吐鲁番盆地地表水和地下水主要化学成分的形成与演化

蔡月梅，王文祥，张明江，蔡五田，殷秀兰，王瑞久，李文鹏

(1.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定　 071051；2.中国地质环境监测院，北京　100081；3.新疆地矿局 第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐　830091)



吐鲁番盆地地表水和地下水主要化学成分的形成与演化

蔡月梅1，王文祥1，张明江3，蔡五田1，殷秀兰2，王瑞久2，李文鹏1

(1.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；2.中国地质环境监测院，北京100081；3.新疆地矿局 第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐830091)

吐鲁番盆地是我国西北干旱区内陆盆地之一，盆地内赋存铁矿等重要矿产资源。研究吐鲁番盆地地表水和地下水化学成分的演化对于吐鲁番盆地地下水资源的合理开发具有重要意义。采用无机离子示踪剂的方法，通过主要离子浓度与Cl-离子浓度之间的关系，以及主要离子/Cl-与Cl-离子浓度之间的关系，对盆地地表水和地下水的主要化学成分的形成进行了分析。同时参照地表水中主要化学成分的形成与演化，揭示盆地地下水化学成分的演化过程以及盐分的潜在来源。在吐鲁番盆地，影响不同深度地下水水化学变化的主要是蒸发矿物，其来源主要包括土壤表面的蒸发矿物、土壤层和包气带中的蒸发矿物以及艾丁湖中的表层沉积物。

吐鲁番盆地；地表水；地下水；水化学；蒸发矿物；易溶盐

0　引　言

吐鲁番盆地是一个相对独立、完整的地下水系统，该地下水系统规模大，条件多变，承压水与潜水共存，含水层之间联系密切，补给排泄途径多样。盆地内多年平均降水量自西向东分别为6.9 mm、16.4 mm和25.2 mm，而蒸发强度却分别高达3 742 mm、2 838 mm和2 727 mm，所以盆地内大气降水对地下水补给毫无意义。因此，盆地北部博格达山南坡和喀拉乌成山区的大气降水是盆地地下水的主要来源。

随着山区坎尔其水库的修建，水利工程设施的不断完善和农业灌溉制度的改革，系统内山区沟口地下水潜流侧向补给量及渠系水渗漏补给量大幅减少，使得平原区地下水获得的补给量不断减少。与此同时当地农业开发和经济建设的高速发展，使得地下水的开采量逐年增加，导致区内地下水位持续下降[1]。

无机离子示踪剂方法是近年来新兴的一种水文地球化学研究方法，该方法能够研究地下水中化学成分的演化过程，此方法已在国外很多区域的研究中得到了广泛的应用，如澳大利亚沿海湿地系统的水文地球化学和稳定同位素研究[2]。同时，该方法在国内也有广泛应用，如巴丹吉林沙漠地下水和湖水的补给模型研究[3]、民勤盆地地下水补给和水文地球化学演化研究[4]、新疆玛纳斯河地下水化学特征研究[5]、内蒙古河套盆地地表水-地下水水化学特征研究[6-7]以及在深圳沿海地区海水入侵的研究[8]。在吐鲁番盆地开展的水文地球化学研究还比较少，与水文地质相关的研究主要有如下几项：1958年，陈墨香等在吐鲁番盆地开展水文地质考察，采取了各种水样共计200余组，分别分析了吐鲁番盆地地表水、潜水、泉水等的水文地球化学特征[9]；1993年郝爱兵利用吐鲁番盆地30余个样点的水化学数据，采用三线图解的方法，分析了吐鲁番南北盆地的水文地球化学特征及其演化与地下水的运动[10]；魏青军等研究了吐鲁番盆地土壤盐渍化特征，并讨论了潜水与土壤盐渍化的关系[11]；张明江等研究了吐鲁番盆地在不同开采方式影响下地下水流场的变化特征[12]。竹娜等分析了吐鲁番盆地的水化学类型，补给区水化学类型以HCO3-Ca型为主，排泄区多为Cl-Na型[13-14]。本文在前人研究的基础上，采用无机离子示踪剂的方法，对吐鲁番盆地地表水以及不同深度地下水的水化学成分进行了分析，以研究地下水化学成分的演化过程以及盐分的潜在来源。

