江宇威 李巧 陶洪飛 馬合木江·艾合買提

摘要：了解地下水水化學(xué)特征及其成因，有助于評(píng)估地下水水質(zhì)、識(shí)別污染源、制定水資源管理策略，保障人類健康和環(huán)境?；?017年和2023年在新疆奎屯河流域相同點(diǎn)位采集的共78組地下水水樣，采用Piper三線圖、Gibbs圖、飽和指數(shù)（SI）和離子比值法分析該區(qū)域地下水特征及成因。結(jié)果表明：① 奎屯河流域2023年地下水水化學(xué)特征類型相較于2017年趨于集中，陽離子和陰離子分別向Na型和Cl型轉(zhuǎn)化。② 山前洪積傾斜礫質(zhì)平原和沖洪積細(xì)土平原主要受巖石風(fēng)化作用控制，沖湖積細(xì)土平原主要受蒸發(fā)濃縮作用控制且有增強(qiáng)的趨勢。中下游細(xì)土平原的離子組分主要來源于蒸發(fā)巖溶解且有增強(qiáng)的趨勢，山前洪積傾斜礫質(zhì)平原的離子組分主要源于碳酸鹽和硅酸鹽礦物溶解。下游沖湖積細(xì)土平原受陽離子交替吸附作用較強(qiáng)，導(dǎo)致Na⁺濃度上升?？秃恿饔虻叵滤x子在沖洪積細(xì)土平原北部和沖湖積細(xì)土平原出現(xiàn)富集，部分指標(biāo)已超過中國飲用水標(biāo)準(zhǔn)，且已有10%的水樣不適合灌溉。研究成果可為奎屯河流域地下水合理利用以及防治提供參考。

關(guān) 鍵 詞：地下水；水化學(xué)特征；空間分布；成因分析；飽和指數(shù)；奎屯河流域

中圖法分類號(hào)：X523;P641.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.009

0 引 言

地下水化學(xué)成分形成是多種水文地球化學(xué)過程相互作用的結(jié)果，包括巖石的溶解沉淀、地下水和巖石土壤之間的離子交換、人類活動(dòng)和人為輸入污染物等^［1］。西北干旱半干旱地區(qū)水資源匱乏，地下水是當(dāng)?shù)孛癖娚詈徒?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐，其水化學(xué)特征對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)灌溉以及日常用水的影響重大。研究地下水的化學(xué)特征及組成，有助于了解地下水的起源、補(bǔ)給機(jī)制和水質(zhì)演變規(guī)律，可以更有效地進(jìn)行水資源規(guī)劃、管理和可持續(xù)利用^［2］。

對(duì)新疆奎屯河流域地下水水化學(xué)組成及其成因的探討具有特殊意義。首先，奎屯河流域內(nèi)的烏蘇市經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、人口密集且產(chǎn)業(yè)集中，農(nóng)業(yè)作為三大經(jīng)濟(jì)支撐之一，其用水主要來源于地下水。因此，對(duì)該地區(qū)地下水水化學(xué)組成及其成因的研究，有助于判別地下水灌溉適宜性以及種植作物類別，具有明確的實(shí)用價(jià)值。其次，奎屯河流域?qū)儆诘湫偷母呱榈叵滤植紖^(qū)域，砷元素通過直接飲用或作物吸收間接進(jìn)入人體，危害人體健康。而地下水中鐵錳氧化物還原、SO^2-₄的還原和硫化礦物沉淀等均會(huì)對(duì)砷含量產(chǎn)生影響^［3］。因此，研究地下水水化學(xué)組成及其成因，可以為研究區(qū)后續(xù)探究砷氟環(huán)境形成機(jī)制提供一定參考。

前人對(duì)奎屯河流域地下水水化學(xué)特征及成因研究較多，江軍等^［4］在研究砷遷移規(guī)律時(shí)，分析了2017年水化學(xué)特征及礦物飽和指數(shù)；劉亞楠等^［5］在研究地下水及沉積物化學(xué)組分特征對(duì)氟釋放的影響時(shí)，分析了2017年地下水化學(xué)成因機(jī)制。張福初等^［6］研究較為系統(tǒng)，分析了2019年以前全流域不同地貌下的水化學(xué)特征及成因。以上學(xué)者對(duì)該區(qū)域的研究未涉及時(shí)間變化特征分析，且研究時(shí)間較早。近年來氣候變暖，水資源總量增加和氣溫升高等因素會(huì)影響淺層水化學(xué)特征及成因。因此，針對(duì)相同點(diǎn)位、不同時(shí)期水化學(xué)組成變化的研究可以精確分析地下水水化學(xué)特征變化的程度及可能原因，對(duì)水資源合理利用具有參考意義。

