南北疆典型綠洲水化學特征差異與時空變化規律分析

摘要 利用水化學指標、離子含量特征、Piper圖、Gibbs圖、主要離子比例關系和USSL圖法，以中國西北干旱區新疆南（策勒）北（阜康）2個綠洲為例，對2005—2019年天然水體的水化學特征進行分析。結果表明：2005—2019年阜康地下水離子濃度與溶解性固體總量（TDS）波動較大，總體呈下降趨勢，地表水離子含量變化并不明顯；2個綠洲區的TDS與其他各離子含量之間均存在較好的相關性，天然水體的礦化度主要由Na+與SO 4^2-控制。策勒水化學類型為Na+-Cl-型和混合型，阜康水化學類型為Ca²⁺-HCO 3-、Na+-Cl-型和混合型；阜康的流動地表水主要受碳酸鹽巖風化的影響，靜止地表水受硅酸鹽巖的風化作用的影響，硅酸鹽巖和蒸發鹽巖的風化是地下水組分的主要控制因素；策勒的地表水和地下水化學組分均受硅酸鹽巖與碳酸鹽巖風化的影響。

關鍵詞水化學；時空變化規律；Piper圖；水-巖相互作用；離子比；干旱區綠洲

中圖分類號P641.3"文獻標識碼A"文章編號0517-6611（2025）01-0063-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.014

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

WaterChemicalCharacteristicsandSpatio-temporalVariationofTypicalOasesinSouthernandNorthernXinjiang—TakeCeleandFukangforExample

MA Yu LIU Xiao-long ³，ZHANG Peng-wei1 et al

（1.UrumqiComprehensiveSurveyCenteronNaturalResources，CGS，Urumqi，Xinjiang830046;2.WuhanCenterofGeologicalSurvey，CGS，Wuhan，Hubei430205;3.ResearchCenterofGraniticDiagenesisandMineralization，CGS，Wuhan，Hubei430205）

Abstract The hydrochemical characteristics of natural water bodies from 2005 to 2019 were analyzed by using water chemical indexes，ion content characteristics，Piper chart，Gibbs chart，major ion proportion relationship and USSL chart，taking two oases in the south （Cele） north （Fukang） of Xinjiang in the arid region of northwest China as examples.The results showed that from 2005 to 2019，the groundwater ion concentration and total dissolved solids （TDS） fluctuated greatly，and a decreasing trend in solids，while surface water ion content did not change significantly.There was a good correlation between TDS and the content of ions in the two oases.The salinity of natural water was mainly controlled by Na+ and SO 4^2-.The hydrochemical types of Cele were Na+-Cl- type and mixed type，while those of Fukang were Ca²⁺ -HCO 3-，Na+-Cl- type and mixed type.The flowing surface water in Fukang was mainly affected by the weathering of carbonate rocks，and the weathering of silicate rocks had a great influence on the static surface water.The weathering of silicate rocks and evaporative rocks was the main control factor for the composition of groundwater.The chemical composition of surface water and groundwater in Cele was mainly affected by the weathering of silicate rocks and carbonate rocks.

KeywordsWaterchemistry;Spatiotemporalvariationlaw;Piperchart;Water-rockinteraction;Ionratio;Oasisinaridareas

基金項目中國地質調查局地質調查項目（DD20220962）。

作者簡介馬玉（1995—），女，新疆烏魯木齊人，工程師，碩士，從事水工環地質調查與研究工作。*通信作者，正高級工程師，碩士，從事水工環地質調查與研究工作。

水化學調查是研究流域水循環的基礎，流域內地表水與地下水存在相互水力聯系，地表水、地下水的水化學組成分析結果，可作為水資源評價的依據，并有利于區域水文地質的發展和對水文地球化學的預測^［1-2］。有研究表明，西北內陸地表水的水量與水質發生了時空的改變，同時與地表水系密切相關的地下水環境特征也發生明顯的變化^［3-4］。近年來，眾多學者關注干旱半干旱區的天然水體水化學組分及其成因^［5］，該地區降水稀少，河流水化學成分主要受流經區域地質巖性^［6］、人類活動^［7］的影響；其次，地表水水化學特征還與地下水的相互轉換有關^［8］，一般來說，水-巖石相互作用會導致礦物質的溶解，從而引起地下水化學性質的變化，而天然水體的離子構成是識別和確定地下水水體化學特征及其控制端元的重要影響因素^［9］。因此，了解西北干旱區重要水源的水化學特征及演化規律對綠洲區生態系統穩定和人類生產生活的保障都極為重要。

