閆志雲(yún)，曾妍妍*，周金龍，孫 英

新疆塔里木盆地灌區(qū)地下水水質(zhì)空間變化及其影響因素

閆志雲(yún)1,2,3，曾妍妍1,2,3*，周金龍1,2,3，孫 英1,2,3

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830052；3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052）

【目的】研究新疆塔里木盆地灌區(qū)地下水水質(zhì)空間變化及影響因素?！痉椒ā恳罁?jù)1 292組地下水水質(zhì)檢測(cè)資料，通過描述性統(tǒng)計(jì)分析方法和Piper三線圖解法分析地下水化學(xué)組分特征及水化學(xué)類型，采用水質(zhì)指數(shù)法、USSL圖和Wilcox圖解法對(duì)灌區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，運(yùn)用克里金插值法、因子分析和離子比值等方法對(duì)灌區(qū)地下水水質(zhì)空間變化及其影響因素進(jìn)行了分析?！窘Y(jié)果】山前礫質(zhì)傾斜平原區(qū)地下水質(zhì)量?jī)?yōu)于中下游的細(xì)土平原區(qū)，地下水從山前礫質(zhì)傾斜平原區(qū)流動(dòng)到細(xì)土平原區(qū)的過程中，經(jīng)過巖石的溶濾作用，致使地下水中離子量增多，水質(zhì)逐漸趨于劣化。灌區(qū)地下水可溶性鹽濃度過高，通過強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使埋藏較淺的地下水中的鹽類離子析出，使得鹽分積聚地表，會(huì)加重土壤鹽漬化；灌區(qū)地下水水質(zhì)優(yōu)劣排序?yàn)椋簡(jiǎn)我唤Y(jié)構(gòu)潛水>承壓水>承壓水區(qū)潛水?！窘Y(jié)論】灌區(qū)地下水水質(zhì)受蒸發(fā)濃縮和礦物溶解的復(fù)合作用、原生地質(zhì)的氧化還原環(huán)境以及人為活動(dòng)的影響，除此之外，還受到含水層類型、地下水補(bǔ)徑排條件和陽離子交換作用的影響。

地下水；質(zhì)量評(píng)價(jià)；空間變化；因子分析；塔里木盆地灌區(qū)

0 引 言

【研究意義】在干旱區(qū)，隨著地下水資源在灌區(qū)廣泛的應(yīng)用，地下水水質(zhì)引起了諸多學(xué)者的關(guān)注。人類活動(dòng)的日益加劇，廢物的排放使地下水水質(zhì)遭受到了污染。與地表水相比，地下水更新速度慢且埋藏較深，其污染隱蔽，不易發(fā)現(xiàn)，一旦污染很難修復(fù)[1]；為提高農(nóng)作物的產(chǎn)量而過度使用農(nóng)藥和化肥，使其殘留物經(jīng)過大氣降水或灌溉水的淋濾作用會(huì)對(duì)灌區(qū)的土壤、植被以及地下水造成污染[2]。若在灌區(qū)使用水質(zhì)較差的地下水進(jìn)行灌溉，會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力，抑制植物生長(zhǎng)[3]。故有必要對(duì)灌區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。【研究進(jìn)展】王昭等[4]對(duì)華北平原進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，確定影響水質(zhì)質(zhì)量的主要指標(biāo)為溶解性總固體、硝酸鹽等；高振凱等[5]發(fā)現(xiàn)寧夏吳靈灌區(qū)大多為I—Ⅳ類水，極少V類水，該區(qū)地下水水質(zhì)差的主要原因是農(nóng)業(yè)污染；劉中培等[6]發(fā)現(xiàn)從1996—2016年河南省人民勝利渠灌區(qū)地下水水質(zhì)惡化明顯，且多為復(fù)合指標(biāo)超標(biāo)。當(dāng)今國(guó)內(nèi)采用較多的灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有灌溉系數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和鈉吸附比法等[7]；USSL圖、Wilcox圖相結(jié)合的灌溉水分類圖方法綜合考慮了鹽、堿化指標(biāo)，適用于干旱區(qū)灌溉水的質(zhì)量評(píng)價(jià)[8]?！厩腥朦c(diǎn)】前人多對(duì)新疆喀什、和田等地區(qū)的地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，但對(duì)整個(gè)塔里木盆地灌區(qū)的地下水水質(zhì)方面的研究較少，且從空間變化的角度來闡述塔里木盆地灌區(qū)地下水水質(zhì)的優(yōu)劣和成因有待進(jìn)一步研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文采用水質(zhì)指數(shù)法對(duì)塔里木盆地灌區(qū)地下水飲用水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用USSL和Wilcox圖解法進(jìn)行灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)，同時(shí)系統(tǒng)分析了灌區(qū)地下水水質(zhì)的空間變化規(guī)律及其主要影響因素，旨在為塔里木盆地灌區(qū)地下水可持續(xù)開發(fā)利用和污染防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆塔里木盆地位于中國(guó)的西北內(nèi)陸干旱區(qū)，地勢(shì)西高東低，向東傾斜，是中國(guó)面積最大的內(nèi)陸盆地[9]。盆地南部為昆侖山-阿爾金山山脈，北部為天山山脈，盆地由山前的礫質(zhì)平原向下過渡為細(xì)土平原、沙漠或湖泊，總體呈環(huán)狀分布[10]。年均降水量?jī)H50～60 mm，年均蒸發(fā)量高達(dá)2 000～3 400 mm。盆地為暖溫帶大陸性干旱氣候，干旱少雨，日照時(shí)間長(zhǎng)，春夏有較多風(fēng)沙天氣，冬季氣溫較低[11]。

