新疆巴里坤縣漢水泉洼地承壓水水化學特征及其質量評價

李豐琇，周金龍(中國地質科學院水文地質環境地質研究所，石家莊 050061)

地下水水化學組分分析不僅是地下水水質評價的重要內容，也是研究地下水循環和演化的重要手段[1,2]。漢水泉洼地位于新疆維吾爾自治區哈密地區巴里坤縣境內，深入研究該區域地下水中的主要離子比值變化特征對今后地下水開發利用及保護有著重要的意義。本文依據漢水泉洼地16個承壓水樣品的組分含量測試結果，利用離子比值法，結合研究區的水文地質條件，分析承壓水水質的成因，并利用單因子評價法評價漢水泉洼地承壓水質量。

1 研究區承壓水水文地質及采樣點分布概況

1.1 承壓水埋藏與分布

漢水泉洼地北部為呼洪得雷山、大哈甫提克山,南部為白依山，西部為M2背斜(圖1)，東部為洪積礫質平原。其總體地勢南部低于北部、東部低于西部。漢水泉洼地只有地下水可以利用，沒有地表水資源可開發。研究區內地下水類型為多層結構，即上覆第四系松散巖類孔隙潛水，下伏碎屑巖類孔隙裂隙承壓水及基巖裂隙水。由于地下水受到地質構造、地層巖性的影響以及地下水循環特點、水動力特征和含水介質的分布等的差異，形成了研究區現有的水循環特征以及水動力場和水化學場。

1.2 承壓水補給、徑流、排泄條件

研究區基本處于天然狀態。從自然地理條件和水文地質條件分析，在漢水泉洼地內，山區基巖裂隙水補給新近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水。由于新近系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水頂板隔水層不連續的分布，在漢水泉洼地洪積細土平原和洪積礫質平原區內，承壓水和孔隙潛水在局部地段會產生相互補給。漢水泉洼地承壓水由四周向漢水泉-芒硝礦-白泥地東井偏北匯集(圖1)。由于隔水層的不連續性，承壓水局部頂托補給上部潛水，其主要排泄方式為蒸發、植被蒸騰及自流井溢出。

圖1 漢水泉洼地承壓水等水壓線圖Fig.1 Map of isopiestic level of confined groundwater in Hanshuiquan depression注：圖中距離與高程單位均為m，下同。

1.3 樣品的采集與測試

2012年9-10月在研究區內共采集16個承壓水樣品，采樣點分布見圖2。水樣測試由新疆地礦局第二水文地質大隊實驗室完成。分析依據為《GB/T8538-2008飲用天然礦泉水檢驗方法》及《GB/T5750.1-5750.13-2006生活飲用水標準檢驗法》。檢測項目包括pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、溶解性總固體(TDS)[3]。

圖2 漢水泉洼地承壓水采樣點分布圖Fig.2 Distribution of sampling sites of confined groundwater in Hanshuiquan depression

2 研究區地下水水化學特征

2.1 地下水化學參數統計特征

對地下水有關化學參數進行統計分析是研究其演化規律及特征的基礎。通過統計分析,可以大致了解地下水中各化學成分的變化規律和富集特征。漢水泉洼地承壓水水化學參數統計值見表1。

從表1可看出：承壓水中各離子的變異系數普遍較小，反映其在承壓水中含量的相對穩定；其中K++Na+、Cl-和SO2-4的平均值較大，說明其在承壓水中的絕對含量較大，是決定承壓水鹽化作用的主要變量；Mg2+和HCO-3平均值和標準差皆較小，表明Mg2+和HCO-3離子在洼地內絕對含量少，離子濃度變化幅度較小。

表1 漢水泉洼地承壓水水化學參數統計值Tab.1 Chemistry parameters statistics of confined water in Hanshuiquan depression

2.2 TDS與總硬度變化規律

TDS與總硬度的變化受地貌、巖性、埋藏條件、地下水補徑排條件的影響和控制。根據TDS的高低，可以將地下水劃分為淡水(TDS<1 g/L)、微咸水(1 g/L3 g/L)。按照硬度(以CaCO3計)分級標準將地下水分為軟水(<150 mg/L)、微硬水(150～300 mg/L)、硬水(300～450 mg/L)、極硬水(>450 mg/L)[4]。本文運用Surfer軟件繪制漢水泉洼地TDS等值線圖。

