新疆天北经济带地下水水化学特征与循环演化研究

刘雪松，张燕君，蔡月梅

(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.河北地质大学，河北 石家庄 050031)



新疆天北经济带地下水水化学特征与循环演化研究

刘雪松1，张燕君2，蔡月梅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.河北地质大学，河北 石家庄 050031)

以天山北麓经济带呼图壁河、玛纳斯河、安集海、奎屯河四个地下水水化学演化剖面为例，从水化学类型随地形地貌的变化特征和水化学演化规律方面揭示了该区域地下水的循环演化及水化学形成机制。潜水和浅层承压水从山前到沙漠边缘水化学类型呈现出明显的分带特征，总体上表现为HCO3·SO4-Ca(Mg)→ HCO3·SO4-Na·Ca→ SO4·Cl-Na(Ca)→Cl·SO4-Na(Mg)；深层承压水从山前补给后进入深层循环，和潜水及浅层承压水表现出相异的循环机制和水化学类型。通过地下水水化学演化剖面的横向和纵向对比，发现TDS由山前到沙漠边缘区变化巨大，由东到西变化规律差异性也较为明显。此外结合区域地下水水化学特征和水文地质条件，从饱和指数和苏林水化学类型两个方面进行分析，探讨天北经济带的地下水水化学循环演化和形成机制。

天山北坡经济带；地下水水化学特征；水化学演化及形成机制

1 区域概况

天山北坡经济带是新疆最具活力的经济区域，该区域的经济产值占到全疆的42.4%，而中部是北坡经济带的核心区域，集中着乌鲁木齐、昌吉、石河子和奎屯等重要城镇，是新疆开放发展的排头兵，也是一带一路经济带的核心区域[1]。天山北麓中部处于准噶尔盆地准噶尔南缘坳陷，南依中天山，北部为山前冲洪积倾斜平原，地形总体为南高北低，东高西低，由南东向北西倾斜。地貌总体上从南到北依次为山地一前山丘陵一山麓倾斜平原一冲一湖积平原[2]。该区属于中温带大陆型干旱气候区，昼夜温差大，多年平均降水量不足200 mm，多年平均蒸发量大于1 000 mm。区域的南部中高山区，常年积雪，有现代冰川分布,是水资源的补给来源；自东向西发育有乌鲁木齐河、头屯河、三屯河、呼图壁河、玛纳斯河、安集海河、奎屯河等河流，均以出山河流形式，穿越山前构造洼地，进入山前倾斜平原，与地下水相互转化，消失于沿途潜水蒸发或尾闾湖泊[3-4]。

2 地下水水化学特征

天山北麓中部地下水具有典型干旱盆地水化学特征，以呼图壁、玛纳斯、安集海、奎屯河为例说明，特点如下：

1)水化学类型随地形地貌变化呈现总体相同性和细节差异性

潜水水化学类型从上游到下游总体上由重碳酸类型水向氯化物类型水转变，变化趋势依次为：玛纳斯和奎屯河HCO3·SO4-Ca·Mg→HCO3·SO4-Na·Ca→SO4·Cl-Na·Ca→Cl·SO4-Na·Mg水；安集海河流域：HCO3·SO4-Ca→HCO3·SO4-Ca·Na→SO4·Cl-Na→Cl·SO4-Na水；呼图壁河流域：HCO3·SO4-Ca·Na→HCO3·Cl·SO4-Na·Ca→Cl·SO4-Na水。由此上述水化学演变趋势可知，流域地下水(地表水)阴离子类型均以低矿化HCO3·SO4开始，说明上游流域的岩石矿物淋溶状态相近，处在难溶盐淋溶阶段；阳离子类型以三种类型开始，呼图壁河流域为Ca·Na水，说明淋溶主要是碱土金属硅酸盐类；玛纳斯河和奎屯河流域为Ca·Mg水、安集海为Ca水，说明淋溶主要是碱土金属硅酸盐和碳酸盐类。由于上游地下水水化学背景不同，下游地下水的演化趋势和最终演化结果也不同，每个流域末端阴离子类型均转化为高矿化Cl·SO4型水，阳离子类型分别为Na和Na·Mg水，代表了水-岩作用的终点。