本文在2017年采集39組地下水樣的基礎(chǔ)上，于2023年在相同點(diǎn)位重新采集。采用Piper三線圖、Gibbs圖、礦物指數(shù)、離子比值法和氯堿指數(shù)分析水化學(xué)特征、空間分布和水化學(xué)成因，并對(duì)比分析其變化，以期為后續(xù)的砷氟成因規(guī)律探討提供基礎(chǔ)參考，為研究區(qū)地下水的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

奎屯河流域坐落于新疆天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地西南部。地處83°22′E～85°47′E，43°30′N～47°04′N。東西寬度約160 km，南北長度約240 km，總面積達(dá)2.83萬km²。氣候類型為溫帶大陸性干旱氣候，具有少雨、高蒸發(fā)和大溫差等特點(diǎn)，年均降水量為162.6 mm，年均蒸發(fā)量為1 208.3 mm。

研究區(qū)高程范圍在247～1 210 m之間，地勢有南高北低、東高西低的特點(diǎn)。隨著地勢由南向北降低，地貌逐漸從洪積傾斜礫質(zhì)平原轉(zhuǎn)變?yōu)闆_洪積細(xì)土平原（圖1），最后演變?yōu)闆_積湖積細(xì)土平原。烏伊公路以南區(qū)域?yàn)樯角昂榉e傾斜礫質(zhì)平原，巖性為卵礫石或砂礫石，地下水類型為單層潛水且潛水埋深大于20 m。作為研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給區(qū)，該區(qū)域主要接收山區(qū)地下水的側(cè)向補(bǔ)給，以及河道水、洪水、渠系水滲漏。烏伊公路以北至一二三團(tuán)區(qū)域?yàn)闆_洪積細(xì)土平原，巖性為砂礫石、砂和黏性土，地下水類型為多層潛水-承壓水^［7］，潛水埋深一般小于5 m。該區(qū)域主要接收山前洪積傾斜礫質(zhì)平原的側(cè)向補(bǔ)給，以及灌區(qū)內(nèi)的滲漏補(bǔ)給。一二三團(tuán)以北為沖湖積細(xì)土平原，巖性為粉細(xì)砂以及黏土，地下水類型為多層潛水-承壓水，潛水埋深一般小于10 m，主要接收沖洪積細(xì)土平原的側(cè)向補(bǔ)給。由于潛水位埋藏淺且蒸發(fā)蒸騰作用強(qiáng)，導(dǎo)致該區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)地下水主要排泄區(qū)^［8］。

2 材料與方法

2.1 水樣采集與分析

本次研究使用的水樣為2017年6月于奎屯河流域已有機(jī)井采集的39組水樣和2023年7月于原位點(diǎn)采集的39組水樣，采樣點(diǎn)分布見圖1。水樣的采集、保存及送樣過程嚴(yán)格按照HJ/T 164-2004《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》^［9］的要求執(zhí)行。樣品的測試由新疆地礦局第二水文地質(zhì)大隊(duì)化驗(yàn)室完成，測試項(xiàng)目包括可溶性鹽濃度（EC）、氧化還原電位（Eh）、pH、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、總?cè)芙夤腆w（TDS）、總硬度（TH）、Cl^-、SO^2-₄、HCO^-₃、NO^-₃、F^-、As。運(yùn)用陰陽離子平衡法計(jì)算可知，所有水樣數(shù)據(jù)的電荷平衡絕對(duì)誤差均小于5%，為可靠數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

研究區(qū)沖洪積細(xì)土平原和沖湖積細(xì)土平原的地下水類型按埋深劃分為烏伊公路以南的地下水均為潛水^［7］、烏伊公路以北井深小于100 m為淺層承壓水、大于100 m為深層承壓水。研究過程中使用的散點(diǎn)圖基于Origin 2018繪制，空間分布圖基于ArcMAP 10.2繪制，Gibbs圖基于Excel 2010繪制。

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水水化學(xué)特征

3.1.1 地下水水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)分析

2017年水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表1），pH范圍為7.04～9.00，承壓水整體為弱堿性至堿性。溶解性總固體（TDS）范圍為114.48～11 632.96 mg/L，其中淡水（TDS<1 000 mg/L）和微咸水（1 000 mg/L≤TDS<3 000 mg/L）分別占比74%和15%?？傆捕龋═H）范圍為18.10～3 639.51 mg/L，其中軟水（75 mg/L450 mg/L）分別占比33.30%和30.76%。水的硬度主要由鈣離子（Ca²⁺）和鎂離子（Mg²⁺）含量決定，離子組分Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO^2-₄的變異系數(shù)較大，存在較強(qiáng)的空間異質(zhì)性。主要陽離子平均濃度排序?yàn)镹a⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺，主要陰離子平均濃度排序?yàn)镾O^2-₄>Cl^->HCO^-₃。

