新疆博尔塔拉河流域平原区地表水与地下水水化学特征及转化关系

引用本文

雷米, 周金龙, 张杰, 陈亚鹏, 滕杰, 吴彤, 徐东升, 孙英, 纪媛媛. 新疆博尔塔拉河流域平原区地表水与地下水水化学特征及转化关系[J]. 环境科学, 2022, 43(4): 1873-1884.

LEI Mi, ZHOU Jin-long, ZHANG Jie, CHEN Ya-peng, TENG Jie, WU Tong, XU Dong-sheng, SUN Ying, JI Yuan-yuan. Hydrochemical Characteristics and Transformation Relationship of Surface Water and Groundwater in the Plain Area of Bortala River Basin, Xinjiang[J]. Environmental Science, 2022, 43(4): 1873-1884.

新疆博尔塔拉河流域平原区地表水与地下水水化学特征及转化关系

雷米^1,2,3, 周金龙^1,2,3, 张杰⁴, 陈亚鹏⁵, 滕杰⁵, 吴彤⁵, 徐东升⁵, 孙英^1,2,3, 纪媛媛^1,2,3

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. 新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室, 乌鲁木齐 830052;
4. 南宁师范大学地理科学与规划学院, 南宁 530001;
5. 中水北方勘测设计研究有限责任公司, 天津 300222

收稿日期: 2021-08-06; 修订日期: 2021-09-16

基金项目: 国家自然科学基金项目(42007161); 新疆维吾尔自治区寒旱区水资源与生态水利工程研究中心(院士专家工作站)新疆水专项(2020.C-005)

作者简介: 雷米(1992~), 男, 博士研究生, 主要研究方向为地下水资源利用与保护, E-mail: 178445085@qq.com

通信作者: 周金龙, E-mail: zjzhoujl@163.com

摘要: 博尔塔拉河流域地质条件复杂, 地表水与地下水转化频繁, 研究地表水与地下水水化学特征及转化关系对流域水资源合理开发和配置具有重要意义. 基于2021年4~5月采集的15组地表水样和39组地下水样, 采用APCS/MLR模型和稳定氢氧同位素与水化学相结合的方法, 分析了地表水和地下水水化学类型和氢氧同位素分布特征、水化学组分源贡献率和地表水与地下水转化关系.结果表明, 地表水水化学类型主要为HCO₃ ·SO₄-Ca型和HCO₃-Ca型, 地下水水化学类型主要为HCO₃ ·SO₄-Ca ·Na型、HCO₃-Ca型和HCO₃ ·SO₄-Ca型; 溶滤-迁移-富集因子、人类活动因子、环境因子和原生地质因子对地表水和地下水中离子的平均贡献率分别为28.8%、17.7%、12.0%和6.5%; 博尔塔拉河河水中D和¹⁸ O沿程呈富集趋势, 北岸地下水中D和¹⁸ O整体丰于南岸; 在地质构造和水文地质条件等地质条件因素控制下, 河水与地下水转化集中在博尔塔拉河中游, 总体表现为河流两侧潜水和泉水溢出补给河水, 补给比例范围为1.0% ~70.9%.

关键词: 地表水地下水水化学特征转化关系博尔塔拉河流域

Hydrochemical Characteristics and Transformation Relationship of Surface Water and Groundwater in the Plain Area of Bortala River Basin, Xinjiang

LEI Mi^1,2,3 , ZHOU Jin-long^1,2,3 , ZHANG Jie⁴ , CHEN Ya-peng⁵ , TENG Jie⁵ , WU Tong⁵ , XU Dong-sheng⁵ , SUN Ying^1,2,3 , JI Yuan-yuan^1,2,3

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. Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Safety and Water Disaster Prevention, Urumqi 830052, China;
4. School of Geography and Planning, Nanning Normal University, Nanning 530001, China;
5. China Water Resources Beifang Investigation Design and Research Co., Ltd., Tianjin 300222, China

Abstract: The geological conditions of the Bortala River basin are complex, and the transformation of surface water and groundwater is frequent. It is great significance to study the hydrochemical characteristics and transformation relationship of surface water and groundwater for the reasonable development and allocation of water resources in the basin. Based on 15 surface water samples and 39 groundwater samples collected in April and May 2021, the APCS/MLR model and the combination of stable hydrogen and oxygen isotopes with hydrochemistry were used in this study to analyze the hydrochemical types and the distribution characteristics of hydrogen and oxygen isotopes, the source contribution of chemical components, and the transformation relationship between surface water and groundwater. The results showed that the surface water was mainly HCO₃·SO₄-Ca type and HCO₃-Ca type, and the groundwater was mainly HCO₃·SO₄-Ca·Na type, HCO₃-Ca type, and HCO₃·SO₄-Ca type. The contribution rates of the dissolution-migration-enrichment factor, human activities factor, environment factor, and native geological factor to the chemical components were 28.8%, 17.7%, 12.0%, and 6.5%, respectively. Bortala River water D and ¹⁸O was enriched along the distance, and groundwater D and ¹⁸O in the north bank was generally more enriched than groundwater in the south bank as a whole. Under the control of geological conditions such as geological structure and hydrogeological conditions, the transformation of river water and groundwater was concentrated in the middle reaches of the Bortala River, which was generally manifested in both unconfined groundwater and spring overflow in the sides of the recharge river water, and the recharge proportion ranged from 1.0% to 70.9%.

