竹娜，胡伏生，张强，陈亚峰，李志红

(1.成都理工大学/地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059;2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京100083)

吐鲁番盆地位于中国新疆维吾尔自治区东部，是典型的内陆封闭式盆地，是中国内地连接中亚地区及南北疆的交通枢纽，也是资源丰富的“天然聚宝盆”。特殊的地理位置和环境形成了吐鲁番独特的干热气候，这里年均降水量只有16 mm，而年均蒸发量却高达到3 000 mm，是中国年降水量最少的地区之一。近年来，地下水的过量开采导致了地下水位下降、坎儿井枯竭等问题，资源性缺水和工程性缺水并存的现实制约着地区经济发展，也影响了地区居民的生活。

地下水资源通常属于干旱和半干旱区的主要供水水源，地下水化学特征及形成机理便成为此列区域水文地质学科的重要研究内容，开展相关研究对区域地下水资源的利用和管理及生态环境的建设与保护都具有十分重要的意义。当前，国内外学者主要采用数理统计、Piper或Durov图、离子比例系数、相关性分析、同位素示踪等技术方法对地下水化学特征、水化学成分的形成及演化等进行研究。为研究区进行地下水水化学分析，会对研究区制定水资源开发利用方案，以及更好的控制区内土壤盐渍化蔓延等具有重要意义，并且可给地下水合理开采，科学管理等方面提供数据参考。

1 研究区水文地质条件

研究区总面积约为14 591 km2，四周是山地，中部低，是封闭式盆地。盆地中央部有的火焰山和盐山沿着东西方向延伸，将盆地分为南北盆地两部分。南盆地中部的艾丁湖是吐鲁番盆地的最低点，海拔为-155 m。盆地内的标准高差达到1 400 m(见图1)。

图1 研究区行政位置图

第四系松散沉积层为地下水的赋存和运移提供了巨大的空间，其他地层则作为相对隔水层对地下水运移、转化产生控制作用。以火焰山为界，北盆地海拔比较高，第四系沉积物厚度大于100m，北盆地内发育众多出山河流，这些源自冰雪融水的河流形成了地下水补给源，北盆地内广大的平原就是地下水的径流区，这些地下水被火焰山阻挡后形成泉，山前的泉水灰机到火焰山的沟谷内流入南盆地，之后向艾丁湖方向径流，整个过程同时伴随着强烈的蒸发作用，同时也有人工开采的影响。艾丁湖为全区主要的排泄区。

图2 研究区等水位线图

研究区降水量和长年积雪都有由西向东和由南向北减少的趋势。所以，地区内形成的地表水资源西多东少，北多南少。而且，吐鲁番地区以外的流入量都集中于西部，所以水资源量和流量在东西呈现很大差别。地表径流地区分布的另一个显著特征是吐鲁番周围山地流出的河流水渗入地下，构成第四系含水层的地下水盆。地下水位埋深多大于30 m，最深达到300 m(见图2)。

研究区的地表水利用主要源于14条常年河流，这些源自山地的大部分河流在自然状态下流出山口之后，仅仅流经若干公里就会渗入地下。14条河流中，在盆地内自然流下最终到达南盆地艾丁湖的河水只有白杨河和阿拉沟，二者在托克逊汇合形成一条河流。

2 研究区地下水化学特征总述

吐鲁番盆地研究区，地下水流方向性明显，可根据地下水流流向以及第三系阻水地层的分布，划分为三个小区域。如图3，黄色为A区，红色为B区，绿色为C区。除B区内有三个泉水点外，其余取样点均为井水，取样点平pH值变化范围为6.94～8.8，TDS 变化范围较大，最小值为0.1 g/L，最大值为15 g/L。

图3 取样点分区图·

取样点的布设覆盖研究区三个区域，排除已受污染或可能被污染的取样点，以及海拔高路况差难以取样的点，以取样方便的点优先布设，选取了有代表性、典型性以及均衡性的36个点，取样时间为2012年4月。

监测项目包括 K+、Na+、Ca2+、Mg+、SO42-、HCO-、Cl-、pH、TDS等。采用阴阳离子平衡的方法检验水化学数据的可靠性，(TZ+-TZ-)/(TZ++TZ-)×100均小于5%，TZ+与TZ-的相关系数为0.999，说明水化学分析数据可靠，可以用于分析(Chen et al，2011)

图4 研究区地下水化学Piper三线图

图5 研究区地下水TDS浓度变化图

由图4图5可知，各区域水化学类型变化多样。以全区而言，水化学类型由补给区的HCO3-Ca型，逐渐变化为SO4-Ca型，HCO3-Na型，排泄区艾丁湖方向多成Cl-Na型，同时伴随矿化度总体升高，但是各区的具体情况各有不同。

研究区内，TDS的变化呈现由补给区向排泄逐渐增大趋势，但在一些区域TDS值不完全符合此规律，即不是随水流方向逐渐增大的趋势，这可能与局部地质及水文地质条件，或是人为影响有关。对于一个区域性地下水分布来说，当含水层的中水发生大范围侧向流动时，在地下水流向上，TDS会呈现出一种累进的水岩相互作用(progressing water rock interaction)趋势(Edmunds，2001)。而研究区降雨量较少，地下水主要补给来源为山区侧向径流补给，因此反映出，水中TDS变化的原因主要与地表附近(包括包气带)的盐类分布有关。

水循环过程中影响水化学变化的主要过程是水岩相互作用。水岩相互作用中的矿物溶解，大体上可以分成两种情况:

一类是风化矿物，主要利用有溶蚀能力的水去溶解(Appelo and Postma，1993)，

最常见的有方解石和钠长石等:

