新疆地下水水质评价与水文地球化学模拟的最新进展

李丰琇，李 巧，周金龙，2，3

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052;2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061;3.中国地质大学环境学院，湖北 武汉 430074)

水是人类赖以生存的、不可缺少的资源，其中地下水是水资源的一个重要组成。广泛埋藏于地表以下的各种状态的水，被统称为地下水[1]。地下水分布广泛，水质良好，是理想的引用水源，也是生活、工业和农业用水的重要供水水源。由于受原生地球化学环境和人类活动的共同影响，地下水水质表现出区域分布和演化的特点[2]。特别是随着人类活动范围和强度的增大，对于地下水循环的影响也逐渐增大，在大规模开发利用地下水资源的同时使地下水受到不同程度的污染，并引发了一系列不良后果。所以，具有重要的实践意义，尤其对新疆干旱缺水地区具有战略意义。

1 地下水水质评价及水文地球化学模拟的意义

地下水水质评价是地下水资源评价以及环境科学研究的重要内容。科学地评价区域地下水体的质量状况，可以为污染治理、防治水质恶化和制定水资源管理决策方案提供依据。对评价区内地下水资源的可持续开发利用和综合管理有重要的指导作用[3]。水文地球化学模型是水文地球化学的重要组成部分，它用于模拟地下水系统中的地球化学变化过程，能反映出地下水系统中所发生的地球化学反应以及各种离子在地下水系统中的存在状态。

本文将新疆分为吐鲁番 -哈密盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地及伊犁河谷四个区域，从2000年至今不同学者对新疆地区地下水水质评价及水文地球化学模拟做出的贡献及研究进展综述如下。

2 新疆地下水水质评价的进展

用于地下水水质评价的方法多达几十种，不同的方法具有不同的使用范围。从2000年至今新疆地区运用于地下水水质评价的方法有:一票否决法、单因子评价法、内梅罗指数法、模糊综合评价法等。

2.1 吐鲁番 -哈密盆地

2003年刘天庆运用综合评价法对托克逊县地下水水质进行评价，评价结果表明:除西部个别点泉水受蒸发浓缩水质较差外，主要开采层潜水以Ⅰ—Ⅱ类水为主，适应各种用途，区内地下水尚未超出饮用水标准界限，但认为污染痕迹已显露[4]。2014年杨广焱等人利用新疆吐鲁番地区2003年和2011年地下水质量与污染调查评价工作所取得的地下水水质数据，采用单因子评价法进行地下水质量评价。评价结果显示，2011年吐鲁番地区Ⅰ～Ⅲ类水或Ⅳ类水的地下水水井占调查总井数58.33%，Ⅴ类水占41.67%;影响地下水质量的天然化学组分主要为总溶解固体(TDS)、SO42-、Cl-、高锰酸盐指数等[5]。2014年张曦采用标准指数法对拟建哈密热电厂厂区进行地下水水质超达标分析，通过分析可知氯化物超标情况严重，其次为溶解性总固体和总硬度。同时，采用加附注的方法进行地下水质量现状评价，确定地下水现状环境质量为极差[6]。

2.2 准噶尔盆地

2006年罗艳丽等人通过采用单因子污染指数法以新疆奎屯123团为例，对样品含砷量是否超标进行评价。研究表明，如果长期使用该区自流井水进行灌溉，井水中的砷可能会转移到土壤与植物中，引起土壤与植物的砷污染。因此，123团自流井水不适合做为农田灌溉用水[7]。2007年在新疆玛纳斯河流域，卞玮利用內梅罗指数法对石河子市地下水水质进行有效地评价[8]。通过研究发现:玛纳斯河径流形成区及山前倾斜平原区水质一直保持在Ⅰ级未受污染级别;山前倾斜平原区地下水中挥发酚以及氮素含量逐年上升，但总体水质仍然保持在Ⅰ级未受污染级别的范围。2007年蒋西勤研究奎屯市饮用水水质时，运用单因子评价方法对该地区地下水水质进行了评价，结果表明:该地区硫酸盐超标，主要污染物为硫酸盐，地下水水质类别为较差水质[9]。2013年谢辉等人运用浓度法和综合水质指数法对昌吉地下水水质进行评价时，结果显示:该地区物理指标均未超标，超标项有pH值、矿化度、总硬度、SO42-、F-，并且从年度数据对比来看，昌吉地区地下水水质总体较好，但有恶化趋势[10]。2013年王伟采用单项组分评价和综合评价加附注方法，对吉木乃县城镇供水拟选水源地地下水质量进行评价，结果显示:研究地区南部水源地地下水水质良好，各单项组份含量均小于Ⅲ类水质标准。拟建北部水源地潜水区水质较差，承压水综合质量评价结果为良好级[11]。2013年曲岩采用单项组分评价和综合评价加附注的方法，对吉木乃县工业园区拟选水源地地下水质量进行评价，评价结果表明:拟选水源地西部承压水水质良好，适于生活及工业用水，潜水及东部承压水水质较差，可作为部分工业用水，经适当处理可作为生活饮用水[12]。2013年陈和军采用单项组分评价和综合评价加附注方法，对木垒县老君庙煤矿工业园区拟选水源地地下水质量进行评价，结果表明:该地区地下水综合质量评价结果为较差、极差水，不符合生活饮用水水质标准，在缺乏水源的情况下，经适当处理，可作为农村饮用水[13]。2014年，程凡等人依据2010年地下水水质统测数据，采用单因子评价法对玛纳斯河流域石河子市—新疆生产建设兵团150团地区地下水质量进行了评价。通过研究发现，石河子市—新疆生产建设兵团150团地区2010年Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水所占比例分别为 0，12.5% ，12.5% ，62.5% ，12.5%;影响地下水质量的关键项目是总硬度(以CaCO3计)、矿化度(TDS)、pH值、氯化物、硫酸盐、以及“ 三氮”(NO3-、NO2-、NH4+)[14]。

