新疆巴里坤县汉水泉洼地承压水水化学特征及其质量评价

李丰琇，周金龙(中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 050061)

地下水水化学组分分析不仅是地下水水质评价的重要内容，也是研究地下水循环和演化的重要手段[1,2]。汉水泉洼地位于新疆维吾尔自治区哈密地区巴里坤县境内，深入研究该区域地下水中的主要离子比值变化特征对今后地下水开发利用及保护有着重要的意义。本文依据汉水泉洼地16个承压水样品的组分含量测试结果，利用离子比值法，结合研究区的水文地质条件，分析承压水水质的成因，并利用单因子评价法评价汉水泉洼地承压水质量。

1 研究区承压水水文地质及采样点分布概况

1.1 承压水埋藏与分布

汉水泉洼地北部为呼洪得雷山、大哈甫提克山,南部为白依山，西部为M2背斜(图1)，东部为洪积砾质平原。其总体地势南部低于北部、东部低于西部。汉水泉洼地只有地下水可以利用，没有地表水资源可开发。研究区内地下水类型为多层结构，即上覆第四系松散岩类孔隙潜水，下伏碎屑岩类孔隙裂隙承压水及基岩裂隙水。由于地下水受到地质构造、地层岩性的影响以及地下水循环特点、水动力特征和含水介质的分布等的差异，形成了研究区现有的水循环特征以及水动力场和水化学场。

1.2 承压水补给、径流、排泄条件

研究区基本处于天然状态。从自然地理条件和水文地质条件分析，在汉水泉洼地内，山区基岩裂隙水补给新近系碎屑岩类孔隙裂隙承压水。由于新近系碎屑岩类孔隙裂隙承压水顶板隔水层不连续的分布，在汉水泉洼地洪积细土平原和洪积砾质平原区内，承压水和孔隙潜水在局部地段会产生相互补给。汉水泉洼地承压水由四周向汉水泉-芒硝矿-白泥地东井偏北汇集(图1)。由于隔水层的不连续性，承压水局部顶托补给上部潜水，其主要排泄方式为蒸发、植被蒸腾及自流井溢出。

图1 汉水泉洼地承压水等水压线图Fig.1 Map of isopiestic level of confined groundwater in Hanshuiquan depression注：图中距离与高程单位均为m，下同。

1.3 样品的采集与测试

2012年9-10月在研究区内共采集16个承压水样品，采样点分布见图2。水样测试由新疆地矿局第二水文地质大队实验室完成。分析依据为《GB/T8538-2008饮用天然矿泉水检验方法》及《GB/T5750.1-5750.13-2006生活饮用水标准检验法》。检测项目包括pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、溶解性总固体(TDS)[3]。

图2 汉水泉洼地承压水采样点分布图Fig.2 Distribution of sampling sites of confined groundwater in Hanshuiquan depression

2 研究区地下水水化学特征

2.1 地下水化学参数统计特征

对地下水有关化学参数进行统计分析是研究其演化规律及特征的基础。通过统计分析,可以大致了解地下水中各化学成分的变化规律和富集特征。汉水泉洼地承压水水化学参数统计值见表1。

从表1可看出：承压水中各离子的变异系数普遍较小，反映其在承压水中含量的相对稳定；其中K++Na+、Cl-和SO2-4的平均值较大，说明其在承压水中的绝对含量较大，是决定承压水盐化作用的主要变量；Mg2+和HCO-3平均值和标准差皆较小，表明Mg2+和HCO-3离子在洼地内绝对含量少，离子浓度变化幅度较小。

表1 汉水泉洼地承压水水化学参数统计值Tab.1 Chemistry parameters statistics of confined water in Hanshuiquan depression

2.2 TDS与总硬度变化规律

TDS与总硬度的变化受地貌、岩性、埋藏条件、地下水补径排条件的影响和控制。根据TDS的高低，可以将地下水划分为淡水(TDS<1 g/L)、微咸水(1 g/L3 g/L)。按照硬度(以CaCO3计)分级标准将地下水分为软水(<150 mg/L)、微硬水(150～300 mg/L)、硬水(300～450 mg/L)、极硬水(>450 mg/L)[4]。本文运用Surfer软件绘制汉水泉洼地TDS等值线图。

