丁啟振， 雷 米， 周金龍， 張 杰， 徐東升

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊 830052；3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點實驗室，新疆烏魯木齊 830052；4.南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西南寧 530100；5.中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222）

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基［1］。新疆位于我國西北干旱區(qū)，水已成為環(huán)境與發(fā)展最大的限制因子［2］。區(qū)域水質(zhì)的優(yōu)劣和水環(huán)境質(zhì)量，直接受水中各化學(xué)組分的含量及賦存形態(tài)影響［3］。因此，開展地下水和地表水水化學(xué)特征研究及水質(zhì)評價對區(qū)域水資源管理、生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

針對干旱區(qū)，國內(nèi)外學(xué)者在地下水和地表水的水化學(xué)特征研究及水質(zhì)評價等方面已開展了大量研究工作，Ma等［4］對咸海盆地錫爾河上游及其支流進行分析，表明河流中離子組分主要來源碳酸鹽的溶解，所取水樣水質(zhì)優(yōu)良，灌溉適宜性較好；Malik等［5］研究得出印度Sardarshahar Tehsil地下水水化學(xué)主要受硅酸鹽風(fēng)化控制，其次是受蒸發(fā)鹽溶解、碳酸鹽溶解和陽離子交換過程的影響；所取水樣中，不適合飲用的水樣占比10%；學(xué)者們對我國西北干旱區(qū)水化學(xué)特征也進行了一定的研究，如：青海省柴達木盆地［6］、甘肅省疏勒河［7］、新疆艾比湖流域［8］和葉爾羌河流域［9］，研究表明水化學(xué)特征的主控因素包括水巖作用和蒸發(fā)結(jié)晶作用，其中水巖作用占主導(dǎo)地位。

博爾塔拉河（以下簡稱“博河”）上游河谷地區(qū)位于新疆溫泉縣境內(nèi)，屬博河流域。溫泉縣的飲用水源主要為地下水，農(nóng)業(yè)灌溉水源多取自博河。博河水質(zhì)直接關(guān)系居民生活飲用水安全、農(nóng)業(yè)灌溉水安全和經(jīng)濟社會發(fā)展。此外，博河也是艾比湖重要的補給河流，艾比湖作為新疆乃至西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障，目前面臨諸多生態(tài)問題，已成為社會各界關(guān)注的焦點［10］。雷米等［11-12］通過運用同位素技術(shù)研究得出博河上游地段淺層地下水與河水轉(zhuǎn)換頻繁，因此，全面了解和掌握博河上游河谷地區(qū)地下水和地表水水化學(xué)特征及水質(zhì)狀況顯得尤為重要。

以往針對溫泉縣水化學(xué)特征與水質(zhì)評價的研究集中于地表水［11,13］，涉及地下水的相關(guān)研究較少，且研究區(qū)多為整個博河流域，尺度較大。本文基于36組水樣數(shù)據(jù)運用Piper圖、相關(guān)性分析、Gibbs圖和離子比值等方法探究水化學(xué)特征及影響因素，采用當前應(yīng)用較廣泛的熵權(quán)-貝葉斯水質(zhì)評價模型［14］、Wilcox圖和USSL圖［15］等方法評估水質(zhì)狀況，以期為溫泉縣地下水和地表水資源管理及水環(huán)境保護提供可靠支撐，為艾比湖生態(tài)環(huán)境的管理與維護提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

博河發(fā)源于別珍套山和阿拉套山匯合處的洪別林達坂，尾閭湖為艾比湖，流域面積約11367 km2，全長252.0 km，河網(wǎng)密度0.176，為東西流向，河道平均坡降10‰～8.3‰，多年平均徑流量3.189×108m3（溫泉水文站1960—2018 年資料）。博河上游河谷地處天山北麓西段，準噶爾盆地西緣，具有三面環(huán)山、一面開闊呈喇叭狀的地形特點；地勢西高東低，向東、北東傾斜。