2023年水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表2），pH范圍為7.18～9.21，極值上升但均值明顯下降。淡水和微咸水分別占比69.2%和17.4%，微咸水占比呈現(xiàn)增長趨勢。軟水和極硬水分別占比28.20%和30.76%，極硬水占比未發(fā)生變化，部分軟水向微硬水轉(zhuǎn)化。陰陽離子平均濃度排序未出現(xiàn)變化。相較2017年，淺層承壓水主要水化學(xué)組分明顯增大，按平均濃度的增長幅度排序?yàn)镃l^-（137.47%）>SO^2-₄（67.72%）>Na⁺（37.09%）>TDS（26.11%）>HCO^-₃（17.96%）>Ca²⁺（13.92%）>TH（10.14%）>Mg²⁺（-6.31%）>K⁺（-46.87%）。深層承壓水主要水化學(xué)組分明顯降低，按平均濃度的增長幅度排序?yàn)镃a²⁺（3.55%）>HCO^-₃（2.64%）>K⁺（-8.37%）>Cl^-（-12.63%）>Na⁺（-19.02%）>TDS（-21.91%）>SO^2-₄（-25.39%）>TH（-27.37%）>Mg²⁺（-55.52%）。

3.1.2 水化學(xué)特征

Piper三線圖^［10］是根據(jù)地下水樣品的離子組成和濃度比例進(jìn)行分類，通過圖中不同區(qū)域的分布確定地下水水化學(xué)類型（圖2）。 圖2中的菱形區(qū)域被劃分為5，6，7，8，9區(qū)，依次對(duì)應(yīng)Ca-HCO₃型、Ca-SO₄型、Na-Cl或Na-SO₄型、Na-HCO₃型和混合型。三角形區(qū)域被劃分為A、B、C、D、E、F、G區(qū)，依次對(duì)應(yīng)Ca型、無主導(dǎo)型、Mg型、Na型、HCO₃型、SO₄型和Cl型。

從水化學(xué)類型看，2017年淺層承壓水集中分布在7區(qū)和9區(qū)，表明水化學(xué)類型主要為Na-Cl型、混合型或Na-SO₄型。潛水分布在5區(qū)，水化學(xué)類型為Ca-HCO₃型。深層承壓水在5，7，9區(qū)均有分布，水化學(xué)類型為Ca-HCO₃型、Na-Cl型或Na-SO₄型、混合型。2023年水化學(xué)類型分布和2017年類似，但出現(xiàn)5區(qū)向7區(qū)和9區(qū)轉(zhuǎn)化的趨勢，即部分Ca-HCO₃型向Na-Cl型或Na-SO₄型、混合型轉(zhuǎn)化。

從陽離子看，2017年淺層承壓水陽離子集中分布在B和D區(qū)，表明優(yōu)勢陽離子為無主導(dǎo)型和Na型。潛水分布在A區(qū)，表明優(yōu)勢陽離子為Ca型。深層承壓水陽離子集中分布在A，B，D區(qū)，表明優(yōu)勢陽離子為Ca型、無主導(dǎo)型和Na型。2023年淺層承壓水陽離子集中分布在D區(qū)，表明5 a間Ca型向Na型轉(zhuǎn)化。潛水和深層承壓水的陽離子分布變化不大。

從陰離子看，2017年淺層承壓水和深層承壓水陰離子均集中分布在B，E，F(xiàn)區(qū)，表明優(yōu)勢陰離子為無主導(dǎo)型、HCO₃型和SO₄型。潛水分布在E區(qū)，優(yōu)勢陰離子為HCO₃型。2023年淺層承壓水出現(xiàn)B區(qū)向F區(qū)和G區(qū)遷移的趨勢，表明無主導(dǎo)型在向SO₄型和Cl型轉(zhuǎn)化。潛水和深層承壓水陰離子均出現(xiàn)E區(qū)向B區(qū)和G區(qū)遷移，表明部分HCO₃型向無主導(dǎo)型和Cl型轉(zhuǎn)化。

