环境科学  2019, Vol. 40 Issue (9): 4042-4051   PDF    
新疆喀什三角洲地下水化学特征及演化规律
魏兴1,2, 周金龙1,2, 乃尉华3, 曾妍妍1,2, 范薇1,2, 李斌3     
1. 新疆农业大学水利与土木工程学院, 乌鲁木齐 830052;
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
摘要: "水质型"缺水问题严重阻碍着新疆喀什地区经济的发展.为研究位于喀什地区西部的喀什三角洲地下水水化学特征及主要离子来源,于2016年6~10月采集地下水水化学样品402组,地下水氢氧同位素样品114组.综合运用数理统计、Gibbs图、离子比、Schoeller图和水文地球化学模拟等方法,分析了喀什三角洲地下水的水文地球化学特征,探讨了水化学演化规律及主要离子来源.结果表明:①该区地下水中阴离子以SO42-为主,其次为Cl-;阳离子以Na+为主,地下水类型以SO4·Cl-Na型为主;②该区地下水离子组分受岩石溶滤作用和蒸发浓缩作用控制.水中离子主要来源于蒸发岩的溶解,其次为碳酸岩的溶解.河流冲积平原潜水受蒸发浓缩作用影响,承压水还受反向阳离子交换作用和混合作用影响;③沿地下水流向,地下水离子组分浓度呈递增趋势,岩盐、白云石和石膏发生溶解,方解石沉淀.
关键词: 新疆喀什三角洲      水化学      离子来源      水化学演化      水文地球化学模拟     
Hydrochemical Characteristics and Evolution of Groundwater in the Kashgar Delta Area in Xinjiang
WEI Xing1,2 , ZHOU Jin-long1,2 , NAI Wei-hua3 , ZENG Yan-yan1,2 , FAN Wei1,2 , LI Bin3     
1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China;
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
Abstract: Pollution-induced water shortage problems have severely hindered the economic development of Kashi Prefecture in Xinjiang. In order to study the chemical characteristics and main ion sources of groundwater in the Kashgar River Delta of Western Kashi Prefecture, 402 groundwater samples and 114 groundwater hydrogen and oxygen isotope samples were collected and tested in June to October 2016. Based on the methods of mathematical statistics, Gibbs diagram, ion ratio, Schoeller diagram, and hydrogeochemical simulation, the hydrogeochemical characteristics of the groundwater were analyzed, and the hydrochemical evolution law and the main ion sources were discussed. The following results were noted. ①SO42- was the main anion in the groundwater, followed by Cl-. Na+ was the main cation, and the groundwater was mainly SO4·Cl-Na type. ②The groundwater ion components were controlled by dissolution of rocks and evaporation. The groundwater ions were mainly derived from the dissolution of evaporites, followed by the dissolution of carbonates. Unconfined groundwater in the river alluvium plain was affected by evaporation, and the confined groundwater was affected by reverse cation exchange and mixing. ③Along the groundwater flow direction, the concentration of ion components in the groundwater increased. Halite, dolomite, and gypsum were dissolved, and calcite was precipitated.
Key words: Kashgar River Delta in Xinjiang      hydrochemistry      ion sources      hydrochemical evolution      hydrogeochemical simulation     

新疆喀什地区地处塔里木盆地西南缘, 是一个经济快速发展的典型干旱地区.长期以来“资源型缺水”和“水质型缺水”严重制约着喀什地区经济的发展.其中水质型缺水主要表现在地下水硫酸盐、氯化物、溶解性总固体和总硬度普遍性超标[1, 2], 地下水水质问题较为突出.地下水与周围环境长期作用的过程中形成了特有的水化学特征[3~5], 在一定程度上记录着地下水的补给来源[6]、运移[7]和循环[8]等信息.氢氧同位素在研究地下水循环和演化过程中应用广泛, 不仅记录着水体起源和循环信息, 还可以判断水体相互关系[9, 10].

近年来, 许多学者在喀什地区开展了较多地下水研究工作, 主要包括地下水资源分布[11]、地下水化学特征[12]和地下水污染[13, 14]等方面.而对地下水演化过程与控制因素的认识仍显不足.本文以位于喀什地区西部的喀什三角洲为研究区, 运用水文地球化学与氢氧同位素探讨地下水化学特征及控制因素, 分析水化学成因及演化过程, 以期为地下水利用提供科学依据.