選取博河上游溫泉縣平原區(qū)為研究區(qū)（圖1），位于80°32′～81°45′E，44°50′～45°07′N 之間。該區(qū)屬中溫帶大陸性干旱、半干旱氣候區(qū)，具有冬暖夏涼、晝夜溫差大等特點，多年平均氣溫3.5 ℃，多年平均蒸發(fā)量1554.9 mm，多年平均降水量225.6 mm［11］。區(qū)內(nèi)河床兩岸階地多出露第四系全新統(tǒng)（Q4）沖洪積物，地層巖性主要為粗砂含礫；沖洪積平原中部主要出露上更新統(tǒng)（Q3）沖洪積物，地層巖性主要為砂卵礫石；南部近山前埋深＞70 m區(qū)域處露下-中更新統(tǒng)（Q1+2）冰水堆積物［16-17］。研究區(qū)多賦存單一結(jié)構(gòu)孔隙潛水，補給來源主要為河道水入滲、山區(qū)洪水入滲、渠系水入滲和灌溉水入滲等；排泄方式以側(cè)向徑流、潛水埋深＜6 m 區(qū)域蒸騰蒸發(fā)、人工開采和泉水溢出為主。以溫泉縣城為界，縣城以西地下水流向同博河流向基本一致，地下水埋深范圍為20～100 m，埋深沿地下水流向逐漸減小；縣城以東地下水由博河兩岸山前向主河道匯聚，地下水埋深范圍為0～100 m，自山前向主河道中心埋深逐漸減小。

圖1 研究區(qū)及采樣點分布示意圖Fig.1 Distribution of sampling points in study area

1.2 地下水采樣及測試

2021年4月在研究區(qū)共采集水樣36組（機井水23組、泉水6組、河水7組），采樣點分布見圖1。pH由哈納（HANNA）HI98121 筆式測定儀測定，儀器精度±0.02。取樣前，聚乙烯瓶用所取水樣潤洗3 次，水樣過濾采用0.45 μm 的醋酸纖維濾膜，加硝酸酸化至pH＜2 的水樣用于陽離子分析，貼好標簽密閉冷藏保存。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)分析 取樣點分布圖和水化學(xué)類型分區(qū)圖（運用普通克里金插值方法）由ArcGIS 10.2繪制，運用Orign 2017 繪制剩余圖件，運用SPSS 20.0 進行相關(guān)性分析，部分數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析由Excel完成。

1.3.2 熵權(quán)-貝葉斯水質(zhì)評價

（1）熵權(quán)法計算權(quán)重系數(shù)

熵權(quán)法考慮到不同指標的相對重要性，客觀計算指標權(quán)重，盡量消除各因素權(quán)重主觀性，更符合實際［18］?；驹硎峭ㄟ^指標變異性的大小來確定權(quán)重。一般認為，信息熵越大，表明變異程度越小，提供的信息量越少，其權(quán)重就越?。幌喾?，信息熵越小，其權(quán)重越大［14］。計算步驟如下［18］：

①構(gòu)造m個評價對象、n個評價指標的判斷矩陣T=（tij）m×n(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)。

②判斷矩陣歸一化處理，得到歸一化矩陣B=（bij）m×n(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)。其中，越小越優(yōu)型的指標，公式如下：

越大越優(yōu)型的指標，公式如下：

式中：tij表示第m個評價對象第n項指標實測值。

③指標熵（Hi）的計算，公式如下：

（2）貝葉斯水質(zhì)模型

在貝葉斯原理的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)貝葉斯水質(zhì)模型引用至水質(zhì)評價，并改寫為公式（5）［19］。

式中：yji表示水質(zhì)等級值；xj表示實測水質(zhì)指標值；i表示水質(zhì)分級；j表示指標選取個數(shù)。

（3）貝葉斯水質(zhì)評價步驟

①計算水質(zhì)等級的先驗概率P(yji)。一般認為，所測水樣屬于任一等級的概率相等，即：P(yj1)=P(yj2)=P(yj3)=P(yj4)=P(yj5)=1/5。

