江宇威 李巧 陶洪飞 马合木江·艾合买提
摘要:了解地下水水化学特征及其成因,有助于评估地下水水质、识别污染源、制定水资源管理策略,保障人类健康和环境。基于2017年和2023年在新疆奎屯河流域相同点位采集的共78组地下水水样,采用Piper三线图、Gibbs图、饱和指数(SI)和离子比值法分析该区域地下水特征及成因。结果表明:① 奎屯河流域2023年地下水水化学特征类型相较于2017年趋于集中,阳离子和阴离子分别向Na型和Cl型转化。② 山前洪积倾斜砾质平原和冲洪积细土平原主要受岩石风化作用控制,冲湖积细土平原主要受蒸发浓缩作用控制且有增强的趋势。中下游细土平原的离子组分主要来源于蒸发岩溶解且有增强的趋势,山前洪积倾斜砾质平原的离子组分主要源于碳酸盐和硅酸盐矿物溶解。下游冲湖积细土平原受阳离子交替吸附作用较强,导致Na+浓度上升。奎屯河流域地下水离子在冲洪积细土平原北部和冲湖积细土平原出现富集,部分指标已超过中国饮用水标准,且已有10%的水样不适合灌溉。研究成果可为奎屯河流域地下水合理利用以及防治提供参考。
关 键 词:地下水;水化学特征;空间分布;成因分析;饱和指数;奎屯河流域
中图法分类号:X523;P641.12
文献标志码:A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.009
0 引 言
地下水化学成分形成是多种水文地球化学过程相互作用的结果,包括岩石的溶解沉淀、地下水和岩石土壤之间的离子交换、人类活动和人为输入污染物等[1]。西北干旱半干旱地区水资源匮乏,地下水是当地民众生活和经济发展的重要支撑,其水化学特征对当地的农业灌溉以及日常用水的影响重大。研究地下水的化学特征及组成,有助于了解地下水的起源、补给机制和水质演变规律,可以更有效地进行水资源规划、管理和可持续利用[2]。
对新疆奎屯河流域地下水水化学组成及其成因的探讨具有特殊意义。首先,奎屯河流域内的乌苏市经济较发达、人口密集且产业集中,农业作为三大经济支撑之一,其用水主要来源于地下水。因此,对该地区地下水水化学组成及其成因的研究,有助于判别地下水灌溉适宜性以及种植作物类别,具有明确的实用价值。其次,奎屯河流域属于典型的高砷地下水分布区域,砷元素通过直接饮用或作物吸收间接进入人体,危害人体健康。而地下水中铁锰氧化物还原、SO2-4的还原和硫化矿物沉淀等均会对砷含量产生影响[3]。因此,研究地下水水化学组成及其成因,可以为研究区后续探究砷氟环境形成机制提供一定参考。
前人对奎屯河流域地下水水化学特征及成因研究较多,江军等[4]在研究砷迁移规律时,分析了2017年水化学特征及矿物饱和指数;刘亚楠等[5]在研究地下水及沉积物化学组分特征对氟释放的影响时,分析了2017年地下水化学成因机制。张福初等[6]研究较为系统,分析了2019年以前全流域不同地貌下的水化学特征及成因。以上学者对该区域的研究未涉及时间变化特征分析,且研究时间较早。近年来气候变暖,水资源总量增加和气温升高等因素会影响浅层水化学特征及成因。因此,针对相同点位、不同时期水化学组成变化的研究可以精确分析地下水水化学特征变化的程度及可能原因,对水资源合理利用具有参考意义。
本文在2017年采集39组地下水样的基础上,于2023年在相同点位重新采集。采用Piper三线图、Gibbs图、矿物指数、离子比值法和氯碱指数分析水化学特征、空间分布和水化学成因,并对比分析其变化,以期为后续的砷氟成因规律探讨提供基础参考,为研究区地下水的开发利用提供科学依据。
1 研究区概况
奎屯河流域坐落于新疆天山北麓,准噶尔盆地西南部。地处83°22′E~85°47′E,43°30′N~47°04′N。东西宽度约160 km,南北長度约240 km,总面积达2.83万km2。气候类型为温带大陆性干旱气候,具有少雨、高蒸发和大温差等特点,年均降水量为162.6 mm,年均蒸发量为1 208.3 mm。
