甘肃民勤绿洲北部荒漠区地下水水化学特征及成因分析

田辽西,刘德玉

1)甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院,甘肃张掖,734000;2)甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室,兰州,730050;3)甘肃省地质环境监测院,兰州,730050

内容提要:民勤绿洲北部荒漠区作为国家北方防沙带的重要组成部分以及石羊河下游生态保护治理区,在地下水水化学方面的研究程度很低。在野外调查、勘探及采样测试的基础上,综合运用数理统计、Piper三线图、离子相关性分析、Gibbs图及离子比例系数等方法对民勤绿洲北部荒漠区的地下水水化学特征及成因进行了研究分析。结果表明:研究区地下水溶解性总固体以及硬度值较高,水化学类型主要为Cl-·S-Na+型。地下水水质总体能够满足生态屏障区种植旱生、耐盐植被的需要。地下水水化学演化是由蒸发浓缩作用主导、风化溶解和阳离子交换共同作用的结果。地下水中超标的高硝酸盐氮水与牲畜粪便污染有关,高氟水的形成受原生地质环境背景影响。成果不仅进一步提高了区内地下水水化学的研究程度,亦可为民勤绿洲区保护、北方防沙带以及石羊河下游生态保护治理区建设提供科学依据。

民勤县地处甘肃省河西走廊石羊河流域下游,三面被腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠包围,生态环境脆弱。该地区不仅是全国最干旱、荒漠化最严重的地区之一,而且还是我国北方地区沙尘暴的四大发源地之一。若沙漠化继续发展下去,将导致腾格里沙漠与巴丹吉林沙漠在民勤北部会合,民勤绿洲的生态屏障作用将消弱,有可能成为“第二个罗布泊”,两大沙漠联手东进南下,直接威胁西北、华北多个省市,后果将不堪设想。

民勤绿洲北缘荒漠区作为国家重要生态系统保护和修复重大工程总体规划“三区四带”之北方防沙带的重要组成部分,同时也属于甘肃省主体功能区划“三屏四区”之石羊河下游生态保护治理区,地理位置特殊,生态环境保护意义重大。在该地区开展植树造林,防风固沙,改善生态环境,建立强有力的绿色生态屏障,成为拯救民勤绿洲和阻止两大沙漠合体的最佳方式,而建立生态屏障首先要解决的就是水资源问题。民勤绿洲北部荒漠区气候极端干旱,降水稀少,蒸发量大,无地表水资源。在地表水资源相对匮乏的干旱、半干旱地区,地下水资源具有不可替代的作用(魏水莲等,2017)。开展地下水水化学研究对地下水资源利用和管理及与其有关的生态环境保护与建设均具有重要意义(章光新等,2006)。目前,国内学者对民勤绿洲盆地内的地下水研究程度较高,主要集中于水位(陈丽娟,2012)、水化学特征(李会亚等,2017;刘文杰等,2009;石培泽等,2004)、水质(汪新波,2013)、矿化度(王旭虎,2014;李小玉,2005)的时空变化等方面。盆地之外的北部荒漠区因自然环境条件较为恶劣、人烟稀少、交通不便等原因,在地下水化学方面的研究程度很低,尤其对于该地区地下水水质能否满足植树造林,防风固沙的需要尚不清楚。本文通过野外调查、勘探及采样测试,研究了荒漠区的地下水化学特征及成因,并与上游的民勤绿洲盆地区进行了对比分析,成果进一步搞清楚了民勤绿洲北部荒漠区的地下水化学特征,可为民勤绿洲区保护、北方防沙带以及石羊河下游生态保护治理区建设提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理基本情况

研究区位于民勤绿洲北部荒漠区(图1),西至河西走廊内部山地的韩家井—九个井一带低山丘陵,东至灰山一带,北至磨子山一带,地理坐标为:103°1′～104°0′E,39°2′～39°33′N,面积约3140 km2。研究区南部毗邻民勤绿洲湖区,西北部为巴丹吉林沙漠的东侵部分,东南为腾格里沙漠。区内海拔1240～1580 m。地貌类型主要为低山丘陵、冲洪积平原及沙漠。植被低矮稀疏,沙漠化严重,生态环境脆弱。局部冲湖积层内富含岩盐、石膏、芒硝等矿产资源。

研究区气候极端干旱,属于典型的大陆性沙漠气候,降水稀少,蒸发强烈,日照长,昼夜温差大,大风及沙尘暴频发。年均气温8.8℃,年均降水量仅约90 mm,蒸发量达到2600 mm以上。该区西南部的石羊河属于河西走廊内流水系,发育于祁连山的冷龙岭,自东向西由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、西大河及多条小沟小河组成,流域面积4.16×104km2,多年平均总径流量15×108m3。西大河汇入永昌与民勤交界的昌宁盆地,大靖河在下游消失于腾格里沙漠,其余河流经武威盆地汇入石羊河,经红崖山水库注入民勤盆地,终于青土湖尾闾区。