本文的研究區(qū)范圍為塔里木盆地灌區(qū)，灌溉水源主要為高山冰雪融水，灌區(qū)耕地面積2.50×104km2，有效灌溉面積1.82×104km2，主要種植小麥、玉米和棉花等農(nóng)作物[12]。東至庫木塔格沙漠，南北西三面均至山前，環(huán)盆地沖洪積平原為向心狀。單一結(jié)構(gòu)潛水主要分布于山前礫質(zhì)傾斜平原區(qū)，以砂礫石、粗砂為主，主要受大氣降水入滲補(bǔ)給及山前基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，水流交替條件較好；多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓水分布于細(xì)土平原區(qū)，上部承壓水區(qū)潛水，下部承壓水，該含水層介質(zhì)顆粒較細(xì)，以細(xì)砂和粉砂為主，主要受河流、水庫、田間灌溉水的入滲補(bǔ)給。地下水排泄方式主要以蒸發(fā)、植物蒸騰為主，其次以泉、人工開采等方式排泄[13]。

1.2 樣品的采集與測(cè)試

2014—2018年采集地下水水樣1 292組（其中，單一結(jié)構(gòu)潛水水樣518組，承壓水區(qū)潛水水樣198組，承壓水水樣576組）（圖1）。2014—2018年地下水水樣嚴(yán)格按《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范（HJ/T 164—2004）》進(jìn)行采集、保存和送檢。水樣測(cè)試由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所和新疆地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)實(shí)驗(yàn)室完成，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定pH值、水溫和電導(dǎo)率（）等指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、F-、Fe、總硬度（TH）和溶解性總固體（TDS）等指標(biāo)，其中，K+、Na+和Fe采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定，TH、Ca2+、Mg2+和HCO3-采用乙二胺四乙酸二鈉滴定法，Cl-為硝酸銀容量法，SO42-為硫酸鋇比濁法測(cè)定，F(xiàn)-用離子電極法測(cè)定，TDS使用烘干稱質(zhì)量法測(cè)定，除Fe和NO3-的檢測(cè)下限分別為0.03和0.02 mg/L，其他指標(biāo)檢測(cè)下限均為0.10 mg/L。根據(jù)陰陽離子平衡檢驗(yàn)方法，所測(cè)數(shù)據(jù)陰陽離子平衡誤差值皆＜±5%，說明所有數(shù)據(jù)均為可靠數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)

采用水質(zhì)指數(shù)法（Water quality index,）對(duì)灌區(qū)地下水進(jìn)行飲用適宜性評(píng)價(jià)[14]。

式中：表示樣品數(shù)量；ω表示第個(gè)樣品不同指標(biāo)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的均值；X表示指標(biāo)的測(cè)定值；W表示權(quán)重；S表示指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值，依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848—2017）》Ⅲ類地下水限值劃定（表1）。根據(jù)值將地下水分為5類（表2）。

圖1 地下水取樣點(diǎn)分布圖

表1 水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值

注 pH值為無量綱，其余單位為mg/L。

表2 水質(zhì)指數(shù)分類表

1.3.2 灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)