研究区高程范围在247~1 210 m之间,地势有南高北低、东高西低的特点。随着地势由南向北降低,地貌逐渐从洪积倾斜砾质平原转变为冲洪积细土平原(图1),最后演变为冲积湖积细土平原。乌伊公路以南区域为山前洪积倾斜砾质平原,岩性为卵砾石或砂砾石,地下水类型为单层潜水且潜水埋深大于20 m。作为研究区地下水的主要补给区,该区域主要接收山区地下水的侧向补给,以及河道水、洪水、渠系水渗漏。乌伊公路以北至一二三团区域为冲洪积细土平原,岩性为砂砾石、砂和黏性土,地下水类型为多层潜水-承压水[7],潜水埋深一般小于5 m。该区域主要接收山前洪积倾斜砾质平原的侧向补给,以及灌区内的渗漏补给。一二三团以北为冲湖积细土平原,岩性为粉细砂以及黏土,地下水类型为多层潜水-承压水,潜水埋深一般小于10 m,主要接收冲洪积细土平原的侧向补给。由于潜水位埋藏浅且蒸发蒸腾作用强,导致该区域为研究区地下水主要排泄区[8]。
2 材料与方法
2.1 水样采集与分析
本次研究使用的水样为2017年6月于奎屯河流域已有机井采集的39组水样和2023年7月于原位点采集的39组水样,采样点分布见图1。水样的采集、保存及送样过程严格按照HJ/T 164-2004《地下水环境监测技术规范》[9]的要求执行。样品的测试由新疆地矿局第二水文地质大队化验室完成,测试项目包括可溶性盐浓度(EC)、氧化还原电位(Eh)、pH、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、总溶解固体(TDS)、总硬度(TH)、Cl-、SO2-4、HCO-3、NO-3、F-、As。运用阴阳离子平衡法计算可知,所有水样数据的电荷平衡绝对误差均小于5%,为可靠数据。
2.2 数据分析方法
研究区冲洪积细土平原和冲湖积细土平原的地下水类型按埋深划分为乌伊公路以南的地下水均为潜水[7]、乌伊公路以北井深小于100 m为浅层承压水、大于100 m为深层承压水。研究过程中使用的散点图基于Origin 2018绘制,空间分布图基于ArcMAP 10.2绘制,Gibbs图基于Excel 2010绘制。
3 结果与讨论
3.1 地下水水化学特征
3.1.1 地下水水化学组分统计分析
2017年水化学组分统计结果表明(表1),pH范围为7.04~9.00,承压水整体为弱碱性至碱性。溶解性总固体(TDS)范围为114.48~11 632.96 mg/L,其中淡水(TDS<1 000 mg/L)和微咸水(1 000 mg/L≤TDS<3 000 mg/L)分别占比74%和15%。总硬度(TH)范围为18.10~3 639.51 mg/L,其中软水(75 mg/L
2023年水化学组分统计结果表明(表2),pH范围为7.18~9.21,极值上升但均值明显下降。淡水和微咸水分别占比69.2%和17.4%,微咸水占比呈现增长趋势。软水和极硬水分别占比28.20%和30.76%,极硬水占比未发生变化,部分软水向微硬水转化。阴阳离子平均浓度排序未出现变化。相较2017年,浅层承压水主要水化学组分明显增大,按平均浓度的增长幅度排序为Cl-(137.47%)>SO2-4(67.72%)>Na+(37.09%)>TDS(26.11%)>HCO-3(17.96%)>Ca2+(13.92%)>TH(10.14%)>Mg2+(-6.31%)>K+(-46.87%)。深层承压水主要水化学组分明显降低,按平均浓度的增长幅度排序为Ca2+(3.55%)>HCO-3(2.64%)>K+(-8.37%)>Cl-(-12.63%)>Na+(-19.02%)>TDS(-21.91%)>SO2-4(-25.39%)>TH(-27.37%)>Mg2+(-55.52%)。
3.1.2 水化学特征
Piper三线图[10]是根据地下水样品的离子组成和浓度比例进行分类,通过图中不同区域的分布确定地下水水化学类型(图2)。 图2中的菱形区域被划分为5,6,7,8,9区,依次对应Ca-HCO3型、Ca-SO4型、Na-Cl或Na-SO4型、Na-HCO3型和混合型。三角形区域被划分为A、B、C、D、E、F、G区,依次对应Ca型、无主导型、Mg型、Na型、HCO3型、SO4型和Cl型。
从水化学类型看,2017年浅层承压水集中分布在7区和9区,表明水化学类型主要为Na-Cl型、混合型或Na-SO4型。潜水分布在5区,水化学类型为Ca-HCO3型。深层承压水在5,7,9区均有分布,水化学类型为Ca-HCO3型、Na-Cl型或Na-SO4型、混合型。2023年水化学类型分布和2017年类似,但出现5区向7区和9区转化的趋势,即部分Ca-HCO3型向Na-Cl型或Na-SO4型、混合型转化。