3.2 地下水中主要離子空間分布

基于ArcGIS軟件中的克里金插值法繪制研究區(qū)地下水優(yōu)勢離子空間分布圖（圖3）。除Ca²⁺外，其余指標(biāo)根據(jù)GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定分為5類，其中，Ⅰ～Ⅲ類水適合飲用，Ⅵ～Ⅴ類水不適合飲用。根據(jù)2023年的數(shù)據(jù)可以得出，TDS、SO^2-₄和Cl^-的高值區(qū)集中于一二六團(tuán)南部、一二三團(tuán)、車排子鎮(zhèn)南部、一二五團(tuán)北部、一二九團(tuán)北部和甘河子鎮(zhèn)。在一二七團(tuán)L9樣本點(diǎn)和一二六團(tuán)L2樣本點(diǎn)出現(xiàn)多項(xiàng)指標(biāo)異常值，TDS分別為7 262.00 mg/L和6 204.00 mg/L，Cl^-濃度分別為2 269.71 mg/L和1 808.67 mg/L，Na⁺濃度分別為1 734.41 mg/L和1 421.51 mg/L，SO^2-₄濃度分別為2 605.96 mg/L和2 029.03 mg/L。對(duì)比2017年和2023年兩期數(shù)據(jù)，包括西湖鎮(zhèn)、八十四戶鄉(xiāng)、西大溝鎮(zhèn)和九間樓鄉(xiāng)在內(nèi)的上游地區(qū)，主要離子濃度維持在較低水平，未出現(xiàn)明顯變化。中下游地區(qū)的一二三團(tuán)、古爾圖鎮(zhèn)和一二六團(tuán)變化較明顯且規(guī)律相似。TDS、SO^2-₄、Cl^-三項(xiàng)指標(biāo)呈明顯增長趨勢，大面積的Ⅲ類水向Ⅴ類水轉(zhuǎn)化，Ca²⁺呈現(xiàn)增長趨勢但未超標(biāo)。Na⁺濃度增長幅度相對(duì)較緩，下游右岸大面積的Ⅰ類水向Ⅳ類水轉(zhuǎn)化，古爾圖鎮(zhèn)的Ⅴ類水呈減少趨勢，表明研究區(qū)中下游地區(qū)的地下水已不適合飲用。

3.3 地下水水化學(xué)特征成因分析

3.3.1 水化學(xué)作用分析

Gibbs圖是根據(jù)c（Na⁺）/c（Na⁺+Ca²⁺）和c（Cl^-）/c（Cl^-+HCO^-₃）的離子濃度比與TDS之間的比值關(guān)系繪制散點(diǎn)圖，同時(shí)劃分了蒸發(fā)濃縮、巖石風(fēng)化和降雨控制3個(gè)區(qū)域，從點(diǎn)位的分布位置判斷樣本點(diǎn)水化學(xué)特征形成的主要機(jī)制^［11］。

對(duì)2017年和2023年的地下水樣本進(jìn)行分析（圖4），研究區(qū)地下水樣大部分分布在巖石風(fēng)化型區(qū)域，表明水巖相互作用在地下水水質(zhì)形成的水文地球化學(xué)過程中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。部分點(diǎn)位落在3個(gè)區(qū)域外，可能受到離子交換作用或人類活動(dòng)的影響^［12］。山前洪積傾斜礫質(zhì)平原的地下水徑流條件較好，溶濾作用較顯著。沖湖積細(xì)土平原因地形平緩和水交替循環(huán)條件較差，地下水的溶濾作用相對(duì)較弱，導(dǎo)致蒸發(fā)濃縮型點(diǎn)位集中分布在沖湖積細(xì)土平原，巖石風(fēng)化型集中分布在山前洪積傾斜礫質(zhì)平原。對(duì)比兩期數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，淺層承壓水中c（Na⁺）/c（Na⁺+Ca²⁺）平均增大0.018，變化不顯著;但TDS增大26.11%，導(dǎo)致點(diǎn)位向蒸發(fā)濃縮區(qū)域集中。c（Cl^-）/c（Cl^-+HCO^-₃）平均增大0.372，是導(dǎo)致點(diǎn)位向區(qū)域外遷移的主要原因。對(duì)比兩期Cl^-和HCO^-₃的平均濃度發(fā)現(xiàn)，Cl^-平均濃度增長137.47%，導(dǎo)致c（Cl^-）/c（Cl^-+HCO^-₃）增大。因此出現(xiàn)集中在巖石風(fēng)化型區(qū)域的樣本點(diǎn)開始向蒸發(fā)濃縮區(qū)域以及區(qū)域外遷移。深層承壓水中c（Na⁺）/c（Na⁺+Ca²⁺）平均增大0.058，c（Cl^-）/c（Cl^-+HCO^-₃）平均增大0.062，變化不顯著。

3.3.2 研究區(qū)礦物飽和指數(shù)