Key words: surface water groundwater hydrochemical characteristics transformation relationship Bortala River basin

地表水与地下水之间的转化是流域水循环过程的重要环节, 准确掌握其机制和转化过程是流域水资源管理与保护的基础^[1~3].地质条件(地质构造、地层岩性)^{[4, 5]}、河流特性(河流几何形态、河流与含水层水力特征)^{[6, 7]}、季节性降水^[8]和人类活动^{[9, 10]}等因素控制着地表水和地下水转化的空间分布、转化的形式和水量.天然水体的水化学组分是在水循环过程中与周围环境长期相互作用的产物, 在一定程度上记录着水体的形成、运移和转化途径.而在水文地球化学作用和人为因素的影响下, 利用水化学特征来表征地表水与地下水之间的转化关系具有不确定性^{[11, 12]}.

氢氧稳定同位素因分馏作用, 不同成因的水源具有特征性同位素且含量相对稳定^[13].因此将水化学方法与同位素相结合是目前判定地表水与地下水转化关系的一种有效示踪技术手段^{[12, 14, 15]}.在水化学组分来源分析中更多是利用因子分析^[16]、聚类分析^[17]和相关性分析^[11]等多元统计方法来定性地识别水化学组分来源和迁移转化过程的常规信息, 但却难以定量厘定复杂地质条件下水岩作用程度以及人类活动对水中水化学组分的影响.绝对主成分/多元线性回归模型(APCS/MLR)是解析大气^{[18, 19]}和土壤重金属^{[20, 21]}等污染源常用的受体模型, 该模型基于主成分分析将未知源成分的样本数据进行降维, 根据样本数据与因子绝对真实得分(APCS)关系, 提取水化学组分源贡献率.

博尔塔拉河地处准噶尔盆地西缘, 是我国西北干旱区典型咸水湖——艾比湖的主要补给源之一^[22].在新构造运动影响下, 博尔塔拉河流域形成两个隆起带和三个断陷盆地, 地质构造对径流起着调节作用和滞后影响, 使地表与地下径流呈现3次转化^[23].以往多侧重在地表水水质评价^{[24, 25]}、地表水水资源评价^{[23, 26]}和大气降水、地表水与地下水的氢氧同位素季节性特征^{[27, 28]}等方面的研究, 而对于该流域水化学组分来源、地表水与地下水转化关系的研究仍显不足.本文以博尔塔拉河流域平原区为研究区, 采用APCS/MLR模型定量解析地表水与地下水水化学组分来源; 结合地质构造、水文地质等地质条件, 运用水文地球化学与同位素方法探讨地表水与地下水之间的转化关系, 以期为该流域水资源合理开发和配置提供科学依据.

1 研究区概况

博尔塔拉河流域位于博尔塔拉蒙古自治州, 东临艾比湖, 西、北与哈萨克斯坦接壤, 南与伊犁哈萨克自治州相连.研究区属于博尔塔拉河流域平原区(图 1), 地理坐标介于80°24′~82°47′E, 44°13′~45°09′N, 谷地平原南侧为别珍套山、汗吉尕山和科古琴山, 北侧为阿拉套山, 具有三面环山、一面开阔呈喇叭形谷地的地形特点.流域总体地势西高东低, 由西向东、东北倾斜, 艾比湖为流域最低处, 山区、谷地平原和赛里木高山湖泊区构成流域内三大地貌单元.流域内呈大陆性干旱气候, 降水少、蒸发强, 年平均气温3.5~6.0℃, 年降水量为180.0 mm, 年蒸发量为1 569.2 mm.区内水系发育, 主要包括博尔塔拉河、哈拉吐鲁克河、大河沿子河和沃托格塞尔河等众多山溪性河流.其中, 博尔塔拉河发源于阿拉套山的艾生达坂, 全长252.0 km, 据文献[29], 博乐水文站年径流量5.1×10⁸ m³, 流量随季节性变化, 经温泉县和博乐市后注入艾比湖, 以温泉县和博乐市为界, 分为上游、中游和下游.

1.第四系冰碛, 2.第四系冲积, 3.第四系冲积层, 4.第四系冲、洪积层, 5.古近-新近系昌吉河群, 6.二叠系乌郎群, 7.石炭系章古苏组, 8.石炭系阿恰勒河组上亚组, 9.泥盆系托斯库尔他乌组, 10.泥盆系汗吉尕组, 11.古元古代温泉群, 12.浅肉红色和肉红色次花岗岩, 13.肉红色花岗斑岩, 14.灰白色花岗闪长岩, 15.浅肉红色二长花岗岩, 16.灰白色二长花岗岩, 17.灰岩, 18.大理岩, 19.砾岩, 20.凝灰岩, 21.熔岩, 22.流纹斑岩, 23.安山岩, 24.花岗结构, 25.断层, 26.推测断层图 1 采样点分布和A-A'剖面 Fig. 1 Sample point distribution and A-A′ section

在南北向应力作用下, 流域内形成一系列平行的褶皱和断裂, 以博尔塔拉河断裂为界将南北分为天山地褶皱带和别珍套山褶皱带, 研究区位于二者之间, 地质构造单元自西向东依次为沙尕提山前断陷盆地、温泉隆起、昆屯仑断陷盆地、博乐断隆和精河山前断陷盆地^[30].研究区出露地层主要为：古近系-新近系, 地层岩性主要为泥岩、泥灰岩和石膏等; 第四系以冲积和冲-洪积为主, 岩性主要由粘土和砾石等组成.研究区水文地质条件受地质构造控制, 其分布规律与地貌、岩相分布带相适应, 自西向东由单一结构潜水向上部潜水-下部承压含水层过渡.地下水主要受积雪消融水、河道水、渠系水和暴雨洪流入渗等方式补给; 总体自西向东径流, 水力坡度为0.6‰~9.6‰; 排泄方式主要为蒸发蒸腾、人工开采、泉水溢出和侧向排出等.