从阳离子看,2017年浅层承压水阳离子集中分布在B和D区,表明优势阳离子为无主导型和Na型。潜水分布在A区,表明优势阳离子为Ca型。深层承压水阳离子集中分布在A,B,D区,表明优势阳离子为Ca型、无主导型和Na型。2023年浅层承压水阳离子集中分布在D区,表明5 a间Ca型向Na型转化。潜水和深层承压水的阳离子分布变化不大。
从阴离子看,2017年浅层承压水和深层承压水阴离子均集中分布在B,E,F区,表明优势阴离子为无主导型、HCO3型和SO4型。潜水分布在E区,优势阴离子为HCO3型。2023年浅层承压水出现B区向F区和G区迁移的趋势,表明无主导型在向SO4型和Cl型转化。潜水和深层承压水阴离子均出现E区向B区和G区迁移,表明部分HCO3型向無主导型和Cl型转化。
3.2 地下水中主要离子空间分布
基于ArcGIS软件中的克里金插值法绘制研究区地下水优势离子空间分布图(图3)。除Ca2+外,其余指标根据GB/T 14848-2017《地下水质量标准》规定分为5类,其中,Ⅰ~Ⅲ类水适合饮用,Ⅵ~Ⅴ类水不适合饮用。根据2023年的数据可以得出,TDS、SO2-4和Cl-的高值区集中于一二六团南部、一二三团、车排子镇南部、一二五团北部、一二九团北部和甘河子镇。在一二七团L9样本点和一二六团L2样本点出现多项指标异常值,TDS分别为7 262.00 mg/L和6 204.00 mg/L,Cl-浓度分别为2 269.71 mg/L和1 808.67 mg/L,Na+浓度分别为1 734.41 mg/L和1 421.51 mg/L,SO2-4浓度分别为2 605.96 mg/L和2 029.03 mg/L。对比2017年和2023年两期数据,包括西湖镇、八十四户乡、西大沟镇和九间楼乡在内的上游地区,主要离子浓度维持在较低水平,未出现明显变化。中下游地区的一二三团、古尔图镇和一二六团变化较明显且规律相似。TDS、SO2-4、Cl-三项指标呈明显增长趋势,大面积的Ⅲ类水向Ⅴ类水转化,Ca2+呈现增长趋势但未超标。Na+浓度增长幅度相对较缓,下游右岸大面积的Ⅰ类水向Ⅳ类水转化,古尔图镇的Ⅴ类水呈减少趋势,表明研究区中下游地区的地下水已不适合饮用。
3.3 地下水水化学特征成因分析
3.3.1 水化学作用分析
Gibbs图是根据c(Na+)/c(Na++Ca2+)和c(Cl-)/c(Cl-+HCO-3)的离子浓度比与TDS之间的比值关系绘制散点图,同时划分了蒸发浓缩、岩石风化和降雨控制3个区域,从点位的分布位置判断样本点水化学特征形成的主要机制[11]。
对2017年和2023年的地下水样本进行分析(图4),研究区地下水样大部分分布在岩石风化型区域,表明水岩相互作用在地下水水质形成的水文地球化学过程中发挥着主导作用。部分点位落在3个区域外,可能受到离子交换作用或人类活动的影响[12]。山前洪积倾斜砾质平原的地下水径流条件较好,溶滤作用较显著。冲湖积细土平原因地形平缓和水交替循环条件较差,地下水的溶滤作用相对较弱,导致蒸发浓缩型点位集中分布在冲湖积细土平原,岩石风化型集中分布在山前洪积倾斜砾质平原。对比两期数据发现,浅层承压水中c(Na+)/c(Na++Ca2+)平均增大0.018,变化不显著;但TDS增大26.11%,导致点位向蒸发浓缩区域集中。c(Cl-)/c(Cl-+HCO-3)平均增大0.372,是导致点位向区域外迁移的主要原因。对比两期Cl-和HCO-3的平均浓度发现,Cl-平均浓度增长137.47%,导致c(Cl-)/c(Cl-+HCO-3)增大。因此出现集中在岩石风化型区域的样本点开始向蒸发浓缩区域以及区域外迁移。深层承压水中c(Na+)/c(Na++Ca2+)平均增大0.058,c(Cl-)/c(Cl-+HCO-3)平均增大0.062,变化不显著。
3.3.2 研究区矿物饱和指数
为了评估地下水化学形成过程中水岩相互作用的影响,可以使用PHREEQC软件计算主要矿物的饱和指数(SI)来判定它们的溶解程度[13]。SI的大小表示矿物的溶解程度,正值表示过饱和,零值表示饱和,负值表示欠饱和[14]。
