2019, Vol. 40
2. 新疆水文水资源工程技术研究中心, 乌鲁木齐 830052;
3. 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二水文工程地质大队, 昌吉 831100
2. Xinjiang Hydrology and Water Resources Engineering Research Center, Urumqi 830052, China;
3. NO.2 Hydrogeological and Engineering Geological Team of Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development, Changji 831100, China
新疆维吾尔自治区喀什三角洲地处西北内陆, 位于喀什地区与克孜勒苏柯尔克孜自治州行政区划范围内, 具有“五口通八国, 一路连欧亚”的区域优势, 是丝绸之路的交通要冲、中巴经济走廊的廊桥, 在国家区域发展和西部地区对外开放中承担着重要的战略作用.水资源是干旱区衡量经济社会可持续发展的重要指标, 喀什地区资源型缺水与水质型缺水并存.在水质型缺水中, 地下水SO42-浓度最高达13 517.9 mg·L-1, 且分布范围广, 同时伴随有高TDS、高硬度[1, 2]等特征.通常, 地下水SO42-主要来源有硫酸盐矿物的溶解、硫化物的氧化、大气降水、海水的溅沫和人类活动的输入等[3~5].环境同位素在研究地下水循环和演化过程中应用广泛, 其中, δD和δ18O同位素记录着水体起源与循环的信息, 还可以判断水体相互关系[6~10]; δ34S-SO42-同位素因为具有不同的“指纹”特征, 可以示踪水体SO42-的不同来源[11~13].
δD、δ18O同位素和δ34S-SO42-同位素逐渐用于识别地下水来源和水-岩相互作用过程, 以及指示人为活动对地下水硫酸盐污染的影响, 在西南贵州地区[14, 15]、山西岩溶地区[16]、华南岩溶地区[17]、重庆岩溶地区[18, 19]和华北平原[20]等地区起到了较好的效果, 在中国西北地区应用的实例较少.本文以新疆喀什三角洲为研究区, 借助上述方法及手段, 分析地下水中SO42-分布特征及演化规律, 探讨SO42-的来源, 以期为喀什地区地下水资源利用与保护提供科学依据.
1 研究区概况研究区位于喀什噶尔河流域中上游地区, 地处塔里木盆地西缘, 具有北、西、南三面环山, 东面向塔里木盆地敞开的独特地形条件, 形成了典型的三角洲半封闭盆地.地理坐标为75°00′00″~76°52′15″E, 38°22′05″~39°53′54″N, 从西向东宽度逐渐增大, 呈“三角形”展布, 总面积17 545 km2, 其中喀什三角洲面积13 329 km2(图 1).地貌可划分为构造剥蚀中低山、构造剥蚀低山丘陵、山麓斜坡冲洪积砾质平原、河流冲积平原和风积沙漠这5类.喀什三角洲是喀什噶尔河流域主要经济活动区, 主要以农业生产为主.包括喀什市、疏勒县、疏附县、英吉沙县、阿图什市、阿克陶县、乌恰县等县市.该区属暖温带大陆性干旱气候, 多年平均气温为11.7℃, 多年平均降水量为52.5 mm, 多年平均水面蒸发量为1 757.1 mm.
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图 1 研究区地下水采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of groundwater sampling locations in the study area |
研究区山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水区沿北、西、南山前分布, 中下游则为河流冲积平原潜水和河流冲积平原承压水区.第四系厚度山前向平原区逐渐变厚, 变化范围为100~1 000 m.第四系沉积规律由山前单一的卵、砾、砂石地层向下游过渡为中粗砂、砂、亚砂土、亚黏土和黏土的多层结构, 研究区多层结构承压水在100 m深度内有2~3个承压含水层, 水质较差; 100 m深度以下有2个承压含水层, 水质较好.研究区受河流冲、洪积沉积规律的影响, 上游至下游具有岩性颗粒逐步变细的特点.
研究区河流发源于山区, 在地形控制下, 河流均向平原区汇流.河水出山口后, 大部分被平原灌区引用, 同时平原区建有众多的机井工程, 其取水深度一般小于300 m, 保障了各业用水特别是农业灌溉用水的需求.