采用USSL圖（鈉吸附比（）與的相關(guān)關(guān)系）綜合考慮地下水堿害與鹽害對(duì)土壤的影響[15]，同時(shí)，采用Wilcox圖（鈉百分比（）和的相關(guān)關(guān)系）分析地下水水質(zhì)對(duì)土壤和作物的影響，進(jìn)行灌溉水水質(zhì)分類[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水水化學(xué)特征分析

采用描述性統(tǒng)計(jì)分析灌區(qū)地下水化學(xué)組分特征，pH值范圍為6.39～10.50；地下水中優(yōu)勢(shì)陽離子以Na+為主，優(yōu)勢(shì)陰離子以Cl-和SO42-為主（表3）。水樣中TDS為138.9～358 694.0 mg/L，均值為4 768.9 mg/L，其中淡水（TDS<1 g/L）、微咸水（TDS為1～3 g/L）、咸水（TDS為3～10 g/L）和鹽水（TDS為10～50 g/L）分別占總水樣的37.9%、36.3%、21.1%和4.7%。水樣中TH為1.5～47 536.2 mg/L，均值為1 262.5 mg/L。其中極軟水（TH≤75 mg/L）、軟水（75 mg/L450 mg/L）分別占總水樣的2.3%、3.4%、15.6%、16.4%、62.3%。

表3 地下水水化學(xué)指標(biāo)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

注單位μS/cm；“ND”為未檢出；“-”表示無標(biāo)準(zhǔn)限值，不計(jì)超標(biāo)率。

從Piper三線圖（圖2（a）—圖2（c））可以看出，研究區(qū)不同含水層其水化學(xué)環(huán)境也有差異，單一結(jié)構(gòu)潛水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總量的45.4%、28.8%和25.8%，SO42-、Cl-和HCO3-分別占陰離子總量的39.6%、35.9%和24.5%，水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na（15.4%）和SO4·Cl-Na·Mg（12.0%）為主；在承壓水區(qū)潛水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總量的47.3%、26.5%和26.2%，SO42-、Cl-和HCO3-分別占陰離子總量的44.3%、37.4%和18.3%，水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na（23.0%）、SO4·Cl-Na·Ca（22.0%）和SO4·Cl-Na·Mg（15.5%）為主；在承壓水中Na++K+、Ca2+和Mg2+分別占陽離子總量的46.3%、26.4%和27.3%，SO42-、Cl-和HCO3-分別占陰離子總量的47.5%、34.7%和17.8%，水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na（20.5%）和SO4·Cl-Na·Mg（18.0%）為主。

圖2 地下水Piper三線圖

2.2 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.1 飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)

為更加全面地反映地下水飲用適宜性，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果選取8個(gè)超標(biāo)指標(biāo)（TDS、TH、Na+、Cl-、SO42-、NO3-、F-和Fe）作為評(píng)價(jià)因子，根據(jù)水質(zhì)指數(shù)法計(jì)算可知單一結(jié)構(gòu)潛水水質(zhì)未超標(biāo)率為61.2%（I、II、III類水分別占比為7.2%、24.5%和29.5%），超標(biāo)率為38.8%（IV類和V類水分別占比為14.1%和24.7%）；承壓水區(qū)潛水水質(zhì)未超標(biāo)率為36.3%（I、II、III類水分別占比為10.1%、13.1%和13.1%），超標(biāo)率為63.7%（IV類和V類水分別占比為12.7%和51.0%）；承壓水水質(zhì)未超標(biāo)率為51.0%（I、II、III類水分別占比為7.1%、20.5%和23.4%），超標(biāo)率為49.0%（IV類和V類水分別占比為12.2%和36.8%）（表4）；由不同含水層的超標(biāo)率可知，按水質(zhì)優(yōu)劣排序：?jiǎn)我唤Y(jié)構(gòu)潛水＞承壓水＞承壓水區(qū)潛水。灌區(qū)單一結(jié)構(gòu)潛水多分布在山前礫質(zhì)傾斜平原區(qū)，受大氣降水入滲補(bǔ)給和山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，水質(zhì)相對(duì)較好；地下水從山前礫質(zhì)傾斜平原區(qū)流動(dòng)到細(xì)土平原區(qū)的過程中，受上游的側(cè)向補(bǔ)給，細(xì)土平原區(qū)地下水埋深較淺，受蒸發(fā)作用的影響，致使地下水中TDS升高趨于咸化，水質(zhì)劣化。另外，水巖相互作用和承壓水區(qū)潛水的垂向補(bǔ)給，致使承壓水中離子超標(biāo)，水質(zhì)劣化。