1　研究区概况

吐鲁番盆地位于新疆中部偏东地区，属于天山南麓的一个山间盆地[15]。该盆地总的地形特征是三面山地环绕，西北高而东南低，南低北高，地形地势由山区向盆地最低处艾丁湖倾斜[16]。其特殊的地理位置及盆地内地形地势特点形成了独特的暖温带干旱荒漠气候特征，主要特点是干燥高温多风，盆地内年日照时数长，蒸发量大，降水量少但局地性强[17]。

吐鲁番盆地内共发育大小河流14条，均发源于西北部中高山区，补给源为冰雪融水和山区降水，其径流方向由山区到平原，最后进入盆地中心( 艾丁湖) 盆地内。吐鲁番盆地天然地表总径流量约为10.619×108m3[18]。

2　样品与数据

3　分析与讨论

3.1河水和泉水的水化学分析

在河水和泉水的水化学样点分析过程中，为了便于在图中做对比分析，河水用△表示，泉水用▲表示。

图1　吐鲁番盆地取样点位置分布图Fig.1　The location map of sampling points in Trupan Basin

样品编号类型TDSpH主要离子含量/(mg/L)K+Na+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO-3J4河水283.47.60.817.856.114.624.896.1146.4R6河水266.27.831.718.460.117.014.248.0213.6R5河水346.67.791.126.764.117.046.1115.3152.6S5泉水257.38.020.657.016.014.621.380.7134.2S6泉水205.87.781.028.836.16.318.434.6161.1S7泉水310.17.830.940.544.923.821.376.8203.8R7河水238.67.751.717.452.112.221.357.6152.6S2泉水483.47.61.695.356.117.060.3124.9256.3S3泉水563.47.451.8113.960.117.070.9144.1311.2S4泉水587.28.052.1120.764.117.070.9153.7317.3R1河水455.48.061.888.356.114.660.3115.3238.0R3河水473.27.731.959.476.217.060.3172.9170.9S1泉水513.57.451.9100.360.117.062.4134.5274.6R4河水223.37.870.89.852.17.37.167.2122.0R2河水348.27.881.223.762.117.020.6105.7183.1S8泉水345.47.951.024.072.114.626.9115.3183.1

表2　埋深0～30 m地下水样点水化学数据

表3　埋深30～100 m的地下水样点水化学数据

3.1.3Na+-Cl-和Na+/Cl--Cl-之间的关系分析

在图4的Na+/Cl--Cl-关系图(图4(b))中，不难发现，当Cl-<40 mg/L时，河水样点随Cl-浓度的增大，Na+/Cl-比值逐渐减小，说明风化矿物提供的Na+是有限的，不断被氯化物的加入而稀释；而泉水样点中，当Cl-浓度基本恒定在20～30 meq/L时，Na+/Cl-比值的变化范围比较大，说明火焰山—盐山北侧溢出带泉水中的Na+主要来自土壤带中风化矿物的溶解；当Cl->40 mg/L时，样点随Cl-浓度的增大，Na+/Cl-比值趋大，说明该组样品中还存在其他形式的钠盐溶解。

3.1.4Na++Mg2+与Cl-+SO42-之间的关系分析

表4　埋深大于100 m的地下水样点水化学数据

图和SO42--Cl-之间的离子关系图Fig.2　The relationship diagram of -Cl- and SO42--Cl-

3.2地下水的水文地球化学分析

在吐鲁番盆地，随着经济和农业的发展，人类修建了大量引水工程，将火焰山北侧的水引到火焰山南侧。由于这些引水灌溉渠道的运作，对浅层地下水的化学成分造成影响，因此我们将所有地下水样点分为两组：

(1)埋深0～30 m的样点(以下称浅层地下水)，用○表示；

(2)埋深大于100 m的样点(以下称深层地下水)，用●表示。

图与Ca2+离子关系图Fig.3　The relationship between and Ca2+

图4　Na+与Cl-之间的关系图Fig.4　The relationship between Na+ and Cl-

图5　Na++Mg2+与Cl-+SO42-之间离子关系图Fig.5　The relationship between Na++Mg2+ and Cl-+SO42-

图与Cl-之间的关系图Fig.6　The relationship between and Cl-

图7　Na+-Cl-和Na+/Cl--Cl-关系图Fig.7　The relationship diagram of Na+-Cl- and Na+/Cl--Cl-