②基于實測指標與標準指標間距離絕對值（Lji）的倒數(shù)，采用幾何概率中距離法計算P(xj|yji)，公式如下：

式中：Lji=|xj-yji|（j=1,2,3;i=1,2,…,5）。

③計算綜合后驗概率，公式如下：

④根據(jù)最大概率原則確定水質(zhì)所屬類別，即Ph=maxPi，i=1～5，Ph表示最大綜合后驗概率。

1.3.3 灌溉水水質(zhì)評價 在進行灌溉水質(zhì)評價過程中，需要鈉吸附比（SAR）和鈉百分比（SSP）2個評價參數(shù)。SAR是反映灌溉水或土壤溶液中鈉相對含量的1個重要參數(shù)，可用來衡量灌溉水所引起的土壤鹽堿化程度［20］。土壤吸附Na+的能力可隨SAR 值的增大而減弱，土壤結(jié)構(gòu)團粒結(jié)構(gòu)從而遭到破壞，降低土壤滲透性［21］。計算公式如下：

式中：離子單位均為meq·L-1。

鈉百分比（SSP）也是反映灌溉水鹽堿害的重要參數(shù)之一，SSP 升高，土壤滲透性變差，會減緩作物生長［22］。計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學(xué)特征分析

2.1.1 水化學(xué)特征參數(shù)統(tǒng)計特征 由表1 可知，研究區(qū)機井水、泉水和河水整體表現(xiàn)出弱堿性，pH 介于7.31～8.68之間，均值7.88；3種水體的TDS均值均＜1000 mg·L-1，為淡水，其中河水的TDS 均值為156.52 mg·L-1，高于115 mg·L-1（世界河流平均值）［23］；相關(guān)研究表明，某一水體與可溶礦物接觸時間越久，其TDS 值越大［24］，機井水、泉水和河水中TDS 均值依次減小，表明其更新速率可能依次增加；根據(jù)TH均值區(qū)分水體的軟硬程度，機井水和泉水分別屬于微硬水（150 mg·L-1＜TH＜300 mg·L-1）和軟水（75 mg·L-1＜TH＜150 mg·L-1），河水屬于軟水（55 mg·L-1＜TH均值＜150 mg·L-1）。

表1 水化學(xué)特征參數(shù)統(tǒng)計Tab.1 Statistical results of water chemical characteristic parameters

2.1.2 水化學(xué)類型及空間分布特征 由圖2 可知，研究區(qū)內(nèi)機井水、泉水和河水的陽離子集中分布于三角圖的左下方靠近Ca-Na 線附近，Ca2+是主要離子；陰離子集中分布于三角圖左下方靠近HCO3-SO4線附近，為主要離子。大多數(shù)河水點被機井水點、泉水點包圍，表明機井水、泉水和河水之間存在較為密切的水力聯(lián)系。機井水、泉水的主要水化學(xué)類型均為HCO3-Ca 型，河水的水化學(xué)類型以HCO3-Ca 型和HCO3·SO4-Ca·Na 型為主。在陰、陽離子三角圖中靠近HCO3一側(cè)與靠近Ca-Mg 一端均表示為碳酸鹽巖風(fēng)化區(qū)［25］。由此推斷，研究區(qū)內(nèi)水化學(xué)主要受碳酸鹽巖風(fēng)化影響。

圖2 水化學(xué)Piper三線圖Fig.2 Piper trigram of hydrochemistry

由圖3可知，整體上河水中除HCO3-和Ca2+沿程變化表現(xiàn)為連續(xù)增加外，其余組分均呈波動增加趨勢，與瑪爾胡拜·牙生等［13］研究得出的結(jié)論基本一致。S1-S2-S7-S3 段，除TDS 和HCO3-明顯上升外，剩余離子變化均表現(xiàn)為相對平穩(wěn)；S4-S6段，所有組分均表現(xiàn)為連續(xù)增加，其中TDS 表現(xiàn)為急劇增加。S4-S6 段河水TDS 均值為199.82 mg·L-1，機井水和泉水TDS均值分別為224.13 mg·L-1和218.15 mg·L-1，TDS急劇增加的原因可能是河水受到機井水或泉水的補給［26］。

圖3 博河上游沿程取樣點組分含量變化Fig.3 Composition changes at sampling points along Bortala River

