喀什噶爾河流域平原區深層承壓水咸化機理研究

王紅太，周金龍,2，曾妍妍,2，范 薇,2，魏 興,2，時雯雯

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830052)

地下水咸化已成為世界范圍內水資源管理面臨的嚴峻問題之一，表現為地下水中溶解物質大量富集，危及地下水資源的未來開發及利用。多位學者對不同地區的地下水鹽分來源和咸化機理進行了研究，Sun等[1]對敦煌盆地地下水咸化過程進行了研究，結果表明地下水咸化過程由溶濾、蒸發和蒸騰作用主導。李成誠[2]對運城盆地高氟地下咸水成因機制進行了研究，結果表明控制深層地下水咸化的主要原因為古咸水補給和水巖相互作用。林麗等[3]在對塔里木盆地深層承壓水研究過程中發現研究區深層承壓水有咸化趨勢，咸化原因為越流補給及開采不規范。地下水咸化的機理包括可溶性礦物的溶解、古咸水補給、蒸發濃縮過程、地下水水位抬升、離子交換吸附作用、海水入侵、咸水越流補給、人類活動(過度開采地下水、農業灌溉和化肥)等[4-6]。

喀什噶爾河流域平原區深居歐亞大陸腹地，遠離海岸，水汽難以到達，氣候干燥，該地區水資源量相對豐富，但時空分布不均，水資源總量的控制精度不高，屬于水質型缺水[7]。近年來隨著研究區經濟社會的快速發展，水資源的需求量也持續增長，地表水資源明顯供應不足，部分地區出現不合理開采地下水現象，使得地下水咸化更加嚴重，對居民生活飲水和農業灌溉產生了不利的影響。環境同位素δD和δ18O是研究水循環的理想示蹤劑，可根據地下水中δD和δ18O的特征以及分析氘盈余值(d)和δ18O與TDS之間的關系，確定鹽漬化過程及地下水咸化機理[8]。為了分析研究區深層承壓水的咸化機理，指導深層承壓水的合理開采及利用，本文基于水化學和環境同位素分析技術，揭示研究區深層承壓水的補給來源和咸化機理，以期對該區地下水資源的合理開發、管理和利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

喀什噶爾河流域地處新疆維吾爾自治區西南部、塔里木盆地西部邊緣，是新疆糧棉種植生產基地之一，屬暖溫帶大陸干旱氣候，降水稀少，蒸發量較大，地形復雜，水資源分布極不均勻，水文循環緩慢。喀什噶爾河是喀什地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州及新疆生產建設兵團第三師的重要供水來源地，居民日常生活用水多數依靠開采地下水，地下水資源的開發利用程度較高，已開采8.6154×108m3[9]。流域地勢總體為西高東低，北部、西部、南部均為山區，海拔918～7 559 m，高程變化極大。研究區位于喀什噶爾河流域平原區，山前沖洪積平原和沖積平原為區域主要地貌類型[7,10-11]。研究區主要含水層系統為第四系松散巖類孔隙含水巖系，山前沖洪積平原為單一結構潛水區，巖性以卵礫石和砂卵礫石為主，山前沖洪積平原及沖積平原接觸帶巖性主要為砂礫石和砂卵礫石；沖積平原為多層結構的潛水-承壓水區，巖性為亞黏土、礫砂、砂礫石、中粗砂、中細砂和粉細砂等[12-13]。

喀什噶爾河流域地下水徑流由西向東，地下水主要接受大氣降水、冰雪融水、地下水側向補給、河道潛流入滲、河流補給，基巖裂隙水補給、水庫入滲補給、渠系滲漏補給、暴雨洪流入滲、農田灌溉入滲補給和井泉水回歸入滲補給等[12]。泉水排泄、側向徑流排泄、潛水蒸發蒸騰和人工開采等是研究區地下水排泄的主要方式[10]。

1.2 樣品采集與測定

圖1 喀什噶爾河流域平原區深層承壓水采樣點分布圖

利用SPSS 19對各化學指標之間的相關性進行分析。利用AquaChem 3.7中phreeqc模塊計算各礦物的飽和指數(SI)，Grapher 11制作離子比例圖，綜合利用礦物飽和指數和離子比探討喀什噶爾河流域平原區深層承壓水咸化成因。