由圖3分析可以看出，TDS大體呈現由四周向漢水泉洼地中心逐漸變大的趨勢。經主要離子濃度變化規律分析，K++Na+、Cl-和SO2-4離子含量呈現與TDS基本相似的變化規律，因此可以斷定研究區TDS的變化是由K++Na+、Cl-和SO2-4離子濃度變化造成的。

圖3 漢水泉洼地承壓水TDS等值線圖Fig.3 Isoline of TDS of confined groundwater in Hanshuiquan depression

漢水泉洼地承壓水硬度普遍偏大，大部分為極硬水。極軟水、軟水和微硬水在取樣范圍內均不存在；硬水分布范圍有限，僅在點HK7處出現硬水，其余地區均為極硬水。由圖4可以看出漢水泉洼地總硬度的變化規律與TDS的變化規律呈現出較好的一致性，地下水硬度由四周向漢水泉洼地中心總體呈增大趨勢。

圖4 漢水泉洼地承壓水TDS與總硬度變化趨勢圖Fig.4 The trend of TDS and total hardness of confined groundwater in Hanshuiquan depression

2.3 水化學類型分布規律

利用Piper三線圖，可以直觀地顯示水化學類型，并能夠較直觀地看出水樣的一般化學特征及地下水化學成分的形成作用[4,5]。圖5為漢水泉洼地承壓水Piper圖，由圖5可以看出，漢水泉洼地承壓水中K++Na+為主要陽離子、Cl-和SO2-4為主要陰離子。

圖5 漢水泉洼地承壓水Piper圖Fig.5 Piper diagram of confined groundwater in Hanshuiquan depression

本文采用舒卡列夫分類法對漢水泉洼地承壓水化學類型進行分類，經分析，漢水泉洼地承壓水呈現出3種不同的水化學類型，分別為SO4型、SO4·Cl型和Cl·SO4型。承壓水在漢水泉洼地中呈現出明顯的水平分帶規律：洼地中心地帶為SO4·Cl型，中心以北為SO4型，以南為Cl·SO4型。由北向南，水化學類型由SO4型→SO4·Cl型→Cl·SO4型。

2.4 離子比例系數變化特征

在分析地下水的化學成分時，離子-離子比例系數常常被用來研究某些水文地球化學的問題。由于地下水不同成因或不同形成條件，某些離子當量的比例系數在數值上有比較明顯的差異，因此可以利用這類系數判斷地下水的成因[6-8]。它比傳統的水化學類型單一分析更能深入描述并刻劃出水質在空間和時間尺度上的特點和演化過程，更能對水文地球化學演化做出典型的剖析[9]。

本文利用主要離子的毫克當量比值(見表2)來分析漢水泉洼地承壓水水化學成分的來源和形成過程，運用Surfer軟件繪制漢水泉洼地承壓水中各組分含量比例系數等值線圖(見圖6 )。

表2 漢水泉洼地承壓水離子毫克當量比值Tab.2 Ion milliequivalent ratio of confined groundwater in Hanshuiquan depression

(1)γCl-/γCa2+。γCl-/γCa2+是表示水動力特點的參數[10]。Cl-富集于滯緩的水動力帶，Ca2+是弱礦化水中的主要陽離子。γCl-/γCa2+比值大說明地下水流動滯緩，水交替程度弱，可溶性鹽類在地下水中富集[11,12]。

從圖6(a)中可以看出，沿地下水流向γCl-/γCa2+比值由四周向洼地中心逐漸升高，說明漢水泉洼地自四周向洼地中心水動力條件逐漸變差，水交替程度也逐漸變弱，可溶性鹽類在地下水中富集。在研究區內TDS變化趨勢是由四周向中心遞增，即Cl-含量沿地下水流向逐漸增大，Ca2+含量逐漸減小，與整個區域內γCl-/γCa2+變化趨勢一致。

圖6 漢水泉洼地承壓水離子當量比值等值線圖Fig.6 Isoline of ion milliequivalent ratio of confined groundwater in Hanshuiquan depression

(2)γMg2+/γCa2+及γNa+/γMg2+。γMg2+/γCa2+及γNa+/γMg2+表示地下水水質演化的過程及礦化度的強弱和水質演化過程。低礦化度水中通常Ca2+占優勢，隨著礦化度增大，水中Mg2+的含量相應增高，當礦化程度繼續加強，則Na+在水中處于優勢地位，γNa+/γMg2+比值增高[12,13]。