3.2.2Na+-Cl-和Na+/Cl--Cl-的关系分析

在图7的Na+/Cl--Cl-的关系图(图7(b))上，可将比值大于1的点分为两个区，其在Na+-Cl-的关系图(图7(a))上表现为两条平行的蒸发线。这两条蒸发线的截距不同，说明在地下水中还存在其他形式的钠盐溶解。同时，通过Na+-Cl-关系图(图7(a))上的3条平行蒸发线显示：在TDS比较低时，地下水中除石盐溶解之外，还存在其他类型钠盐溶解(包括来自风化矿物溶解)；而在TDS趋向高时，则以石盐溶解占主导。

3.2.3Na++Mg2+与Cl-+SO42-之间的关系分析

图8　Na++Mg2+与Cl-+SO42-之间离子关系图Fig.8　The relationship between Na++Mg2+and Cl-+SO42-

4　结　论

因为氯离子在透水岩石中是不会停留的，所以常常用Cl-浓度来判断水中蒸发盐的来源。在研究区中，水中大部分化学成分来自易溶盐的溶解，这些易溶盐主要源于蒸发作用，这一点可从目前条件下艾丁湖的地层矿物组成中得到证明[22]。

(2)埋深 0～30 m地下水中，在盐度比较低时，MgCl2和NaCl同步增长；随着盐度的增大，石盐的溶解占据主导，包括来自艾丁湖和其他盐沼的扬沙和浮尘(含蒸发盐)的影响越来越明显。

(3)埋深大于100 m的地下水和浅层地下水相似，影响地下水水化学变化的蒸发盐主要是Na2SO4、MgSO4、NaCl和MgCl2。

(4)依据研究区地形地貌、水文气象以及水文地质条件，认为蒸发盐的形成大致存在3个来源：①农田灌溉水蒸发，在地面土壤层形成蒸发矿物，这与灌溉输水沟渠以及农田作物有关；②在地下水水位浅埋区，毛细上升，地下水蒸发，在土壤层和包气带形成蒸发矿物；③来自艾丁湖(和其他干涸盐湖)的表层沉积物，例如被风吹扬起来的扬沙和浮尘，均把蒸发矿物带到地面的不同位置。

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Formation and Evolution of Main Chemical Components of Surface Water and Groundwater in Turpan Basin

CAI Yuemei1， WANG Wenxiang1，ZHANG Mingjiang3， CAI Wutian1， YIN Xiulan2，WANG Ruijiu2， LI Wenpeng1

(1.CenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey，ChinaGeologicalSurvey，Baoding，Hebei071051，China;2.ChinaInstituteofGeo-EnvironmentalMonitoring，Beijing100081，China;3.No.1Hydrogeology&EngineeringGeologyExplorationTeamofXinjiangGeology&MineralBureau，Urumqi，Xinjiang830091,China)

Turpan Basin is one of the inland basins in Northwest China, which is rich in major mineral resources (e.g. iron ore). Investigation of the formation and evolution of chemical composition in groundwater and surface water in Turpan Basin is critical to the utilization and protection of groundwater in this region. In this study, inorganic ion tracer method was employed to analyze the relationship between main ions and Cl-or main ions/Cl-and Cl-, and the formation of major chemical composition in surface water and groundwater in Turpan Basin was also investigated. Furthermore, the evolution of chemical composition and the potential source of salt in groundwater in this region was also illustrated. Based on this study, it was found that evaporate minerals in Turpan Basin is the major factor that could affect the hydrochemistry changing of groundwater in different depth. The evaporate minerals in this region are mainly derived from the surface soil, soil layer, vadose zone and Aydingkol Lake sediments.

Turpan Basin; surface water; groundwater; hydrochemistry; evaporate mineral; soluble salt

2015-07-07；改回日期：2015-10-09；责任编辑：楼亚儿。

新疆维吾尔自治区“358”项目“新疆东疆地区煤炭基地地下水勘查”(2010005)；中国地质调查局地质调查项目“准噶尔盆地地下水污染调查评价”(水[2014]02-007-005))。

蔡月梅，女，工程师，1985年出生，水文学及水资源专业，主要从事水文地球化学和地下水污染调查评价工作。Email:cz-cai-yuemei@163.com。

P641

A

1000-8527(2016)03-0680-08