為了評(píng)估地下水化學(xué)形成過程中水巖相互作用的影響，可以使用PHREEQC軟件計(jì)算主要礦物的飽和指數(shù)（SI）來判定它們的溶解程度^［13］。SI的大小表示礦物的溶解程度，正值表示過飽和，零值表示飽和，負(fù)值表示欠飽和^［14］。

計(jì)算研究區(qū)2017年和2023共78組水樣的礦物飽和指數(shù)（SI）（圖5），隨著TDS增大，文石和方解石的飽和指數(shù)增長不顯著，TDS處于0～1 000 mg/L時(shí)，白云石和石膏的飽和指數(shù)增長明顯，表明白云石和石膏的溶解促進(jìn)了TDS濃度增大。TDS濃度大于1 000 mg/L后，礦物飽和指數(shù)變化不明顯、接近飽和，且點(diǎn)位集中于沖湖積細(xì)土平原，表明TDS濃度增大受到蒸發(fā)濃縮作用的影響。一二六團(tuán)作為離子濃度高值區(qū)，其中L2采樣點(diǎn)的文石、方解石和白云石在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)均處于過飽和狀態(tài)，但2023年較2017年，飽和指數(shù)呈降低趨勢。L7采樣點(diǎn)2017年方解石和白云石處于過飽和狀態(tài)，2023年在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)文石過飽和現(xiàn)象，且飽和指數(shù)呈上升趨勢。此外，甘河子鎮(zhèn)的K23采樣點(diǎn)在2017年僅有方解石過飽和，2023年文石、方解石和白云石均處于過飽和狀態(tài)，呈上升趨勢。

3.3.3 主要離子來源

離子比值法（圖6）是通過比較不同離子毫克相當(dāng)濃度（mEq，符號(hào)為E）間的關(guān)系，判斷離子主要來源。E（Na⁺）/E（Cl^-）^［15］可以判斷Na⁺是否來源于鹽巖和硅酸鹽巖溶解。研究區(qū)大部分地下水樣品落在y=x線附近且偏下方，說明Na⁺濃度略高于Cl^-濃度，巖鹽溶解是水樣中Na⁺的主要來源，少部分Na⁺來源于硅酸鹽溶解或陽離子交替吸附作用。

E（HCO^-₃+SO^2-₄）/E（Mg²⁺+Ca²⁺）可以判斷該區(qū)水化學(xué)是否由碳酸鹽巖或者石膏溶解控制^［16］。研究區(qū)上游區(qū)域地下水樣品落在y=x線附近，說明Mg²⁺和Ca²⁺來源主要是碳酸鹽和硅酸鹽溶解。下游區(qū)域的地下水樣品落在y=x線的下方，說明Mg²⁺和Ca²⁺的來源是硅酸鹽和蒸發(fā)巖礦物的溶解，下游區(qū)域以蒸發(fā)濃縮作用為主導(dǎo)，說明蒸發(fā)巖礦物的溶解為主要來源。對(duì)比2017年和2023年兩期數(shù)據(jù)，個(gè)別落于y=x線上方的點(diǎn)位向y=x線及下方遷移，表明蒸發(fā)巖礦物的溶解提供的Mg²⁺和Ca²⁺增多。采用E（Ca²⁺+Mg²⁺）/E（HCO^-₃）可以進(jìn)一步判斷Mg²⁺和Ca²⁺的來源是否為碳酸鹽溶解，研究區(qū)點(diǎn)位分布在y=x線附近及下方，表明碳酸鹽溶解是Mg²⁺和Ca²⁺的主要來源。2023年較2017年，y=x線下方點(diǎn)位分布增多，表明碳酸鹽溶解呈現(xiàn)增長趨勢。

E（Ca²⁺）/E（Mg²⁺） 可以分析Mg²⁺和Ca²⁺來源與白云石和方解石溶解的關(guān)系^［17］。研究區(qū)2017年樣本點(diǎn)分布較均勻，在各個(gè)區(qū)域都有點(diǎn)位分布，表明白云石、方解石和石膏對(duì)Mg²⁺和Ca²⁺的貢獻(xiàn)相當(dāng)。2023年樣本點(diǎn)集中分布于E（Ca²⁺）/E（Mg²⁺）＞2的區(qū)域，表明石膏溶解是Ca²⁺的主要來源，且石膏溶解的貢獻(xiàn)率呈增長趨勢。為了進(jìn)一步驗(yàn)證Ca²⁺的來源，采用E（Ca²⁺）/E（HCO^-₃）判斷Ca²⁺是否由石膏溶解產(chǎn)生，研究區(qū)點(diǎn)位分布在y=x線附近及下方，對(duì)比E（Ca²⁺+Mg²⁺）/E（HCO^-₃）的關(guān)系可以得出碳酸鹽溶解主要由石膏產(chǎn)生。2023年較2017年，y=x線下方點(diǎn)位分布增多，表明石膏溶解呈現(xiàn)增長趨勢。

