塔里木沙漠公路沿线浅层地下水化学特征

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　　摘要：为研究新疆塔里木沙漠公路沿线浅层地下水水化学特征及其成因，运用数理统计、Piper三线图、Gibbs图、相关性分析和离子比值等方法分析研究区2014年20组浅层地下水水样测试结果，并探讨沙漠公路沿线水化学演化过程的主要控制因素。研究结果表明，浅层地下水中主要阴阳离子为SO42-和Na+;TDS介于543.61～10 249.74 mg/L，平均值为4 087.58 mg/L;pH值的范围在7.11～9.05，平均值为7.87;总硬度超过450 mg/L的水样占95%;地下水水化学类型以SO4·Cl-Na型、SO4·Cl-Na·Mg型和SO4·Cl-Na·Ca型为主;地下水中SO42-和Na+是TDS的主要来源，且SO42-和Na+主要来源于岩盐或蒸发岩溶解;各主要离子间均有较好的相关性，其来源具有一致性;大气降水作用对研究区地下水化学组分几乎没有影响，地下水主要受蒸发浓缩和岩石风化作用影响;地下水中主要离子来源受硅酸盐岩和蒸发盐岩风化溶解影响较大，同时受到碳酸盐岩的溶解和阳离子交换作用影响。
　　关键词：水化学特征;饱和指数;成因分析;离子来源;塔里木沙漠公路
　　中图分类号：P641 文献标志码：A
　　Abstract：Desert Highway in Xinjiang，we analyzed the test data of 20 groundwater samples in the study area in 2014 and explored the major controlling factors of the hydrochemical evolution processes along the highway by means of mathematical statistics，Piper triangular diagrams，Gibbs figure，correlation analysis，and ion ratios.The results showed that the major anions and cations in the shallow groundwater were SO42- and Na+.The total dissolved solids （TDS） concentration ranged from 543.61 to 10 249.74 mg/L with an average value of 4 087.58 mg/L.The pH ranged from 7.11 to 9.05 with an average value of 7.8 7.95% of the water samples had a total hardness above 450 mg/L.The major hydrochemical types of groundwater were SO4·Cl-Na，SO4·Cl-Na·Mg and SO4·Cl-Na·Ca.SO42- and Na+ were the main sources of TDS，and they were mainly derived from rock salt or evaporite dissolution.All the major ions had good correlation with each other，and their sources were consistent.Atmospheric precipitation had little effect on the chemical composition of groundwater in the study area.The groundwater was mainly affected by evaporation and rock weathering.The main ion source in groundwater was greatly affected by the weathering and dissolution of silicate rock and evaporite rock.It was also affected by the dissolution of carbonate rock and cation exchange.
　　Key words：hydrochemical characteristics;saturation indices;origin analysis;ion source;Tarim desert highway
　　
　　
　　地下水化學组分是地下水与环境相互作用的产物，了解地下水的化学特征及形成作用，对地下水资源的保护和可持续开发利用具有重要意义[1]。塔里木沙漠公路北起新疆维吾尔自治区（以下简称“新疆”）轮台县314国道，南连民丰县315国道，南北贯通塔克拉玛干沙漠，位于塔里木盆地中部偏东地带，全长562 km。沙漠公路可以分为北段（绿洲区）、中段（沙漠区）和南段（绿洲区）。为保证其安全运行，国家建立了塔里木沙漠公路防护林生态工程，并采用地下水进行滴灌。前人对沙漠公路沿线沙漠区地下水形成分布规律，地下水化学成分空间分布特征等内容进行了研究[2-6]。但目前尚缺乏对该区地下水化学成分形成机制的系统研究，本文综合运用数理统计、Gibbs图、Piper三线图及离子比值等方法对塔里木沙漠公路沿线浅层地下水水化学特征及其成因进行分析，以期为地下水资源评价、合理开发利用及生态环境建设提供科学依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况 　　塔克拉玛干沙漠位于我国新疆天山与昆仑山、阿尔金山之间的最大内陆盆地-塔里木盆地，呈椭圆形，总面积33.78万 km2。总体地势西高东低，南高北低。气候干旱少雨，年降水量10～50 mm，年蒸发为3 638.6 mm[7]。塔里木沙漠地面景观以流动性高大复合沙垄为主，土壤类型绝大部分为流动风沙土。塔里木沙漠公路介于37°-42°N和82°-85°E之间，基本沿84°E呈南北向穿越塔克拉玛干沙漠。