2.3 塔里木盆地

2010年以前，付永锋等人于2003年使用模糊综合分析法，以和田为例，运用隶属函数对水质进行模糊综合评判，对和田地区地下水水质进行了综合评价。并且认为整个评价区域水质为Ⅳ类[15]。2004年在新疆维吾尔自治区的南部和田地区，付永锋等人运用此 BP神经网络模型选择 pH值、矿化度、总硬度、Cl-和 SO42-5项水质指标进行评价。为验证此模型评价结果的可靠性，同时运用模糊综合评判法对BP网络模型的结果进行验证，通过比对，发现两种评价方法得出的评价结果基本一致。相比之下BP网络模型能更为客观的对地下水水质进行评价[16]。叶含春等人于2005年对阿克苏等地区对于地下水水质进行评价。研究表明:该区地下水的物理性质均符合生活饮用水一级标准，其中超标项目主要为溶解性总固体、氟化物、总硬度、硫酸盐、氯化物和大肠菌群，中深层地下水水质明显优于浅层地下水[17]。侯玫君等人于2005年通过可拓分析方法对新疆和田地区地下水质量评价，根据地下水环境质量分级标准建立关联函数，通过计算关联度判断该地区地下水环境质量级别，经与模糊综合分析法比较，发现该评价结果与该地区客观实际基本吻合[18]。2006年乃尉华等人根据现存勘探孔资料，对水源地内地下水水质按相关用水标准分别进行了评价，结果显示:根据《地下水质量标准》评价结果，该水源地内的地下水水质均属良好水，水质达不到国家《生活饮用水水质标准》要求。但根据《农村实施“生活饮用水卫生标准”准则》，评价结果认为水源地溢出带以北地下水水质均较差，不宜饮用;水源地溢出带以南的东部区地下水水质均符合《农村实施“生活饮用水卫生标准”准则》规定的三级水质标准，可作为生活饮用水使用，而水源地溢出带以南的西部区地下水中氟化物、硫酸盐超标，不宜饮用[19]。2009年，周金龙等人利用 2002～2003年地下水水质监测资料，采用单指标法、综合危害系数法和灌溉系数法，对塔里木盆地平原区中盐度地下水水质进行评价。研究表明:开孔河流域、塔里木河干流区和叶尔羌河流域的中盐度地下水可以直接用于灌溉。该地区土壤有发生镁碱化的可能[20]。

在2010年以后，王毅萍等人，采用模糊综合评价法对新疆焉耆县浅层地下水水质进行评价，得出在该研究区内浅层地下水水质总体较差的结论[21]。赵玉杰等人于2011年通过利用2006年新疆尉犁县浅层地下水监测资料，采用单指标法、综合危害系数法和灌溉系数法对尉犁县平原灌区浅层地下水水质进行评价，评价结果表明，尉犁县平原灌区浅层地下水水质普遍较差，不适用于直接灌溉[22]。2012年，郭晓静等人通过对新疆塔里木盆地162个地下水水样测试结果的分析，应用5元联系度的熵权集对分析法对研究区地下水水质进行评价。评价结果表明，巴州地区、塔里木河流域、开孔河流域的地下水水质较其他地区和流域差，阿克苏地区、阿克苏河流域、渭干河流域的地下水水质总体水平较好，并得出熵权集对分析法是一种有效的地下水水质评价方法[23]。2012年贾瑞亮等人在南疆巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏地区、喀什地区、和田地区和克孜勒苏柯尔克孜自治州等5个地(州)采用一票否决法对研究区地下水水质进行了评价，完成了地下水水质等级分区，统计了各地(州)各评价指标在不同水质级别中所占的比例。分析结果表明，该区地下水天然水质较差，并存在人为污染[24]。2013年白春艳对塔里木盆地中盐度地下水运用单指数法、综合危害系数法及灌溉系数法进行评价，通过计算分析得出塔里木盆地中盐度地下水水质较差，一般不适宜用于长期直接灌溉的结论[25]。2013年王龙江采用综合评价法对且末县地下水水质进行评价，评价结果显示:该地区地下水作为缺水季节的辅助水源，灌区地下水大部可以用于灌溉[26]。2014年张曦采用单项组分评价和综合评价加附注方法，对麦盖提县拟扩建供水水源地地下水质量进行评价，结果显示:麦盖提县拟扩建供水水源地内水质良好，各单项组份含量均小于Ⅲ类水质标准，地下水综合质量评价结果为良好级[27]。