计算研究区2017年和2023共78组水样的矿物饱和指数(SI)(图5),随着TDS增大,文石和方解石的饱和指数增长不显著,TDS处于0~1 000 mg/L时,白云石和石膏的饱和指数增长明显,表明白云石和石膏的溶解促进了TDS浓度增大。TDS浓度大于1 000 mg/L后,矿物饱和指数变化不明显、接近饱和,且点位集中于冲湖积细土平原,表明TDS浓度增大受到蒸发浓缩作用的影响。一二六团作为离子浓度高值区,其中L2采样点的文石、方解石和白云石在兩个时间点均处于过饱和状态,但2023年较2017年,饱和指数呈降低趋势。L7采样点2017年方解石和白云石处于过饱和状态,2023年在此基础上出现文石过饱和现象,且饱和指数呈上升趋势。此外,甘河子镇的K23采样点在2017年仅有方解石过饱和,2023年文石、方解石和白云石均处于过饱和状态,呈上升趋势。
3.3.3 主要离子来源
离子比值法(图6)是通过比较不同离子毫克相当浓度(mEq,符号为E)间的关系,判断离子主要来源。E(Na+)/E(Cl-)[15]可以判断Na+是否来源于盐岩和硅酸盐岩溶解。研究区大部分地下水样品落在y=x线附近且偏下方,说明Na+浓度略高于Cl-浓度,岩盐溶解是水样中Na+的主要来源,少部分Na+来源于硅酸盐溶解或阳离子交替吸附作用。
E(HCO-3+SO2-4)/E(Mg2++Ca2+)可以判断该区水化学是否由碳酸盐岩或者石膏溶解控制[16]。研究区上游区域地下水样品落在y=x线附近,说明Mg2+和Ca2+来源主要是碳酸盐和硅酸盐溶解。下游区域的地下水样品落在y=x线的下方,说明Mg2+和Ca2+的来源是硅酸盐和蒸发岩矿物的溶解,下游区域以蒸发浓缩作用为主导,说明蒸发岩矿物的溶解为主要来源。对比2017年和2023年两期数据,个别落于y=x线上方的点位向y=x线及下方迁移,表明蒸发岩矿物的溶解提供的Mg2+和Ca2+增多。采用E(Ca2++Mg2+)/E(HCO-3)可以进一步判断Mg2+和Ca2+的来源是否为碳酸盐溶解,研究区点位分布在y=x线附近及下方,表明碳酸盐溶解是Mg2+和Ca2+的主要来源。2023年较2017年,y=x线下方点位分布增多,表明碳酸盐溶解呈现增长趋势。
E(Ca2+)/E(Mg2+) 可以分析Mg2+和Ca2+来源与白云石和方解石溶解的关系[17]。研究区2017年样本点分布较均匀,在各个区域都有点位分布,表明白云石、方解石和石膏对Mg2+和Ca2+的贡献相当。2023年样本点集中分布于E(Ca2+)/E(Mg2+)>2的区域,表明石膏溶解是Ca2+的主要来源,且石膏溶解的贡献率呈增长趋势。为了进一步验证Ca2+的来源,采用E(Ca2+)/E(HCO-3)判断Ca2+是否由石膏溶解产生,研究区点位分布在y=x线附近及下方,对比E(Ca2++Mg2+)/E(HCO-3)的关系可以得出碳酸盐溶解主要由石膏产生。2023年较2017年,y=x线下方点位分布增多,表明石膏溶解呈现增长趋势。
E(SO2-4+Cl-)/E(HCO-3)的关系可以判断SO2-4和Cl-的主要来源[18]。研究区地下水样品落在y=x线上方,表明蒸发岩溶解是SO2-4和Cl-的主要来源。
E(Ca2++Mg2+-HCO-3)/E(SO2-4-Na++Cl-)可以进一步分析地下水中SO2-4的来源。研究区大部分样本点分布在y=x线附近,小部分分布在y=x线下方,表明除石膏溶解外还有其他硫酸盐的溶解提供SO2-4。
E(Ca2++Na+-Cl-)/E(SO2-4)可以分析SO2-4和石膏-芒硝溶解的关系[19]。研究区大部分样本点分布在y=x线附近,表明石膏和芒硝溶解提供了SO2-4。个别点位分布在y=x线上方,表明SO2-4浓度可能受到了人类活动的影响。
3.3.4 阳离子交替吸附作用
氯碱指数(CAI)是用于评估阳离子交替吸附强度的指标[20]。通过观察CAI1与CAI2的绝对值变化判断阳离子交换的强度。绝对值越大,阳离子交换作用越显著,即阳离子交替吸附的可能性更高[21]。
根据CAI1与CAI2关系图(图7)得出,研究区样本点集中分布在CAI1和CAI2均小于0的区域,绝对值较小,表明研究区主要发生Ca2+、Mg2+置换Na+、K+的反应,但不显著。在CAI1和CAI2均大于0的区域,大部分点位位于冲洪积细土平原,包括位于山前洪积倾斜砾质平原的潜水点位,表明该区域主要发生Na+、K+置换Ca2+、Mg2+的反應,与上游区域Na+浓度长期维持低值的规律一致。在CAI1和CAI2均小于0区域,存在个别绝对值较高的点位,且集中分布在冲湖积细土平原。
3.4 灌溉水质评价