1.2 地层岩性

前第四系地层主要分布在基岩山区,主要有:太古宙—古元古代(Ar—Pt1)的黑云母斜长片麻岩、二云母石英片岩、大理岩等;石炭系(C)的砂岩、灰岩等;新近系(N)的泥岩、砂岩、砂砾岩夹石膏薄层;侵入岩主要为花岗岩类。

第四系地层主要分布在深井坑、深坑井等凹陷(断陷)盆地内,主要有:上更新统湖积(Qp3l)粉土、粉质黏土(上层)及细砂、中砂(下层);全新统冲洪积(Qhal+pl)碎石、角砾及砂砾石;风积(Qheol)的沙土,主要由石英、长石及岩屑组成。

1.3 水文地质

研究区总体属于水资源相对贫乏区,且地下水分布具有不均匀性。受构造～地貌诸因素控制,可分为丘陵山地(隆起带台地)及凹陷(断陷)盆地两类水文地质单元。

(1)丘陵山地(隆起带台地):指徐家井山、黑山、灰山等民勤北部山区。因补给和赋存条件较差,丘陵山地的地下水分布不均。而在部分沟谷有暂时性洪流及沟谷潜水分布,是盆地地下水的补给源区。根据普查、物探及钻探资料,丘陵山地地下水相对贫乏,但水质较好,以低矿化度微咸水为主,局部有淡水。

(2)凹陷(断陷)盆地: 指深井坑、黑坑井、青土湖等凹陷(断陷)盆地,地下水主要源于雨洪及沟谷潜流,汇集并储存于盆地。含水层岩性主要为砂及砂砾石,水量相对丰富,但矿化度较高,大部分为微咸水—咸水,在青土湖以北的东、西硝池一带为盐水—卤水。

综上所述,民勤绿洲北部荒漠区地下水富水性差异较大,水质成因类型复杂,地下水形成于丘陵山地,汇集于储水盆地,主要排泄于蒸发。

2 地下水样品采集及测试

2.1 地下水样品采集

通过水文地质调查,在研究区内共采集地下水样品29组,主要来源于民井(26组),其次为钻孔(3组)。采样点地下水位埋深1～28m,均为浅层地下水,地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水,采样点分布位置见图2。地下水样品的采集、保存和流转按照《地下水环境监测技术规范》要求执行。

图2 民勤绿洲北部荒漠区采样点分布图Fig.2 Distribution of sampling sites in the northern desert area of Minqin Oasis

2.2 地下水样品测试

3 结果和分析

3.1 地下水化学特征

3.1.1地下水化学参数统计分析

研究区29组水样的pH、溶解性总固体(TDS)、总硬度、K+、Cl-等12项水化学参数见表1、表2。由表可知:研究区地下水的pH值介于7.1～8.9,平均值为7.8,呈弱碱性。总硬度值介于40.0～1751.0 mg/L,平均值为540.2 mg/L,以极硬水(>450 mg/L)占比最多,为44.8%,其次分别为硬水(300～450 mg/L)、微硬水(150～300 mg/L)及软水(<150 mg/L),占比分别为31.0%、20.7%及3.5%。TDS值变化范围为0.7333～6.093 g/L,平均值为2.346 g/L。从水质来讲,微咸水(1～3 g/L)占比最大,为62.1%,其次为咸水(3～10 g/L),占比31.0%,少部分为淡水(<1 g/L),占比6.9%,淡水点零星分布于西部的韩家井～徐家井山一带。

表1 民勤绿洲北部荒漠区地下水化学参数一览表Table 1 List of hydrochemical parameters in the northern desert area of Minqin Oasis

表2 民勤绿洲北部荒漠区地下水化学参数统计特征值Table 2 Statistical eigenvalues of hydrochemical parameters in the northern desert area of Minqin Oasis

3.1.2地下水化学类型分析

图3 民勤绿洲北部荒漠区水化学Piper三线图(图中各离子单位为meq/L)Fig.3 Piper trigram of hydrochemistry in the northern desert area of Minqin Oasis(the unit of the inos is meq/L)

3.1.3地下水离子相关性分析

表3 民勤绿洲北部荒漠区地下水化学参数相关系数矩阵Table 3 Correlation coefficient matrix of hydrochemical parameters in the northern desert area of Minqin Oasis

3.2 地下水化学特征成因分析

3.2.1地下水Gibbs图

图4 民勤绿洲北部荒漠区地下水Gibbs图Fig.4 Gibbs diagram of groundwater in the northern desert area of Minqin Oasis

3.2.2离子比例系数

γ(Cl-)/[γ(Na+)+γ(K+)]值常用来判断地下水中Na+和K+来源于岩盐的溶解还是硅酸岩的溶解(吴平等,2019)。如果比值大于1,则主要为岩盐的溶解,反之则为硅酸岩的溶解。由图5a可知,绝大部分的采样点分布在1∶1等值线的附近及上方,只有1个采样点分布于1∶1等值线的下方,说明研究区地下水中Na+和K+主要来源于岩盐溶解。