干旱区地表水是地下水的主要补给源.研究区平原地下水主要接受河道渗漏、河床潜流、暴雨洪流入渗、地下水侧向径流、降雨入渗等补给.中下游平原区河网、渠系密布, 地下水埋深较浅, 同时接受河道、灌区渠系渗漏、田间入渗、水库渗漏和泉水回归入渗等补给.地下水流向与地形坡降趋势一致, 总体由西向东径流.地下水排泄方式主要为人工开采, 其次是泉水溢出、潜水蒸发蒸腾以及向下游的侧向流出等.
2 材料与方法 2.1 采样点分布采样时间为2016年6~11月, 为相对丰水期, 也为灌溉期.按研究区水文地质单元采集井水样品, 共采集地下水水化学样品402组, 其中山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水49组, 河流冲积平原潜水78组, 河流冲积平原承压水275组; 地下水δD、δ18O和δ34S-SO42-同位素样品62组, 其中山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水21组, 河流冲积平原潜水16组, 河流冲积平原承压水25组, 采样点分布见图 1.
2.2 样品采集与分析方法聚乙烯塑料水样瓶用所取水样润洗3次, 之后贴好标签密封保存.现场测定pH值、水温、电导率、氧化还原电位和溶解氧等指标.所有水样用0.45 μm的醋酸纤维滤膜过滤, 阳离子分析的水样加硝酸酸化至pH＜2.
离子指标(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-和NO3-等)测试由新疆地矿局第二水文工程地质大队化验室完成, 其中K+和Na+测定为火焰原子吸收分光光度法、Ca2+和Mg2+测定为乙二胺四乙酸二钠滴定法、Cl-测定为硝酸银容量法、SO42-测定为硫酸钡比浊法; HCO3-和CO32-测定为采用酸碱滴定法、NO3-测定为紫外分光光度法.所测水样阴、阳离子相对误差小于5%. δD(‰)和δ18O(‰)测试由长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室测试完成, 采用气体同位素质谱仪测试, 测试精度分别为±1‰和±0.2‰. δ34S-SO42-测试由中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室完成, 样品预处理采用化学沉淀法将过滤后的水样加盐酸酸化至pH＜2, 使BaCl2完全反应生成BaSO4沉淀, 采用DTPA试剂溶解再沉淀法(DDARP)进行纯化制备为纯净的BaSO4沉淀, 纯化后的BaSO4与O2及V2O5燃烧并转化为SO2后, 采用元素分析仪-同位素比值质谱仪(型号DELTA V PLUS)测试, 精度为±0.2‰.
3 结果与讨论 3.1 研究区地下水水化学特征与SO42-分布特征 3.1.1 地下水水化学统计特征经统计分析, 研究区地下水化学类型共有6类(表 1), 分别为HCO3·SO4、HCO3·SO4·Cl、HCO3·Cl、SO4、SO4·Cl和Cl型, 分别占水样总数的17.2%、4.0%、0.7%、21.4%、56.5%和0.2%. 95%的水样水化学类型为SO4·Cl、SO4和HCO3·SO4型, 水化学类型集中为3类, 说明控制研究区水文化学环境的因素较强, 结合干旱区水文地球化学演变规律, 研究区地下水化学类型演变方向为HCO3·SO4SO4SO4·Cl.
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表 1 地下水水化学指标统计结果 Table 1 Statistical results of the hydrochemical parameters of the groundwater |
在地下水化学类型演变方向上, 离子浓度成倍增加, 其中SO42-浓度均值分别为239.9、1 065.5和1 762.6 mg·L-1, 较初值增大4.4倍和7.3倍; Cl-浓度均值分别为63.5、226.0和1 288.2 mg·L-1, 较初值增大3.6倍和20.3倍; TDS均值分别为618.2、2 035.7和4 751.0 mg·L-1, 较初值增大3.3倍和7.7倍; 总硬度均值分别为339.9、1 069.2和1 586.6 mg·L-1, 较初值增大3.1倍和4.7倍.研究区HCO3·SO4型地下水为淡水, SO4型和SO4·Cl型地下水为高硬度微咸水或半咸水.