由圖6(b)和圖6(c)可以看出，γNa+/γMg2+由四周向洼地中心逐漸升高，說明礦化程度由四周向漢水泉洼地中心不斷加強，Na+含量不斷升高；而γMg2+/γCa2+由東南向西北逐漸增大，結合研究區水文地質條件分析可知沿地下水流向溶濾作用逐漸變弱。

(3)γCl-/γHCO-3、γCl-/γSO2-4及γSO2-4/γHCO-3。γCl-/γHCO-3、γCl-/γSO2-4及γSO2-4/γHCO-3是表示陰離子演化過程及組分分配比變化的水文地球化學參數[14]。沿地下水流方向，若SO2-4增加，則可能發生硫酸鹽的溶解；若SO2-4減少，則可能發生硫酸鹽的還原[9]。

由圖6(d)、圖6(e)和圖6(f)可以看出：γCl-/γSO2-4比值自東向西逐漸變大；γSO2-4/γHCO-3比值和γCl-/γHCO-3比值自西向東總體呈增加趨勢，沿地下水流向，易溶鹽有積累的趨勢，地下水水質總體向咸化方向發展。

(4)γNa+/γCl-。γNa+/γCl-比值表示地下水的成因，是表征地下水中Na+富集程度的一個水文地球化學參數[15,16]。標準海水中的γNa+/γCl-平均值為0.85，低TDS水具有較高的γNa+/γCl-比值(γNa+/γCl->0.85)，高TDS水具有較低的γNa+/γCl-比值(γNa+/γCl-<0.85)。從表2中可以看出，漢水泉洼地承壓水中γNa+/γCl-的比值均大于0.85，說明研究區內的承壓水不是海相沉積水。

3 承壓水質量評價

采用單因子評價法對漢水泉洼地承壓水水質進行評價。首先，選取pH值、TDS、總硬度(以CaCO3計)、SO2-4、Cl-、高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮、F-共8個評價指標。其次，用水體各指標的監測結果對照該項目的分類標準，確定其水質類別，本文以《地下水質量標準》(GB/T14848-93)為對照評價標準，其中Ⅰ、Ⅱ類水主要反映地下水化學組分的天然背景含量，適用于各種用途；Ⅲ類水以人體健康基準值為依據，主要適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水；Ⅳ類水以農業和工業用水要求為依據，除適用于農業和部分工業用水外，適當處理后可作生活飲用水；Ⅴ類水不宜飲用[17]。最終，在所有項目的水質類別中選取水質最差類別作為水體的水質類別。評價結果表明，地下水質量的類別為Ⅴ類的井點占調查井數的100%，承壓水水質較差，不宜飲用。影響地下水質量的天然化學組分主要為TDS、總硬度、SO2-4、Cl-等(表3)[18]。

表3 漢水泉洼地承壓水質量類別匯總表Tab.3 Confined groundwater quality categories in Hanshuiquan depression

該地區承壓水水質較差的原因簡析如下：在研究區內無常年性地表水流，僅有零星分布的泉點，以及在融雪季節和夏季暴雨過后在溝谷中可形成暫時性的地表水流，山前洪積礫質平原降雨稀少，所以地表水對承壓水無補給。漢水泉洼地為相對最低洼地帶，地下水向芒硝礦附近匯集，并且受水文地質條件影響，在洪積細土平原形成了地下水的深埋帶，其地層顆粒變細，徑流滯緩，礦化度升高，溶濾作用變差，易溶鹽積累，導致水質變差。

4 結 語

綜合上述分析可得：

(1)漢水泉洼地承壓水呈現出3種不同的水化學類型，分別為SO4、SO4·Cl和Cl·SO4型。承壓水在漢水泉洼地中呈現出明顯的水平分帶規律：洼地中心地帶為SO4·Cl型，中心以北為SO4型，以南為Cl·SO4型；由北向南，水化學類型由SO4型→SO4·Cl型→Cl·SO4型。

(2)結合研究區水文地質條件及離子當量比值分析發現：研究區內承壓水沿地下水流向由四周向洼地中心流動，地下水動力逐漸變差，溶濾作用變弱，可溶性鹽類在地下水中富集。漢水泉洼地承壓水不是海相沉積水。

(3)運用單因子評價法對漢水泉洼地承壓水質量進行評價得出的結論為：漢水泉洼地內承壓水水質較差，不宜飲用。其主要原因是承壓水受地表水補給較少，徑流滯緩，導致承壓水礦化度變高，水質變差。

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