三塘湖乡北部地区水化学成因及特征分析

韩庆洋，康 剑，居马·吐尔逊

（新疆地矿局第二水文工程地质大队，新疆昌吉831100）

三塘湖乡位于新疆维吾尔自治区的东部，天山支脉莫钦乌拉山以北的洪积平原，行政区划隶属新疆维吾尔自治区哈密地区巴里坤县管辖。本次工作区处于皂山以南、条湖以北、锅底坑以西、石头梅以东,属大陆性中温带干旱气候，地下水主要补给来源为降水入渗和南部莫钦乌拉山的沟谷水系侧向径流补给。

1 水化学类型及其分布特征

该地区地下水水化学形成在洪积平原以溶滤和蒸发作用为主,在溢出带以蒸发浓缩作用为主,区内潜水及承压水受地形地貌、气象因素、地下水径流、地层岩性等因素的影响，导致地下水水化学类型在空间分布上呈现一定的水平分带性规律，潜水、承压水水化学类型变化具有相似性。从南部地下水补给区至排泄区，水化学类型逐渐由简单变复杂。

1.1 潜水水化学类型

区内潜水主要分布在条湖一带，由于地下水从补给区到排泄区径流途径长，地下水位埋藏较浅，溶滤和蒸发作用强烈，水化学类型变化复杂，潜水呈现出4种不同的类型，水化学类型由HCO3·SO4-Ca·Na型向北部转化为SO4·HCO3-Na·Ca型、SO4-Na·Ca、Cl·SO4-Na型，矿化度由小于1g/L升高至大于5g/L。阳离子由 Ca2+、Mg2+→M g2+、Ca2+，Na+→Ca2+、Na+，阴离子由HCO3→HCO3·SO4→SO4·HCO3→SO4→SO4·Cl→Cl·SO4，总体特征具有一定的水化学分带性特点。

1.2 承压水水化学类型

区内承压水广泛分布，莫钦乌拉山山区河水及暴雨洪流在山前洪积平原入渗，以侧向径流的形式补给潜水和承压水。受多种因素的影响，在平原区地下水径流区，水质较差，地下水在从补给区至排泄区的渗流过程中多次发生混合作用，造成潜水和承压水具有相近的空间变化规律，水化学类型由SO4·HCO3-Na·Ca型向北部转化为SO4-Na·Ca型、SO4-Na·Ca、SO4·Cl-Na·Ca型，即水质逐渐变差，矿化度由1～3g/L，局部区域上升至大于5g/L。阳离子由Ca2+、Na+→Na+，阴离子由SO4·Cl→Cl·SO4，总体特征具有一定的水文地球化学分带。地下水水化学表现出明显的水平分带规律。从三塘湖北部—红疙瘩一带，水化学类型由SO4·HCO3→SO4→SO4·Cl→Cl·SO4型过渡；北部水化学类型由SO4·Cl→Cl·SO4型过渡。

2 水化学形成

2.1 主要影响因素

地下水水化学的形成是一个复杂的物理、化学作用过程，受到水文地质结构和地下水循环条件等诸多因素的共同制约。

2.1.1 包气带含盐量

区内可溶盐含量同地下水矿化度之间具有一致性的规律，地下水矿化度受包气带含盐量的影响较为明显。

南部地区为第四系洪积层，透水性能好，受山区暴雨洪流冲刷淋滤作用强，盐分难以聚集，含水介质可溶盐含量总体小于1mg/100g土，地下水矿化度也多小于1g/L。锅底坑、刘家井洼地为第四系冲洪积层，沉积物为多元结构的砂砾石、砂、亚砂土、亚粘土互层，颗粒较细，盐分易于聚集，含水介质含盐量高，可溶盐含量大于100mg/100g土，在洼地汇水中心处可溶盐含量大于50g/100g土，地下水矿化度皆大于1g/L，在洼地汇水中心处地下水矿化度大于5g/L。充分表明：包气带含盐量低，地下水水质较好；包气带含盐量高，地下水水质相对较差。

2.1.2 水文地质结构

区内古近系碎屑岩类孔隙裂隙承压水顶板隔水层分布不连续,使潜水和承压水之间存在着较为密切的水力联系。区南部莫钦乌拉山北坡分布的5条常年性河流及莫钦乌拉山和白依山山区降水形成的暴雨洪流在出山口后散失于洪积平原。山区河水及暴雨洪流在山前洪积平原入渗，以侧向径流的形式补给区内的潜水和承压水。受多种因素的影响，在洪积平原中下部地下水径流区，水质较差，矿化度为1～3g/L。地下水在从补给区至排泄区的渗流过程中多次发生混合作用，造成潜水和承压水具有相近的空间变化规律，即水质逐渐变差，矿化度由1～3g/L上升至大于5g/L。地下水水化学表现出明显的水平分带规律。

