呼图壁河流域地下水水化学特征分析

丰亚萍，刘志辉,3,4，郭小云

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学 教育部绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046； 3.新疆大学干旱生态环境研究所，乌鲁木齐 830046；4.干旱半干旱区可持续发展国际研究中心，乌鲁木齐 830046)

水资源短缺是西北干旱区经济、社会、生态可持续发展的“瓶颈”[1]，地下水是水资源的重要组成部分，地下水的演化状况决定了干旱区整个水资源系统与生态环境的和谐性[2,3]。地下水化学类型是地下水化学成分的集中反映，应该对地下水的水化学特征及其影响因素进行分析[4-7]。研究表明，地下水的水化学类型由地层岩性、土壤类型、地表径流等自然因素和人为因素的影响[8]。因此开展地下水水化学的研究对揭示水化学特性及影响因素具有重要的学术意义，对地下水水资源的保护和可持续开发利用也具有重要的实际价值[9-11]。Carol[12]对滨海平原地区地下水的盐化过程进行了研究，表明地下水的盐化受溶滤作用、蒸发作用以及人类活动的影响。荆秀艳[13,14]、安乐生[15]等采用数理统计等方法对地下水水化学进行了分析。目前，国内相关研究针对中东部地区较多，针对西北干旱区地下水水化学的综合研究较少。

本文选择呼图壁河流域为研究区，运用水化学技术，将野外调查和室内分析相结合，分析地下水的水化学成分，揭示了呼图壁河流域地下水的pH值、主要离子浓度、水化学类型等，阐明了该地区地下水水化学的影响因素，为地下水资源的合理有效利用提供理论依据。

1 研究区概况

呼图壁河流域位于天山中段北麓，准噶尔盆地南缘，介于86°05′～ 87°08′E，43°07′～ 45°20′N之间，发源于喀拉乌成山，自南向北流动，最终消失于沙漠，全长258 m，流域面积1.025 468 万km2。该流域地形总趋势是南高北低，由东南向西北倾斜，全流域分为南部山区产流区、中部平原绿洲消耗区和北部荒漠需水区三大单元(见图1)。区内出露的地层主要有古生界、中生界和新生界，南部山区属北天山褶皱带，北部平原区属准格尔盆地凹陷区，山区及山前地带断裂褶皱发育，平原区则主要表现为隐伏构造，自南向北对平原区水文地质条件影响比较大的有南安集海背斜、吐鲁谷背斜、呼图壁隐伏背斜三排构造[16](见图2)。呼图壁河流域地下水主要有分布在南部低中山区的基岩裂隙水、南部低山丘陵区的碎屑岩类裂隙孔隙水以及分布于山前冲洪积平原及北部沙漠区的第四系松散岩类孔隙水。

呼图壁河流域是全疆的棉花种植业、畜牧业和苗木培育基地。截至2014年底，流域耕地总面积9.79 万hm2，其中农作物播种面积9.17 万hm2。流域内国内生产总值(GDP)为128.39亿元，其中第一产业为41.24 亿元，占总产值的32.1%；第二产业为48.52亿元，占总产值的37.8%；第三产业为38.63亿元，占总产值的30.1%。

图1 呼图壁河流域位置及采样点分布图Fig.1 Distribution of hydrochemical sample sites in the Hutubi River Basin

图2 呼图壁河纵向水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeology sketch map of the Hutubi River Basin

2 研究方法

2013年10月到2014年11月期间对呼图壁河流域地下水样品进行收集，样品采集为每个月一次，一般在每个月的上旬，取样方法严格按照国家环境保护总局发布的《水和废水监测分析方法》[17]，并且根据手持GPS定位仪对采样点的地理坐标以及海拔高度进行记录。该流域地下水的采集，主要是对浅层地下水样品的采集，泉水样品布设了4个固定的釆样点，采样次数为1次/月；并且在2014年8月对呼图壁河流域由上游至下游河水周边有出露的泉水进行了系统的采集，并且对各主要灌区的灌溉井水进行了采集，共采集样品73个。

