皮山河地表水和地下水水化學特征分析

梁冰++楊向榮++封麗華++李升

摘 要：采用水文地質調查和水化學技術，通過對皮山河流域地表水和地下水的補徑排關系及水化學分析研究，探討了皮山河流域地表水和地下水的水化學特征分布。結果表明，皮山河地表水從上游到下游礦化度整體呈上升趨勢，而中間略有波動，西北支流和東北支流溶解性總固體（TDS）質量濃度范圍分別為237.45～663.58mg/L和237.45～2306.10mg/L。

關鍵詞：地表水；地下水；水化學

中圖分類號：P342 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0176-04

引言

地下水水化學研究是水文地質學的重要研究內容之一。開展相關研究不僅對揭示地下水化學特征和水化學形成作用具有重要的學術意義，而且對地下水水資源保護和可持續開發利用具有重要的實際價值[1-3]。天然水的化學成分是水在循環過程中與周圍環境長期相互作用的結果[4]。因此，天然水化學組成從一定程度上記錄著水體形成、運移的歷史，是了解地下水與地表水相互作用的一種“有效示蹤方法”[4-5]。

1 研究區概況

1.1 氣象

研究區地處亞洲內陸，塔里木盆地南緣，遠離海洋，屬典型的大陸性干旱氣候。氣候干燥，降水稀少，蒸發強烈，干旱多風，氣溫變化劇烈，晝夜溫差大，年溫差懸殊。

1.2 水文地質條件

1.2.1 地下水分布及其特征

流域內主要分布有碎屑巖類孔隙裂隙水及松散巖類孔隙水，分述如下：

（1）碎屑巖類孔隙裂隙水

分布于工作區南部的低山丘陵區，含水層巖性主要為新近系砂巖、粉砂巖、泥質砂巖、礫巖，次為古近系礫巖、砂巖等。單井涌水量小于100m3/d。

（2）松散巖類孔隙水

松散巖類孔隙水為單一結構潛水。含水層由上更新統-中更新統洪積、下更新統冰水沉積及全新統沖洪積層組成。含水層巖性具有明顯的水平分帶性：自山麓向平原在水平方向上，巖性由粗變細，即由卵礫石逐漸過渡為砂礫石、中粗砂、粉細砂和亞砂土。在垂直方向上：由單一的卵礫石層逐漸過渡為砂礫石、砂層、亞砂土互層。

1.2.2 地下水補給、徑流、排泄條件

地下水主要接受南部山區側向徑流補給和區內垂直入滲補給（渠系、水庫、水塘、田間入滲）。

山前沖洪積礫質平原為地下水補給-徑流區，礫質平原中部至細土平原前緣為徑流-排泄區。地下水由南向北運移，方向基本與河流流向一致。

從山前礫質平原區到細土平原前緣，隨著含水層顆粒變細，運移速度變緩，細土平原至沙漠前緣為地下水排泄區，地下水溢出后形成沼澤、小型湖泊和泉水河，并通過蒸發、蒸騰排泄和側向流入沙漠。

地下水在溢出帶及平原河谷下游，以泉的形式排泄，匯入泉水溝及河道，潛水在水平徑流的同時，垂向循環加強，以地面蒸發、植物蒸騰消耗為主。

2 研究區水化學分布特征

利用Piper三線圖可判斷某種水體水化學類型及各離子組分含量的比例關系等。[6]而水體和含水層介質中的離子交換反應通常用Chloro-Alkaline指數來研究[7-8]；當水中的Ca2+或Mg2+與含水層介質中的Na+或K+發生交換反應，Chloro-Alkaline指數為負值，如果發生反向離子交換，Chloro-Alkaline為正值。

皮山流域共取樣20個，其中地表水6個，地下水14個，現根據檢測結果分析如下。

2.1 地表水水化學特征分析

皮山河流域共取地表水水樣6個，由表1可以看出，從出山口到排泄區，地表水化學類型呈現出規律的變化。出山口水化學類型為HCO3·SO4-Ca·Na型水，沿河水流動方向水化學類型逐漸變化為SO4·CI-Na·Ca和SO4·CI·HCO3-Na·Mg型水。

河水礦化度沿河流流向整體呈遞增趨勢，由出山口向河流下游排泄區，礦化度波動較大。河流出山口處TDS為237.45mg/L，到科熱鐵熱克鄉村東水庫達到最大值，為2306.10mg/L其主要原因為水庫水的蒸發作用較為強烈。

河水常量離子組分的變化規律與TDS大致相同，離子含量不斷升高，但其離子組分所占百分比有所變化。陽離子中優勢離子由Ca2+逐漸變化為Na+，而二者含量遠遠大于Mg2+，陰離子中HCO3-一直占主導地位，分別為Cl-和SO42-的1.47倍和1.25倍。

2.2 淺層地下水水化學特征分析

皮山河流域淺層水隨著水流方向水化學類型從HCO3·SO4·CI-Ca·Na型水逐漸變為SO4·Cl·HCO3-Na·Mg和Cl·SO4-Na·Mg型水。TDS整體趨勢先減小后增大，總體呈上升態勢，在JFX21達到最大，為2658.50mg/L。