策勒綠洲和阜康綠洲是南北疆典型的山地綠洲，分別位于塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠邊緣，具有生態環境惡劣、缺水情況嚴重的特點^［10］，綠洲水源主要靠昆侖山和天山冰雪融化補給^［11］，平原區含水層結構均為以卵礫石為主的第四系松散堆積物，且含水層厚度大、富水性強。受到氣候變化、人口增長、過度放牧和過度開荒等因素的干擾，當地居民大量開采地下水和抽取河流水使用，這給當地水資源的可持續發展帶來了巨大的壓力^［12］。而摸清干旱區的水質變化規律是該區水資源管理的核心，這對當地產業發展、資源合理利用和生態環境的改善具有重要意義。

截至目前，盡管對新疆水資源演變的猜測不斷，由于水化學數據較少，對河流的水文地球化學認識不足，且研究針對的區域集中在單個含水系統中，還不清楚與其他干旱地區的類似系統相比如何。因此展開長時間尺度的南北疆典型干旱荒漠綠洲的地表水和地下水水化學特征綜合研究，探討2005—2019年天然水體的水質變化趨勢，其分析結果可為西北干旱荒漠綠洲的水資源合理利用及可持續發展提供依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

策勒綠洲位于塔克拉瑪干沙漠南緣和昆侖山北麓之間（圖1），地理位置為80°03′～82°10′E、35°17′～39°30′N，屬典型內陸暖溫帶荒漠氣候，夏季炎熱，干旱多風少雨，日照時間長，晝夜溫差大，多年平均降水量35.1mm，多年平均蒸發量2600mm。主要土壤類型為風沙土、棕漠土、灌淤土與鹽土，過渡帶內的植被單調。綠洲內呈現典型干旱區洪積扇地下水流特征，流向為由南向北，與地表徑流方向一致。地下水埋深小于50m，富水性好，含水層特征為第四系砂卵礫石單一孔隙潛水含水層。

阜康綠洲位于準噶爾盆地東南部，博格達山北麓低山-丘陵地帶（圖1），地理位置為87°46′～88°44′E、43°45′～45°30′N，屬于典型的大陸干旱型氣候，夏季炎熱干燥，冬季寒冷多風，多年平均降水量220mm，多年平均蒸發量1817mm。阜康南部山體高峻，濕潤的西風帶侵入后，山地降水增多，高山發育冰川，中山形成森林，最終形成徑流流入荒漠。含水層特征為從山前傾斜平原到沖洪積細土平原區，含水層由單

一結構潛水向上層潛水-下層承壓水或多層結構含水層逐漸變化。

1.2樣品采集與測試

1.2.1樣品采集。

數據來源于中國生態系統研究網^［13］，

2005—2019年在南疆策勒和北疆阜康2個研究區分別進行采樣（圖2），采樣信息如表1所示。

采樣前，先將預先滅菌的聚乙烯瓶和瓶蓋用水樣潤洗3遍后采樣，水井采樣用水泵抽取15min后采取水樣，再將水樣用0.45μm的微孔濾膜過濾，其中用于陽離子分析的樣品使用硝酸酸化至pHlt;然后將水樣置于冷藏箱中低溫保存。采樣全過程嚴格依據《地下水環境監測技術規范》（HJ/T164—2020）進行，水樣測試分析由中國科學院新疆生態與地理研究所生態與環境分析測試中心完成。

1.2.2樣品測試。

測試項目為離子含量（K+、Na+、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO 3-、Cl-、SO 4^2-）、電導率（EC）、溶解性固體總量（TDS），且各離子的測試精度均為0.01 mg/L。K+、Na+、Ca²⁺、Mg²⁺含量采用火焰原子吸收分光光度法測定，HCO 3-含量采用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定，Cl-、SO 4^2-含量采用離子色譜儀測定，EC用電導率儀在采樣現場測取，TDS采用干燥-重量法測定。