对所采集样品中主要阴阳离子的测定，包括阳离子(Ca2+、K+、Na+、Mg2+)和阴离子(SO2-4、Cl-、HCO-3、CO2-3)，采用美国戴安ICS-5000研究型离子色谱仪和美国安捷伦735 ICP-OES电感耦合等离子发射光谱仪进行测定，测定精度较高，所测得的数据误差<±5%；样品中的电导率采用DDS-308A电导率仪分析测定的；pH值使用PHS-3B型酸度计测得；TDS由G20型紧凑型电位滴定仪测定的。所有样品在中科院新疆所实验室进行实验分析。

3 结果与分析

3.1 地下水主要离子的变化特征分析

通过对呼图壁河流域地下水中pH、TDS和电导率的分析发现，地下水的pH值为7.98～8.20，平均值为8.05。此外，在样品测试结果中，发现水体中的CO2-3含量均为零。天然水体中的pH值基本上是在6～9的范围内，由于CO2的平衡反应，在大多数天然水体中都有以碱的形式存在的CO2-3和HCO-3，但是，当pH<8.3时，CO2-3含量可以忽略不计，也就是说此时水基本为中性或酸性时，CO2-3不存在[18]，分析样品各水体中的pH可以看出，pH值基本都小于8.3，故水体呈弱碱性。

水体中的TDS是对流域内各水体的水质状况好坏的重要评价指标之一。TDS的分布特点受到该流域水体的补给来源、补给形式、流域内的地质条件、该流域的地理和气候因素以及人类活动等因素共同作用的影响。地下水的TDS的变化区间为0.475～3.47 g/L。从流域内生态用水的角度来看，水体中的TDS小于3.0～3.5 g/L是区域内各类自然植被维持良好的生长状态的范围，该流域内的TDS变化范围在植被生长状态的需求范围内。

对呼图壁河流域地下水中阴阳离子含量进行分析发现(见图3)，所测阳离子含量由大到小依次为：Na+>Ca2+> Mg2+>K+，阳离子含量平均值依次为291.49、131.99、45.53和3.09 mg/L；其中，Na+占阳离子总含量的61.74%，而K+仅占阳离子总含量的0.65%；所测地下水中阴离子含量的次序为：SO2-4>HCO-3> Cl->CO2-3，各阴离子含量的平均值依次为508.02、372.98、209.83和0 mg/L，SO2-4占阴离子所测总含量的46.57%，HCO-3占阴离子的比例为34.19%。地下水中所测主要离子浓度顺序为：Na+>SO2-4>HCO-3>Ca2+>Cl->Mg2+>K+。

3.2 地下水中各离子间的相互关系

对所采集的地下水中各离子间的相关性进行分析(见表1)。可以发现地下水中Ca2+和Mg2+之间表现出正相关性显著，相关系数为0.964；Na+与SO2-4也表现出高度相关性，相关系数为0.942；Cl-与SO2-4相关性也很显著，相关系数为0.891，Ca2+与HCO-3之间为负相关，相关系数为-0.068。

图3 地下水中阴、阳离子所占比例分布图(单位：mg/L)Fig.3 Groundwater of anions and cations in the proportion of distribution

Ca2+Mg2+Na+K+HCO-3Cl-SO2-4Ca2+1．000Mg2+0．964∗∗1．000Na+0．1480．1631．000K+0．677∗0．778∗∗0．657∗1．000HCO-3-0．0680．0670．786∗∗0．5661．000Cl-0．5890．5800．835∗∗0．805∗∗0．5181．000SO2-40．3840．3930．942∗∗0．779∗∗0．665∗0．891∗∗1．000

注：**在0.01水平(双侧)上显著相关；*在0.05水平(双侧)上显著相关。

为了进一步分析地下水盐化过程的主要离子对水化学特性的影响，利用回归分析对地下水中的主要离子和总盐度进行研究，评估主要离子对盐化过程的影响。根据图4地下水总盐度与主要离子的散点图可知，地下水中SO2-4、Na+呈现显著的相关，地下水中SO2-4、Na+与总盐度的拟合程度很好，R2值为0.963、0.923。而HCO-3与总盐度的拟合程度不是特别的高。地下水的水化学类型以SO2-4-HCO-3- Na+为主。