2 材料与方法 2.1 样品采集与测试

2021年4~5月在博尔塔拉河流域平原区采集地表水样15组、地下水样39组(潜水28组、泉水9组和承压水2组), 地下水取样井深≤200.0 m.取样前用待取水润洗高密度聚乙烯(HDPE)取样瓶3~5次, 采用0.22 μm微孔式滤膜对所取水样进行过滤, 检测阳离子的水样加硝酸酸化至pH < 2, 所有样品经parafilm封口膜密封后, 4.0℃冷藏保存.现场采用HANNA(HI9829)高精度便携式多参数水质分析仪对pH、水温(T)和电导率(EC)等指标进行测定.

K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-、CO₃^2-、总硬度(TH, 以CaCO₃计)和溶解性总固体(TDS)等离子指标均由新疆地矿局第二水文工程地质大队按《生活饮用水标准检验法》(GB/T 5750-2006)测试完成.其中, K⁺和Na⁺测定方法为火焰原子吸收分光光度法, 检出限分别为0.05 mg·L^-1和0.01 mg·L^-1; Ca²⁺、Mg²⁺和TH采用乙二胺四乙酸二钠滴定法测定, 检出限为1.00 mg·L^-1; Cl^-采用硝酸银容量法测定, 检出限为1.00 mg·L^-1; SO₄^2-采用硫酸钡比浊法测定, 检测限为5.00 mg·L^-1; HCO₃^-和CO₃^2-采用酸碱滴定法测定, 检测限为0.05 mg·L^-1; TDS采用重量法测定, 检测限为0.1 mg·L^-1.所有检测样品阴阳离子平衡误差绝对值均小于5%.氢氧稳定同位素(D和¹⁸O)由中国科学院新疆生态与地理研究所测定, 测试仪器为液态水同位素分析仪(DEL-100), 测试结果以相对维也纳标准平均海水(VS-MOW)千分偏差表示(δ, ‰), 测试精度：δD为±0.1‰、δ¹⁸O为±0.8‰.

2.2 数据处理与分析 2.2.1 APCS/MLR源解析模型 2.2.1.1 主成分因子识别

APCS/MLR受体模型提取主成分时, 样本浓度标准化后的主成分得分不能代表真实的因子得分, 需将因子得分转为绝对零值因子得分(APCS)即为真实因子得分, 具体过程如下：

(1)

(2)

(3)

式中, (A_z)_ij为主成分得分, w_i为第i主成分的得分系数, z_j为j样本标准化后的浓度值, (A₀)_ij、S_i和(z₀)_j分别为引入一所有化学组分浓度值为零的样本后的主成分得分、得分系数和标准化后的浓度值.

2.2.1.2 源贡献计算

以实测浓度值为因变量, APCS为自变量做MLR分析, 得到各主成分贡献率, 表示为：

(4)

式中, C_j为第j个指标浓度, B_i为多元线性回归系数, B₀为多元线性回归常数项(一般认为是未被识别源的贡献值), B_i×APCS_ij为主成分i对指标浓度C_j的贡献(其平均值即为主成分的平均贡献率).

在回归方程中各指标线性拟合R²在0.62~0.99之间, 且预测值与实测值比值均在1.0左右, 表明APCS/MLR模型对地下水中组分来源识别和贡献分配准确度较高.

2.2.2 同位素模型

依据同位素质量平衡原理, 不同水源混合前后同位素总量保持不变, 可以通过不同补给水源的稳定氢氧同位素之间的差异来定量分析混合水体中的贡献比例. 采用二端元混合模型^[31](水源个数n＜3)和IsoSource模型^[32](水源个数n≥3)计算混合水体中各水源的贡献比例, 模型表示为：

(5)

(6)

式中, i为补给水源, f_i为补给水源贡献比例, δ为稳定氧同位素值.IsoSource模型中增量参数设置为1%, 质量平衡允许度为0.01‰~0.05‰.

根据各水体之间的转化比例, 采用PHREEQC软件对水中水化学组分进行混合模拟, 将不同比例下生成的模拟值与真实值对比, 以此来探讨水体在径流过程中所经历的水文地球化学作用, 模拟准确度采用均方根误差(RMSE)表示：

(7)

式中, y_i为样本实测浓度值; 为模拟计算的样本浓度值, n为7大主要阴阳离子.

3 结果与讨论 3.1 水化学特征

由博尔塔拉河流域地表水和地下水水化学参数统计(表 1)可以看出：研究区地表水pH和TDS变化范围分别为7.8~8.7和96.6~1 049.1 mg·L^-1, 平均值分别为8.1和310.7 mg·L^-1, 水质整体呈弱碱性; 阳离子以Ca²⁺为主, 阴离子以HCO₃^-为主, 平均值分别为51.5 mg·L^-1和145.1 mg·L^-1. 地下水pH范围为7.2~8.6, 平均值为7.8, 水质整体呈弱碱性, TDS变化范围为136.9~2 735.0 mg·L^-1, 平均值为471.0 mg·L^-1, 水样多为低矿化度淡水(TDS < 1 000 mg·L^-1). 其中, 潜水中EC和TDS变化范围较大, 分别为195.0~3 540.0 μS·cm^-1和136.9~2 735.0 mg·L^-1, 表明潜水径流条件复杂, 水岩相互作用较强, 易溶盐含量较高. 高As水主要分布于承压含水层, 最大值达81.7 μg·L^-1. 潜水和泉水阳离子均以Ca²⁺为主, 阴离子以HCO₃^-为主; 承压水阳离子以Na⁺为主, 阴离子以HCO₃^-为主.