1.3數據處理

Piper圖的三線性分類系統根據主要陽離子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na+和K+）和陰離子（HCO 3-、Cl-、SO 4^2-）的毫升當量值來確定不同巖石風化作用對地下水離子濃度的相對貢獻程度。利用Gibbs圖的半對數坐標圖解可以探究區域水體溶解化學成分的功能來源^［14］。Gibbs將天然水體重要的自然機制作用歸為大氣降水、巖石風化和蒸發-結晶3種，它們控制著地下水的主要離子化學^［15］。在Gibbs圖中，TDS值分別與Na+/（Na++Ca²⁺）值和Cl-/（Cl-+HCO 3-）值在不同的圖中進行繪制。Gaillardet端元圖是由大量水化學數據樣本建立出的基于鈉離子歸一化摩爾比的計算模型，河水溶質的物源通過繪制蒸發鹽巖、硅酸鹽巖和碳酸鹽巖端元圖來識別^［16］。通常用水體中Mg²⁺/Na+、Ca²⁺/Na+和HCO 3-/Na+含量的比值來研究水體和各種巖體之間的相互作用^［17］。

該研究所有數據處理在MicrosoftExcel2021軟件中進行，數據分析使用Origin2021b軟件，制圖使用ArcMap10.2軟件完成。

2結果與分析

2.1水化學參數特征

從圖3可以看出，北疆阜康和南疆策勒2個地區水化學特征存在明顯的差異。其中，在阜康地區，2005—2019年地下水離子濃度變化波動大，而地表水離子濃度自2006年后變化并不明顯，地下水離子濃度明顯均高于地表水。該區域地下水的TDS均值高于世界河流的TDS均值（115mg/L），也超過《地下水質量標準》（GB/T14848—2017）中Ⅲ類水TDS限值（1000mg/L）。

在策勒地區，地表水與地下水離子濃度變化相差較小。總體來看，策勒的陽離子Ca²⁺、K+濃度呈波動變化，且變化較為明顯，陰離子Cl-、HCO 3-有較小的變化，Mg²⁺、Na+、SO 4^2-在地表水和地下水中較為穩定，而TDS基本不變，維持在略高于阜康地表水的水平值上。

通過對比發現，2個地區地下水和地表水中主要陽離子的濃度由高到低依次為Na+＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞K+，主要陰離子濃度由高到低依次為SO 4^2-＞Cl-＞HCO 3-。阜康地下水中的Mg²⁺、Na+、Cl-、SO 4^2-濃度和TDS明顯高于策勒，而阜康地表水中的Ca²⁺、Mg²⁺、K+、Cl-、SO 4^2-濃度低于策勒。2005—2007年策勒的地表水與地下水的K+均劇減至10 mg/L。2010—2013年阜康的地下水離子變化幅度較大，策勒流動地表水的Ca²⁺濃度在2012年達到峰值。

2.2離子相關性分析

離子相關性分析能較好地掌握水化學特征，并確定地下水來源的相似性與差異性^［18］。從圖4可以看出，在南疆策勒地區，Cl-和SO 4^2-與除Ca²⁺之外的各陽離子相關性顯著（ P lt;0.05），與Na+相關性最高，相關系數分別達到了0.62和0.70，HCO 3-與Mg²⁺相關性最高，表明其具有相似的來源；在北疆阜康地區，Cl-和SO 4^2-與其他離子的相關性與南疆相似，也是與Na+的相關性最高，相關系數分別達到了0.96和0.95，相關性顯著程度高于策勒地區，HCO 3-與Na+相關性最高，表明其具有相似的來源。TDS和各離子之間的相關關系能較好地反映出天然水體的成因，2個地區的TDS與各離子含量之間均存在較好的相關性，其中與SO 4^2-、Cl-、Na+相關性較高，這說明天然水體的礦化度由Na+與SO 4^2-控制。