E（SO^2-₄+Cl^-）/E（HCO^-₃）的關(guān)系可以判斷SO^2-₄和Cl^-的主要來源^［18］。研究區(qū)地下水樣品落在y=x線上方，表明蒸發(fā)巖溶解是SO^2-₄和Cl^-的主要來源。

E（Ca²⁺+Mg²⁺-HCO^-₃）/E（SO^2-₄-Na⁺+Cl^-）可以進(jìn)一步分析地下水中SO^2-₄的來源。研究區(qū)大部分樣本點(diǎn)分布在y=x線附近，小部分分布在y=x線下方，表明除石膏溶解外還有其他硫酸鹽的溶解提供SO^2-₄。

E（Ca²⁺+Na⁺-Cl^-）/E（SO^2-₄）可以分析SO^2-₄和石膏-芒硝溶解的關(guān)系^［19］。研究區(qū)大部分樣本點(diǎn)分布在y=x線附近，表明石膏和芒硝溶解提供了SO^2-₄。個(gè)別點(diǎn)位分布在y=x線上方，表明SO^2-₄濃度可能受到了人類活動(dòng)的影響。

3.3.4 陽離子交替吸附作用

氯堿指數(shù)（CAI）是用于評(píng)估陽離子交替吸附強(qiáng)度的指標(biāo)^［20］。通過觀察CAI1與CAI2的絕對(duì)值變化判斷陽離子交換的強(qiáng)度。絕對(duì)值越大，陽離子交換作用越顯著，即陽離子交替吸附的可能性更高^［21］。

根據(jù)CAI1與CAI2關(guān)系圖（圖7）得出，研究區(qū)樣本點(diǎn)集中分布在CAI1和CAI2均小于0的區(qū)域，絕對(duì)值較小，表明研究區(qū)主要發(fā)生Ca²⁺、Mg²⁺置換Na⁺、K⁺的反應(yīng)，但不顯著。在CAI1和CAI2均大于0的區(qū)域，大部分點(diǎn)位位于沖洪積細(xì)土平原，包括位于山前洪積傾斜礫質(zhì)平原的潛水點(diǎn)位，表明該區(qū)域主要發(fā)生Na⁺、K⁺置換Ca²⁺、Mg²⁺的反應(yīng)，與上游區(qū)域Na⁺濃度長期維持低值的規(guī)律一致。在CAI1和CAI2均小于0區(qū)域，存在個(gè)別絕對(duì)值較高的點(diǎn)位，且集中分布在沖湖積細(xì)土平原。

3.4 灌溉水質(zhì)評(píng)價(jià)

USSL圖^［22］以EC為橫坐標(biāo)，鈉吸附比（SAR）為縱坐標(biāo)繪制，EC指示鹽害程度，SAR指示堿害程度，位于C1S1、C2S1和C3S1區(qū)域的地下水適宜灌溉。Wilcox圖以EC為橫坐標(biāo)，可溶性鈉百分比（SSP）為縱坐標(biāo)繪制，SSP指示水的軟硬程度，位于水質(zhì)極好、水質(zhì)良好和水質(zhì)適宜區(qū)域的地下水適宜灌溉。對(duì)USSL圖和Wilcox圖分區(qū)，可以判斷地下水對(duì)灌溉的適宜程度。USSL圖結(jié)果表明（圖8），研究區(qū)大部分地下水集中在S1區(qū)域，受堿害程度低。EC在C1～C3均勻分布，表明高鹽危害仍在可控范圍。有14%的水樣不適合灌溉，且在不適合灌溉的水樣中，2023淺層承壓水占比50%。Wilcox圖結(jié)果表明（圖9），研究區(qū)有18%的水樣不適合灌溉，且在不適合灌溉的水樣中，2023年淺層承壓水占比38.9%。

4 討 論

沖洪積細(xì)土平原北部和沖湖積細(xì)土平原是離子濃度高值區(qū)，呈現(xiàn)濃度上升趨勢。原因是地下水流向?yàn)橛赡舷虮?，中下游?xì)土平原屬于地下水排泄區(qū)域，地下水流速緩慢導(dǎo)致離子在北部的沖湖積細(xì)土平原出現(xiàn)累積。