1 研究区概况

研究区位于喀什噶尔河流域中下游地区, 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, 从西向东平原区逐渐扩大, 形成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, 总面积17 545 km2, 其中平原区面积13 329 km2(图 1).地貌可划分为构造剥蚀低中山、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5类.研究区平原是喀什噶尔河流域主要经济活动区, 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.

图 1 地下水采样点分布与A-A'水文地质剖面 Fig. 1 Distribution of groundwater sampling locations and A-A' hydrogeological section

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.平原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.第四系松散沉积物由山前单一的卵、砾、砂石地层向下游平原区过渡为中粗砂、砂、亚砂土、亚黏土和黏土的多层结构, 研究区平原受河流冲、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、渠系较为密布, 地下水埋深较浅, 同时接受灌区各类渠系渗漏、田间入渗、水库渗漏、泉水回归入渗等补给;地下水总体流向与地形坡降趋势一致, 总体由西向东径流;地下水排泄方式为人工开采、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

2016年6~10月, 在研究区共取地下水水化学样品402组, 其中潜水127组, 承压水275组;D、18O同位素样品114组, 其中潜水87组, 承压水27组.取样时, 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.采用德国HI9829高精度便携式多参数综合水质测定仪现场测定pH值、水温、电导率、氧化还原电位和溶解氧等指标, 测试精度分别为0.01、0.01℃、0.01 μS·cm-1、0.1 mV和0.01 ng·L-1.所取水样用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.

离子指标测定(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-和NO3-等)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+测定方法为火焰原子吸收分光光度法;Ca2+和Mg2+测定方法为乙二胺四乙酸二钠滴定法;Cl-测定方法为硝酸银容量法;SO42-测定法为硫酸钡比浊法;HCO3-和CO32-采用酸碱滴定法测定;NO3-测定法为紫外分光光度法, 各离子指标检出限均为0.05 mg·L-1. D和18O同位素值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, δD值误差为±1‰, δ18O值误差为±0.2‰.

3 结果与分析 3.1 地下水水化学特征

研究区地下水水化学参数统计结果见表 1, 区内地下水pH值范围在7.11~8.52之间, 平均值为7.84, 呈弱碱性.地下水硫酸盐、氯化物、TDS和总硬度变化范围较大, 分别为39.7~9 611.8、14.2~20 210.5、246.5~44 130.4和48.2~10 619.8 mg·L-1.整体上, 研究区山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水硫酸盐、氯化物、TDS和总硬度较小, 河流冲积平原潜水和承压水较大.硫酸盐、氯化物、TDS和总硬度最大值出现在下游河流冲积平原潜水中, 硫酸盐、TDS、总硬度最小值出现在中上游河流冲积平原承压水中, 氯化物最小值出现在山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水中.

表 1 地下水水化学指标统计结果 Table 1 Statistical results of hydrochemical parameters of groundwater

研究区地下水水化学类型以SO4·Cl-Na型为主.地下水中阴离子以SO42-为主, 其次为Cl-;阳离子中Na+占优势, Ca2+与Mg2+浓度差异不大.研究区地下水SO42-、Cl-、TDS、总硬度和HCO3-浓度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, 研究区中下游河流冲积平原地下水水化学指标具有累积作用, 这与Yang等[15]在柴达木盆地和Jia等[16]在塔里木盆地研究结果一致, 符合干旱区水文地球化学演变规律.

3.2 氢氧同位素特征

地下水中D和18O同位素含量相对稳定, 常用来示踪地下水的运动状况[17], 地下水δD和δ18O值关系曲线与大气降水线对比, 可以更好地解释地下水的形成与运移[18, 19].研究区地下水δD和δ18O值分布在当地大气降水线[20](图 2)附近偏右下方, 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.