2 結果與分析

2.1 深層承壓水咸化概況

圖2 喀什噶爾河流域平原區深層承壓水咸化主要指標年際變化

2.1.2 咸化程度 2016年深層承壓水咸化系數計算公式如下：

SC<1為淡水，SC在1～2之間為微咸水，SC>2為咸水，SC越大咸化程度越高[14]。表1列出了喀什噶爾河流域平原區13組深層承壓水取樣點咸化系數，由表1看出，研究區共計6組水樣咸化系數<1，分別為喀什市1組、疏勒縣2組、岳普湖縣3組；3組水樣咸化系數處于1～2之間，分別為疏勒縣1組、英吉沙縣1組、阿圖什市1組；4組水樣咸化系數>2，分別為喀什市1組、伽師縣3組。研究區淡水、微咸水、咸水的比例分別為46.1%、23.1%、30.8%。

表1 喀什噶爾河流域平原區13組深層承壓水取樣點咸化系數

2.2 深層承壓水水化學類型分析

圖3 研究區深層承壓水水化學組分含量

圖4 研究區深層承壓水Piper三線圖

2.3 深層承壓水的δD與δ18O分布特征

全球大氣降水線方程(GMWL)為：δD=8δ18O+10，喀什噶爾河流域平原區大氣降水線方程(LMWL)為：δD=8δ18O+15[16]。利用喀什噶爾河流域平原區地下水的δD與δ18O數據，繪制了δD-δ18O關系圖(圖5)，喀什噶爾河流域平原區深層承壓水具有低氫氧穩定同位素的特點，δD值變化區間為-92.7‰～-58.2‰，平均值為-76.9‰，δ18O值變化區間為-12.8‰～-7.8‰，平均值-10.6‰。研究區深層承壓水氫氧穩定同位素組成分布于全球大氣降水線兩側，表明大氣降水為其補給來源，屬大氣成因[17]。兩組水樣點落于地區降水線左側，表明該地下水在運移過程中與周邊的CO2發生了水氣相互作用，大部分水樣點位于地區降水線之下，表明深層承壓水受到一定的非平衡蒸發的影響，然而深層承壓水不大可能經歷強烈的蒸發濃縮作用，因此認為深層承壓水可能受到上層潛水、淺層承壓水的越流補給，地下水與含水介質發生了水巖相互作用[17-18]。

圖5 研究區深層承壓水氫氧同位素圖

2.4 深層承壓水的咸化機理

2.4.1 蒸發作用 深層承壓水的氘盈余值“d”反映樣品偏離當地大氣降雨線的程度，d與TDS的關系可用來區別蒸發和溶濾作用對水體的影響[17,19]。研究區深層承壓水d值變化范圍為-1.50‰～18.70‰，平均值為7.68‰，空間變化大，僅一個樣品d值小于0，表明其受到了強烈的蒸發作用[20]。研究區d值隨TDS的增加有增加趨勢(圖6)，表明研究區地下水受蒸發作用影響小；研究區大部分水樣點δ18O隨著TDS增加而降低，表明地下水咸化與水巖相互作用因素有關[20]。

圖6 研究區深層承壓水δ18O、d與TDS的關系圖

圖7 研究區深層承壓水樣離子比例系數圖

表2 研究區深層承壓水中離子相關性

計算各礦物的飽和指數(SI)以確定地下水中礦物的溶解和沉淀情況[23]。研究區地下水中白云石SI值范圍在-6.62～-2.65之間，方解石SI值范圍在-3.08～-1.68之間，文石SI值范圍在-3.22～-1.82之間，石膏SI值范圍在-4.75～-2.27之間，硬石膏SI值范圍在-4.97～-2.49之間，巖鹽SI值范圍在-9.80～-6.24之間(圖8)。各礦物的飽和指數均為負值，表明礦物在地下水中可進行進一步溶解，且飽和指數均隨著TDS增加而增加，表明碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物和巖鹽的溶解是深層承壓水咸化的主要原因。