由圖4可知，呼哈托哈種畜場、安格里格鎮(zhèn)和扎勒木特鄉(xiāng)西部廣泛分布HCO3型水；哈日布呼鎮(zhèn)、塔秀鄉(xiāng)、昆得侖牧場東部、查干屯格鄉(xiāng)局部和溫泉縣城區(qū)及其北部主要分布HCO3·SO4型水。溫泉縣城以西，補給徑流條件好，水化學(xué)類型主要為以溶濾作用為主的HCO3型；溫泉縣城以東博河兩岸水化學(xué)類型差異明顯，北岸水化學(xué)類型以HCO3·SO4型為主，南岸水化學(xué)類型主要為HCO3型水。

圖4 地下水水化學(xué)類型分區(qū)Fig.4 Zoning map of groundwater hydrochemical types

2.2 水化學(xué)成因分析

表2 水體中主要水化學(xué)組分相關(guān)性Tab.2 Correlation statistics of main hydrochemical components in water body

2.2.2 Gibbs 圖分析 由圖5 可知，圖中被劃分為巖石風(fēng)化、大氣降水和蒸發(fā)-結(jié)晶3 個端元，大氣降水端元附近無取樣點分布，說明區(qū)內(nèi)氣候干旱，稀少的大氣降水所能帶來的可溶性離子可忽略不計［9］。大部分取樣點均落入虛線內(nèi)部，且分布在巖石風(fēng)化端元附近，少量機井水和河水取樣點分布在線外，表明研究區(qū)內(nèi)水化學(xué)主要由巖石風(fēng)化作用控制?？傮w來看，巖石的風(fēng)化溶解為研究區(qū)內(nèi)水化學(xué)特征的主控因素。

圖5 研究區(qū)水體Gibbs圖Fig.5 Gibbs diagram of water body in the study area

2.2.3 離子比值分析 離子比值可進一步確定不同巖石風(fēng)化對水化學(xué)組分的影響［31］。從圖6 可知，研究區(qū)機井水、泉水和河水的水化學(xué)徑流組成介于碳酸鹽巖流域與硅酸鹽巖流域之間，且偏向碳酸鹽巖流域。表明區(qū)內(nèi)水體主要受碳酸鹽巖石風(fēng)化影響。

圖6 水體離子比值端元圖Fig.6 End-member diagram of water body

2.3 水質(zhì)評價

由表3 可知，研究區(qū)適合飲用的（Ⅰ和Ⅱ類）機井水的水樣點有9 個（占比39.1%）；基本適合飲用的（Ⅲ類）機井水的水樣點有6 個（占比26.1%）；適當處理后適合飲用的（Ⅳ類）機井水的水樣點有4個（占比17.4%）；不適合飲用的（Ⅴ類）機井水的水樣點有4個（占比17.4%）。適合飲用的泉水的水樣點有3 個（占比50.0%）；基本適合飲用的泉水的水樣點有1 個（占比16.7%）；適當處理后適合飲用的泉水的水樣點有2個（占比33.3%）。從研究區(qū)水質(zhì)評價的總體結(jié)果來看，研究區(qū)內(nèi)泉水相比機井水而言更適合飲用。

表3 飲用水水質(zhì)評價結(jié)果Tab.3 Assessment results of drinking water quality

圖7 水體中主要離子比例關(guān)系Fig.7 Proportion relationship of main ions in water body

另外，不適合飲用的水樣點分布在呼和托哈種畜場、昆得侖牧場和查干屯格鄉(xiāng)。其中，呼和托哈種畜場機井水主要受超標嚴重的影響，昆得侖牧場和查干屯格鄉(xiāng)機井水主要受Fe、F-和超標嚴重的影響。溫泉縣經(jīng)濟以農(nóng)牧業(yè)為主，NO-3超標可能主要來源于動物糞便、農(nóng)藥化肥過量施用和生活污水排放［37］。馮翠娥等［38］研究得出，當發(fā)育有漫灘相沉積物或在地勢低洼和地下水的排泄地帶，地下水中Fe、F-離子易發(fā)生富集。昆得侖牧場和查干屯格鄉(xiāng)地下水埋深較淺，且超標點主要位于博河沿岸灘地，由此推斷F-、Fe 的超標可能與自然地質(zhì)環(huán)境有關(guān)。