图 2 研究区地下水δD与δ18O关系 Fig. 2 Relationship between δD and δ18O of groundwater in the study area

图 2中阴影部分中, 相近的山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水与河流冲积平原潜水δD和δ18O值相近, 表明河流冲积平原潜水与山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水之间的径流条件较好.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‰)与附近下游河流冲积平原潜水A100的δD和δ18O值(分别为-53.9‰和-8.0‰)相近, 且水化学类型均为SO4·HCO3-Ca型, 说明两者水力联系紧密;山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水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, 且离子浓度相差不大, 说明河流冲积平原潜水与上游山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水之间的径流条件较好.

研究区承压水δD和δ18O值分布较离散, 说明可能受到上覆潜水的混合作用影响.例如, 潜水采样点YPH284的δD和δ18O值(分别为-77.8‰和-10.1‰)与附近承压水采样点KT11(上)的δD和δ18O值(分别为-78.9‰和-10.4‰)相近, 且水化学类型均为SO4型;潜水采样点SF594的δD和δ18O值(分别为-85.9‰和-11.6‰)与附近承压水采样点TC2-12的δD和δ18O值(分别为-89.7‰和-11.3‰)相近, 两者的水化学类型均为SO4·Cl型, 表明该区承压水与潜水存在较好的水力联系, 发生了混合作用.

3.3 水化学组分控制因素及来源 3.3.1 地下水主要控制因素

Gibbs图可以定性判断大气降水、蒸发浓缩和岩石溶滤作用所控制的水化学演化过程, 最初是根据地表水提出来的[21], 若用于分析地下水, 应重新考虑Gibbs图的轮廓.因为地下水在含水层滞留的时间远远长于地表水, 长期受水-岩相互作用影响, 使“岩石溶滤控制”范围扩大[22].绘制研究区地下水Gibbs图可以看出(图 3), 地下水样分布在“岩石溶滤控制”与“蒸发浓缩控制”区间, 山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水和河流冲积平原承压水主要受岩石溶滤作用影响, 而河流冲积平原潜水则受岩石溶滤及蒸发浓缩双重作用影响.一部分河流冲积平原承压水落在图外, 且γ(Cl-)/γ(Cl-+HCO3-)没有明显的规律性, 而γ(Na+)/γ(Na++Ca2+)有较好的聚集性, 这可能与阳离子交换作用有关.

图 3 研究区地下水Gibbs图 Fig. 3 Gibbs diagram of groundwater in the study area

3.3.2 阳离子交换作用

阳离子交换作用通常由γ(Mg2++Ca2+-SO42--HCO3-)与γ(Na+-Cl-)的关系来判断, 若发生阳离子交换作用, 则两者的比值应该在-1左右[23].由图 4(a)可以看出, 研究区河流冲积平原承压水γ(Mg2++Ca2+-SO42--HCO3-)与γ(Na+-Cl-)存在较强的负相关关系(R2=0.85), 且比值在-1左右, 说明承压水发生阳离子交换作用;而山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水与河流冲积平原潜水γ(Mg2++Ca2+-SO42--HCO3-)与γ(Na+-Cl-)的比值远离-1, 且相关关系较弱, 说明潜水阳离子交换作用不明显, 该现象与刘江涛等[24]对河南省济源市沁河冲洪积扇地下水分析承压水中发生阳离子交换作用结果一致.

图 4 γ(Mg2++Ca2+-SO42--HCO3-)与γ(Na+-Cl-)以及氯碱指数与TDS关系 Fig. 4 Relationships of γ(Mg2++Ca2+-SO42--HCO3-) versus γ(Na+-Cl-) and choro alkaline indices versus TDS

引入氯碱指数(CAI1和CAI2)进一步分析河流冲积承压水阳离子交换作用发生的方向与强度[25, 26], 图 4(b)为承压水氯碱指数与TDS关系, 图中绝大部分承压水的CAI1和CAI2均小于0, 表明发生了反向阳离子交换作用, 承压水中的Ca2+和Mg2+与围岩中的Na+和K+发生了交换.另从γ(Na+)/γ(Na++Ca2++Mg2+)与γ(Cl-)关系可以看出(图 5), 沿地下水流向, 承压含水介质颗粒逐渐变细, 黏土矿物含量增加, 阳离子交换作用增强, 表面吸附的Na+被水中的Ca2+与Mg2+替换, 使地下水的Na+浓度高于Cl-.

