新疆祁漫塔格地区地下水化学特征及成因分析

鲁 涵， 曾妍妍， 周金龙， 王松涛， 杜江岩

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052； 2.新疆水文水资源工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830052； 3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830052；4.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二水文工程地质大队， 新疆 昌吉 831100)

1 研究背景

在地下水循环过程中，地下水与其循环介质之间不断地发生着物理化学作用，同时地下水的水化学组分也在发生着改变，不同起源的地下水与特定的介质形成了各自独特的水化学特征[1-2]。开展对地下水化学特征的研究，不仅可以查明地下水的赋存环境、径流途径和物质交换等重要信息，还有利于揭示地下水的起源和形成过程[3]。

为了识别地下水环境的化学组分特征及其演化规律，Piper[4]于1944年提出了Piper图解法。由于地下水环境关系到地下水资源的开发利用，国内外学者相关的研究成果也越来越多，且研究重点主要集中于地下水的影响控制因素方面[5]，通常采用统计学[6]、水化学类型Piper三线图[7]、Gibbs图解[8]、离子比值[9]和水文地球化学模拟[3]等方法对地下水化学特征及形成过程进行研究，以掌握和识别地下水中主要离子的来源和地下水中发生的主要水文地球化学过程[10-11]。

新疆维吾尔自治区祁漫塔格地区东部与青海省相邻，交通相对方便，西部自然地理环境恶劣，部分地区因雪山、冰川、沼泽等使人类无法逾越，区内人烟稀少，属高原无人区[12-13]。目前，关于该区地下水方面的研究极少，因此，本文综合利用数理统计分析、Piper三线图、Gibbs图、离子比值法和水文地球化学模拟等方法对该区地下水化学成分的形成进行分析研究，研究结果可为今后研究区有效保护地下水资源和高效解决水环境问题提供科学依据，同时，对于研究区经济、社会和环境的可持续发展具有一定的现实意义。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区隶属新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州若羌县和且末县，若羌县和且末县地域广阔，分别为全国辖区面积第一和第二大县[12]。研究区常年被冰雪覆盖，地形地貌较为复杂，祁漫塔格山脉横亘于研究区内，山势陡峭，区内平均海拔在4 000～5 000 m之间[12]。研究区内水系不甚发育，属柴达木盆地和库木库里盆地内陆水系，柴达木盆地西南部位于研究区北部，该区域水系发育极其缓慢，沟谷几乎常年干枯[12]。研究区内降雨量较少，且总体蒸发量大于降雨量，3 500 m以上的山峰常年积雪，属于典型的高原大陆荒漠干旱气候[12]。

研究区地下水补给为地表水体的下渗(特别是河流出山口后的渗漏补给)；地下水总的径流方向与河流延伸方向一致，自南向北流动；地下水排泄为潜水蒸发排泄、排水渠沟排泄、植物蒸腾排泄及人工开采等[14-15]。

2.2 地下水水样采集与测试

图1 新疆祁漫塔格地区地下水水样采集点分布及TDS浓度分区图

2.3 研究方法

运用Piper三线图对研究区地下水化学类型进行分类；分析地下水化学参数之间的Pearson相关性，来大致推断出研究区各离子之间的关系及来源；运用因子分析筛选出水化学参数中最具代表性的因子；运用Gibbs图来识别水化学成分形成机制；运用离子之间的比例关系分析不同的岩性对地下水化学成分的影响；计算研究区地下水中各矿物(方解石、白云石、石膏及盐岩)的饱和指数并进行水文地球化学反向模拟，定量研究地下水在水流路径上的水文地球化学演化过程。

3 结果与分析

3.1 地下水化学组分特征分析

采用描述性统计分析研究区域的地下水化学组分特征。在统计参数中引入了变异系数，变异系数可直观地体现各水样不同离子的离散程度和空间差异性，若变异系数较大，则说明不同水体水化学组分的形成及演化规律较为复杂[16]。研究区地下水水样的化学组分统计见表1。

表1 研究区地下水的化学组分统计表

pH值作为一个重要因子，可以反映水文地球化学平衡信息[17]。由表1可知，研究区水样的pH值变化范围为7.19～8.44，平均值为7.89，变异系数为0.04，表明pH值的空间差异性较小，地下水水样整体呈弱碱性；TDS和TH浓度的变化范围分别为315.7～6 064.7 mg/L、189.5～2 792.3 mg/L，平均值分别为1 617.5、 667.9 mg/L，变异系数分别为0.97、1.14，说明TDS和TH浓度的空间差异较大。

