內蒙古腰壩綠洲地下水化學特征及成因分析

王巧煥，盧玉東

1.東華理工大學水資源與環境工程學院，南昌 330013; 2.長安大學水利與環境學院/長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，西安710054

地下水的化學成分是地下水與環境長期相互作用的產物，也是地下水循環演化規律和地下水流系統特征的集中反映[1]。開展地下水的化學特征及成因分析是水文地質學的重要研究內容，也是地下水資源質量評價與管理不可缺少的部分，它對流域生態環境保護與建設具有重要意義[2-3]。

腰壩綠洲是內蒙古自治區阿拉善盟十大綠洲之一，該區干旱少雨，水資源匱乏，地下水是該區社會經濟和生態環境發展的主要水資源。自1970年代以來，隨著該區社會經濟的快速發展，對水資源的需求越來越多，地下水開采量逐年增加，造成了地下水水位下降、水質惡化，可利用地下水資源日趨減少，制約了該綠洲的可持續發展。在這樣的背景下，彭翠華[4]對地下水水質演化進行了研究，得出地下水水質惡化的主要原因是過量開采導致高礦化咸水入侵，并通過建立地下水質預測模型，預測在不改變現有的開發利用方式和力度，該區地下水水質會不斷地惡化；姜凌等[2,5-6]對地下水化學成分的時空變異特征與演化規律進行了研究，得出地下水東北部總溶解性固體(total dissolved solids,TDS)較低，西南部較高，且自開采以來地下水TDS總體上呈增加趨勢，水體總體向咸化方向發展。

為了解腰壩綠洲地下水化學成分特征及成因，進一步為該區地下水水質評價提供數據基礎，筆者在前人研究成果的基礎上，通過野外地下水水樣采集、現場測定、實驗室測定獲得水樣化學成分，綜合運用經典統計學[7]、相關性分析[8]、Piper三線圖[9]、Gibbs圖[10]、Schoeller圖[11-12]等方法，揭示研究區地下水化學成分的演化規律、形成機制，以期為合理開發利用和保護地下水資源提供理論依據，最終為該區域生態環境和社會經濟的可持續發展提供科學保證。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

腰壩綠洲灌區位于賀蘭山西側山前洪積傾斜平原的邊緣，向西伸入騰格里沙漠，地理坐標范圍為東經105°34′～105°39′，北緯38°25′～38°36′。該區總面積為81.2 km2，是阿拉善左旗的主要農牧區。研究區深居我國西北內陸，屬典型大陸性干旱氣候，降雨稀少，蒸發強烈。據統計，該區多年平均降雨為198 mm，年內降雨多集中在6至9月份，其降雨量約占全年降雨量的70%左右；多年平均蒸發量為2 394 mm，最大蒸發量主要集中在5至7月份，約占全年總蒸發量的45%左右。

研究區地形呈東、北和南部地勢高，西部地勢低的簸箕狀。區內地下水主要來源于第四系含水巖組，在綠洲中部的厚度206 m，在綠洲外防洪壩以東厚度大于200 m，由顆粒粗大的礫石、卵礫及砂礫混合沉積物組成單一潛水區，缺乏粘土隔水層，此帶寬4～7 km。地下水位埋深大于60 m，位于賀蘭山西麓山前傾斜洪積扇的中下部，主要補給來源為賀蘭山的山前側向徑流，整體徑流方向為自東北向西南方向，在天然條件下主要以地下徑流方式向西部相鄰系統排泄。此外，西部潛水淺埋區還以蒸發方式排泄或溢出形成湖沼洼地。同時，人為開采也成為第四系孔隙水大量排泄的方式之一。井灌區主要開采由含礫中細砂、中粗砂、細砂、粗砂組成，砂層含有卵礫石或夾有卵礫石層，砂層賦存孔隙承壓水，含水層累計厚度20～40 m，該含水巖組在東側埋深約40～60 m，在中部及西部的埋深約60～70 m(圖1)。

圖1 研究區水文地質剖面圖Fig.1 Hydrogeological profile of the study area

1.2 水樣采集與分析

本研究運用遙感影像和GPS定位，設計規劃水樣采樣點分布。水樣點布設根據機井分布背景采取棋盤式的布設方法，使采樣點遍布全區，盡量遵循均勻性原則。采樣區面積為81.2 km2，每個取樣點控制面積約1.23 km2(1.11 km×1.11 km)，共采集66個水樣點，使用Surfer 11繪制采樣點示意圖(圖2)。

1.3 研究方法

本研究采用Excel軟件對數據進行基本處理和篩選，再利用SPSS 24.0軟件對水樣各化學組分進行統計分析。同時還利用Origin軟件繪制Piper圖以闡釋地下水主要陰離子和陽離子濃度關系以及推斷地下水水文地球化學相，繪制Gibbs圖用來識別控制地下水化學成分形成和演化的影響因素，分析研究區地下水主要指標的成因及來源。