另外还有一种不需要酸性水去溶解的矿物，最常见的是石膏。

另一类是蒸发矿物的溶解，其溶解度非常高，见水便可溶解(Berner，1980)，多为蒸发盐，我们常常称之为易溶盐，如石盐、芒硝、光卤石等(Drever，1997)。

在该区域的研究中，当Cl离子浓度比较小时第一类风化矿物的溶解能显示出来;而当Cl离子浓度升高时，第二类易溶盐的溶解占主导(见图6)。

图6 氯离子浓度变化图

图7 重碳酸根浓度变化图

如图7，，研究区内重碳酸根离子浓度总体变化趋势与钠离子相反。在补给区，水交替强烈，延时经过长期冲刷，大部分易溶盐类组分已经被带走，便形成矿化度很低的HCO3-Ca型水，随着地下水沿着含水层径流，溶滤作用不断发生，地下水类型不断变化。重碳酸根往往还会受到钙离子含量的限制，但在有大量二氧化碳溶解时，重碳酸根的浓度会大大增高，一些泉水中的重碳酸根含量较大，便与溶解二氧化碳有关。

3 各区各离子相关性分析(以A区为例)

A区位于研究区西南侧，主要补给来源为盆地西侧的地表水以及北盆地的地下水，总体向艾丁湖排泄，径流途径较长，由图5可知从补给区到排泄区TDS值逐步增大。由图8可见，A区个点中，除 A4、A1、A11、A13 这四点外，其余点 SO42+和 Cl-的相关性较好，相关系数为0.98，即SO42+和Cl-的含量相差不大，而北盆地内硫化物和天然硫分布较少，可推断A区SO42+主要来自于南盆地地下水的混合作用以及对A区内硫酸盐岩的溶解。

图8 SO42+与Cl-相关性图

图9 A区Na+与Cl-相关性图

从图9中可看出，点A5、A11的Na/Cl值小于1，而其他点均大于一，线上的点中可能存在其余的钠盐的溶解。在图10中，只有A6和A2两点Mg/Cl值大于1，其余点Mg/Cl值小于1，并且随着水流方向氯离子的浓度逐级上升，而镁离子量变化范围不大，可推测A区溶解的氯化物以NaCl为主。

图10 A区Mg2+与Cl-相关性图

SO42-与 Na+相关系数为 0.87，除 A2、A4，A6 外所有点Na+/SO42-比值均大于1，说明有其他形式的钠盐溶解，Na2SO4(即芒硝)的可能性较大。图10与图12可见，Ca2+由补给区到排泄区量的变化范围为1～10 meq/L，Mg+的变化范围为0～5 meq/L而Na+的变化范围为0～20 meq/L，HCO3浓度变化不大，几乎趋于稳定，只在排泄区有所减小，说明区域地下水正在咸化。

图11 A区Na+与SO42-相关性图

图12 A区Ca2+与SO42-相关性图

图13 A区Na+Mg-Cl+SO4相关性图

如图13，从可以明显看出，除点A10之外，Na++Mg2+的浓度明显小于Cl-+SO42-的浓度，说明地下水中Ca2+的溶解量随Cl-+SO42+浓度的增大而增大，说明从补给区到排泄区的径流过程中可能存在CaSO4(即石膏)的溶解。有石膏的溶解，可推测A区地下水中发生同离子效应，使得方解石(即CaCO3)沉淀。

对于四个较为特别的点 A5、A11、A12、A13，除 A5外，其余三个点距离艾丁湖排泄区较近，TDS值较高，最高达到2g/l。水化学类型均为Na-Cl型水，因为艾丁湖出露的主要蒸发矿物为石盐(NaCl)、芒硝(Na2SO4·10H2O)、无水芒硝(Na2SO4)、石膏(CaSO4·2 H2O)、钙芒硝(Na2Ca(SO4)2)和光卤石(KMgCl3·6H2O)(王亚俊，2003)可以解释上图中出现的与其余点较为不同的现象。即在径流过程中，随着蒸发矿物的不断溶解，到了排泄区，水中的 Na+，Ca2+，SO42-，Cl-浓度较高。

而A5为Ca-Mg-SO4-Cl型水，与临近取样点的水化学类型相同，周围地质环境也没有特别变化，但是却表现出与周围不同的特点——TDS值较高，这可能是在A5附近一些蒸发矿物较为聚集，或是一些人为原因的影响，因而与附近取样点的点的特征不符。

A区各点的TDS值变化范围较大，最高高达2g/L，加之上述分析可知，该区样点地下水化学特征的形成可能存在三种原因:第一是水体在入渗前，和径流过程中经历的蒸发浓缩作用;第二是地下水在径流过程中对各类矿物的溶解作用;第三是北盆地地下水经转化补给到南盆地后，两盆地的地下水混合。依据以上分析，影响该区水化学变化的主要是易溶盐的溶解，并且以溶解钠盐和硫酸盐为主，即推测此处地下水可能溶解了芒硝，钙芒硝等。

对于B区和C区，可采用同样的分析方法，在此不再赘述。

4 结语

研究区内地下水补给来源主要为北部山区的冰雪融水，径流条件较好，排泄区为艾丁湖区域，地下水TDS值变化范围大，从补给区向排泄区逐渐升高，最高可高达15g/L，而补给区地下水矿化度则小于1g/L，补给区水化学类型多为HCO3-Ca型，排泄区则多成Cl-Na型。

根据构造和水文地质条件将研究区可分为三个小区，文章以A区为例，通过绘制等值线图以及离子相关性分析，可知影响A区水化学变化的主要是易溶盐的溶解以及蒸发浓缩作用。溶解组分钠盐和硫酸盐为主，即推测此处地下水可能溶解了芒硝，钙芒硝等。SO42-主要来自于南盆地地下水的混合作用以及对A区内硫酸盐岩的溶解。

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