表4 飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.2 灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)

由于水樣數(shù)據(jù)檢測(cè)較少，只選用含檢測(cè)數(shù)據(jù)的367組水樣用于灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)。USSL圖中鈉吸附比主要用于表征地下水對(duì)土壤的鈉害，即通過降低土壤的滲透性，進(jìn)而抑制作物對(duì)水的吸收。根據(jù)和值大小將圖3劃分為16個(gè)區(qū)域，圖中C代表鹽化級(jí)別，值越大表示可溶性鹽質(zhì)量濃度過高，用于灌溉會(huì)使土壤趨于鹽化；S代表堿化級(jí)別，值越大，土壤越趨于堿化[3]。單一結(jié)構(gòu)潛水在C1-S1、C2-S1、C3-S1、C4-S1、C3-S2、C4-S2、C4-S3和C4-S4區(qū)域中分別占比1.3%、7.5%、42.8%、10.1%、7.5%、14.5%、8.8%和7.5%；承壓水區(qū)潛水在C2-S1、C3-S1、C4-S1、C3-S2、C4-S2、C4-S3和C4-S4區(qū)域中分別占比2.7%、17.3%、21.3%、1.4%、28.0%、20.0%和9.3%；承壓水在C2-S1、C3-S1、C4-S1、C3-S2、C4-S2、C3-S3、C4-S3、C3-S4和C4-S4區(qū)域中占比14.3%、21.1%、18.7%、3.0%、24.1%、1.5%、10.5%、0.8%和6.0%；只有C1-S1、C2-S1和C3-S1區(qū)域的地下水適宜灌溉，其他區(qū)域均不宜用于灌溉，適宜灌溉水樣占比為39.2%，不適宜灌溉水樣占比為60.8%。

Wilcox圖是根據(jù)和的大小將灌溉水水質(zhì)劃分為5類，單一結(jié)構(gòu)潛水在水質(zhì)極好、水質(zhì)良好、水質(zhì)適宜、水質(zhì)保留和水質(zhì)不適宜區(qū)分別占比6.3%、6.3%、33.3%、20.8%和33.3%，承壓水區(qū)潛水分別占1.3%、1.3%、17.3%、6.7%和73.4%，承壓水分別占比13.5%、4.5%、19.5%、19.5%和43.0%。水質(zhì)極好、水質(zhì)良好和水質(zhì)適宜區(qū)為可直接灌溉區(qū)域，水樣占比為37.6%；水質(zhì)保留和水質(zhì)不適宜區(qū)為不可直接灌溉區(qū)域，水樣占比為62.4%，與USSL圖中灌溉水評(píng)價(jià)結(jié)果較相近。在灌溉期灌區(qū)內(nèi)的地下水埋深變淺，在蒸發(fā)作用下，鹽分累積于地表，導(dǎo)致鹽漬化，有研究表明在塔里木盆地的天山南麓山前平原區(qū)和喀什三角洲鹽漬化較為嚴(yán)重，盆地的東部鹽漬化較輕[17]。

圖3 灌溉水水質(zhì)的USSL圖

圖4 灌溉水水質(zhì)分類的Wilocx圖

2.3 灌區(qū)地下水水質(zhì)空間變化

為了直觀反映塔里木盆地灌區(qū)地下水水質(zhì)的空間變化，采用ArcGIS克里金插值法繪制出灌區(qū)各含水層地下水水質(zhì)的空間分布圖（圖5）。

單一結(jié)構(gòu)潛水含水層水質(zhì)指數(shù)低值區(qū)（≤200）主要分布在喀什地區(qū)的喀什市、疏附縣和葉城縣，和田地區(qū)的和田市和墨玉縣，阿克蘇地區(qū)的拜城縣、溫宿縣和烏什縣等區(qū)域，其中水質(zhì)中等類分布最廣，水質(zhì)良好次之；水質(zhì)指數(shù)高值區(qū)（＞200）主要分布在喀什地區(qū)的英吉沙縣、莎車縣和巴楚縣，和田地區(qū)的民豐縣，巴音郭楞蒙古自治州（以下簡(jiǎn)稱“巴州”）的且末縣和若羌縣，阿拉爾市和阿克蘇地區(qū)的沙雅縣，其中水質(zhì)極差類分布范圍最廣。

