内蒙古腰坝绿洲地下水化学特征及成因分析

2021-09-27王巧焕卢玉东

华中农业大学学报(自然科学版) 2021年5期

王巧焕，卢玉东

1.东华理工大学水资源与环境工程学院，南昌 330013; 2.长安大学水利与环境学院/长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安710054

地下水的化学成分是地下水与环境长期相互作用的产物，也是地下水循环演化规律和地下水流系统特征的集中反映[1]。开展地下水的化学特征及成因分析是水文地质学的重要研究内容，也是地下水资源质量评价与管理不可缺少的部分，它对流域生态环境保护与建设具有重要意义[2-3]。

腰坝绿洲是内蒙古自治区阿拉善盟十大绿洲之一，该区干旱少雨，水资源匮乏，地下水是该区社会经济和生态环境发展的主要水资源。自1970年代以来，随着该区社会经济的快速发展，对水资源的需求越来越多，地下水开采量逐年增加，造成了地下水水位下降、水质恶化，可利用地下水资源日趋减少，制约了该绿洲的可持续发展。在这样的背景下，彭翠华[4]对地下水水质演化进行了研究，得出地下水水质恶化的主要原因是过量开采导致高矿化咸水入侵，并通过建立地下水质预测模型，预测在不改变现有的开发利用方式和力度，该区地下水水质会不断地恶化；姜凌等[2,5-6]对地下水化学成分的时空变异特征与演化规律进行了研究，得出地下水东北部总溶解性固体(total dissolved solids,TDS)较低，西南部较高，且自开采以来地下水TDS总体上呈增加趋势，水体总体向咸化方向发展。

为了解腰坝绿洲地下水化学成分特征及成因，进一步为该区地下水水质评价提供数据基础，笔者在前人研究成果的基础上，通过野外地下水水样采集、现场测定、实验室测定获得水样化学成分，综合运用经典统计学[7]、相关性分析[8]、Piper三线图[9]、Gibbs图[10]、Schoeller图[11-12]等方法，揭示研究区地下水化学成分的演化规律、形成机制，以期为合理开发利用和保护地下水资源提供理论依据，最终为该区域生态环境和社会经济的可持续发展提供科学保证。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

腰坝绿洲灌区位于贺兰山西侧山前洪积倾斜平原的边缘，向西伸入腾格里沙漠，地理坐标范围为东经105°34′～105°39′，北纬38°25′～38°36′。该区总面积为81.2 km2，是阿拉善左旗的主要农牧区。研究区深居我国西北内陆，属典型大陆性干旱气候，降雨稀少，蒸发强烈。据统计，该区多年平均降雨为198 mm，年内降雨多集中在6至9月份，其降雨量约占全年降雨量的70%左右；多年平均蒸发量为2 394 mm，最大蒸发量主要集中在5至7月份，约占全年总蒸发量的45%左右。

研究区地形呈东、北和南部地势高，西部地势低的簸箕状。区内地下水主要来源于第四系含水岩组，在绿洲中部的厚度206 m，在绿洲外防洪坝以东厚度大于200 m，由颗粒粗大的砾石、卵砾及砂砾混合沉积物组成单一潜水区，缺乏粘土隔水层，此带宽4～7 km。地下水位埋深大于60 m，位于贺兰山西麓山前倾斜洪积扇的中下部，主要补给来源为贺兰山的山前侧向径流，整体径流方向为自东北向西南方向，在天然条件下主要以地下径流方式向西部相邻系统排泄。此外，西部潜水浅埋区还以蒸发方式排泄或溢出形成湖沼洼地。同时，人为开采也成为第四系孔隙水大量排泄的方式之一。井灌区主要开采由含砾中细砂、中粗砂、细砂、粗砂组成，砂层含有卵砾石或夹有卵砾石层，砂层赋存孔隙承压水，含水层累计厚度20～40 m，该含水岩组在东侧埋深约40～60 m，在中部及西部的埋深约60～70 m(图1)。

图1 研究区水文地质剖面图Fig.1 Hydrogeological profile of the study area

1.2 水样采集与分析

本研究运用遥感影像和GPS定位，设计规划水样采样点分布。水样点布设根据机井分布背景采取棋盘式的布设方法，使采样点遍布全区，尽量遵循均匀性原则。采样区面积为81.2 km2，每个取样点控制面积约1.23 km2(1.11 km×1.11 km)，共采集66个水样点，使用Surfer 11绘制采样点示意图(图2)。

1.3 研究方法

本研究采用Excel软件对数据进行基本处理和筛选，再利用SPSS 24.0软件对水样各化学组分进行统计分析。同时还利用Origin软件绘制Piper图以阐释地下水主要阴离子和阳离子浓度关系以及推断地下水水文地球化学相，绘制Gibbs图用来识别控制地下水化学成分形成和演化的影响因素，分析研究区地下水主要指标的成因及来源。