研究区地下水pH值为7.11~8.52, 呈弱碱性.地下水SO42-浓度、Cl-浓度、TDS、总硬度和pH值具有河流冲积平原潜水>河流冲积平原承压水>山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水的特点, 上游至下游河流冲积平原地下水化学成分趋向盐化.
3.1.2 地下水SO42-分布特征研究区地下水阳离子中Na+占优势, Ca2+与Mg2+浓度差异不大; SO42-为控制性阴离子, 其次为Cl-.相关分析得出, SO42-与Cl-、TDS和总硬度的相关系数分别为0.86、0.94和0.98, 相关性较好, 表明研究区地下水Cl-、TDS和总硬度分布与SO42-相似.研究区潜水SO42-浓度分布特征明显[图 2(a)], 南部上中游山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水SO42-浓度＜250 mg·L-1, 主要沿地下水流向SO42-浓度增大, 至下游河流冲积平原潜水SO42-浓度＞3 000 mg·L-1.承压水SO42-浓度分布与潜水相似[图 2(b)], 承压水上游小部分区域SO42-浓度＜250 mg·L-1, 中下游东北和沙漠西部区域承压水SO42-浓度＞3 000 mg·L-1.
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图 2 研究区地下水SO42-浓度空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of sulfate concentrations in the groundwater of the study area |
以《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水标准为限值, 本次地下水样SO42-超标率为78.9%, 最大SO42-浓度达13 517.9 mg·L-1; Cl-超标率为49.3%, 最大Cl-浓度为20 210.5 mg·L-1. ArcGIS10.2统计得出, 研究区平原73.2%的面积潜水SO42-浓度＞250 mg·L-1(超标), 40.1%的面积潜水SO42-浓度＞1 000 mg·L-1; 53.2%的面积承压水SO42-浓度＞250 mg·L-1(超标), 22.3%的面积承压水SO42-浓度＞1 000 mg·L-1.
3.2 氢氧同位素组成特征研究区山区降水是水资源的形成区, 平原区是水资源的消耗区.研究区地下水样δD和δ18O值均分布在当地大气降水线(local meteoric water line, LMWL)[21]附近偏右下方(图 3), 表明其初始补给源主要为大气降水, 且受一定蒸发作用影响.
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图 3 研究区地下水δD与δ18O关系 Fig. 3 Relationship between δD and δ18O in the groundwater samples from the study area |
研究区不同水文地质单元地下水样δD和δ18O分布特征较为明显, 研究区上中游, 地下水样同位素值较低(B区), 受蒸发作用相对较弱; 中下游, 地下水更富集重同位素(A区), 表明其在径流过程中受到更强烈的蒸发作用影响; 冲积平原承压水区域, 承压水样同位素值分布较离散(C区), 表明承压水受到上覆潜水的混合作用影响.
研究区受河流冲、洪积沉积规律影响, 山麓斜坡冲洪积砾质平原为深埋带补给径流区, 该区蒸发作用弱, 地下水TDS低, 水化学作用以溶滤为主, 水化学类型为SO4·HCO3-Ca型; 中游河流冲积平原因地形变缓, 岩性颗粒减小, 向下游的径流减缓, 地下水埋深变浅, 蒸发作用渐加强, 地下水蒸发浓缩作用使TDS增大, 水化学类型变为SO4-Ca型, 至下游地下水演变为SO4·Cl-Na型, TDS最大达到44 060.3 mg·L-1.冲积平原承压水的混合作用是众多机井串层开采以及水文地质“天窗”、层间越流补给所致, 使研究区山麓斜坡冲洪积砾质平原与相邻河流冲积平原潜水之间以及河流冲积平原潜水与承压水都有较好的水力联系, 利于地下水循环交换演化.例如：山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水KT27的δD和δ18O值(分别为-53.8‰和-8.4‰)、KT19的δD和δ18O值(分别为-77.2‰和-11.0‰)、ZK17的δD和δ18O值(分别为-76.6‰和-11.7‰)分别与下游河流冲积平原潜水A100的δD和δ18O值(分别为-53.9‰和-8.0‰)、SF216的δD和δ18O值(分别为-76.7‰和-10.9‰)、ZK18的δD和δ18O值(分别为-76.7‰和-12.0‰)相近; 河流冲积平原潜水YPH284的δD和δ18O值(分别为-77.8‰和-10.1‰)、SF594的δD和δ18O值(分别为-85.9‰和-11.6‰)分别与附近承压水KT11(上)的δD和δ18O值(分别为-78.9‰和-10.4‰)、TC2-12的δD和δ18O值(分别为-89.7‰和-11.3‰)相近, 且潜水与承压水各个离子浓度相差不大.