承压水和潜水在上游处于同一个地下水化学演化背景，在流域下游较潜水而言，阴离子类型变化较小，其中浅层承压水仍保持低矿化HCO3·SO4水，深部则出现极低矿化HCO3水，阳离子类型均转变为Na水。

2)地下水矿化度特征鲜明，由上游到下游矿化度变化巨大，由东到西变化规律差异明显。

(1)东部呼图壁和玛纳斯地区，上游地下水矿化度在170～200 mg/L之间，西部安集海和奎屯约120～138 mg/L，相差55 mg/L左右，说明东部与西部在上游流域面积、径流途径和时间以及岩性、径流量等方面存在差异。东部玛纳斯河、呼图壁河流域面积，特别是流经第三系的面积较大，矿化程度较上游明显增加，如玛纳斯河(见图1), 从煤窑-肯斯瓦特-红山嘴水文站，矿化度不断升高，特别是流经肯斯瓦特-红山嘴水文站之间(第三系)时，矿化度上升加快，平均每平方公里贡献值增加了0.08 mg/L。

图1 玛纳斯河矿化度图

(2)溢出带以后矿化度升高,但是起伏变化较大，流域差异十分突出，呼图壁和安集海流域矿化度变化相对平稳，玛纳斯和奎屯则十分剧烈，说明前者地下水化学环境基本处于自然状态，而后者在人为因素影响下,水环境受到强烈干扰，水化学环境十分复杂(见图2)。

(3)下游临近沙漠边缘区，西部较东部矿化度明显偏高。

3)离子变化特征差异明显

以溢出带为界，溢出带以南，以Ca2+、HCO3-为主，离子含量变化及排列顺序相对稳定，Ca2+、Mg2+>Na+，HCO3->SO42-、CI-，说明地下水流畅，水化学环境是稳定的；溢出带以北，阳离子以Na+为主，含量次序相反，并随径流差距变大，阴离子多数以SO42-、CI-为主,，HCO3-与SO42-、CI-含量顺序则随TDS值的高低呈交替变化。其中玛纳斯、奎屯流域变化尤为强烈，安集海相对较弱，呼图壁则变化最小，阴离子变化基本一致，上述特征，同样说明了各流域受到人为因素干扰的程度不同水化学环境复杂性不同(见图3、图4)。

图2 天山北麓中部剖面矿化度分布图

图3 天山北麓中部剖面地下水阳离子分布图

图4 天山北麓中部剖面地下水阴离子分布图

地下水的背景特征与基岩地下水离子的组成有密切关系，由表1可看出，在纵向上，Na/Ca值上游远远小于下游，反应了地下水自然演化的趋势；在横向上，东部上游Na/Ca值大于西部，特别呼图壁流域上游地下水Na/Ca为0.6，高于西部相邻的3个流域，说明东部Na源丰富，西部物源Ca元素相对丰富。下游地区Na/Ca值在东西方向出现交替变化现象，呼图壁和安集海流域分别为11.32、9.7，Na富集程度最高，奎屯次之，Na/Ca为6.62，玛纳斯最小，仅有1.72，Na富集程度最小。上下游Na/Ca差值在一定程度上可说明环境的演变程度，在自然状态下，内陆干旱盆地平原区地下水上下游Na/Ca差值较大，安集海和呼图壁流域上下游Na/Ca差值最大，说明水化学演化仍处在自然状态，玛纳斯流域上下游rNa/rCa差值最小，远低于其它流域，说明水化学环境受干扰最大，浅层地下水正在失去自然水化学演化特征；奎屯流域水化学演化虽然受到人为活动干扰，但是还基本保留着自然演化特征。