淺層承壓水由蒸發(fā)濃縮作用和巖石風(fēng)化作用共同控制。Gibbs圖結(jié)果表明，2017年采樣點(diǎn)位分布在蒸發(fā)濃縮區(qū)域和區(qū)域外，結(jié)合氯堿指數(shù)發(fā)現(xiàn)，區(qū)域外點(diǎn)位受到陽離子交替吸附作用，Ca²⁺置換出Na⁺導(dǎo)致c（Na⁺）/c（Na⁺+Ca²⁺）增大。2023年由于TDS增大，部分點(diǎn)位向蒸發(fā)濃縮區(qū)域遷移。但在c（Cl^-）/c（Cl^-+HCO^-₃）與TDS關(guān)系圖中，Cl^-濃度增幅較大導(dǎo)致c（Cl^-）/c（Cl^-+HCO^-₃）增大，個(gè)別點(diǎn)位移動(dòng)至區(qū)域外。深層承壓水主要由巖石風(fēng)化作用控制，且2023年較2017年無明顯變化。點(diǎn)位均分布在巖石風(fēng)化型和區(qū)域外，區(qū)域外的點(diǎn)位受陽離子交替吸附作用影響。2023年較2017年，各類礦物的平均飽和指數(shù)均呈增長趨勢，導(dǎo)致TDS升高，淺層承壓水中巖鹽（NaCl）的平均飽和指數(shù)增幅（0.51）最大，一定程度上解釋了淺層承壓水中Cl^-濃度大幅增長的現(xiàn)象。

綜合上述分析，研究區(qū)中下游離子濃度增大主要是蒸發(fā)濃縮和巖石風(fēng)化共同作用的結(jié)果。但Cl^-和SO^2-₄濃度增長幅度遠(yuǎn)大于其他陽離子，表明離子濃度增長可能受到人類活動(dòng)的影響。

5 結(jié) 論

本文基于2017年和2023年灌溉期共78組原位點(diǎn)水樣，通過Piper三線圖分析地下水化學(xué)特征，采用Gibbs圖、飽和指數(shù)、氯堿指數(shù)和離子比值法分析其成因。結(jié)果表明：

（1）2017年陽離子以Na和Ca型為主，陰離子以SO^2-₄和無主導(dǎo)型為主。2023年陽離子以Na型為主，陰離子以Cl型為主。2023年較2017年，水化學(xué)類型趨于集中。

（2）研究區(qū)山前洪積傾斜礫質(zhì)平原和沖洪積細(xì)土平原南部受巖石風(fēng)化作用控制，沖洪積細(xì)土平原北部和沖湖積細(xì)土平原整體受蒸發(fā)和巖石風(fēng)化濃縮共同控制。2023年較2017年，中下游細(xì)土平原淺層承壓水受到的蒸發(fā)濃縮作用增強(qiáng)，深層承壓水沒有明顯變化。

（3）研究區(qū)山前洪積傾斜礫質(zhì)平原的離子組分主要源于碳酸鹽和硅酸鹽礦物溶解。中下游細(xì)土平原的離子組分主要來源于蒸發(fā)巖溶解且有增強(qiáng)的趨勢。下游沖湖積細(xì)土平原受陽離子交替吸附作用較強(qiáng)。

（4）研究區(qū)以兵團(tuán)一二六團(tuán)為主的下游地區(qū)，地下水多項(xiàng)指標(biāo)超過Ⅲ類水級(jí)別，不適合飲用。從灌溉適宜性看，已有超過10%的水樣水適合灌溉。在不適合灌溉的水樣中，2023年的淺層承壓水占比最大。

參考文獻(xiàn)：

［1］王玉蛟，賈亮亮，楊志光，等.淺層地下水水化學(xué)特征及適宜性評(píng)價(jià)［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2023，41（4）：363-368.

［2］胡爽，武剛，吳彬，等.阜康市平原區(qū)近20年地下水化學(xué)演變及成因［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2023，43（5）：79-88.

［3］袁翰卿，李巧，陶洪飛，等.新疆奎屯河流域地下水砷富集因素［J］.環(huán)境化學(xué)，2020，39（2）：524-530.

［4］江軍，鮮虎勝，李巧，等.奎屯河流域地下水地球化學(xué)特征及其對(duì)砷運(yùn)移的影響［J］.環(huán)境化學(xué)，2021，40（6）：1775-1786.

［5］劉亞楠，李巧，宿彥鵬，等.奎屯河流域地下水及沉積物化學(xué)組分特征對(duì)氟釋放的影響［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2023，40（10）：59-65.

［6］張福初，吳彬，高凡，等.奎屯河流域平原區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因分析［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2021，34（7）：1663-1671.

［7］葛國際.烏蘇市平原區(qū)水文地質(zhì)條件簡析［J］.地下水，2016，38（2）：176-178.