3.3 水-岩作用模拟对地下水SO42-来源的解析研究区构造剥蚀山区新近纪(N)钙质粉砂岩、钙质细砂岩和石膏等盐类矿物的溶解控制了流域水化学组成[22].汇流于平原的盖孜河和库山河的水化学类型为SO4·HCO3型; 恰克马克河和克孜勒河水化学类型分别为SO4·Cl和SO4型[23].河水渗漏其控制性阴离子SO42-, 对平原区地下水化学类型影响较大.
矿物溶解饱和指数(saturation index, SI)对于揭示地下水离子来源具有指向性, SI由负值到正值, 溶解能力由强到弱.利用PHREEQC软件计算得到的常规矿物饱和指数表明(表 2), 研究区方解石、白云石、石膏和岩盐的溶解能力山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水＞河流冲积平原承压水＞河流冲积平原潜水, 上游至下游饱和指数趋于减小, 矿物溶解趋于饱和.山麓斜坡冲洪积砾质平原矿物溶解是地下水离子的主要来源.
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表 2 地下水矿物饱和指数计算 Table 2 Saturation index of major minerals in the groundwater |
研究区石膏、岩盐总体处于溶解状态, 其中岩盐一直处于溶解状态, 这是Cl-在地下水阴离子中占有次要比重的原因之一.
方解石和白云石饱和指数在-0.5~0.5时, 其矿物处于溶解-沉淀平衡状态[24]; 当饱和指数＞0.5时, 方解石和白云石处于饱和状态.研究区大部分样品方解石和白云石处于平衡或者过饱和状态(图 4), 表明地下水中只有少量的Ca2+来自碳酸盐的溶解, 河流冲积平原潜水方解石和白云石(饱和指数均大于-0.5)处于沉淀析出状态.
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图 4 研究区地下水方解石与白云石饱和指数与TDS关系 Fig. 4 Plots of saturation indices with respect to calcite and dolomite minerals against total dissolved solids in the study area |
研究区γ(Ca2++SO42-)与SI(石膏)存在明显的对数函数关系, R2=0.95(图 5), 说明石膏溶解是地下水中SO42-的主要来源[17].
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图 5 研究区地下水γ(Ca2++SO2-4)与SI(石膏)关系 Fig. 5 Relationship between γ(Ca2++SO42-)and SI(gypsum) in the groundwater samples from the study area |
γ(Ca2++Na+-Cl-)与γ(SO42-)的关系显示(图 6), 水样分布在石膏和芒硝溶解线周围, 表明石膏和芒硝的溶解是地下水SO42-的主要来源之一[25], 大部分水样分布在石膏-芒硝溶解线右侧, 说明地下水受到同离子效应影响或存在其它非石膏和芒硝溶解来源的SO42-, 使SO42-＞(Ca2++Na+-Cl-).研究区沉积岩缺少黄铜矿和黄铁矿等硫化物矿物, 不存在硫酸盐的氧化来源[26], 地下水在酸碱平衡和沉淀溶解平衡中都存在同离子效应, 使方解石溶解达到过饱和状态, 说明石膏的溶解通过同离子效应促进了方解石发生沉淀, 从而导致SO42-不成比例的增加[27], 化学反应式如下：
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图 6 研究区地下水γ(Ca2++Na+-Cl-)与γ(SO42-)关系 Fig. 6 Relationship between γ(Ca2++Na+-Cl-)and γ(SO42-) in the groundwater samples from the study area |
研究区地下水δ34S-SO42-与SO42-没有相关关系(图 7), 山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水δ34S-SO42-值的变化范围为3.9‰~13.6‰, 平均为9.5‰.河流冲积平原潜水δ34S-SO42-值的变化范围为5.3‰~7.6‰, 平均为6.4‰; 承压水δ34S-SO42-值的变化范围为3.9‰~14.0‰, 平均为8.4‰.根据中国新近系沉积类型和地层区划研究, 塔里木盆地西缘新近系为海陆过渡相或陆相沉积.海相沉积蒸发岩具有较高的δ34S值, 在15‰以上; 海陆交互相蒸发岩δ34S值为10‰~15‰之间; 陆相沉积蒸发岩δ34S值一般小于10‰[28].根据地下水δ34S值分布, 以δ34S=10‰为分界线, 将研究区地下水分为Ⅰ组和Ⅱ组.