　　沙漠公路沿线地表水极度匮乏，但地下水储存量较大，据估算，地下水基础储存量为16.29亿 m3，年动态补给量为9 671万 m3至9 931万 m3。主要含水层类型为：古河道含水层（分布在古河道及其两侧一定范围内，含水层以细砂为主，沉积物相对河间平原颗粒要粗，岩性均匀）;河间平原含水层（位于古河道间受洪水泛滥影响地区，含水层有许多粘土、亚粘土夹层，厚度不等，也有细砂）;干三角洲平原含水层（位于沙漠公路南段，纵向沙垄覆盖区，含水层上层有风积砂和水沉积沙交互层，下部属河流冲洪积沉积）;风积沙含水层（主要分布在较大古河道区的表层和纵向沙垄覆盖区的上部地层，多属极细砂）。浅层地下水水位埋深较浅（一般小于10 m），水力坡度平缓（约1‰～2‰）[2]。
　　浅层地下水主要以第四系松散岩类孔隙潜水形式出现，沙漠内第四系松散沉积物可厚达400～600 m。盆地中部的巨厚砂土堆积，成为地下水储藏、运移的良好介质场所，而山前河流在向盆地中部流动过程中的大量渗漏则是沙漠中地下水的可靠保证。河流对沙漠地下水的强烈补给仅局限在河流两侧和末端邻近的沙漠边缘地带，对沙漠腹地地下水影响需要有较长时期。地下水补给主要来自沙漠南缘平原区的地下径流，沙漠公路北段沿线浅层地下水形成主要源于塔里木河河水及其中游地区古河道季节洪水补给。沙漠区地下水的排泄，除少数以潜流方式排入塔里木河冲积平原外，主要是通过蒸发和植物蒸腾方式垂直消耗，且这种消耗伴随在整个缓慢的径流过程中[8]，塔里木沙漠公路防护林生态工程滴灌水源井开采也是地下水的排泄方式之一。地下水大致流向为由南向北，至塔里木冲积平原折向东流。
　　1.2 样品采集与处理
　　2014年沿塔里木沙漠公路共采集浅层地下水样品20组，井深范围为5～180 m，覆盖公路段562 km。浅层地下水样品采集点依据《地下水污染调查评价规范（1∶50 000-1∶250 000）》（DD2007-01）且遵循区域控制的原则进行布设，采样点分布见图1。沙漠公路北段取样点包括X7、X13、X14、X15、X16、X17，中段取样点包括X8、X9、X10、X11、X12，南段取样点包括X1、X2、X3、X4、X5、X6、X18、X19、X20。水样严格按《地下水环境监测技术规范》（HL/T164-2004）进行采集、保存、送样。在开泵10 min后进行样品采集，采集样品时用所采集的井水对取样瓶润洗3～5次，采用1 500 mL聚乙烯瓶取样并原样保存。
　　1.3 分析项目与方法
　　水样测试严格依据《生活饮用水检验方法》（GB/T5750-2006）由中国地质科学院水文地质环境地质研究所矿泉水检测中心检测，检测项目的选择依据《地下水环境监测技术规范》（HL/T164-2004），包括K+、Ca2+、Na+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-、pH、TDS和总硬度（TH）。主要检测仪器为iCAP6300等离子体发射光谱仪，pH检测下限为0.01，其余项目检测下限均为0.05 mg/L。采用陰阳离子平衡检验方法对水样数据进行可靠性检验，取阴阳离子平衡的相对误差E的绝对值小于5%为可靠数据，经检验，所有数据均为可靠数据。
　　2 结果与分析
　　2.1 水化学组成特征
　　各水化学参数统计及检测结果分别见表1和表2。由表1可知，地下水呈弱碱性。研究区地下水水样硬度超过450 mg/L的水样占95%，所以该区地下水硬度类型为极硬水。除地下水点X7的NO3-浓度（52 mg/L）较高外，整体上NO3-浓度较低，说明该区受人类活动影响较小。地下水水体中阳离子各组分浓度整体为Na+>Ca2+>Mg2+>K+，阴离子质量浓度表现为SO42->Cl-> HCO3-，沙漠公路沿线地下水中Na+和SO42-浓度占明显优势。由图2、图3可知，K+浓度沿流向呈递减趋势，Mg2+、Na+、Ca2+、SO42-、Cl-和HCO3-等浓度沿流向呈增加趋势，而pH沿流向整体有减小趋势，主要是由于在沙漠公路南段受岩石风化作用明显，风化产生较多的碱性物质，使公路南段的pH相对较高，TDS浓度沿流向有较大变化，总体呈增加趋势，主要是沿流向随路径增加溶解矿物的增多使水中离子浓度增加而TDS也不断增大。
　　3.4 蒸发浓缩作用
　　由研究区Gibbs图可以得知，地下水水化学主要受蒸发浓缩作用的影响。利用水文地球化学模拟软件PHREEQC计算研究区浅层地下水水样的各矿物饱和指数SI，用SI来进一步确定蒸发浓缩作用对地下水水化学成分的影响。SI>0时，表示该矿物相对水溶液处于过饱和状态;SI=0时，表示矿物相对水溶液正好处于平衡状态;SI<0时，表示该矿物相对水溶液未达到饱和状态，矿物将发生溶解[20]。由表4可知，方解石（全部取样点）和白云石（X1除外）SI值均大于0，说明研究区方解石和白云石等碳酸盐矿物处于饱和状态。石膏和岩盐SI值均小于0，说明研究区地下水中石膏和岩盐矿物溶解占主导地位，这与前述分析结果吻合，且与Zhou[21]的研究结果相同。
　　4 结论
　　（1）塔里木沙漠公路沿线地下水中Na+和SO42-浓度占明显优势，pH值的范围在7.11～9.05，属于弱碱性水;TDS变化范围543.61～10 249.74 mg/L，总体为微咸水-咸水;总硬度超过450 mg/L的水样占95%，属于极硬水。 　　（2）塔里木沙漠公路沿线地下水水化学类型以SO4[KG-*2]·[KG-*4]Cl-Na型、SO4[KG-*2]·[KG-*4]Cl-Na[KG-*2]·[KG-*4]Mg型和SO4[KG-*2]·[KG-*4]Cl-Na[KG-*2]·[KG-*4]Ca型为主，地下水主要受蒸发浓缩和岩石风化作用影响，地下水中主要离子来源受硅酸盐岩和蒸发盐岩风化溶解影响较大，同时受到碳酸盐岩的溶解影响。
　　（3）研究区地下水中Na+、Ca2+、Mg2+和SO42-主要来源于硅酸盐和蒸发岩的溶解。研究区地下水水化学特征还受阳离子交换作用影响。
　　
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