图 5 γ(Na+)/γ(Na++Ca2++Mg2+)与γ(Cl-)关系 Fig. 5 Relationship between γ(Na+)/γ(Na+ +Ca2++Mg2+) and γ(Cl-)

3.3.3 溶滤作用

研究区构造剥蚀山区新近纪地层主要为钙质粉砂岩、钙质细砂岩和石膏等盐类矿物[27], 岩石在风化和水-岩相互作用下, 从岩石溶解到地下水中, 形成地下水的化学成分[28, 29].采用离子之间的比值关系对溶滤作用进行分析.

研究区绝大部分地下水取样点落在γ(Na++K+)/γ(Cl-)=1的上方[图 6(a)], 说明地下水水化学组分除了受岩盐的溶解作用以外, 还可能受到其他钠盐的溶解;由于河流冲积平原承压水中Na++K+明显偏离1:1线, 且受到阳离子交换作用的影响, 从而使Na++K+浓度大于Cl-浓度.

图 6 研究区地下水离子关系 Fig. 6 Ionic relationships of groundwater in the study area

研究区地下水取样点均落在γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-)=1的上方[图 6(b)], 表明地下水除了方解石和白云石的风化溶解, 还有其他含Ca2+矿物的溶解[24]. γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)呈显著线性关系[图 6(c)], 且绝大部分地下水取样点落在γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)=1的下方, 说明蒸发岩(石膏)的溶解参与了水中Ca2+的形成[8, 30].

γ(SO42-+Cl-)与γ(HCO3-)关系可以判断蒸发岩和碳酸岩风化对地下水离子的贡献程度[31], 研究区地下水取样点均落在γ(SO42-+Cl-)/γ(HCO3-)=1的上方[图 6(d)], 说明蒸发岩的溶解对水中离子的贡献占主导地位.因此, 地下水中的Ca2+应该主要来源于新近纪地层石膏矿物的溶解.由γ(Ca2+)与γ(SO42-)的关系可知[图 6(e)], 几乎所有的取样点中γ(Ca2+)/γ(SO42-)的值小于1, 同样证明了地下水中Ca2+主要来源于石膏矿物的溶解.另外, 结合图 6(a)6(c)和6(e)可以看出, 水样中Na+和SO42-浓度偏高, 推断地下水中可能存有钠长石与芒硝风化溶解所形成的Na+和SO42-.

研究区除了河流冲积平原承压水受阳离子交换作用使Na+浓度升高外, 地下水中Na+主要来源于岩盐和芒硝的风化溶解, 而Ca2+主要来源除了石膏溶解以外, 还有碳酸岩的风化溶解.令γ(Ca2++Mg2+-HCO3-)来表征地下水中石膏溶解产生的Ca2+浓度, 用γ[SO42--(Na+-Cl-)]来表征石膏溶解产生的SO42-浓度.若水样中SO42-全部来自石膏的溶解, 那么γ(Ca2++Mg2+-HCO3-)/γ[SO42--(Na+-Cl-)]的值应等于1, 结合图 6(f)可知, 研究区地下水取样点均在y=x线附近, 进一步证明了地下水中的SO42-主要来自石膏和芒硝的溶解.

3.3.4 混合作用

研究区喀什噶尔河流域水系各出山口河流从北、西和南部汇入研究区, 形成自西向东贯穿的地下水系统, 混合作用也是影响地下水化学成分的一个重要因素.

受到稀释的混合水具有垂向移动曲线且形状变动不大的特点[32].从西向东(上游至下游)A-A'剖面地下水样Schoeller可以看出(图 7), 出山口河水KS-5与山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水J1-24水化学组分相差不大, 说明山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水受河水的渗漏补给;河流冲积平原承压水TC2-12和TJ1-33分别与潜水TC1-11和TJ1-14的水化学组分变化趋势一致, 结合前文对D和18O同位素的分析, 表明河流冲积平原承压水受到上覆潜水混合作用的影响.

图 7 典型剖面水样点Schoeller图 Fig. 7 Schoeller diagram of water samples at typical sections

3.4 典型剖面水文地球化学模拟及演化过程 3.4.1 地下水化学演化模拟

PHREEQC软件可定量模拟各种自然过程和人为活动影响下的水-岩相互作用[33, 34].沿地下水流向A-A', 选择潜水路径T1-24→TC2-5→KT18-1→TC4-8和承压水路径C18→KT18-2→CG1-5进行水文地球化学模拟.