2.3水化學類型

由圖5可知，南疆策勒地區和北疆阜康地區的陽離子主要靠近Ca²⁺端元，陰離子主要靠近HCO 3-端元，表明其受到碳酸鹽風化的影響。

Piper圖將菱形區域劃分成9個區域，分別指示9種水化學類型，也根據優勢陰、陽離子是否超過50%而劃分成Ca²⁺-HCO 3-型、Ca²⁺-SO 4^2-型、Na+-Cl-型、Na+-HCO 3-型、混合型（無一對陰、陽離子大于50%），對應Piper圖菱形區域中的5、6、7、8和9區^［2］。南疆策勒地區離子主要集中在第7、第9區域，表明該區域水化學類型主要是Na+-Cl-型和混合型；北疆阜康地區離子主要集中于第5、第7、第9區域，表明該區域水化學類型主要是Ca²⁺-HCO 3-型、Na+-Cl-型和混合型。南北疆地區相比而言，北疆地區水化學類型比南疆地區復雜，這與2個地區的氣候環境差異密切相關。

2.4基于Gibbs圖水化學分析

由圖6可知，南疆策勒地區的天然水體主要受到巖石風化控制影響，且有少部分位于Gibbs圖之外，表明人類活動和陽離子交換吸附作用對其也有影響；而北疆阜康地區的天然水體受到控制的因素特征明顯，地表水主要受巖石風化控制，而地下水主要受到蒸發結晶的控制作用。

2.5Gaillardet端元圖分析

由圖7可知，在北疆阜康地區，流動地表水主要分布在碳酸鹽巖和硅酸鹽巖端元之間，更靠近碳酸鹽巖端元，表明流動地表水主要受碳酸鹽巖風化的影響；靜止地表水更靠近硅酸鹽巖端元，表明硅酸鹽巖的風化作用對靜止地表水影響較大，且逐年的離子比值差異較大；荒漠地下水和耕地地下水離子比值主要分布在蒸發鹽巖和硅酸鹽巖端元之間，表明硅酸鹽巖的風化和蒸發鹽巖的溶解是地下水組分的主要控制因素。在南疆策勒地區，地表水和地下水主要靠近硅酸鹽巖和碳酸鹽巖端元，說明地表水和地下水化學組分主要受硅酸鹽巖與碳酸鹽巖風化的共同影響，硅酸鹽巖風化作用對水化學組分的影響程度比碳酸鹽巖大。

2.6基于離子比及離子來源的分析

Na++K+與Cl-含量的比值等于 則說明水中化學成分主要來自蒸發鹽巖的溶解^［19］。圖8顯示，北疆阜康地區的離子樣品均位于1∶1等值線左上方，表明Na++K+與Cl-相比是過剩的；而南疆策勒地區的離子樣品主要分布在1∶1等值線兩側，說明其化學成分可能與蒸發鹽巖的溶解有關，而荒漠地下水、流動地表水和耕井地下水樣品離子比值特別接近1∶1等值線，則說明蒸發鹽巖的溶解對其化學成分有更大的影響。

從HCO 3-+SO 4^2-與Ca²⁺+Mg²⁺的比值來看，如樣品離子比值位于1∶1等值線上，則說明Ca²⁺和Mg²⁺來源于硅酸鹽巖、蒸發鹽巖風化溶解和碳酸鹽巖溶解的綜合作用；位于1∶1等值線右下方的樣品可能含有源于碳酸鹽巖溶解的Ca²⁺和Mg²⁺；而位于1∶1等值線左上方的樣品更可能含有源于硅酸鹽風化的Ca²⁺和Mg^2+［20］。北疆阜康的地表水和地下水樣品主要位于1∶1等值線的左上方，沒有過度偏離，表明Ca²⁺和Mg²⁺來源于硅酸鹽巖石的溶解和蒸發。然而，南疆策勒的靜止地表水、流動地表水和耕井地下水樣品偏離了1∶1等值線的右下方，表明天然水體溶解了部分碳酸鹽巖石；較多的樣品點位于1∶1等值線以上，說明反向離子交換作用在研究區域存在較少。