表 1 地表水和地下水水化学参数特征¹⁾ Table 1 Characteristics of surface water and groundwater hydrochemical parameters

指标	地表水(N=15)		地下水
	地表水(N=15)		潜水(N=28)		泉水(N=9)		承压水(N=2)
	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值	范围	平均值
T	3.8~17.6	10.9	7.4~17.1	11.7	3.5~12.4	9.2	10.9~18.6	14.8
EC	131.0~1 511.0	450.3	195.0~3 540.0	747.0	215.0~1 046.0	442.3	389.0~754.0	571.5
高锰酸盐指数	0.5~2.8	1.4	0.5~2.5	0.7	0.5~1.4	0.8	0.5~0.6	0.55
pH	7.8~8.7	8.1	7.2~8.1	7.8	7.3~8.0	7.8	8.0~8.6	8.3
TH	55.2~490.1	174.7	85.4~1 662.0	307.2	97.4~291.2	177.0	43.2~108.5	75.8
TDS	96.6~1 049.1	310.7	136.9~2 735.0	543.9	152.1~751.3	300.7	236.6~441.5	339.1
K⁺	2.6~6.7	3.4	2.6~20.2	4.2	2.8~3.2	3.0	3.0	3.0
Na⁺	7.9~147.9	33.0	11.0~256.0	55.7	5.7~126.6	29.3	32.2~129.8	81.0
Ca²⁺	17.3~116.6	51.5	28.2~518.4	91.3	35.8~92.9	56.1	13.3~38.2	25.7
Mg²⁺	1.0~48.3	11.2	2.0~153.4	19.2	2.0~17.3	8.9	2.4~3.2	2.8
Cl^-	2.8~126.2	25.4	5.7~957.2	84.3	7.1~35.5	13.4	14.2~63.8	39.0
SO₄^2-	6.2~452.2	94.8	13.7~752.8	166.7	20.3~259.6	75.0	47.5~165.7	106.6
HCO₃^-	70.8~241.7	145.1	98.9~332.1	176.7	116.0~291.8	177.8	79.6~142.8	111.1
NH₄⁺	ND.~0.5	0.2	ND.~3.1	0.6	ND.~0.1	0.1	ND.~0.1	—
NO₃^-	2.6~20.1	9.1	0.6~96.5	19.4	2.2~51.1	13.8	4.3~7.6	5.9
NO₂^-	ND.~1.0	0.2	ND.~0.9	0.2	ND.~0.5	0.2	0.1	0.1
F^-	0.2~1.6	0.6	0.2~1.9	0.6	0.2~1.1	0.5	0.4~1.0	0.7
As	ND.~8.7	4.0	1.4~8.9	3.4	1.3~7.5	3.2	4.0~81.7	42.8
δD	-88.78~-69.27	-77.5	-83.98~-68.46	-75.61	-82.65~-70.14	-75.13	-80.06~-72.15	-76.10
δ¹⁸O	-12.65~-10.23	-11.20	-12.12~-10.01	-11.02	-12.18~-10.38	-11.01	-11.12~-10.67	-0.89
1)单位说明：T为℃, EC为μS·cm^-1, pH无量纲, As为μg·L^-1, δD和δ¹⁸O为‰, 其余为mg·L^-1; ND.表示未检出

表 1 地表水和地下水水化学参数特征¹⁾ Table 1 Characteristics of surface water and groundwater hydrochemical parameters

由地表水和地下水水样Durov图可以看出(图 2), 地表水中阳离子在三角图中靠近(Na⁺+K⁺)-Ca²⁺线并偏向Ca²⁺一端, 阴离子靠近(HCO₃^-+CO₃^2-)-SO₄^2-线并偏向(HCO₃^-+CO₃^2-)一端, 水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca型和HCO₃-Ca型, 个别为HCO₃·SO₄-Ca·Na型、SO₄·HCO₃-Ca·Na·Mg型和SO₄-Na·Ca·Mg型, 其中以HCO₃·SO₄(HCO₃)型为主导的地表水主要分布于博尔塔拉河中上游, SO₄·HCO₃(SO₄)型分布于博尔塔拉河下游. 地下水中阳离子在三角图中靠近(Na⁺+K⁺)-Ca²⁺线并偏向Ca²⁺一端, 阴离子分布在三角图中央并偏向(HCO₃^-+CO₃^2-)一端, 潜水水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca·Na型和HCO₃-Ca型; 泉水水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca型; 承压水为HCO₃·SO₄-Ca·Na型和SO₄·Cl-Na型. 复杂的地质条件决定了流域地下水水化学类型的空间差异, 同一区域相同水化学类型的地表水与地下水体现出统一联系性^[33]. 地表水S4中F^-浓度较高, 达1.6 mg·L^-1, 与邻近潜水G7中F^-浓度一致, 表明此处地表水与潜水经历了相同的水化学作用过程. 博尔塔拉河水S3到S5水化学类型由HCO₃-Ca·Na型转为HCO₃·SO₄-Ca型, 到S6水化学类型为HCO₃-Ca型, 这与沿河潜水G5(HCO₃·SO₄-Ca型)到G11(HCO₃-Ca型)水化学类型空间变化一致, 表明地表水与地下水之间存在一定的水力联系.