图2 研究区地下水样品采样点Fig.2 Groundwater sample samplingpoints in the study area

2 结果与分析

2.1 地下水化学特征

利用描述性统计分析法对研究区66组地下水样品的测定结果进行统计分析(表1)。从表1可以看出，地下水pH值变化范围为7.6～8.2，平均值7.9，呈弱碱性，变异系数为1.3%，呈弱变异性，说明研究区地下水pH值空间差异较小。TDS变化范围为721.6～6 923.4 mg/L，平均值为1 773 mg/L，地下水水质整体呈微咸水，变异系数为57.9%，呈中等变异性，说明研究区地下水TDS空间差异较大。

表1 研究区地下水化学特征值描述(n=66) Table 1 Descriptive chemical statistics of groundwater in the study area(n=66)

地下水中阳离子含量为(Na++K+)>Mg2+>Ca2+，各自平均含量分别占阳离子总量的47.7%、27.9%和24.4%。从变异系数来看，Ca2+、Mg2+的变异系数分别为45.4%和52.4%，均呈中等变异性，说明研究区地下水中Mg2+、Ca2+离子含量空间差异性较大，而Na++K+的变异系数为111.3%，呈强变异性，说明研究区地下水中Na++K+离子含量空间差异非常大。

地下水总硬度平均值为786.4 mg/L，依据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中标准限值，该区地下水整体为Ⅴ类水(>650 mg/L)，变异系数为48.8%，呈中等变异性，说明研究区地下水总硬度空间差异较大。地下水总碱度平均值为211.8 mg/L，其变异系数为20%，呈中等变异性，说明研究区地下水总碱度空间差异较大。

根据样品测定结果分析，研究区地下水化学类型较复杂，结合地下水化学成分Piper三线图(图3)可以看出，自东北(补给区)向西南(排泄区)地下水化学类型由SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·HCO3·Cl-Mg·Na型经Cl·SO4-Ca·Mg型转化为SO4·Cl-Ca·Na型水，总体上研究区地下水以硫酸型和氯化型为主。

图3 研究区地下水化学成分Piper三线图Fig.3 Piper trilinear diagram of groundwater chemical composition in the study area

2.2 成因分析

表2 研究区地下水化学参数相关系数矩阵(n=66) Table 2 Correlation matrices of groundwater chemical parameters in the study area (n=66)

2)水化学空间变化趋势分析。根据水样测定结果，考虑东部、中部、西部分配均匀，选取有代表性的28个水样点，绘制出表征地下水化学特征的Schoeller图(图4)，从图4可以直观分析各水样中主要离子的质量浓度变化和水化学变化趋势[12-13]。图4中每条折线代表着1个水样，同一水化学类型的水样折线基本平行，且随着地下水流动，水化学组分由质量浓度相对低点向质量浓度相对高点运移[14]。研究区各个地下水参数变化趋势基本一致，表明地下水的化学演化规律基本相似[15]，也表明地下水补给来源基本一致。

图4 研究区地下水化学特征的Schoeller图Fig.4 Schoeller diagram of groundwater chemical characteristics in the study area

ECD:蒸发浓缩型 Evaporation concentration dominance; RWD:岩石风化型 Rock weathering dominance; APD:大气降水型 Atmospheric precipitation dominance.

图6 研究区地下水中主要水化学离子浓度关系图Fig.6 Hydrochemical relationships between the main ion concentrations of groundwater in the study area

3 讨论

本研究结果显示，研究区pH值变化范围为7.6～8.2，呈弱碱性；TDS变化范围为721.6～6 923.4 mg/L，呈微咸水；水化学类型自东北(补给区)向西南(排泄区)由SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·HCO3·Cl-Mg·Na型经Cl·SO4-Ca·Mg型转化为SO4·Cl-Ca·Na型水，总体上研究区地下水以硫酸型和氯化型为主。研究区所有水样点在Gibbs图中均落在RWD和ECD区域内，并且多数水样点落在ECD区域内，说明蒸发浓缩作用是控制该区地下水化学成分形成和演化的主要影响因素，其次为岩石风化作用。根据研究区水化学离子比例关系分析可知，该区地下水主要离子来源以方解石、白云石、岩盐与石膏的溶解沉淀为主。

天然条件下地下水离子成分主要受大气降水作用、蒸发浓缩作用和岩石风化作用控制形成。侯庆秋等[18]研究分析了内蒙古四子王旗浅层地下水离子成分形成作用，其结果表明干旱区地下水离子成分主要受蒸发浓缩作用影响。本研究区位于西北内陆，属于典型大陆性干旱气候，降水较少，蒸发较大，导致该区地下水离子成分形成主要受蒸发浓缩作用影响，与前人研究成果符合。