USSL图[22]以EC为横坐标,钠吸附比(SAR)为纵坐标绘制,EC指示盐害程度,SAR指示碱害程度,位于C1S1、C2S1和C3S1区域的地下水适宜灌溉。Wilcox图以EC为横坐标,可溶性钠百分比(SSP)为纵坐标绘制,SSP指示水的软硬程度,位于水质极好、水质良好和水质适宜区域的地下水适宜灌溉。对USSL图和Wilcox图分区,可以判断地下水对灌溉的适宜程度。USSL图结果表明(图8),研究区大部分地下水集中在S1区域,受碱害程度低。EC在C1~C3均匀分布,表明高盐危害仍在可控范围。有14%的水样不适合灌溉,且在不适合灌溉的水样中,2023浅层承压水占比50%。Wilcox图结果表明(图9),研究区有18%的水样不适合灌溉,且在不适合灌溉的水样中,2023年浅层承压水占比38.9%。
4 讨 论
冲洪积细土平原北部和冲湖积细土平原是离子浓度高值区,呈现浓度上升趋势。原因是地下水流向为由南向北,中下游细土平原属于地下水排泄区域,地下水流速缓慢导致离子在北部的冲湖积细土平原出现累积。
浅层承压水由蒸发浓缩作用和岩石风化作用共同控制。Gibbs图结果表明,2017年采样点位分布在蒸发浓缩区域和区域外,结合氯碱指数发现,区域外点位受到阳离子交替吸附作用,Ca2+置换出Na+导致c(Na+)/c(Na++Ca2+)增大。2023年由于TDS增大,部分点位向蒸发浓缩区域迁移。但在c(Cl-)/c(Cl-+HCO-3)与TDS关系图中,Cl-浓度增幅较大导致c(Cl-)/c(Cl-+HCO-3)增大,个别点位移动至區域外。深层承压水主要由岩石风化作用控制,且2023年较2017年无明显变化。点位均分布在岩石风化型和区域外,区域外的点位受阳离子交替吸附作用影响。2023年较2017年,各类矿物的平均饱和指数均呈增长趋势,导致TDS升高,浅层承压水中岩盐(NaCl)的平均饱和指数增幅(0.51)最大,一定程度上解释了浅层承压水中Cl-浓度大幅增长的现象。
综合上述分析,研究区中下游离子浓度增大主要是蒸发浓缩和岩石风化共同作用的结果。但Cl-和SO2-4浓度增长幅度远大于其他阳离子,表明离子浓度增长可能受到人类活动的影响。
5 结 论
本文基于2017年和2023年灌溉期共78组原位点水样,通过Piper三线图分析地下水化学特征,采用Gibbs图、饱和指数、氯碱指数和离子比值法分析其成因。结果表明:
(1)2017年阳离子以Na和Ca型为主,阴离子以SO2-4和无主导型为主。2023年阳离子以Na型为主,阴离子以Cl型为主。2023年较2017年,水化学类型趋于集中。
(2)研究区山前洪积倾斜砾质平原和冲洪积细土平原南部受岩石风化作用控制,冲洪积细土平原北部和冲湖积细土平原整体受蒸发和岩石风化浓缩共同控制。2023年较2017年,中下游细土平原浅层承压水受到的蒸发浓缩作用增强,深层承压水没有明显变化。
(3)研究区山前洪积倾斜砾质平原的离子组分主要源于碳酸盐和硅酸盐矿物溶解。中下游细土平原的离子组分主要来源于蒸发岩溶解且有增强的趋势。下游冲湖积细土平原受阳离子交替吸附作用较强。
(4)研究区以兵团一二六团为主的下游地区,地下水多项指标超过Ⅲ类水级别,不适合饮用。从灌溉适宜性看,已有超过10%的水样水适合灌溉。在不适合灌溉的水样中,2023年的浅层承压水占比最大。
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(編辑:刘 媛)
Chemical characteristics and genetic analysis of groundwater in Kuitun River BasinJIANG Yuwei1,2,LI Qiao1,2,TAO Hongfei1,2,MAHEMUJIANG Aihemaiti1,2
(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052 China;2.Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Safety and Water Disaster Prevention,Urumq 830052,China)