圖8 TDS與飽和指數的關系

2.4.3 陽離子交換作用 鈉吸附比(SAR)通常用于衡量灌溉水中鈉離子的危害程度，SAR越高水中含Na+越多。在進行農業灌溉時，使用咸化的地下水會引起土壤的次生鹽漬化，同時SAR可以反映地下水在混合作用下水巖(土)之間的陽離子交換作用[24]，其公式為：

研究區SAR范圍在1.69～26.18之間，由圖9看出，研究區深層承壓水中SAR隨著TDS的增加而增加，表明離子交換作用明顯，Ca2+置換含水介質所吸附的部分Na+，導致水中Na+升高，使得地下水趨于咸化。

圖9 深層承壓水中SAR與TDS的關系圖

3 討 論

在內陸干旱半干旱地區，深層承壓淡水是生活用水、工業用水及農業灌溉用水最重要的來源。隨著塔里木河綜合治理工程的實施，灌區地表水引水量逐年減少，對地下水資源的依賴程度逐年增加。據《新疆維吾爾自治區水資源公報(2004—2016)》，喀什地區2016年地下水開采量為2.155×109m3，較2004年擴大1.550×109m3[25]。地下水咸化與人類活動的影響關系是相互的，長期大規模開采深層地下淡水會導致地下水質量降低(增加地下水鹽度)，從而影響農業發展；農業活動密集的區域易發生土壤鹽漬化，該現象與長期使用劣質高鹽度地下水進行灌溉有關，同時由于鹽可能會在系統中循環再利用，使得地下水和土壤進一步被污染[26]。長期使用高鹽度的灌溉水會使植物細胞性脫水和死亡，地下水咸化也會引起微量元素增加，在超過植物的耐受能力時，就會降低農作物產量或引起病害[27]。喀什地區是農業大區，主要種植玉米、小麥和棉花等農作物，研究區深層承壓水中微咸水、咸水比例達53.9%，咸化現象嚴重，在使用咸水進行灌溉時適當施加氮肥有利于提高鹽脅迫下玉米及棉花的產量，而適當地使用微咸水對小麥進行灌溉可以實現增產的效果，其中至關重要的是制定合理的灌溉制度，考慮研究區氣候干燥、蒸發強烈，利用自然降水對土壤進行淋鹽措施實施較困難，建議采用咸-淡水輪灌制度[28-31]。

本文對比了2011、2014年和2016年3期深層承壓水水樣的水化學數據年平均值變化，計算了2016年深層承壓水的咸化程度，并采用數理統計、同位素分析、相關性分析和Phreeqc模型模擬研究了深層承壓水咸化的原因。然而，本文地下水采樣點的布置分布不均且同位素采樣沒有包含附近河水、城鎮生活污水、工廠排污水和農業活動排水等樣品。地下水水化學性質受自然因素與人為因素共同影響，本文著重分析了研究區地下水受自然因素的影響，對人為因素尚缺乏分析。在后續研究中需要優化現場采樣方案，開展多年水樣巡回取樣分析，將附近河水、城鎮生活污水、工廠排污水和農業活動排水等進行同位素采樣分析，以期進一步明確地下水咸化受人為因素影響的程度。同時，研究建議的咸-淡水輪灌方法尚未進行現場試驗，可考慮進一步開展多年的田間試驗及模擬，對本文結論進行驗證與補充。

4 結 論

3)深層承壓水δD值變化范圍為-92.7‰～-58.2‰(平均值-76.9‰)，δ18O值變化范圍為-12.8‰～-7.8‰(平均值-10.6‰)。深層承壓水補給來源為大氣降水，受到上覆潛水、淺層承壓水的越流補給。d值變化范圍為-1.50‰～18.70‰，平均值7.68‰。研究區深層承壓水受蒸發作用影響小，地下水咸化與水巖相互作用因素有關，離子交換作用明顯。導致研究區深層承壓水咸化的重要因素是硫酸鹽、巖鹽等蒸發巖礦物的溶濾。