模型中将研究区第四系含水层中主要矿物石英、岩盐、方解石、白云石、石膏和钠长石等[35]作为“可能矿物项”.考虑潜水处于开放状态, 在潜水路径中将CO2作为“可能矿物项”;承压水埋藏相对较深, 处于半封闭状态, 实际CO2不参与水文地球化学作用, 但承压水中发生阳离子交换作用, 在承压水路径中将该作用作为增加的“可能矿物项”.

模拟结果表明(表 2):潜水路径上岩盐、白云石和石膏均发生溶解作用, 随着石膏的溶解, 潜水中Ca2+浓度增加, 使方解石沉淀, 且随着石膏的溶解量增大, 方解石的沉淀量也随之增大.研究区中下游, 水中CO2逸出, 同时因潜水埋深变浅, 受到蒸发浓缩作用影响;承压水路径上方解石沉淀, 岩盐、白云石和石膏一直处于溶解状态.承压水中发生反向阳离子交换作用, 且沿水流路径, 反向阳离子交换作用越强, 使得Ca2+浓度始终保持较低的水平, 对比该路径上承压水C18→KT18-2→CG1-5, 其Ca2+浓度为124.5mg·L-1→100.2 mg·L-1→77.7 mg·L-1, 符合实际.

表 2 潜水、承压水路径反向模拟结果1)/mmol·L-1 Table 2 Reverse simulation results of unconfined groundwater and confined groundwater routes/mmol·L-1

3.4.2 典型剖面水文地球化学演化过程

综合以上分析, 研究区地下水水文地球化学演化过程如图 8:山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水受河水的渗漏补给, 总体由西向东流动, 与河流流向相同.河流冲积平原潜水主要来自山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水的侧向补给, 地下水在运动过程中主要接受岩石溶滤作用和混合作用, 水化学类型为SO4-Ca型;随着流程的增加, 水体离子浓度增加;河流冲积平原承压水受到上覆潜水的混合作用, 其水化学类型与潜水类型相似;同时承压水还发生反向阳离子交换作用, 使Na+浓度增加, Ca2+浓度减少, 水化学类型演变为SO4·Cl-Ca·Mg型→SO4·Cl-Na·Mg型→SO4·Cl-Na型.河流冲积平原潜水在埋深较浅区域, 受蒸发浓缩作用, 水化学类型为Cl·SO4-Na型.

图 8 典型剖面水文地球化学演化过程 Fig. 8 Hydrogeochemistry evolution process of typical section

4 结论

(1) 研究区地下水水化学类型以SO4·Cl-Na型为主.地下水中阴离子以SO42-为主, 其次为Cl-;阳离子以Na+为主, Ca2+与Mg2+浓度差异不大.地下水TDS、总硬度、Cl-、HCO3-和SO42-浓度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, 中下游河流冲积平原地下水水化学指标具有累积作用.

(2) 地下水氢氧同位素特征分析表明, 研究区地下水初始补给源主要为大气降水, 且在补给过程中受一定蒸发作用影响.山麓斜坡冲洪积砾质平原潜水与河流冲积平原潜水之间的径流条件较好;河流冲积平原潜水与承压水存在较好的水力联系.

(3) 研究区地下水离子组分主要受岩石溶滤作用和蒸发浓缩作用影响.地下水Na+、Ca2+、Cl-和SO42-主要来自岩盐、石膏和芒硝等蒸发岩的溶解;方解石和白云石等碳酸岩的溶解对Ca2+和Mg2+也有一定贡献.同时, 河流冲积平原潜水受蒸发浓缩作用影响, 承压水受反向阳离子交换作用和混合作用影响.

(4) 地下水水文地球化学模拟表明, 沿地下水流向, 地下水离子组分浓度呈递增趋势, 岩盐、白云石和石膏发生溶解, 方解石沉淀;承压水发生反向阳离子交换作用.

(5) 本文揭示的喀什三角洲地下水化学分布特征及演化规律可以为该地区地下水功能区划分和地下水可持续利用提供科学依据.

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