石羊河流域地下水化學特征及形成機制＊

孟令群，聶振龍，王 哲，劉學全

（中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北 石家莊050061；自然資源部地下水科學與工程重點實驗室，河北 石家莊050061）

石羊河流域位于巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠之間，流域的沙漠面積占68%，植被面積僅占32%，為典型的生態脆弱區[1-2]。流域屬于干旱-半干旱氣候區，隨著地表水量的逐漸減少，當地用水矛盾日益突出，地下水成為制約石羊河流域生態安全和經濟發展的重要因素[3]。地下水中的化學成分不僅可以反映地下水的來源和形成機制，還可以闡明地下水與環境的相互作用機制，進而揭示地下水對地表植被的支撐作用。因此厘清石羊河流域地下水化學特征及其形成機制，對于地下水合理開發利用具有重要的現實意義。

1 研究區概況

石羊河流域（101°41′—104°16′E，36°29′—39°27′N）是河西走廊三大內陸河流之一，流域面積4.16×104km2。流域南部祁連山區，多年平均氣溫﹣3.1～3.6 ℃，蒸發弱，潛在蒸發量1 000～1 500 mm，降水相對充沛，年降水量200～500 mm，局部高山地區年降水可達600 mm 以上。流域中部及北部為盆地區（武威盆地和民勤盆地），氣候相對干燥，多年平均氣溫7.0～9.0 ℃，明顯高于上游，降水不足，蒸發強烈，降水基本不形成地表徑流，多年平均降水量75～200 mm，平均年蒸發量2 000～2 500 mm[3]。

從流域南部祁連山開始，地層依次為三疊系砂泥巖、頁巖，其下部為二疊系砂礫巖、頁巖，經斷層與石炭系砂礫巖、頁巖、灰巖接觸，在花崗閃長巖的侵入下形成斷層，與奧陶系頁巖、灰巖、砂巖等接觸。在祁連山前與走廊平原之間隱伏分布有寬2～6 km 的中新生界“疊瓦狀”斷層帶，分別是二疊系頁巖、砂巖形成斷層堆積第四系沖洪積地層以及武威盆地南部形成的隱伏斷裂，阻隔了山區地下徑流與走廊平原地下水的水力聯系。武威盆地南部為單一大厚度的砂礫卵石層，可達300～500 m，北部漸變為雙層或多層結構的亞砂土、亞粘土夾砂礫石、砂，表層為潛水，下部為多層承壓水。

2 樣品采集與測試分析

2.1 樣品采集

樣品采樣時間為2017 年4 月至6 月，從祁連山到石羊河尾閭湖—青土湖，共采集樣品45 組，其中泉水8 組、地表水11 組、地下水26 組。水化學樣品和氫氧穩定同位素樣品的采樣瓶為聚乙烯瓶（500 mL/瓶），在取樣前先用去離子水清洗3 次，在充分抽水洗凈后進行取樣，用待采水樣清洗聚乙烯瓶2～3 次，再取滿水樣，排出空氣并用蠟膜封好瓶口。在采集樣品同時，使用德國WTW 公司multi 3420 型水質測試儀現場測試樣品pH、水溫和電導率（EC）。

2.2 樣品測試

水化學組分由自然資源部地下水礦泉水中心采用等離子體發射光譜儀iCAP6300 完成，檢測數據包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、Cl-、SO42-、NO3-、NH4+、NO2-、F-、Br、I、B、Al3+、Fe、Fe2+、Fe3+和可溶性SiO2等指標。

水中氫、氧同位素分析采用波長掃描-光腔衰蕩光譜法，使用MAT-253 質量光譜分析測定，測試結果以基于維也納平均海水（VSMOW）為標準的千分值表示，分析精密度在0.5‰以內。均由自然資源部重點開放實驗室采用完成測試。

3 結果與討論

3.1 水化學特征

河水水化學組分相對穩定，呈現穩步增高的趨勢，在祁連山中河水TDS 由源頭274.9 mg/L 增長到出山口的350.3 mg/L，在蔡旗斷面匯集景電二期黃河水（TDS為423.7 mg/L）后河水TDS 增加到565.5 mg/L，經紅崖山水庫下泄后石羊河河水變為渠水，TD S 為460.6 mg/L，并在注入青土湖后湖水TDS 為680.5 mg/L。河水陽離子也由祁連山中以Ca2+為主演變為武威盆地以Ca2+、Mg2+為主，并最終在民勤盆地青土湖演變為以Ca2+、Mg2+、Na+為主，陰離子則由祁連山中以HCO3-為主，演變為青土湖以SO42-和HCO3-為主。

泉水與河水的水化學組分基本一致，在祁連山中泉水TDS 均值為320.7 mg/L，陰離子以HCO3-為主，陽離子以Ca2+為主，呈現出大氣降水直接補給的特征；但在藥王泉熱泉，TDS 高達1 398 mg/L，陽離子以Na+為主，陰離子以Cl-和SO42-為主，水溫高達63 ℃，根據曹興山等和李立新等研究，該點熱泉水來源于祁連山深大斷裂地下水，屬于狼山—日喀則斷裂帶；在海藏寺和紅水河泉水溢出帶，泉水TDS 在538～542 mg/L之間，陽離子以Ca2+、Mg2+為主，陰離子以HCO3-和SO42-為主，與石羊河水水化學性質基本一致。

3.2 氫氧穩定同位素特征

表1 為石羊河流域地下水、地表水同位素特征，圖1 為石羊河流域不同水體的氫氧穩定同位素關系圖，石羊河當地大氣降水線采用王利書、唐澤軍的研究成果：δD=7.8δ18O+5.0。