图 2 地表水和地下水Durov图 Fig. 2 Durov diagram of surface water and groundwater

3.2 水化学控制因素和来源解析 3.2.1 水化学控制因素分析

Gibbs图将天然水体水化学演化过程划分为3种主要控制因素, 即大气降水、岩石溶滤和蒸发浓缩^[34].由研究区地表水和地下水Gibbs图可以看出(图 3), 地表水和地下水中γNa⁺/γ(Na⁺+Ca²⁺)的范围分别为0.22~0.56和0.10~0.91, γCl^-/γ(Cl^-+HCO₃^-)的范围分别为0.03~0.34和0.04~0.79, 其中泉水点分布较为集中, 主要分布在岩石溶滤区附近, 地表水和潜水点分布分散, 落在岩石溶滤区并向蒸发浓缩区偏移, 表明流域内地表水和地下水中离子主要来源于岩石溶滤作用, 同时受到了蒸发浓缩作用的影响. 部分潜水(G15、G24和G37)和承压水(G39)点落在控制区虚线外围, 这可能与人类活动、阳离子交换作用等因素有关.

图 3 地表水与地下水Gibbs图 Fig. 3 Gibbs diagram of surface water and groundwater

3.2.2 水化学来源解析

对研究区54组水样17项指标进行主成分分析, 检验结果得到KMO值为0.66, 接近0.70, 适合做主成分分析.Bartlett球形检验量为2 590.70, P值为0.00, 表明各指标间存在较强的相关关系^[35].本次共提取4个特征值大于1公因子(F1、F2、F3和F4), 累计方差贡献率为80.17%, 各公因子提取结果与成分矩阵见表 2.

表 2 公因子特征值和成分矩阵¹⁾ Table 2 Common factor eigenvalues and component matrix

解释的总方差				成分矩阵
公因子	初始特征值			化学指标	公因子
公因子	合计	方差贡献率/%	累计贡献率/%	化学指标	F1	F2	F3	F4
1	8.55	50.28	50.28	EC	0.92	0.26	0.28	0.04
2	2.05	12.08	62.36	高锰酸盐指数	0.22	0.65	-0.09	0.19
3	1.65	9.69	72.05	pH	-0.27	-0.15	-0.47	0.56
4	1.38	8.12	80.17	TH	0.96	0.10	0.17	-0.11
5	0.88	5.20	85.37	TDS	0.93	0.25	0.27	0.00
6	0.69	4.07	89.44	K⁺	0.51	0.82	0.11	-0.04
7	0.58	3.43	92.87	Na⁺	0.67	0.47	0.39	0.24
8	0.47	2.76	95.63	Ca²⁺	0.92	0.16	0.25	-0.14
9	0.40	2.36	97.99	Mg²⁺	0.90	-0.04	0.00	-0.05
10	0.21	1.21	99.20	Cl^-	0.92	0.15	0.07	-0.05
11	0.08	0.49	99.69	SO₄^2-	0.89	0.34	0.20	0.04
12	0.03	0.18	99.87	HCO₃^-	0.33	0.00	0.81	-0.07
13	0.02	0.10	99.97	NH₄⁺	0.17	0.89	-0.04	-0.09
14	0.01	0.03	100.00	NO₃^-	0.23	-0.03	0.88	-0.02
15	0.00	0.00	100.00	NO₂^-	-0.04	0.74	0.11	-0.12
				F^-	-0.13	0.14	0.35	0.62
				As	0.11	-0.10	-0.18	0.80
1)黑体数字表示在该因子中具有较高影响的化学指标

表 2 公因子特征值和成分矩阵¹⁾ Table 2 Common factor eigenvalues and component matrix

在主成分分析的基础上得到各水化学指标贡献率, 根据成分矩阵(表 2)和指标贡献率(图 4)可以看出, 公因子F1的主要荷载为EC、TH、TDS、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-和SO₄^2-这8项指标, 均呈正相关, 贡献率分别是56.4%、45.4%、63.6%、20.7%、41.9%、51.8%、68.5%和49.6%.研究区地层岩性多为第四系松散冲洪积物, 颗粒松散, 水岩作用使盐岩(Na⁺、Cl^-)、石膏(Ca²⁺、SO₄^2-)、白云石(Ca²⁺、Mg²⁺)等矿物溶解、迁移, 水中离子浓度增加, EC、TH和TDS随之变化.再者, 强烈的蒸发作用也会导致地表水和地下水中各离子富集.因此将公因子F1定义为溶滤-迁移-富集因子.

1.EC, 2.高锰酸盐指数, 3.pH, 4.TH, 5.TDS, 6.K⁺, 7.Na⁺, 8.Ca²⁺, 9.Mg²⁺, 10.Cl^-, 11.SO₄^2-, 12.HCO₃^-, 13.NH₄⁺, 14.NO₃^-, 15.NO₂^-, 16.F^-, 17.As 图 4 各因子中指标源贡献率 Fig. 4 Index source contribution rate in each factor

公因子F2的主要荷载为高锰酸盐指数、K⁺、NH₄⁺和NO₂^-, 均呈正相关, 贡献率分别为42.1%和43.3%、64.2%和49.8%.高锰酸盐指数是反映有机物含量特征指标, NH₄⁺、NO₂^-属于人类活动输入因子^{[36, 37]}.研究区地表水中有机物、NH₄⁺和NO₂^-主要来源生活和工业废水的排放^[27], 未经处理的废液排入河流, 在地表水与地下水交互作用下, 有机物、含氮污染物的渗入导致地下水中高锰酸盐指数、NH₄⁺和NO₂^-浓度增大.同时, 农业耕作中含氮、含钾化肥的使用也是水中K⁺、NH₄⁺和NO₂^-富集的原因之一^[38], 因此将公因子F2定义为人类活动因子.