由图3分析可以看出，TDS大体呈现由四周向汉水泉洼地中心逐渐变大的趋势。经主要离子浓度变化规律分析，K++Na+、Cl-和SO2-4离子含量呈现与TDS基本相似的变化规律，因此可以断定研究区TDS的变化是由K++Na+、Cl-和SO2-4离子浓度变化造成的。

图3 汉水泉洼地承压水TDS等值线图Fig.3 Isoline of TDS of confined groundwater in Hanshuiquan depression

汉水泉洼地承压水硬度普遍偏大，大部分为极硬水。极软水、软水和微硬水在取样范围内均不存在；硬水分布范围有限，仅在点HK7处出现硬水，其余地区均为极硬水。由图4可以看出汉水泉洼地总硬度的变化规律与TDS的变化规律呈现出较好的一致性，地下水硬度由四周向汉水泉洼地中心总体呈增大趋势。

图4 汉水泉洼地承压水TDS与总硬度变化趋势图Fig.4 The trend of TDS and total hardness of confined groundwater in Hanshuiquan depression

2.3 水化学类型分布规律

利用Piper三线图，可以直观地显示水化学类型，并能够较直观地看出水样的一般化学特征及地下水化学成分的形成作用[4,5]。图5为汉水泉洼地承压水Piper图，由图5可以看出，汉水泉洼地承压水中K++Na+为主要阳离子、Cl-和SO2-4为主要阴离子。

图5 汉水泉洼地承压水Piper图Fig.5 Piper diagram of confined groundwater in Hanshuiquan depression

本文采用舒卡列夫分类法对汉水泉洼地承压水化学类型进行分类，经分析，汉水泉洼地承压水呈现出3种不同的水化学类型，分别为SO4型、SO4·Cl型和Cl·SO4型。承压水在汉水泉洼地中呈现出明显的水平分带规律：洼地中心地带为SO4·Cl型，中心以北为SO4型，以南为Cl·SO4型。由北向南，水化学类型由SO4型→SO4·Cl型→Cl·SO4型。

2.4 离子比例系数变化特征

在分析地下水的化学成分时，离子-离子比例系数常常被用来研究某些水文地球化学的问题。由于地下水不同成因或不同形成条件，某些离子当量的比例系数在数值上有比较明显的差异，因此可以利用这类系数判断地下水的成因[6-8]。它比传统的水化学类型单一分析更能深入描述并刻划出水质在空间和时间尺度上的特点和演化过程，更能对水文地球化学演化做出典型的剖析[9]。

本文利用主要离子的毫克当量比值(见表2)来分析汉水泉洼地承压水水化学成分的来源和形成过程，运用Surfer软件绘制汉水泉洼地承压水中各组分含量比例系数等值线图(见图6 )。

表2 汉水泉洼地承压水离子毫克当量比值Tab.2 Ion milliequivalent ratio of confined groundwater in Hanshuiquan depression

(1)γCl-/γCa2+。γCl-/γCa2+是表示水动力特点的参数[10]。Cl-富集于滞缓的水动力带，Ca2+是弱矿化水中的主要阳离子。γCl-/γCa2+比值大说明地下水流动滞缓，水交替程度弱，可溶性盐类在地下水中富集[11,12]。

从图6(a)中可以看出，沿地下水流向γCl-/γCa2+比值由四周向洼地中心逐渐升高，说明汉水泉洼地自四周向洼地中心水动力条件逐渐变差，水交替程度也逐渐变弱，可溶性盐类在地下水中富集。在研究区内TDS变化趋势是由四周向中心递增，即Cl-含量沿地下水流向逐渐增大，Ca2+含量逐渐减小，与整个区域内γCl-/γCa2+变化趋势一致。

图6 汉水泉洼地承压水离子当量比值等值线图Fig.6 Isoline of ion milliequivalent ratio of confined groundwater in Hanshuiquan depression

(2)γMg2+/γCa2+及γNa+/γMg2+。γMg2+/γCa2+及γNa+/γMg2+表示地下水水质演化的过程及矿化度的强弱和水质演化过程。低矿化度水中通常Ca2+占优势，随着矿化度增大，水中Mg2+的含量相应增高，当矿化程度继续加强，则Na+在水中处于优势地位，γNa+/γMg2+比值增高[12,13]。