3.3 地下水中离子变化的主要因素

采用Gibbs图可以对水体中主要离子的水化学特性以及成因进行分析[19]，根据呼图壁河流域地下水的水化学数据可知(见图5)，地下水样品分布在Gibbs图的上半部分，该流域地下水的水化学处于岩石风化带和蒸发-浓缩带，位于岩石风化带的居多，远离大气降水作用带，地下水动力场和蒸发-浓缩作用于地下水的化学组分[20]，说明该流域内的地下水的离子组成主要是受到岩石风化作用和蒸发-浓缩作用的共同作用，并且岩石风化作用的影响更为显著。

图4 地下水中总盐度与SO2-4、Na+、HCO-3 散点图Fig.4 The scatter plot of the total salinity and SO2-4, Na+, HCO-3 in groundwater

图5 呼图壁河流域地下水的Gibbs图Fig.5 The Gibbsof of groundwater in the Hutubi River Basin

对地下水的主成分分析，如表2所示，第一主成分中SO2-4和Na+在第一主成分的载荷较高，为0.920和0.832，总方差解释率为65.351%，说明两者为地下水中的主要离子。第二主成分中Mg2+、Ca2+、HCO-3的贡献率较高，总方差解释率为26.330%，而在第三主成分中，HCO-3的贡献率较高，为0.430，总方差解释率为5.752%。

3.4 岩石风化作用以及人类活动对水化学组分的影响

Piper三线图是一种对水样进行分类的图示方法，广泛应用于水文地质研究中[2]。通过对水样中阴阳离子的当量浓度作Piper图(见图6)，根据阴离子三角图可以发现，各离子组分主要分布在图的左侧，说明SO2-4和HCO-3的含量较多，并且SO2-4含量多于HCO-3，Cl-含量相对贫乏，说明SO2-4和HCO-3是阴离子中的主要主成成分。水中SO2-4含量富集，可能是硫酸盐运移到含水层中，硫酸盐矿物风化作用。根据阳离子三角图可以发现，阳离子多分布在三角的下方，可以判断，各种水体中Mg2+含量相对贫乏，结合菱形中离子的分布可以看出Ca2+是水中的主要离子，Ca2+主要是由于该流域内碳酸岩以及蒸发岩的风化作用；Na++K+的比例相对较高，水体中Na++K+一般来自于该地区的变质岩和火成岩。总体来看，该流域地下水中主要以SO2-4、HCO-3、Na+、Ca2+为主。

表2 地下水离子浓度的因子分析Tab.2 Factor analysis of ion concentration in groundwater

图6 呼图壁河流域地下水的Piper图Fig.6 The Piper diagram of groundwater in the Hutubi River Basin

对地下水中用Na+的摩尔浓度对SO2-4进行归一化(见图7)，结果表明地下水中SO2-4/Na+的比值多数都大于 1，石灰岩溶解过程有人为酸的输入，表明该地区人类活动对水体有一定的影响[21]。水体中SO2-4含量富集，可能是由于该地区的农业灌溉生产活动中使存在于土壤化肥成分中的硝酸盐和硫酸盐运移到含水层中，以及煤矿工业生产过程中煤层中硫化物的氧化导致[22,23]。

图7 地下水中SO2-4 /Na+与Cl-/Na+摩尔比关系图Fig.7 Relationship between SO2-4 /Na+ and Cl-/Na+ molar ratio in groundwater

4 结 语

干旱-半干旱区水体的化学特征因其气候与地质的特殊而独特[24]，本文以呼图壁河流域为研究区，应用水化学等研究方法揭示了地下水水化学的演化机制，研究表明：①呼图壁河流域地下水的pH值介于7.98～8.20之间，平均值为8.05，地下水的TDS的变化区间为0.475～3.47 g/L，该流域内的TDS变化范围在植被生长状态的需求范围内。②地下水中的主要离子和总盐度表明，SO2-4、Na+呈现显著的相关，SO2-4、Na+与总盐度的拟合程度很好，R2值分别为0.963、0.923，地下水的水化学类型以SO2-4-HCO-3-Na+为主。③呼图壁河流域地下水的离子组成主要是受到岩石风化作用和蒸发-浓缩作用的共同作用，并且岩石风化作用的影响更为显著。④呼图壁河流域地下水中主要以SO2-4、HCO-3、Na+、Ca2+为主。对地下水中用Na+的摩尔浓度对SO2-4进行归一化，地下水中SO2-4/Na+的比值多数都大于 1，表明该地区人类活动对水体有一定的影响。

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