表1 石羊河流域地下水、地表水同位素特征

圖1 石羊河流域各水體δD-δ18O 同位素關系

由表1 和圖1 可見：①石羊河流域地表水、泉水、淺層井水的δD、δ18O 值極為接近，指示出三者之間有密切的水力聯系；②所有水體均落在全球大氣降水線和當地大氣降水線附近，表明石羊河流域地下水來源于大氣降水；③深層井水的δD、δ18O 值比地表水、泉水和淺層井水貧化，民勤深層井水比武威深層井水更加貧化，指示出深層井水循環深度大、路徑長，與地表水、泉水和淺層井水不是同一期大氣降水補給；④不存在明顯的蒸發效應，只有武威盆地東緣接近騰格里沙漠的淺井，民勤盆地北部青土湖湖水和其南北兩側的淺井位于降水線右下，說明受沙漠蒸發影響，這些點位顯示出微弱的蒸發效應，與實際相符合。

3.3 基于Gibbs 圖的地下水化學成因分析

Gibbs 在統計分析全世界大量水質數據的基礎上，將天然水體的化學形成機制分為蒸發-濃縮、水-巖作用和降水主導3 種類型。

石羊河流域地下水水化學成因機制Gibbs圖如圖2所示。從Gibbs 圖中沿程地下水樣點的分布來看，總體上流域上游武威盆地地下水水化學組分的形成主要為水-巖作用主導，下游民勤盆地淺層地下水則以蒸發-濃縮作用主導。具體地，武威盆地和民勤盆地深層地下水樣點均落在水-巖作用區域，水化學組成為水-巖作用所主導；武威盆地淺層地下水部分樣點和民勤盆地淺層地下水全部樣點均落在蒸發-濃縮區域，表明其地下水學演變轉變為主要受蒸發-濃縮作用控制。尤其值得注意的是藥王泉位于水-巖作用和蒸發-濃縮作用的臨界點，指示了深大斷裂地下水的演化特征，而青土湖北機井完全位于蒸發-濃縮作用區域，指示出石羊河流域末端地下水的演化特征。

圖2 石羊河流域地下水水化學成因機制Gibbs 圖

武威盆地和民勤盆地深層地下水埋深大，徑流途徑長，因此其水化學組分的形成主要由水-巖作用控制；而淺層地下水尤其是民勤盆地淺層地下水，由于長期的開采和灌溉，導致地層中淋溶-蒸發強烈，在淺層地下水中累積大量鹽分，因此水化學組成控制作用由水-巖作用轉變為蒸發-濃縮作用，這與該地區地下水“上咸下淡”的TDS 特征相符。

3.4 基于離子比例系數地下水化學成因分析

在石羊河流域上，地下水大致沿Na/Cl 比1∶1 線（巖鹽等量溶解線）和Na/SO4比1∶1 線（芒硝等量溶解線）分布，表明巖鹽、芒硝溶解可能是沙漠地下水演化過程中化學組分的重要來源。但是大部分地下水點高于巖鹽，并低于芒硝1∶1 等量溶解線，Na+含量高于Cl-含量，低于SO42-含量，尤其是在低礦化度水中更為顯著，表明石羊河地下水中除了巖鹽溶解還有其他的硫酸鹽溶解，或者是發生了陽離子交換吸附，Na+經過交換吸附進入地下水中。

地下水大致沿Ca/SO4比1∶1 線（石膏等量溶解線）分布，表明石膏溶解是石羊河地下水中硫酸鹽溶解的重要來源，圖2（b）中多余的SO42-來源于石膏的溶解。

地下水的分布與Ca/HCO3比1∶1 線和1∶2 線均不符合，二者之間相差較大，表明在石羊河第四系地層中文石、方解石的溶解較少，不是地下水溶解過程中的主要貢獻者。

石羊河[（Ca2++Mg2+）－（HCO3-+SO42-）]與[（Na++K+）－Cl-]關系，地下水點沿原點右側的[（Ca2++Mg2+）－（HCO3-+SO42-）]與[（Na++K+）－Cl-]關系擬合線（擬合方程y=﹣0.93x－0.52，R2=0.97）分布，指示出在地下水徑流過程中發生了陽離子交換吸附，地層中的Na+被釋放，Ca2+被吸附。在這一反應的控制下，地下水在石膏溶濾過程中產生的Ca2+與Na+離子交換吸附，導致Ca2+濃度降低，Na+濃度升高，出現圖2（a）中巖鹽溶濾過程中Na+高于1∶1 等量溶解線。

4 結論

石羊河流域淺層地下水的TDS 大于深層地下水TDS，形成了“上咸下淡”的規律，尤其是民勤盆地淺層地下水TDS 遠大于深層地下水TDS。淺層地下水在水-巖作用的基礎上，有向蒸發-濃縮型演化的趨勢，在民勤盆地尤其明顯；深層地下水主要受水-巖作用控制，蒸發-濃縮作用影響有限。

石羊河地下水在徑流過程中，SO42-和Na+、Mg2+逐漸增多，由HCO3·SO4-Ca 型水向SO4·HCO3-Na·Mg·Ca型水演變；在民勤盆地由于淺層地下水惡化嚴重，深層地下水徑流緩慢，地下水進一步向徑流末端的SO4·Cl-Na·Mg 型和SO4·Cl-Na 型水演變。

石羊河地下水在徑流過程中經歷了巖鹽（NaCl）和石膏（CaSO4·2H2O）的溶濾作用，以及Na+和Ca2+的交換吸附作用，可能還發生了芒硝（Na2SO4·10H2O）的溶解作用。隨著TDS 的不斷升高，溶解度小的鈣、鎂的重碳酸鹽部分析出，SO42-、Cl-、Na+逐漸成為主要成分。