2.3.2 灌溉水水質(zhì)評價 為綜合表征灌溉水的鹽害和堿害，采用USSL 圖和Wilcox 圖對灌溉水水質(zhì)進行圖解分類（圖8）。USSL 圖的橫、縱坐標分別為25 ℃時EC值（鹽害）和SAR（堿害），被劃分為4×4個區(qū)域，水質(zhì)從下至上、從左至右逐漸變差。Wilcox圖的橫、縱坐標分別為25 ℃時EC 值（鹽害）和SSP（堿害），圖8b 被劃分為5 個區(qū)域，即水質(zhì)優(yōu)秀區(qū)、水質(zhì)良好區(qū)、水質(zhì)可接受區(qū)、水質(zhì)保留區(qū)和水質(zhì)不適宜區(qū)，水質(zhì)依次變差。

圖8 灌溉水質(zhì)分類的USSL圖（a）和Wilcox圖（b）Fig.8 USSL diagram(a)and Wilcox Diagram(b)of irrigation water quality classification

由圖8a 可知，5 個機井水、2 個泉水和5 個河水取樣點均落入C1-S1區(qū)域，17個機井水、4個泉水和2個河水取樣點均落入C2-S1區(qū)域，只有1個機井水取樣點落入C3-S1區(qū)域，表明綜合SAR 和EC 考慮，區(qū)內(nèi)水樣堿度危害低，鹽度危害以低、中為主，可用于農(nóng)業(yè)灌溉。由圖8b可知，除1個機井水取樣點落入水質(zhì)良好區(qū)外，其余取樣點均位于水質(zhì)優(yōu)秀區(qū)，表明綜合SAR 和EC 值考慮，區(qū)內(nèi)所有水樣水質(zhì)較好，均可直接進行灌溉。

另外，唯一落入C3-S1 區(qū)域的機井水取樣點編號為G11，其TDS 值為所取水樣中最大，達708.48 mg·L-1（表1），位于哈日布呼鎮(zhèn)且遠離地表水水源，灌溉多采用地下水。劉宗瀟等［39］研究得出，隨灌水礦化度增加，土壤總EC值變大，由此推斷EC值過高的原因可能是地下水受到灌溉水的滲入補給。

3 結(jié)論

以博河上游河谷地區(qū)地下水（機井水、泉水）和地表水為研究對象，運用水化學(xué)的相關(guān)理論和方法對水化學(xué)特征進行分析，并采用熵權(quán)-貝葉斯水質(zhì)評價模型對區(qū)域水質(zhì)進行評價，得出如下結(jié)論：

（1）研究區(qū)機井水、泉水和河水整體為弱堿性淡水，TH、TDS、NO-3和F-含量均值均表現(xiàn)為：機井水＞泉水＞河水，機井水屬于微硬水，泉水和河水屬于軟水。博河上游水中各組分含量沿程呈增加趨勢，TDS均值為156.52 mg·L-1，高于115 mg·L-（1世界河流平均值）。

（3）飲用水水質(zhì)評價結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)82.6%的機井水和100%的泉水適合飲用或基本適合飲用或適當處理后適合飲用，泉水相比機井水而言更適合飲用。灌溉水的水質(zhì)評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)河水、機井水和泉水的水質(zhì)優(yōu)，灌溉適宜性較好。

（4）區(qū)內(nèi)地表水、地下水聯(lián)系密切，水化學(xué)特征的形成主要受控于巖石風(fēng)化作用，水化學(xué)組分主要來源于碳酸鹽巖風(fēng)化，且存在蒸發(fā)鹽巖溶解，陽離子交換作用和人類活動對其也有一定影響。飲用水水質(zhì)主要受Fe、F-和超標嚴重的影響，與人類活動和自然地質(zhì)環(huán)境有關(guān)；個別地下水的水樣點EC 值偏高的原因可能是地下水受到灌溉水的滲入補給。