2.4 伊犁河谷

纪媛媛等人于2014年利用新疆伊犁河谷地2003年和2011年地下水质量与污染调查评价工作所取得的地下水水质数据，采用单因子评价法进行地下水质量评价。研究表明，2011年伊犁河以北地区Ⅰ～Ⅲ类水或Ⅳ类水的地下水水井占调查总井数的100%，Ⅴ类水占0;以南地区Ⅰ ～Ⅲ类水或Ⅳ类水的地下水水井占调查总井数的90%，Ⅴ类水占10%。影响地下水质量的天然化学组分主要为氨氮、总硬度、总溶解固体(TDS)、SO42-、Cl-、高锰酸盐指数等[28]。

2.5 全新疆

2005年周金龙利用2003年4～8月间386个浅层地下水水样测试结果，采用一票否决法对新疆平原区地下水质量作了简要分析，并得出:新疆平原区浅层地下水水质略差于Ⅲ类水，可基本满足饮用水水质卫生标准。Ⅳ、Ⅴ类水中矿化度、总矿度偏高的主要原因与水土环境中易溶盐组分本底值较高有关[29]。在研究新疆主要城市地下水水质时，2011年李巧等人就运用灰色关联度法对新疆主要城市地下水水质现状进行分析。以新疆部分城市地下水水质监测资料为例，运用“灰色建模系统”软件进行灰色关联度的计算。对乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市等七个城市确定各城市地下水水质类别，并进行评价。并得出在该地区内矿化度和总硬度较大，总体水质较好的结论[30]。

3 新疆水文地球化学模拟的进展

地球化学模型是水文地球化学的重要组成部分，它用于模拟地下水系统中的地球化学变化过程，能反映出地下水系统中所发生的地球化学反向以及各种离子在地下水系统中的存在状态[31]。目前，已开发的水文地球化学模型达60多个，这些模型基本上可分为三类，即组分分布模型、质量平衡模型和反应路径模型。从2000年至今新疆运用的水文地球化学模拟的方法主要为反向模拟，该方法主要在吐鲁番—哈密盆地及准噶尔盆地得到运用。塔里木盆地及伊犁河谷地区尚未进行水文地球化学模拟的研究。

3.1 吐鲁番 -哈密盆地

2013年李巧等人用PHREEQC软件在新疆哈密地区三塘湖北运用反向模拟的方法对该地区地下水做了水-岩作用模拟。模拟结果表明:在该研究区域内基本以石膏、岩盐等矿物的溶解;钙蒙脱石和硝石等的沉淀为主。得到的结论为矿物相的溶解析出和阳离子交换作用共同控制着该地区的地下水演化过程[32]。

3.2 准噶尔盆地

刘志明等人于2005年根据已知数据运用反向模拟对新疆玛纳斯河流域平原地下水水一岩作用进行模拟。研究结果表明:矿物相的溶解、析出和蒸发作用、稀释作用共同控制着地下水水化学的演化;由于地层岩性颗粒逐渐变细，水中矿物相迁入、迁出的数量逐渐增大，水一岩作用逐渐增强;研究区上游的水一岩作用主要是地表水或灌溉水入渗补给的影响，研究区中下游的水一岩作用主要受蒸发作用的影响;由于地表水或灌溉水的大量混入，局部的水化学演化往往不符合一般演化规律，TDS呈下降趋势，产生复杂的过渡水化学类型[33]。2014年李巧以准噶尔盆地玛纳斯河流域典型剖面为例，运用PHREEQC地球化学模拟软件中的反向模拟，计算了矿物相对水样的饱和指数并应用质量平衡模型计算了从山前到沙漠边缘地下水水流路径上矿物、气体的溶解和沉淀，以期定量揭示该区地下水化学环境的演化过程得出该研究区地下水的阳离子交换作用大致都是由上游到下游逐渐强烈的结论[34]。

4 结语

综上所述，有效地研究新疆地下水资源对新疆经济的发展具有重要的实践意义，研究地下水的方法还有待更好的完善。从2000年至今随着新疆的发展，新疆地区地下水资源也在进行合理的规划和利用，但由于各地区水文地球化学环境及地下水组成成分的复杂性，目前在新疆地下水水质评价及水文地球化学模拟研究方面还有很大的发展空间。

(1)在吐鲁番—哈密盆地及伊犁河谷地区对地下水水质评价较少，在吐鲁番—哈密盆地及伊犁河谷地区地下水水质评价工作可以更广泛的开展。

(2)新疆基本没有开展正向水文地球化学模拟工作，大部分地区没有开展反向水文地球化学模拟，尤其在塔里木盆地及伊犁河谷地区，在这两个地区内尚未进行水文地球化学模拟研究。

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