［8］沈蕊芯，呂樹萍，杜明亮，等.新疆奎屯河流域平原區(qū)地下水資源量演變情勢［J］.干旱區(qū)研究，2020，37（4）：839-846.

［9］國家環(huán)境保護(hù)總局.地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：HJ/T 164-2004［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2004.

［10］蔡小虎，康叢軒.錢塘江下游濱江地區(qū)地下水水化學(xué)特征與水質(zhì)評(píng)價(jià)［J］.人民長江，2023，54（6）：27-33.

［11］趙艷麗，王敏，李常鎖.山東省淄河流域地下水化學(xué)污染源解析［J］.人民長江，2022，53（12）：37-43，49.

［12］王繼華，于福榮，田鵬州，等.南太行山前沖積平原潛水水化學(xué)特征及控制因素分析［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2023，37（5）：130-138.

［13］韓朝輝，王郅睿，田輝，等.漢中盆地地下水水化學(xué)特征及其成因研究［J］.西北地質(zhì)，2023，56（4）：263-273.

［14］魯涵，曾妍妍，周金龍，等.巴楚縣淺層地下水中氟的分布特征及影響因素分析［J］.環(huán)境化學(xué)，2021，40（11）：3455-3463.

［15］TALIB A M，TANG Z，SHAHAB A，et al.Hydrogeochemical characterization and suitability assessment of groundwater：a case study in Central Sindh，Pakistan［J］.International Journal of Environmental Research and Public Health，2019，16（5）：886-896.

［16］蘇東，龔緒龍，楊磊，等.常州市地下水化學(xué)特征與成因分析［J］.地質(zhì)論評(píng)，2023，69（3）：1039-1049.

［17］劉元晴，周樂，呂琳，等.河北省順平縣地下水化學(xué)特征及其成因分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2023，44（5）：2601-2612.

［18］付舒，毛龍富，劉宏，等.阿子營黃龍泉域地下水化學(xué)特征及演化［J］.地球與環(huán)境，2023，51（2）：153-163.

［19］葛婷婷.克里雅河流域平原區(qū)潛水水質(zhì)評(píng)價(jià)及水質(zhì)成因分析［D］.烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022.

［20］鄒嘉文.黑龍港典型壓采區(qū)地下水水化學(xué)變化特征及影響因素研究［D］.邯鄲：河北工程大學(xué)，2022.

［21］王婧，高世昌，方媛，等.清水河平原地下水水化學(xué)特征及成因分析［J］.人民黃河，2022，44（增2）：153-156.

［22］JIE M，SONG C，DIANDIAN D，et al.Hydrochemical characteristics and groundwater quality appraisal for irrigation uses in the Lan-gan region，Northern Anhui Province，East China［J］.Water Science & Technology：Water Supply，2022，22（1）：686-696.

（編輯：劉 媛）

Chemical characteristics and genetic analysis of groundwater in Kuitun River BasinJIANG Yuwei^1，2，LI Qiao^1，2，TAO Hongfei^1，2，MAHEMUJIANG Aihemaiti^1，2

（1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052 China；2.Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Safety and Water Disaster Prevention，Urumq 830052，China）

Abstract：The analysis of groundwater chemical characteristics and their origins is essential for evaluating groundwater quality，identifying pollution sources，developing water resource management strategies，and safeguarding human health and the environment.Based on a total of 78 groundwater samples collected at the same sites in the Kuitun River Basin in 2017 and 2023，the characteristics and causes of groundwater in this area were analyzed by Piper trilinear diagram，Gibbs diagram，saturation index （SI）method and ion ratio method.The findings indicated that：① There was a converging trend in the types of groundwater chemical characteristics in the Kuitun River Basin in 2023 compared to 2017，with cations transforming into Na type and anions into Cl type.② Rock weathering primarily influenced the piedmont diluvial inclined gravel plain and alluvial fine soil plain，while evaporation and concentration mainly affect the alluvial lacustrine fine soil plain with a tendency to increase.The ion components in the middle and lower reaches of the fine soil plain were predominantly derived from evaporative karst decomposition with an increasing trend，whereas those in the fore mountain diluvial inclined gravel plain originate mainly from carbonate and silicate mineral dissolution.Strong adsorption by alternating cations has led to increased Na⁺concentration in downstream fine soil plains.Groundwater quality in northern alluvial fine soil plains as well as those around alluvial lacustrine fine soil plain within Kuitun River basin has exceeded China′s drinking water standard，and about 10% of the water samples have surpass irrigation water standards in future.These research findings can serve as a reference for rational utilization and management of groundwater resources within Kuitun River Basin.

Key words：groundwater；hydrochemical characteristics；spatial distribution；genetic analysis；saturation index；Kuitun River Basin