3.2.3高硝酸盐氮水及高氟水的成因分析

由3.1.1 地下水化学参数统计分析可知,研究区地下水中存在超标的高硝酸盐氮水及高氟水。

高硝酸盐氮水的形成一般与人类活动有关(毛若愚等,2016),是一项重要的人为影响指示因子(袁利等,2022)。人类活动中容易造成地下水中硝酸盐污染的影响因素主要有农作物施肥、生活污水及工业废水排放、垃圾及粪便堆放等方面。研究区地处民勤县北部荒漠区,自然环境相对恶劣,人烟稀少,无农业种植且工业活动可以忽略。本次采样利用的民井主要是供牧民放牧时的临时人畜饮用井,成井工艺简陋,井口无封盖或者半封盖,在民井周边遗留有大量羊粪。牲畜粪便中含有大量的氮,渗入地下后经过分解转化可形成硝酸盐,容易造成浅层地下水污染。此外,采样点中有3个为刚施工完成的钻孔,钻孔周边无牲畜粪便,地下水中硝酸盐氮质量浓度达到Ⅰ～Ⅲ类水,均不超标,从而进一步说明超标的高硝酸盐氮水与牲畜粪便污染有关。

在排除受人为污染的前提下,高氟水的形成一般与其原生地质环境背景密切相关(刘德玉等,2022)。我国北方氟病区按其成因主要划分为干旱半干旱区次生累计富氟型、富氟温泉型和火山活动成因型,均分布在第四纪地层之内(徐立荣等,2012)。有研究(高丽,2002)表明,花岗岩中黑云母含量达到5%左右,片麻岩中黑云母含量达20%～40%,而云母类矿物中含易溶性氟本底值很高。在研究区四周分布的基岩山区,其岩性主要为黑云母斜长片麻岩、二云母石英片岩以及黑云母花岗岩。片麻岩及花岗岩中普遍存在的黑云母矿物在溶解过程中会向地下水中释放大量的氟离子,而区域蒸发浓缩主导的水文地球化学作用则是驱动氟离子向浅层地下水中迁移、富集的主要因素,在地势低洼的山间盆地及湖积汇水洼地,地下水位埋深浅,地下水径流滞缓,在强烈的蒸发作用影响下,在浅表的第四纪地层内有利于盐分的浓缩和氟的大量富集(巴建文等,2010),如研究区西部深井坑凹陷盆地一带浅层地下水的F-离子质量浓度高达4～8 mg/L。

4 讨论

本文主要研究了民勤北部荒漠区的地下水水化学特征及成因机制,将其与南部民勤绿洲盆地区已有的研究成果(李会亚等,2017)进行对比分析可以进一步系统揭示石羊河流域下游民勤段的地下水水化学特征与演化模式。

(1)与民勤绿洲区相比,荒漠区的地下淡水(<1 g/L)占比很小,绝大部分为微咸水(1～3 g/L)～咸水(3～10 g/L),反映出从绿洲区到荒漠区地下水呈咸化的发展趋势。另外,有研究表明(张长春,2003;王文科,2018):干旱区主要植物生长状态与地下水矿化度有一定关系。当潜水矿化度为3～5 g/L时,植物生长良好;潜水矿化度为5～8 g/L时,植物生长较好;潜水矿化度大于10 g/L时,绝大多数植物会枯萎死亡。从本文研究结果来看,采样点地下水水质总体能够满足生态屏障区种植旱生、耐盐植被的需要。区内的地下水资源虽然分布不均,但在有利的储水构造地段,仍赋存有水量较为丰富的地下水,就干旱荒漠区而言其水质较好。如本次获得找水突破的3个钻孔单井涌水量达到1000～1500 m3/d,TDS为2.27～6.09 g/L,即为例证。

(3)绿洲区的地下水水化学演化是由蒸发浓缩作用主导、风化溶解和阳离子交换共同作用的结果,与荒漠区的演化模式相同,具有一致性。

(4)民勤绿洲区地下水中的Na+主要来源于岩盐溶解,其次为硅酸岩的溶解,与荒漠区相同。受地层岩性及矿物成分差异的影响,绿洲区地下水中的Ca2+及Mg2+主要来自于蒸发岩、碳酸盐矿物以及硅酸盐矿物的风化溶解,而荒漠区则主要来自于蒸发岩及硅酸盐的溶解,碳酸盐矿物的溶解作用相对较小。

5 结论

(2)研究区地下水水化学演化是由蒸发浓缩作用主导、风化溶解和阳离子交换共同作用的结果。地下水中的Ca2+及Mg2+主要来自于岩盐、石膏、芒硝等蒸发岩及硅酸盐的溶解,Na+主要来源于岩盐溶解,其次为硅酸岩的溶解。

(3)研究区地下水中存在超标的高硝酸盐氮水与高氟水。高硝酸盐氮水与放牧产生的牲畜粪便污染有关。片麻岩及花岗岩中广泛存在的黑云母矿物、蒸发浓缩主导的水文地球化学作用以及地势低洼的汇水条件是形成高氟水的主要因素。