總體來看，地表水和地下水樣本在離子關系圖上的分布表明，水中離子的主要貢獻靠硅酸鹽巖和蒸發鹽巖的溶解，而碳酸鹽巖的溶解作用并不顯著。

3討論

南疆策勒和北疆阜康2個不同地區水化學類型除了與當地的巖性特征和礦物組成有關外，還可能與氣候要素，特別是與蒸發密切相關^［21］。南疆的降水量明顯低于北疆，而蒸發量又明顯高于北疆，蒸發對地表水和淺層地下水的水化學組成及其演變產生重要影響，類似的水化學組成特征在中國北方其他區域也比較普遍。例如，位于中國西部塔克拉瑪干沙漠的淺層地下水，由于蒸發強烈，水化學類型主要為Na+-Cl-型^［22］。而位于靠近北疆的哈密等區域的淺層地下水，由于蒸發量較小，其淺層地下水為Ca²⁺-HCO 3-型^［23］。南疆策勒與塔克拉瑪干沙漠邊緣地區具有相似的蒸發量，這可能是造成其同類水體具有相同水化學類型的重要原因。由Piper圖推測，在全球氣候變暖的背景下，如果北疆阜康地區降水量持續減少而蒸發量不斷增大，則其Ca²⁺-HCO 3-型天然水體演變為南疆區域Na+-Cl-型水體或過渡類型水體的可能性將增大，可能對當地生態環境和人類生存產生不利影響。南疆策勒地區的地表水和地下水都受到巖石風化的控制作用影響，這可能是因為南疆獨特的氣候因素導致的^［24］，南疆各個區域的氣候、蒸發等環境差異不明顯，區域具有相似的環境特征，而所采樣的地區基本上都是在綠洲范圍內，從而導致地下水和地表水的水化學控制因素相似。北疆阜康地區地表水主要受到巖石風化控制作用影響，這可能是由于采樣地區主要靠近準噶爾盆地中部的低地形區（荒漠區）^［25］，這片區域補給徑流條件相對較好、蒸發相對弱，徑流緩慢使水-巖相互作用更加充分，后形成以溶濾作用為主導因素的低TDS水，從而被巖石風化作用影響^［26］；而地下水采樣區域主要靠近古爾班通古特沙漠邊緣，在這片區域地下水較弱補給、蒸發強烈和埋深較淺等原因會形成以蒸發濃縮作用為主導因素的高TDS水，從而受到蒸發濃縮控制作用。北疆天然水化學組分主要受控于碳酸鹽巖和蒸發鹽巖風化，南疆天然水主要受控于碳酸鹽巖、硅酸鹽礦物及蒸發鹽巖風化，這與該研究的結論基本一致。

因此，針對南北疆地表水、地下水化學特征的差異，可以制定不同的水資源管理策略，同時也要注重過度開采導致的地下水位變化的問題，從而維護綠洲的生態屏障功能。

4結論

該研究通過構建圖形指標法對南疆策勒綠洲和北疆阜康綠洲為期15年的地表水與地下水水化學特征進行分析，得出以下結論：

（1）2005—2019年，阜康地下水離子濃度與TDS波動較大，總體呈下降趨勢，地表水離子濃度變化并不明顯；策勒地表水和地下水的Ca²⁺、K+濃度變化較為明顯，而Cl-、HCO 3-變化較小，Mg²⁺、Na+、SO 4^2-與TDS較為穩定。2個地區的Cl-和SO 4^2-均與其他離子相關性較好，其中與Na+的相關性最高；TDS與各離子含量之間均存在較好的相關性，其中與SO 4^2-、Cl-、Na+相關性較高。

（2）受地區蒸發量差異的影響，策勒和阜康不同類型水體的水化學類型不同，策勒的天然水體主要水化學類型為Na+-Cl-型和混合型，阜康天然水體水化學類型主要是Ca²⁺-HCO 3-、Na+-Cl-型和混合型，符合南北疆水化學類型差異性特征。

（3）北疆阜康地區的天然水體受到控制的因素特征明顯，地表水主要受巖石風化控制，其中流動地表水主要受碳酸鹽巖風化的影響，靜止地表水受硅酸鹽巖的風化作用影響；地下水主要受硅酸鹽巖和蒸發鹽巖的風化控制。南疆策勒地區的天然水體主要受到巖石風化控制影響，主要受硅酸鹽巖與碳酸鹽巖風化的共同影響，且硅酸鹽巖風化作用對水化學組分的影響程度更大。

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