公因子F3的主要荷载为HCO₃^-和NO₃^-, 均呈正相关, 贡献率分别为29.4%和48.9%.水中HCO₃^-主要来源于碳酸盐岩溶解, 对水中酸碱度具有调节作用.研究区水质整体处于弱碱性氧化环境, 生活、工业废水中NH₄⁺、NO₂^-在氧化环境中转化为NO₃^-.另外, 外界环境也会影响水中NO₃^-浓度, 如：固氮菌固氮作用^[39], 农业生产输入^[37], 因此将公因子F3定义为环境影响因子.

公因子F4的主要荷载为F^-和As, 均呈正相关, 贡献率分别为20.9%和22.6%.碱性环境、含氟矿物的溶解为水中F^-的富集提供了条件, 研究区北部阿拉套山花岗岩分布广泛, 花岗岩中含有丰富的萤石等原生矿物^[40].As多来源于硫化物氧化、铁氧化物还原, 研究区存在含硫、铁等多金属硫化物矿床^{[41, 42]}.含氟、砷矿物经溶滤作用进入地表水和地下水.因此将公因子F4定义为原生地质影响因子.

综上, 溶滤-迁移-富集因子(F1)、人类活动因子(F2)、环境因子(F3)和原生地质因子(F4)对研究区地表水和地下水离子的平均贡献率分别为28.8%、17.7%、12.0%和6.5%.其它因子平均贡献率为35.0%.

3.3 同位素特征

博尔塔拉河流域地表水δD和δ¹⁸O值变化范围分别为-88.78‰~-69.27‰和-12.65‰~-10.23‰, 平均值分别为-79.18‰和-11.37‰. 博尔塔拉河上游河水δD和δ¹⁸O平均值分别为-84.74‰和-12.20‰; 中游河水δD和δ¹⁸O平均值分别为-79.01‰和-11.46‰; 下游河水δD和δ¹⁸O平均值分别为-75.33‰和-10.52‰. 在δD-δ¹⁸O关系中[图 5(a)], 博尔塔拉河上游地表水样点落在大气降水线附近, 中、下游逐渐偏离, 地表水同位素拟合方程δD=6.9 δ¹⁸O-0.2 (R²=0.84)的斜率接近于流域降水线δD=6.6 δ¹⁸O-4.9斜率, 南北两岸支流河水(S4、S7和S8)的D和¹⁸O均丰于博尔塔拉河河水, 表明博尔塔拉河河水初始补给来源于大气降水, 沿程经历了蒸发作用, 但在地下水补给影响下, 其D和¹⁸O同位素仍表现为贫化. 博尔塔拉河流域地表水δD、δ¹⁸O值变化范围在流域春季(3~5月)大气降水δD、δ¹⁸O(-98.38‰~-78.43‰和-12.89‰~-9.32‰)^[28]和地下水δD、δ¹⁸O值变化范围之间, 由此进一步说明流域内地表水来源于大气降水和地下水补给.

图 5 地表水和地下水δD-δ¹⁸O关系 Fig. 5 Relationship between surface water and groundwater δD-δ¹⁸O

博尔塔拉河流域地下水δD和δ¹⁸O值变化范围分别为-83.98‰~-68.46‰和-12.18‰~-10.01‰, 平均值分别为-75.52‰和-11.01‰. 在δD-δ¹⁸O关系中[图 5(b)], 地下水点均落在大气降水线附近. 其中, 博尔塔拉河南岸地下水δD和δ¹⁸O平均值分别为-76.99‰和-11.10‰, 同位素拟合方程斜率为6.5, 接近大气降水线斜率; 北岸地下水δD和δ¹⁸O平均值分别为-73.62‰和-10.84‰, 同位素拟合方程斜率为4.9, 小于大气降水线斜率, 说明流域内地下水均来源于大气降水, 而北岸D和¹⁸O整体丰于南岸, 这和地表水补给有关. 例如, 潜水G8的δD和δ¹⁸O值分别为-83.33‰和-12.12‰, G9的δD和δ¹⁸O值分别-81.91‰和-11.92‰, 与河水S6的δD和δ¹⁸O值(-81.92‰和-11.80‰)接近, 水化学类型均为HCO₃-Ca型, 受上层河水的补给影响南岸地下水D和¹⁸O趋于贫化. 另一方面, 由于新近系-古近系杂岩隆起, 在温泉与博乐之间的阿拉套山山前带形成阻水屏障, 地下水位抬升, 在缺口处汇集溢出, 部分以地表径流形式进入南部洪积平原, 粗颗粒的冲洪积物为水循环提供良好的通道, 地表水进入洪积平原再次潜流补给地下水^[43], 在水循环过程中, 受蒸发的作用D和¹⁸O同位素富集, 而南岸山脉直接与平原相连, 基岩裂隙水直接通过孔隙或裂隙进入地下水, 汇入山前平原, 水中D和¹⁸O同位素贫化.

3.4 博尔塔拉河河水与地下水转换关系

稳定同位素¹⁸O作为天然环境示踪剂, 广泛用于量化地下水补给、排泄和蒸发量等^{[44, 45]}. 本文以¹⁸O为示踪剂, 分析博尔塔拉河河水与地下水之间的转化关系, 博尔塔拉河河水与地下水中δ¹⁸O沿程变化如图 6所示.