3.2 TDS的空间分布特征

研究地下水中主要离子的空间分布特征对揭示地下水的来源及循环过程具有重大意义。按TDS浓度的大小可以将地下水分为淡水、微咸水、咸水、盐水和卤水5种类型[18]。研究区地下水为淡水、微咸水和咸水的面积分别为5 904.8、20 055.5和2 091.6 km2，分别占总面积的21.0%、71.5%和7.5%，地下水以微咸水为主。从图1中TDS浓度分布可以看出，研究区地下水中TDS浓度较高的区域主要分布在中部，在西部和东部也有零星分布；低TDS浓度的区域分布在东部，在西部和中部也有零星分布。

3.3 地下水化学类型分析

通过Piper三线图可以看出研究区地下水中各离子的相对含量[19]，如图2所示。图2表明，研究区地下水水样点主要分布在靠近以Na++K+为轴的区域和以SO42-为轴的区域，研究区地下水化学类型主要为Na-Cl·SO4型、Na·Mg-Cl·SO4型和Na·Mg-Cl·SO4·HCO3型。

图2 研究区地下水化学Piper三线图

3.4 地下水中各离子之间相关性分析

通过对地下水中各化学参数之间的相关性分析，不仅可以看出各离子之间的关系，还可以判断出其大致的来源，且各个离子与TDS的相关关系，可以反映出地下水的成因[19-20]。表2为研究区地下水化学参数的相关性矩阵。

表2 研究区地下水化学参数相关性矩阵

4 研究区地下水化学特征的成因

地下水化学成分是地下水与周围介质长期作用的结果，其影响因素很多，包括溶滤作用、蒸发浓缩作用、混合作用、阳离子交换作用以及地质地貌、气象水文等因素[25]。以下主要采用因子分析法、Gibbs图解法、离子比值法及水文地球化学模拟对地下水化学特征的成因进行讨论。

4.1 因子分析法

因子分析法是通过主成分提取和最大方差正交旋转因子分析法，找出在水化学参数中最具代表性的因子[26]。用载荷的绝对值来表示主因子与成分的相关性，载荷的绝对值为0.30～0.50时，说明相关性弱；载荷的绝对值为0.50～0.75时，说明相关性较强；载荷的绝对值大于0.75时，说明相关性强[27]。对研究区25组水样7项指标进行检验，KMO(kaiser-Meyer-Olkin)检验值为0.681，Bartlett球型显著性检验值为0，表3为研究区地下水化学指标的旋转因子载荷矩阵。

表3 研究区地下水化学指标的旋转因子载荷矩阵

4.2 Gibbs图解法

地下水化学环境主要受大气降雨、岩石风化及蒸发浓缩作用的影响，在地下径流的过程中还存在各种矿物的溶解(如方解石、白云石、石膏和硅酸盐等)[28]。Gibbs图将地下水化学成分形成的自然因素划分为蒸发型、岩石风化型及大气降水型，从Gibbs图中可以直接判断出各因素对地下水化学成分的影响作用[29]。由研究区地下水Gibbs图(图3)可知，大部分地下水水样点分布在岩石风化作用控制区，少部分水样点分布在蒸发浓缩作用控制区，而在大气降雨作用控制区没有水样点的分布。表明地下水化学成分的形成以岩石风化作用的影响为主，蒸发浓缩作用的影响为次，而大气降雨作用几乎没有影响。个别水样点落在Gibbs图外，这表明还可能受到阳离子交换作用的影响[30]。

4.3 离子比值法

离子比值法是通过分析离子之间毫克当量的比例关系，推断出岩石风化溶解对地下水化学成分的影响及地下水中主要离子的来源[31]，各类岩石的风化溶解(如蒸发岩、碳酸盐及硅酸盐等)是地下水化学成分的主要来源[32]。研究区地下水中离子比例关系见图4。

图3 研究区地下水化学Gibbs分布图

图4 研究区地下水中离子比例关系图

当γ(Na++K+)/γ(Cl-)=1时，表明Na+来源于蒸发岩矿物的风化溶解；当该比值大于1时，表明Na+来源于硅酸盐矿物的风化溶解或阳离子交换作用[33]。如图4(a)所示，研究区大部分水样点基本落在y=x线上，说明大部分水样中的Na++K+主要来源于岩盐和芒硝等蒸发岩矿物的溶解，另一部分水样点落在y=x线的上方附近，说明有部分水样中的Na++K+来源于斜长石等硅酸盐的溶解或受阳离子交换作用的影响[34]。

