO-3含量（見图4（b）），说明除白云石溶解外，还有其他矿物溶解释放出Mg2+和Ca2+。研究区地下水中Ca2+与SO2-4相关性显著，从祁连山前至瓜州盆地，其确定系数均大于0.75；但研究区地下水中Ca2+与HCO-3相关性不强，没有通过0.05水平的显著性检验。Ca2+与Mg2+及Ca2+与HCO-3的关系揭示石膏溶解是地下水中Ca2+和SO2-4的主要来源。石膏溶解反应方程：

　　CaSO4·2H2O→Ca2++SO2-4+2H2O（4）

　　另外，石膏溶解释放出的Ca2+会进一步遏制地下水中碳酸盐矿物的溶解，与HCO-3相比，过量的Mg2+和Ca2+被Cl-和SO2-4中和。

　　ρ（Mg2+）/ρ（Ca2+）、ρ（Na+）/ρ（Ca2+）值常用来区分溶质的大致来源。以方解石溶解作用为主的地下水，ρ（Mg2+）/ρ（Ca2+）、ρ（Na+）/ρ（Ca2+）值相对较低；以白云石风化溶解作用为主的地下水具有较低的ρ（Na+）/ρ（Ca2+）值和较高的ρ（Na+）/ρ（Ca2+）值[19]。研究区地下水普遍具有较高的ρ（Mg2+）/ρ（Ca2+）值和较低ρ（Na+）/ρ（Ca2+）值（见图4（c）），同时地下水样品几乎都位于1∶1线上方，表明地下水中白云石的溶解超过了方解石的。

　　各采样点地下水呈现良好的线性关系，几乎所有的地下水采样点都沿着1∶1线分布，只有少数几个来自瓜州盆地的地下水采样点位于1∶1线下方（见图4（d）），表明疏勒河流域地下水中主要离子的来源是方解石、白云石和石膏的溶解。Mg2+和Ca2+是地下水主要的阳离子，SO2-4和HCO-3是主要的阴离子，而地下水Mg2++Ca2+含量与SO2-4+HCO-3含量比约为1，表明地下水中阴阳离子大致处于平衡状态。

　　为了研究含水层中各矿物与地下水之间的水化学演化过程和进一步分析影响地下水水化学演化的控制因素[12]，利用PHREEQC3.1.1对疏勒河流域地下水主要化学相的饱和指数（SI）进行计算。SI的计算公式为

　　SI=lgIAP/K（7）

　　式中：IAP为离子活度积；K为平衡常数。

　　SI<0表明溶质在地下水中不饱和，SI=0表明溶质在地下水中达到溶解平衡，SI>0表明溶质在地下水中达到饱和。SI在将地下水中各化学组分的化学形态和含量分布定量化的同时，能够客观反映溶液中各组分的实际存在形式[20]。

　　疏勒河流域祁连山前泉水岩盐饱和指数（SIHalite）为-2.31～0.34，只有一个样品的SIHalite大于0，表明泉水中岩盐处于不饱和状态；玉门-踏实盆地地下水的SIHalite为-1.06～0.73；瓜州盆地地下水的SIHalite为-0.64～1.62，见图5（a）。绝大部分玉门-踏实盆地地下水岩盐饱和指数小于0，揭示该盆地绝大部分地下水岩盐含量不饱和，还有继续溶解岩盐的能力；瓜州盆地地下水有一半左右的样品其SIHalite大于0，揭示瓜州盆地这些地下水中岩盐处于过饱和状态。从祁连山前至疏勒河下游的瓜州盆地，地下水的SIHalite由小于0逐渐过渡到大于0，地下水中岩盐含量逐渐由不饱和转变为过饱和。疏勒河流域地下水中方解石和白云石的饱和指数SICalcite、SIDolomite，有的大于0，有的小于0，表明不同采樣点，地下水碳酸盐的溶解有差异，但总体来看，玉门-踏实盆地和瓜州盆地地下水中方解石处于饱和状态，部分地下水中白云石含量不饱和，故白云石的溶解是这些地下水中Mg2+、Ca2+和HCO-3的重要来源。研究区地下水中的石膏饱和指数（SIgypsum）均小于0，指示疏勒河流域地下水中石膏处于不饱和状态，从祁连山前至瓜州盆地运移过程中，地下水始终具有溶解石膏矿物的能力。因此，含水层中的石膏溶解是疏勒河流域地下水中Ca2+和SO2-4的主要来源。

　　4结论

　　疏勒河流域地下水的流动方向为祁连山前→玉门-踏实盆地→瓜州盆地，地下水主要离子含量沿地下水流路径呈增大趋势。祁连山前泉水、玉门-踏实盆地地下水和瓜州盆地地下水的主要水化学类型分别为Mg-Ca-HCO3、Mg-Ca-HCO3-SO4、Na-Mg-SO4-Cl型。疏勒河流域地下水水化学组成主要受岩盐和石膏等矿物溶解影响，地下水演化属于自然过程，受人类活动干扰较小。控制疏勒河流域地下水自然演化的主要因素包括岩石风化作用和蒸发结晶作用，其中岩石风化作用占主导地位。