图 6 博尔塔拉河河水和地下水δ¹⁸O沿程变化 Fig. 6 Variation in Bortala River water and groundwater δ¹⁸O along the distance

博尔塔拉河上游河谷宽小于5.0 km, 平均坡降21.2‰, 河流下切深度一般大于10.0 m^[23], 地下水以泉(G3)和侧向径流(G4)形式排泄补给河水, 由图 6(a)可以看出, 上游泉水G3(δ¹⁸O值为-10.82‰)至G4(δ¹⁸O值为-10.59‰)与河水S2(δ¹⁸O值为-12.07‰)到S3(δ¹⁸O值为-11.86‰)的δ¹⁸O值均呈增加趋势, 河水S2和S3水化学类型分别为HCO₃·SO₄-Ca型和HCO₃-Ca·Na型, 而泉水G3和潜水G4水化学类型均为HCO₃-Ca·Na型, 认为河水S2受到了泉水G3和潜水G4补给, 补给比例分别为6.9%和8.2%. 中游河流主槽单一, 河道束窄, 切割深度为5.0~10.0 m, 平均水力坡度为8.1‰, 地下水以泉或泉群形式排泄补给地表水. 潜水G5(δ¹⁸O值为-11.93‰)和河水S5(δ¹⁸O值为-11.96‰)的水化学类型均为HCO₃·SO₄-Ca型且δ¹⁸O值较为接近, 说明中游河水S5受到潜水G5补给, 同时也受到支流河水S4(δ¹⁸O值为-10.86‰)补给, 补给比例分别为70.9%和1.0%. 泉水G12和河水S9的δ¹⁸O值接近, 但水化学类型分别为HCO₃·SO₄-Ca型和HCO₃-Ca型, 推测泉水G12可能受到河水灌溉补给影响, 中游北岸农业灌溉区主要通过位于S5上游2.0 km处昆屯仑渠首引博尔塔拉河河水进行灌溉, 灌溉水渗漏补给地下水并在溢出带溢出. 受河水灌溉影响的泉水G12与河水S5水化学类型相同, δ¹⁸O值接近, 现场测得泉水G12的流量为0.45 L·s^-1. 由于受到潜水G18(δ¹⁸O值为-10.37‰)、G23(δ¹⁸O值为-10.70‰)和泉水G19(δ¹⁸O值为-10.62‰)补给影响, 河水S9(δ¹⁸O值为-11.33‰)到S10(δ¹⁸O值为-11.26‰)的δ¹⁸O值增加趋势变缓, 且潜水G18、G23和河水S10化学类型均为HCO₃·SO₄-Ca·Na型, 现场测得泉水G19流量大于1.0 L·s^-1, 计算得到潜水G18、G23和泉水G19补给比例分别为1.7%、2.9%和2.4%. 同理, 河水S11(δ¹⁸O值为-10.93‰)到S12(δ¹⁸O值为-10.88‰)受到G26(δ¹⁸O值为-10.57‰)补给, 水化学类型均为HCO₃·SO₄-Ca·Na型, 补给比例为13.9%. 下游地势平坦开阔, 含水介质逐渐由砂砾石变为砂、黏土和粉土, 强蒸发影响下河水和地下水中¹⁸O富集, 但河水与地下水之间转化较弱.

由图 6(b)可以看出, 博尔塔拉河南岸上、下游河水与地下水相互转化较弱. 中游地势相对平坦, 流水地质作用形成宽阔的冲洪积扇, 岩性多为级配不良砾、卵石混合土(卵砾石含量60.0%~80.0%), 平均水力坡度为2.3‰, 渗透系数为20.0~30.0 m·d^-1.现场测得潜水G8和G9的埋深分别为22.4 m和33.9 m, 受地表水补给影响, 水化学类型与河水S6相同, δ¹⁸O值接近. 据地下水流场和水文地质条件推测潜水G9不仅接受河水(取S5和S6平均值-11.88‰)补给, 还受到潜水G8和G6(δ¹⁸O值为-10.88‰)的侧向径流补给, 补给比例分别为43.5%、47.8%和8.7%. 潜水G13、泉水G14的水化学类型与河水S9均为HCO₃-Ca型, 现场测得潜水G13的埋深为6.9 m, 泉水G14流量为0.83 L·s^-1, 认为河水S9(δ¹⁸O值为-11.33‰)受到了潜水G13(δ¹⁸O值为-10.98‰)和泉水G14(δ¹⁸O值为-11.04‰)的补给, 补给比例分别为1.0%和32.0%. 同理, 河水S10还受到了潜水G20(δ¹⁸O值为-10.97‰)的补给, 补给比例为5.3%.

3.5 地表水与地下水混合模拟

在地表水与地下水转化分析的基础上, 采用PHREEQC软件对水化学成分进行定量模拟. 以补给子端元中T、pH、主要离子(K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-和HCO₃^-)和同位素(D和¹⁸O)作为输入变量, 按相互转化比例混合, 输出混合后水中主要离子. 本文选取河水S3、S5、S9、S10和地下水G9作为补给末端元, 模拟结果如表 3所示.

混合模拟结果可以看出(表 3), 各水样点的实测和模拟离子浓度均方差较小, 表明模拟值与实测值较为接近, 氢氧同位素能够准确地划分水体不同补给源所占的比例. 混合模拟中未考虑沿程水岩相互作用结果, 因此可以通过模拟值和实测值之间的离子浓度差异来推断水化学反应过程, 河水S9和S10中Na⁺、Mg²⁺、Cl^-和SO₄^2-含量增幅较大, 这主要是河水S6到S10流动路径较长, 岩盐、石膏、白云石和长石等矿物溶解, 水中离子浓度增加, 混合模拟的水化学成分与实测值之间出现差异. 另一方面, 可能还受到除文中分析的补给源(G13、G14、G15、G18、G19、G20和G23)外其它水源混合补给.