2.1.3 地下水循环条件

地下水循环条件是影响区地下水水化学场空间分布特征的另一重要因素，区内地下水补径排对水化学场的形成有着明显的影响，而水动力条件直接影响着地下水的径流。γCl-/γCa2+系数是刻画水动力特点的参数，其值的大小代表着地下水水动力条件的好坏，值越大，表明水动力条件越差。

潜水:潜水主要赋存于条湖一带。根据潜水γCl-/γCa2+系数的对比可以看出，在径流区地下水动力条件较好（γCl-/γCa2+系数在0.17～0.38之间），形成低矿化度的HCO3·SO4-Na型和SO4·HCO3-Na·Ca型水。在排泄区水动力条件较差，（γCl-/γCa2+系数在1～8之间），地下水处于滞留状态，以蒸发浓缩作用为主，形成高矿化度的SO4-Na·Ca和Cl-·SO4-Na型水。

总体呈现出，从南向北水动力条件变差，地下水矿化度含量逐渐增大，并表现出明显的水化学水平分带性。

承压水:由南向北承压水γCl-/γCa2+系数逐渐增加，γCl-/γCa2+系数小于1（在0.46～0.71之间），KT 13孔γCl-/γCa2+系数为1.75。表明南部的水动力条件较好的径流区至水动力条件差的排泄区，承压水水化学也由小于1g/L升高至1～3g/L的SO4·HCO3、SO4型水过渡，表现出明显的水平分带规律。

2.2 水化学场形成的主要作用

影响水化学场形成的主要作用包括溶滤作用、阳离子交换吸附作用、蒸发浓缩作用和混合作用。

2.2.1 溶滤作用

γNa+/γCl-系数称为地下水的成因系数，是表征地下水中Na+离子富集程度的一个水文地球化学参数。根据区内承压水Na+与Cl-毫克当量浓度关系可得出：潜水和承压水水样分析点皆位于1∶1直线以上（γNa+/γCl-＞1），表明区内地下水非海相成因，其化学成分主要受含岩盐地层溶滤而成。

南部的及莫钦乌拉山，降水量大，溶滤作用较强，岩石中的各种盐类在溶滤作用下依次溶出，形成南部低矿化度的HCO3型水。

2.2.2 阳离子交替吸附作用

区内潜水钠吸附比值变化明显，从南部钠吸附比值（SAR）沿地下水流向变化情况可以看出：补给区向中间排泄区，钠吸附比值增大，水化学类型从南向北由HCO3·SO4-Na型（T 1-35、J1-2）→SO4·HCO3-Na·Ca型（T 1-1）→SO4-Na·Ca型（T 1-59）→Cl·SO4-Na型（T 1-64）。钠吸附比值高的水，在水岩作用过程中引起水中的Na+被吸附到固相颗粒表面上，Ca2+和M g2+从固体表面解吸出来，水的硬度增加，引起土壤透气性减小，产生板结及盐碱化的规律。

区内承压水钠吸附比值沿地下水流向变化也较为明显，水化学类型由SO4·HCO3-Na·Ca型（KT 16、KT 17）→SO4-Na·Ca型（KT 11、KT 12）→SO4·Cl-Na型（KT 13），其规律同潜水规律相一致，但其阳离子交换吸附作用要比潜水弱。

2.2.3 混合作用

不同水体间的混合作用对区内地下水水化学场的空间分布产生重要的影响。南部山区为地下水的补给区，低矿化度的大气降水在垂直向下入渗过程中使得地下水矿化度降低。地下水在径流过程中，由于承压水隔水层不连续，潜水和承压水水化学类型和矿化度趋向一致。

2.2.4 蒸发—浓缩作用

蒸发、浓缩作用在地下水化学成分和矿化度的形成与改造过程中起着重要的作用。整个地下水的排泄区位于洪积平原的下游，第四系厚度较薄，含水介质颗粒细小，蒸发浓缩作用十分强烈，形成矿化度大于5g/L的Cl·SO4型水。

3 地下水水化学成因

3.1 潜水水化学的形成

南部的莫钦乌拉山山区为地下水的补给区，水动力条件较好，蒸发量小，受降水溶滤作用影响下山形成矿化度低的HCO3型水，随着地势的降低、第四系厚度的变薄，沿地下水流向，在地下水的滞留、排泄区（条湖一带），由补给区经径流区带来大量离子同顶托补给的承压水带来的离子在此处汇聚、混合，且由于潜水水位埋深浅，蒸发浓缩作用强烈，形成矿化度大于5g/L的Cl·SO4型水。

3.2 承压水水化学的形成

承压水接受来自南部山区基岩裂隙水的侧向径流补给，在南部形成低矿化度的SO4·HCO3型水，其他区域皆为矿化度1～3g/L的SO4·Cl型水，沿承压水流向，发生溶滤、混合作用，矿化度逐渐增大，水化学类型逐渐变差，呈现由径流区向排泄区的水平分带规律：水化学类型由SO4·Cl型→Cl·SO4型，矿化度由1～3g/L→＞5g/L。