皮山河流域潛水中的主要離子成分沿徑流方向整體上升，陽離子中的優勢離子由Ca2+轉化為Na+，與地表水的變化規律相同，證明二者有密切的水力聯系。而陰離子中的優勢離子由最初的HCO3-逐漸變為SO42-，分別為SO42-和Cl-的1.51倍和1.34倍。

2.3 水文地球化學參數

特定的水文地球化學參數可以刻劃水動力特點和水化學演化趨勢，其中rCl-/rCa2+比值作為刻劃水動力特點的參數，可以反映不同水文地質單元的水動力特征，rMg2+/rCa2+及rNa+/rMg2+比值反映了礦化作用的強弱，rCl-/rHCO3-、rCl-/rSO42-比值可作為反映陰離子演化過程及組分分配等變化的水文地球化學參數，rNa+/rCl-則反映了大陸鹽化過程。

由表3可知：皮山河流域潛水，rCl-/rCa2+在上游較為平穩，但在下游呈現出波動性，由此表明，由南向北水動力條件比較復雜，與TDS變化規律一致。Cl-在滯緩的水動力帶中富集，礦化度升高。rNa+/rMg2+“兩極分化”，分別處于0.02～0.41和0.95～1.13范圍內。endprint

rCl-/rHCO3-、rCl-/rSO42-整體呈增長趨勢，與Piper三線圖反應結果一致。

rNa+/rCl-范圍較小，反映了大陸鹽化過程及Na+、Cl-相對含量的增長情況。總體來看，Na+與Cl-含量比值較為平穩，水質向鹽化方向發展，變化較為穩定。

3 水化學空間分布特征

由圖3可知，由上游至下游，地表水由Ca和HCO3一端向Mg和SO4一端演化，地下水由Ca和HCO3一端向Na和SO4一端演化。說明二者在出山口接受相同的補給，推測地表水的Mg2+的急劇上漲與淺層地下水的側向徑流補給有關，而地下水Na+含量的上升是由于細土平原帶地下水位埋深較淺，蒸發作用強而且有鹽巖溶解而導致。同時SO42-含量上升，而Ca2+的含量下降，Mg2+的含量上升，推測未發生明顯的白云石溶解現象，而有硫酸鎂巖石的溶解。

Chloro-Alkaline指數為負值，表明地表水在徑流過程中水體中的Ca2+與河床介質中的Na+發生離子交換，使得地表水中Na+濃度大于Cl-的濃度。由表4可知，皮山河上中下游的Chloro-Alkaline均為正值，呈現出反向陽離子交換作用，推測河流上游河床介質中Na+含量少而Ca2+含量多，河水主要以溶解含Ca2+礦物為主。

4 結束語

從皮山河上游至下游，地表水水化學類型由HCO3·SO4-Ca·Na型水逐漸變化為SO4·CI-Na·Ca和SO4·CI·HCO3-Na·Mg型水，陽離子中優勢由Ca2+變為Na+，陰離子中HCO3-一直都是優勢離子。淺層地下水的水化學類型由HCO3·SO4·CI-Ca·Na型水變為SO4·Cl·HCO3-Na·Mg和Cl·SO4-Na·Mg型水，陽離子中的主導離子由Ca2+變為Na+，陰離子中的主導離子由HCO3-變為SO42-。

地表水和地下水接受相同的補給來源，二者水化學演化過程出現不同推測是因為淺層地下水測向補給地表水，使地表水中的Mg2+含量上升，而同時Na+和Mg2+發生了離子交換作用，使皮山河中下游地表水的水化學特征異于地下水。淺層地下水水化學特征變化的主要機制來源于巖鹽，硫酸鎂巖石等的溶解，同時受蒸發濃縮作用的影響。

參考文獻：

[1]章光新，鄧偉，何巖，等.中國東北松嫩平原地下水水化學特征與演變規律[J].水科學進展，2006（01）：20-28.

[2]趙振華，袁革新，吳吉春，等.西北某放射性廢物處置預選區地下水水化學特征及地球化學模擬[J].水文地質工程地質，2011（04）：1-7.

[3]聶振龍，陳宗宇，程旭學，等.黑河干流淺層地下水與地表水相互轉化的水化學特征[J].吉林大學學報（地球科學版），2005（01）：48-53.

[4]Winter T C. Recent advances in understanding the interaction of groundwater and surface water[J]. Reviews of Geophysics，1995，33（sup.）：985-994.

[5]沈照理，朱宛華，仲佐 .水文地球化學基礎[M].北京：地質出版社，1993：186-133.

[6]Bencala K E，Kennedy V C，Zellweger G W，et al. Interactions of solutes and streamed sediment，Part 1：An experimental analysis of cation and anion transport in a mountain stream[J].Water Resour Res，1984，20（12）：1797-1803.

[7]LI P Y，WU J H，QIAN H.Assessment of groundwater quality for irrigation purposes and identification of hydrogeochemical evolution mechanisms in Pengyang County，China[J].Envionmental Earth Sciences，2013，69，：2211-2225.

[8]CHIDAMBARAMS，ANANDHAN P，PRASANNA M.V，et al.Major ion chemistry and identification of hydrogeochemical processes controlling groundwater in and around Neyveli Lignite Mines，Tamil Nadu，South India[J].Arabian Journal of Geosciences，2013，6：3451-3467.endprint