4.4 反向水文地球化学模拟

在考虑自然因素和人类因素影响的条件下，运用反向水文地球化学模拟来揭示地下水化学成分形成过程中的水-岩相互作用[36]。在实际地下水中各种矿物共同存在，具有离子效应、盐效应等，这将会对矿物的溶解沉淀产生影响，通常表现为矿物的非全等溶解，所以，仅仅用饱和指数来判断矿物是否溶解沉淀是不可靠的[1]。依据研究区地下水流向，选择了两条模拟路径，即路径1-1′：采样点GW14→采样点GW10→采样点GW19→采样点GW11；路径2-2′：采样点GW3→采样点GW2→采样点GW1(图1)。

4.4.1 饱和指数计算结果与可能矿物相的确定 首先计算研究区地下水中各种矿物的饱和指数(saturation index，SI)，来分析地下水中各矿物的沉淀状态、平衡状态、溶解状态及蒸发作用对地下水化学成分的影响[18]。当SI>0时，水溶液处于过饱和(沉淀)状态；当SI=0时，水溶液处于饱和(平衡)状态；当SI<0时，水溶液处于不饱和(溶解)状态[24]。由上文3.3小节可知，蒸发岩、硅酸盐和碳酸盐的溶解及阳离子交换作用对地下水化学成分造成了不同程度的影响，故将方解石、白云石、石膏、岩盐及阳离子交换等作为“可能矿物相”。

由研究区地下水中主要矿物的饱和指数SI(表4)和各矿物饱和指数SI与TDS浓度的关系(图5)可知，研究区地下水中方解石和白云石的SI值除个别采样点外，基本上都大于0，且方解石和白云石的SI值随TDS浓度的增大，逐渐由溶解状态转为沉淀状态，表明方解石和白云石等碳酸盐矿物趋于沉淀；石膏的SI值除个别点外，基本上都小于0，处于溶解状态，且石膏的SI值随TDS浓度的增大，逐渐由溶解状态转为平衡状态，表明石膏的溶解对研究区地下水中的Ca2+和SO42-起主要控制作用；岩盐的SI值均小于0，且其SI值在研究区域最小，表明Na+和Cl-主要来源于岩盐等蒸发岩的溶解，对研究区地下水化学成分的影响作用较大，与前述分析结果相同。

表4 研究区地下水中主要矿物的饱和指数SI

图5 研究区各主要矿物饱和指数SI与TDS浓度的关系

4.4.2 反向水文地球化学模拟结果 反向水文地球化学模拟结果如表5所示。由表5可知，在路径1-1′上，方解石由沉淀状态转变为溶解状态，而白云石、石膏和盐岩由溶解状态转变为沉淀状态，导致研究区地下水主要组分沿路径呈逐渐减小的变化趋势，这与前文2.2小节中的TDS浓度空间分布规律相同(图1)；在路径2-2′上，方解石始终为沉淀状态，且沉淀状态沿模拟路径逐渐加强，白云石、石膏和盐岩始终为溶解状态，且溶解状态沿模拟路径逐渐加强。其中，在模拟路径上白云石处于溶解状态与前文4.4.1小节中白云石的SI值处于饱和状态的结论相悖，这可能是由于石膏的溶解使地下水中的Ca2+浓度增大，导致方解石先沉淀下来，使释放出来的Ca2+被再次沉淀，间接促使白云石进一步溶解，从而形成地下水主要组分沿路径呈逐渐增加的变化趋势，这与前文2.2小节中的TDS浓度空间分布规律相同(图1)。

由表5还可以看出，两条模拟路径的矿物摩尔转移量均表现为溶解沉淀作用量大于阳离子交换作用量，这说明研究区地下水化学成分受溶解沉淀作用的影响较大，受阳离子交换作用的影响较小。水岩作用对研究区地下水的化学特征起主要控制作用。

表5 反向水文地球化学模拟矿物在两条路径上的溶解沉淀量

5 结 论

(1)研究区地下水是较高矿化度和较高硬度的弱碱性水；SO42-和Na+分别为研究区地下水中主要的阴、阳离子；地下水化学类型主要为Na-Cl·SO4型、Na·Mg-Cl·SO4型和Na·Mg-Cl·SO4·HCO3型。

(2)Gibbs图和离子比值结果表明，蒸发浓缩作用和岩石的风化溶解是影响和控制研究区地下水化学成分的首要因素，其中，岩石的风化溶解以蒸发岩(石膏和盐岩)和硅酸盐(钾长石、钠长石、钙长石和镁长石)的溶解为主，碳酸盐的溶解和阳离子交换为次要作用。

(3)反向水文地球化学模拟结果可以证明以蒸发岩(石膏和盐岩等)为主的溶解对研究区地下水化学成分起主要影响作用。

(4)本文的数据仅来源于一次野外水样的采集，因而文中对研究区水化学时空演变的讨论较少。在后续的研究中，将收集研究区不同时期的水化学数据，对不同时期的水化学时空演变规律展开研究。