4 地下水矿化度及主要离子浓度分布

受地形地貌、地层岩性、气象因素及地下水循环等因素影响，区内潜水、承压水矿区内，潜水无0～5g/L区域，矿化度大于5g/L的咸水主要分布在条湖东北部，面积小，为8.51km2，占区总面积的0.99%。K++Na+、Mg2+、Cl-和等主要离子浓度的空间分布特征总体上与矿化度近于一致，离子浓度随矿化度的增加呈逐渐降低的变化趋势。

承压水在区内分布面积较大，矿化度从南向北地势低洼处逐渐变大，趋势同潜水类似。承压水矿化度小于1g/L的淡水主要分布在区南部；矿化度1～3g/L的微咸水分布在区西北部、北部地下水径流区，分布范围广；矿化度3～5g/L区域面积较小，矿化度大于5g/L的咸水主要分布在刘家井东边的条带状洼地和锅底坑一带。承压水中K++Na+、Ca2+、和Cl-离子在空间上的变化规律同矿化度一致，M g2+和受地下水径流条件的影响较大。

4.1 潜水

区内无地表径流，潜水仅分布在东南部条湖一带，为矿化度大于5g/L的咸水。

表1 潜水水化学参数统计特征值

区内潜水水化学参数相关系数矩阵（见表2）可看出，矿化度同Na+、Mg2+、Cl-和呈显著相关性，相关系数都在0.9以上。表明潜水中Na+、M g2+、Cl-和等主要离子浓度的空间分布特征总体上与矿化度近于一致，区内沿地下水流向，潜水矿化度逐渐增大，Na+、Cl-和离子浓度也逐渐增大。

表2 潜水水化学参数相关系数矩阵

Mg2+离子在区域内含量较低，随矿化度的变化不明显，离子浓度一般在10～70mg/L，但在刘家井一带汇水洼地中心,Mg2+含量随矿化度的增加突增至291.96mg/L。矿化度同Ca2+离子相关性较好；同离子呈负相关性，随着矿化度的增加，离子浓度呈逐渐降低的变化趋势，离子浓度一般为50～400mg/L。从表2中还可看出，离子同Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-和离子呈负相关性；M g2+离子同Ca2+离子相关性差。

4.2 承压水

区内承压水广泛分布，矿化度小于1g/L的淡水分布在东南部，该区域主要接受南部侧向径流补给，地下水径流较强，矿化度低；矿化度1～3g/L的微咸水分布在区北部区域，所占面积比重最大，该区域接受南部侧向径流补给，在径流过程中，由于溶滤作用，矿化度升高；锅底坑一带为承压水的局部汇水区域，从补给和径流区带来的大量盐分在该区域集聚，形成矿化度大于5g/L的咸水。

从承压水水化学参数统计特征值（见表3）对区域内离子浓度变化进行分析：承压水中除Cl-离子外变异系数相对较大外，其它离子浓度变异系数都较小，表明该区域承压水中仅Cl-离子质量浓度变化相对较大。其中Na+、Cl-和的平均值和标准差都较大，反映其在承压水中的绝对含量较大，为承压水中的主要阴、阳离子。

表3 承压水水化学参数统计特征值

从承压水水化学参数相关系数矩阵（见表4）可看出，矿化度同Na+和Cl-呈显著相关性，相关系数都在0.9以上；矿化度同Ca2+和相关性较好。表明Ca2+、Cl-和等主要离子浓度的空间分布特征总体上与矿化度近于一致，沿地下水流的方向，矿化度逐渐增大，Na+、Ca2+、Cl-和离子浓度也呈增大趋势。矿化度同M g2+呈负相关，同相关性差，表明M g2+离子和离子受地下水径流条件的影响较大，随着地下水径流路径的增加而减少，Mg2+多为30～70mg/L,多为100～150mg/L。M g2+和同其它离子浓度的相关性也差。

表4 承压水水化学参数相关系数矩阵

5 结论

通过对区内地下水水质检测报告中各项指标的分析可知，区内潜水和承压水中离子同矿化度变化的趋势一致，Na+、Ca2+、M g2+、和Cl-同矿化度的相关性都较为显著，同矿化度的相关性差，主要是由于沿地下水径流方向，水的盐化作用增强。潜水中各离子的变异系数普遍较承压水大，表明潜水的水化学性质在空间上变异性大，受含水层介质、地形地貌、气象等因素的影响较大，承压水受外界因素干扰较小，同时也说明承压水的盐化作用较潜水弱。

[1] GB/T14848-93地下水质量标准[S].

[2] GB5749-2006生活饮用水水质标准[S].

[3] 梁红涛，康剑，韩庆洋，等.新疆巴里坤县三塘湖煤田三塘湖北水源地供水水文地质详查报告[R].新疆地矿局第二水文工程地质大队，2013.

[4] 白铭，梁红涛，吕国华，等.巴里坤—伊吾盆地地下水勘查报告[R].新疆地矿局第二水文工程地质大队，2012.