圖2 研究區地下水樣品采樣點Fig.2 Groundwater sample samplingpoints in the study area

2 結果與分析

2.1 地下水化學特征

利用描述性統計分析法對研究區66組地下水樣品的測定結果進行統計分析(表1)。從表1可以看出，地下水pH值變化范圍為7.6～8.2，平均值7.9，呈弱堿性，變異系數為1.3%，呈弱變異性，說明研究區地下水pH值空間差異較小。TDS變化范圍為721.6～6 923.4 mg/L，平均值為1 773 mg/L，地下水水質整體呈微咸水，變異系數為57.9%，呈中等變異性，說明研究區地下水TDS空間差異較大。

表1 研究區地下水化學特征值描述(n=66) Table 1 Descriptive chemical statistics of groundwater in the study area(n=66)

地下水中陽離子含量為(Na++K+)>Mg2+>Ca2+，各自平均含量分別占陽離子總量的47.7%、27.9%和24.4%。從變異系數來看，Ca2+、Mg2+的變異系數分別為45.4%和52.4%，均呈中等變異性，說明研究區地下水中Mg2+、Ca2+離子含量空間差異性較大，而Na++K+的變異系數為111.3%，呈強變異性，說明研究區地下水中Na++K+離子含量空間差異非常大。

地下水總硬度平均值為786.4 mg/L，依據《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)中標準限值，該區地下水整體為Ⅴ類水(>650 mg/L)，變異系數為48.8%，呈中等變異性，說明研究區地下水總硬度空間差異較大。地下水總堿度平均值為211.8 mg/L，其變異系數為20%，呈中等變異性，說明研究區地下水總堿度空間差異較大。

根據樣品測定結果分析，研究區地下水化學類型較復雜，結合地下水化學成分Piper三線圖(圖3)可以看出，自東北(補給區)向西南(排泄區)地下水化學類型由SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·HCO3·Cl-Mg·Na型經Cl·SO4-Ca·Mg型轉化為SO4·Cl-Ca·Na型水，總體上研究區地下水以硫酸型和氯化型為主。

圖3 研究區地下水化學成分Piper三線圖Fig.3 Piper trilinear diagram of groundwater chemical composition in the study area

2.2 成因分析

表2 研究區地下水化學參數相關系數矩陣(n=66) Table 2 Correlation matrices of groundwater chemical parameters in the study area (n=66)

2)水化學空間變化趨勢分析。根據水樣測定結果，考慮東部、中部、西部分配均勻，選取有代表性的28個水樣點，繪制出表征地下水化學特征的Schoeller圖(圖4)，從圖4可以直觀分析各水樣中主要離子的質量濃度變化和水化學變化趨勢[12-13]。圖4中每條折線代表著1個水樣，同一水化學類型的水樣折線基本平行，且隨著地下水流動，水化學組分由質量濃度相對低點向質量濃度相對高點運移[14]。研究區各個地下水參數變化趨勢基本一致，表明地下水的化學演化規律基本相似[15]，也表明地下水補給來源基本一致。

圖4 研究區地下水化學特征的Schoeller圖Fig.4 Schoeller diagram of groundwater chemical characteristics in the study area

ECD:蒸發濃縮型 Evaporation concentration dominance; RWD:巖石風化型 Rock weathering dominance; APD:大氣降水型 Atmospheric precipitation dominance.

圖6 研究區地下水中主要水化學離子濃度關系圖Fig.6 Hydrochemical relationships between the main ion concentrations of groundwater in the study area

3 討 論

本研究結果顯示，研究區pH值變化范圍為7.6～8.2，呈弱堿性；TDS變化范圍為721.6～6 923.4 mg/L，呈微咸水；水化學類型自東北(補給區)向西南(排泄區)由SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·HCO3·Cl-Mg·Na型經Cl·SO4-Ca·Mg型轉化為SO4·Cl-Ca·Na型水，總體上研究區地下水以硫酸型和氯化型為主。研究區所有水樣點在Gibbs圖中均落在RWD和ECD區域內，并且多數水樣點落在ECD區域內，說明蒸發濃縮作用是控制該區地下水化學成分形成和演化的主要影響因素，其次為巖石風化作用。根據研究區水化學離子比例關系分析可知，該區地下水主要離子來源以方解石、白云石、巖鹽與石膏的溶解沉淀為主。

天然條件下地下水離子成分主要受大氣降水作用、蒸發濃縮作用和巖石風化作用控制形成。侯慶秋等[18]研究分析了內蒙古四子王旗淺層地下水離子成分形成作用，其結果表明干旱區地下水離子成分主要受蒸發濃縮作用影響。本研究區位于西北內陸，屬于典型大陸性干旱氣候，降水較少，蒸發較大，導致該區地下水離子成分形成主要受蒸發濃縮作用影響，與前人研究成果符合。

本研究僅分析了某一時間段的地下水化學成分狀況，并未考慮不同季節、不同灌水期前后地下水化學成分隨時間的變化規律及空間分布規律。因此，后續仍需進一步在時間和空間上開展地下水化學成分的研究，并對未來水質發展趨勢進行預測分析。