表1 天山北麓中部流域地下水Na/Ca值

图5 天山北麓中部饱和指数结算结果

3 水化学循环演化

如上对天山北麓中部地下水系列水化学特征的分析，结合水文地质条件，发现中部地区的水化学循环演化模式具有其独特性，呼图壁和安集海流域包括二次转化过程，即硅酸盐、碳酸盐及少量硫化物(氧化)溶解构成的第一次水化学循环(降水→基岩裂隙水)过程，溢出带附近可溶岩溶解-饱和相对平衡的第二次循环转化过程。但是呼图壁流域方解石(CaCO3)与白云石(CaMg(CO3)2)溶解饱和状态相差较大，前者处于平衡-沉淀状态，后者处于过饱和状态；安集海则两者同步(见图5)。玛纳斯和奎屯流域水化学循环在五次以上，玛纳斯流域在地表水与地下水的多次交替中，方解石处于过饱和，而白云石(CaMg(CO3)2)和石膏(CaSO4)处于非饱和状态，并且起伏较大，说明系统的溶滤作用较强，碳酸盐和硫酸盐均未出现沉淀现象(见图5)。奎屯河则溶滤作用相对稍差，碳酸盐均已饱和，且都在0～1之间，因此矿化程度较高。

从循环演化分析上看，自然状态下情形下从山前到沙漠边缘区，该区域地下水水化学一般经历两次演化过程。对于经历多次水化学循环过程的玛纳斯流域来说，是人类活动干扰了地下水的正常循环演化，导致水化学发生多次循环演化。

[1]天山北坡经济带发展规划[M]. 新疆维吾尔自治区政府.2011.7.

[2]谌天德，王旭光，等.准噶尔盆地地下水资源及其环境问题[D].北京:地质出版社.2009.

[3]周宏春.准噶尔盆地西南缘地下水流系统与悬河补给机理[M].中国西北典型干旱区地下水流系统[C].北京:地震出版社.1995.72-81.

[4]肖重华,李鹏，等. 天山北麓中段拗陷带地下水库的特征及其开发利用建议[J].水文地质工程地质.2005,18(4): 74.

The research of cycling and groundwater hydrochemical characteristics of economic belt in Tianbei in Xinjiang autonomous regions

LIU Xue-song1，ZHANG Yan-jun2，CAI Yue-mei1

(1.Chinese geological survey of hydrological geology and environmental geological survey center, Baoding 071051,China；2.Hebei university of geosciences, Shijiazhuang 050031, China)

In this paper, four groundwater hydrochemical profiles of Hutubi River, Manasi River, Anjihai River and Kuitun River in the northern foot of Tianshan Mountain are taken as examples. According to the variation of hydrochemical types with topographic features and hydrochemical evolution, we can see that the evolution of groundwater in this area and the formation mechanism of water chemistry. From the mountain to the edge of the desert, the water chemistry types of unconfined aquifer and shallow confined aquifer show obvious zonation which generally represented as HCO3SO4-Ca (Mg)→HCO3SO4-Na Ca→SO4Cl-Na (Ca)→Cl SO4-Na (Mg). The deep confined groundwater enters the deep circulation from the front of the mountain after being recharged exhibits different cycle mechanism and hydrochemical type from unconfined aquifer and shallow confined aquifer. According to the horizontal and vertical comparison of the groundwater hydrochemical evolution, we found that the TDS varies obviously from the front of the mountain to the edge of the desert and from east to west. In addition, combined the regional groundwater hydrochemical characteristics and hydrogeological conditions, the evolution and formation mechanism of groundwater hydrochemical cycle in Tianbei economic belt are discussed from saturation index and Su Lin water chemistry type.

economic zone of north Tianshan Mountain；chemical characteristic of the groundwater；Mechanism of water chemical evolution and formation

2016-12-15

刘雪松(1977-)，男，河北保定人，高级工程师，主要从事污染场地调查技术与修复方法研究。

P641.12

A

1004-1184(2017)02-0024-03