Abstract:The analysis of groundwater chemical characteristics and their origins is essential for evaluating groundwater quality,identifying pollution sources,developing water resource management strategies,and safeguarding human health and the environment.Based on a total of 78 groundwater samples collected at the same sites in the Kuitun River Basin in 2017 and 2023,the characteristics and causes of groundwater in this area were analyzed by Piper trilinear diagram,Gibbs diagram,saturation index (SI)method and ion ratio method.The findings indicated that:① There was a converging trend in the types of groundwater chemical characteristics in the Kuitun River Basin in 2023 compared to 2017,with cations transforming into Na type and anions into Cl type.② Rock weathering primarily influenced the piedmont diluvial inclined gravel plain and alluvial fine soil plain,while evaporation and concentration mainly affect the alluvial lacustrine fine soil plain with a tendency to increase.The ion components in the middle and lower reaches of the fine soil plain were predominantly derived from evaporative karst decomposition with an increasing trend,whereas those in the fore mountain diluvial inclined gravel plain originate mainly from carbonate and silicate mineral dissolution.Strong adsorption by alternating cations has led to increased Na+concentration in downstream fine soil plains.Groundwater quality in northern alluvial fine soil plains as well as those around alluvial lacustrine fine soil plain within Kuitun River basin has exceeded China′s drinking water standard,and about 10% of the water samples have surpass irrigation water standards in future.These research findings can serve as a reference for rational utilization and management of groundwater resources within Kuitun River Basin.
Key words:groundwater;hydrochemical characteristics;spatial distribution;genetic analysis;saturation index;Kuitun River Basin