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图 7 研究区地下水δ34S-SO42-与SO42-关系 Fig. 7 Relationship between δ34S-SO42- and SO42- in the groundwater samples from the study area |
Ⅰ组中研究区南部山麓斜坡冲洪积砾质平原上游潜水δ34S-SO42-值为10.0‰~13.6‰, 对应为海陆交互相蒸发岩溶滤来源的SO42-. A区承压水(KT12)由于埋深相对较大, 还原环境较强[29], 推测承压水受细菌还原硫酸盐(bacterial sulfate reduction, BSR)作用影响, 溶解的硫酸盐被分解, 这与Hosono等[30]研究在还原环境下, BSR作用使地下水硫酸盐的δ34S-SO42-值增大, 发生如下反应：
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Ⅱ组地下水对应为陆相蒸发岩溶滤来源的SO42-.该组河流冲积平原承压水区δ34S-SO42-值随着SO42-浓度的增加而增加, 这与BSR作用使残留的硫酸盐富含较重的同位素[31]相反, 说明承压水中BSR作用极其微弱或者不存在. B区河流冲积平原承压水沿地下水流向, SO42-浓度逐渐增加, 但δ34S-SO42-值变化不大, 说明SO42-来源没有改变, SO42-浓度的增加是沿程累积作用的结果; C区主要为北部上游山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水, δ34S-SO42-值在3.9‰~5.1‰之间, 结合前文δD、δ18O同位素分析, 判断该区潜水SO42-来源为陆相蒸发岩的溶滤. D区主要为河流冲积平原潜水, δ34S-SO42-值在5.3‰~7.6‰之间, 分布范围较小, 为单一来源特征, 但仍为陆相蒸发岩溶滤来源.经调查, 研究区灌区存在化肥淋滤污染, 例如化肥过磷酸钙(δ34S值约为-5.6‰~7.7‰[32])等的使用.
4 结论(1) 新疆喀什三角洲地下水化学类型演变方向为HCO3·SO4SO4SO4·Cl.在其演变方向上, 离子浓度成倍增加, 研究区HCO3·SO4型地下水为淡水, SO4型和SO4·Cl型地下水为高硬度、微咸水或半咸水.地下水SO4浓度、Cl-浓度、TDS、总硬度和pH值具有河流冲积平原潜水>河流冲积平原承压水>山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水的特征, 上游至下游河流冲积平原地下水化学成分趋向盐化.
(2) 研究区地下水初始补给源主要为大气降水, 且受一定蒸发作用影响; 不同水文地质单元地下水样δD和δ18O分布特征较明显, 上中游至中下游, 同位素值由低到更富集, 受蒸发作用由弱到强; 冲积平原承压水同位素分布较离散, 是承压水井开采受到上覆潜水的混合作用影响.
(3) 研究区地下水SO42-主要来自石膏和芒硝的溶解, 同离子效应使地下水中SO42-增加, SO42-成为控制性阴离子.山麓斜坡冲洪积砾质平原为溶滤-径流带, 河流冲积平原为径流-累积带.
(4) 研究区南部、北部山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水SO42-来源分别为海陆交互相和陆相蒸发岩的溶滤; 河流冲积平原潜水SO42-除了陆相蒸发岩溶滤来源外, 还存在化肥淋滤的污染; 承压水除蒸发岩溶滤外, 还受到潜水的混合作用和细菌还原硫酸盐作用影响.
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