由图6(b)和图6(c)可以看出，γNa+/γMg2+由四周向洼地中心逐渐升高，说明矿化程度由四周向汉水泉洼地中心不断加强，Na+含量不断升高；而γMg2+/γCa2+由东南向西北逐渐增大，结合研究区水文地质条件分析可知沿地下水流向溶滤作用逐渐变弱。

(3)γCl-/γHCO-3、γCl-/γSO2-4及γSO2-4/γHCO-3。γCl-/γHCO-3、γCl-/γSO2-4及γSO2-4/γHCO-3是表示阴离子演化过程及组分分配比变化的水文地球化学参数[14]。沿地下水流方向，若SO2-4增加，则可能发生硫酸盐的溶解；若SO2-4减少，则可能发生硫酸盐的还原[9]。

由图6(d)、图6(e)和图6(f)可以看出：γCl-/γSO2-4比值自东向西逐渐变大；γSO2-4/γHCO-3比值和γCl-/γHCO-3比值自西向东总体呈增加趋势，沿地下水流向，易溶盐有积累的趋势，地下水水质总体向咸化方向发展。

(4)γNa+/γCl-。γNa+/γCl-比值表示地下水的成因，是表征地下水中Na+富集程度的一个水文地球化学参数[15,16]。标准海水中的γNa+/γCl-平均值为0.85，低TDS水具有较高的γNa+/γCl-比值(γNa+/γCl->0.85)，高TDS水具有较低的γNa+/γCl-比值(γNa+/γCl-<0.85)。从表2中可以看出，汉水泉洼地承压水中γNa+/γCl-的比值均大于0.85，说明研究区内的承压水不是海相沉积水。

3 承压水质量评价

采用单因子评价法对汉水泉洼地承压水水质进行评价。首先，选取pH值、TDS、总硬度(以CaCO3计)、SO2-4、Cl-、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮、F-共8个评价指标。其次，用水体各指标的监测结果对照该项目的分类标准，确定其水质类别，本文以《地下水质量标准》(GB/T14848-93)为对照评价标准，其中Ⅰ、Ⅱ类水主要反映地下水化学组分的天然背景含量，适用于各种用途；Ⅲ类水以人体健康基准值为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水；Ⅳ类水以农业和工业用水要求为依据，除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水；Ⅴ类水不宜饮用[17]。最终，在所有项目的水质类别中选取水质最差类别作为水体的水质类别。评价结果表明，地下水质量的类别为Ⅴ类的井点占调查井数的100%，承压水水质较差，不宜饮用。影响地下水质量的天然化学组分主要为TDS、总硬度、SO2-4、Cl-等(表3)[18]。

表3 汉水泉洼地承压水质量类别汇总表Tab.3 Confined groundwater quality categories in Hanshuiquan depression

该地区承压水水质较差的原因简析如下：在研究区内无常年性地表水流，仅有零星分布的泉点，以及在融雪季节和夏季暴雨过后在沟谷中可形成暂时性的地表水流，山前洪积砾质平原降雨稀少，所以地表水对承压水无补给。汉水泉洼地为相对最低洼地带，地下水向芒硝矿附近汇集，并且受水文地质条件影响，在洪积细土平原形成了地下水的深埋带，其地层颗粒变细，径流滞缓，矿化度升高，溶滤作用变差，易溶盐积累，导致水质变差。

4 结 语

综合上述分析可得：

(1)汉水泉洼地承压水呈现出3种不同的水化学类型，分别为SO4、SO4·Cl和Cl·SO4型。承压水在汉水泉洼地中呈现出明显的水平分带规律：洼地中心地带为SO4·Cl型，中心以北为SO4型，以南为Cl·SO4型；由北向南，水化学类型由SO4型→SO4·Cl型→Cl·SO4型。

(2)结合研究区水文地质条件及离子当量比值分析发现：研究区内承压水沿地下水流向由四周向洼地中心流动，地下水动力逐渐变差，溶滤作用变弱，可溶性盐类在地下水中富集。汉水泉洼地承压水不是海相沉积水。

(3)运用单因子评价法对汉水泉洼地承压水质量进行评价得出的结论为：汉水泉洼地内承压水水质较差，不宜饮用。其主要原因是承压水受地表水补给较少，径流滞缓，导致承压水矿化度变高，水质变差。

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