表 3 地表水与地下水混合作用模拟结果¹⁾/mg·L^-1 Table 3 Simulation results of surface water and groundwater mixing/mg·L^-1

编号	项目	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	SO₄^2-	HCO₃^-
S3	实际值	2.7	16.3	28.2	2.4	6.4	22.4	90.3
	模拟值	2.7	9.9	25.7	3.4	4.9	28.3	95.1
	相对误差	0.0	0.4	0.1	-0.4	0.2	-0.3	-0.1
	均方差	0.9
S5	实际值	2.8	10.0	30.2	5.6	7.1	29.0	97.7
	模拟值	2.9	14.0	40.0	5.5	9.9	41.3	146.1
	相对误差	0.0	-0.4	-0.3	0.0	-0.4	-0.4	-0.5
	均方差	0.3
S9	实际值	3.2	15.3	44.2	4.9	11.3	33.5	147.7
	模拟值	2.8	10.7	32.1	2.8	7.1	20.2	130.5
	相对误差	0.1	0.3	0.3	0.4	0.4	0.4	0.1
	均方差	9.8
S10	实际值	3.1	25.9	47.5	7.1	17.0	52.8	156.3
	模拟值	3.2	17.2	42.5	4.9	11.7	33.0	179.6
	相对误差	0.0	0.3	0.1	0.3	0.3	0.4	-0.1
	均方差	12.3
G9	实际值	3.0	12.1	39.8	3.4	5.7	23.2	131.9
	模拟值	2.9	13.5	29.9	4.5	7.3	20.3	139.1
	相对误差	0.1	-0.1	0.3	-0.3	-0.3	0.1	-0.1
	均方差	4.9
1)相对误差为无量纲

表 3 地表水与地下水混合作用模拟结果¹⁾/mg·L^-1 Table 3 Simulation results of surface water and groundwater mixing/mg·L^-1

3.6 地表水与地下水交换模式

通过上述分析, 博尔塔拉河河水与地下水转化集中在河流中游, 故以中游为例建立博尔塔拉河流域地表水与地下水转化概念模型(图 7). 博尔塔拉河中游构造上位于昆屯仑断陷盆地, 南北向的别珍套山和阿拉套山褶皱带为地表水和地下水提供了补给源, 东西向的博乐断隆和温泉隆起阻碍了地下水径流, 为中游地表水与地下水之间的转化提供了有利条件. 博尔塔拉河北岸新近系-古近系地层隆起, 隆起南北侧分别为洪积平原和山前洼地, 山区积雪融水、降水和基岩裂隙水形成的地表径流在山前洼地补给地下水, 地下水由隆起构造缺口处汇入洪积平原. 平原地形坡度大, 岩性以砂砾石层为主, 地表水再次补给地下水, 水资源呈现第二次循环, 循环过程中因蒸发作用导致地下水中D和¹⁸O整体丰于南岸. 受地质条件影响, 部分支流进入洪积平原后, 地表水逐渐向地下水转化, 再加上水库、水渠等引水工程的修建, 造成如图尔根河等多条支流流量明显减小, 甚至断流. 北岸洪积扇规模较小, 地下水在博尔塔拉河河流阶地以泉水形式补给或直接泄入河水, 补给比例范围为1.7%~70.9%. 博尔塔拉河南岸山区降水和基岩裂隙入渗补给地下水, 地下水以泉水形式在河流阶地溢出补给河水, 补给比例范围为1.0%~32.0%. 南岸山前平原地形坡度缓, 洪积扇规模较大, 地表覆盖多为坡积、洪积物, 沿河地下水埋深较大(16.6~33.9 m), 地下水受到了上层河水的补给, 补给比例为43.5%. 在地下水补给影响下, 博尔塔拉河河水水化学类型沿程不断变化.

图 7 博尔塔拉河流域中游地表水与地下水转化概念模型 Fig. 7 Conceptual model of surface water and groundwater transformation in the middle reaches of Bortala River basin

4 结论

(1) 博尔塔拉河流域地表水和地下水整体均呈弱碱性淡水, TDS变化范围分别为96.6~1 049.1 mg·L^-1和136.9~2 735.0 mg·L^-1. 地表水与地下水中潜水、泉水阳离子均以Ca²⁺为主, 阴离子以HCO₃^-为主; 承压水阳离子以Na⁺为主, 阴离子以HCO₃^-为主. 地表水水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca型和HCO₃-Ca型, 地下水水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca·Na型、HCO₃-Ca型和HCO₃·SO₄-Ca型.

(2) 地表水与地下水水中离子主要来源于岩石溶滤作用.溶滤-迁移-富集因子、人类活动因子、环境因子和原生地质因子对地表水和地下水中离子的平均贡献率分别为28.8%、17.7%、12.0%和6.5%.

(3) 博尔塔拉河流域地表水δD和δ¹⁸O值变化范围分别为-88.78‰~-69.27‰和-12.65‰~-10.23‰, 地下水δD和δ¹⁸O值分别为-83.98‰~-68.46‰和-12.18‰~-10.01‰.博尔塔拉河河水中D和¹⁸O值沿程呈富集趋势, 北岸地下水中D和¹⁸O整体丰于南岸.

(4) 受地质构造和水文地质条件等地质条件因素影响, 河水与地下水转化集中在博尔塔拉河中游, 河流中游南、北岸转化关系主要为潜水和泉水溢出补给河水, 补给比例范围分别为1.0%~32.0%和1.0%~70.9%.

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环境科学 2022, Vol. 43 Issue (4): 1873-1884	PDF