承壓水區(qū)潛水含水層水質(zhì)指數(shù)低值區(qū)（≤200）主要分布在喀什地區(qū)的葉城縣，阿克蘇地區(qū)的阿克蘇市、庫車市和新和縣等區(qū)域，巴州的和靜縣、博湖縣和和碩縣等區(qū)域，其中水質(zhì)中等類分布范圍最廣；水質(zhì)指數(shù)高值區(qū)（＞200）主要分布在喀什地區(qū)，和田地區(qū)的民豐縣，巴州的且末縣、若羌縣、尉犁縣和庫爾勒市等地區(qū)，阿克蘇地區(qū)的阿克蘇市和沙雅縣，其中水質(zhì)極差類分布范圍最廣。

承壓水含水層水質(zhì)指數(shù)低值區(qū)（≤200）主要分布在喀什地區(qū)的葉城縣，阿克蘇地區(qū)的阿克蘇市、庫車市和溫宿縣等區(qū)域，巴州的和靜縣、和碩縣、若羌縣等區(qū)域，其中水質(zhì)中等類分布范圍最廣；水質(zhì)指數(shù)高值區(qū)（＞200）主要分布在喀什地區(qū)，巴州的且末縣、若羌縣、尉犁縣和庫爾勒市等地區(qū)，阿克蘇地區(qū)的阿克蘇市和沙雅縣，其中水質(zhì)極差類分布范圍最廣。

綜上，I、II、III類水在喀什、阿克蘇等地區(qū)均有分布，但所占比例較小，IV、V類水主要分布在喀什地區(qū)，另外在阿克蘇地區(qū)和巴州的部分縣、市均有分布。

2.4 地下水水質(zhì)空間變化的影響因素分析

2.4.1 因子分析

首先進(jìn)行各指標(biāo)間的相關(guān)性分析，由表5可知，Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、TDS和TH等指標(biāo)之間都存在顯著相關(guān)關(guān)系，說明信息有重疊部分，為了便于分類分析，需要降維來進(jìn)行因子分析。選取8項(xiàng)超標(biāo)指標(biāo)TDS、TH、Na+、Cl-、SO42-、NO3-、F-和Fe等進(jìn)行因子分析，另外由于Ca2+、Mg2+量對(duì)TDS、TH影響較大，HCO3-與諸多離子相關(guān)性較大，故也作為因子分析的指標(biāo)。對(duì)11項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)和巴特利球體檢驗(yàn)后，單一結(jié)構(gòu)潛水、承壓水區(qū)潛水、和承壓水這3種不同含水層值分別為0.677、0.519、0.765，均可做因子分析。采用主成分分析分別提取出公因子4個(gè)、4個(gè)和2個(gè)，并利用最大方差法計(jì)算旋轉(zhuǎn)因子載荷[18]，由表6可知，3種含水層水樣的F1因子貢獻(xiàn)率均大于其他因子貢獻(xiàn)率，這表明F1因子對(duì)地下水水質(zhì)影響重大。

表5 水化學(xué)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

注 “*”表示在0.05水平下顯著相關(guān)；“**”表示在0.01水平下極顯著相關(guān)。

表6 水化學(xué)指標(biāo)旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

在單一結(jié)構(gòu)潛水中F1因子載荷較高的指標(biāo)為TDS、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-和TH，均與F1高度相關(guān)（因子載荷皆＞0.75），由圖6可知，取樣點(diǎn)多分布在受蒸發(fā)濃縮和巖石溶濾作用控制的區(qū)域，在強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用下，易形成以Na+、Cl-為主的高TDS水，另外有少量取樣點(diǎn)分布在Gibbs圖之外，可能受到人類活動(dòng)或者陽離子交換作用；（Ca2+/Na+）、（HCO3-/Na+）和（Mg2+/Na+）等離子比值關(guān)系可反映離子來源（圖7），灌區(qū)地下水水化學(xué)離子主要分布在蒸發(fā)鹽巖和硅酸鹽巖所控制的區(qū)域，另有少量離子分布在碳酸鹽巖控制區(qū)域，說明Na+離子主要受蒸發(fā)鹽巖的溶解，Ca2+、Mg2+等離子受硅酸鹽巖礦物的風(fēng)化溶解作用，隨著Ca2+、Mg2+的增大，會(huì)導(dǎo)致TH的增大[19]。F2因子荷載較高的指標(biāo)為HCO3-和F-，與F2因子高度相關(guān)，HCO3-來源于碳酸鹽的溶解，除此之外灌區(qū)存在大量油田，在油田附近的地下水中含有足量的有機(jī)物和微生物，可降解的有機(jī)物與SO42-、NO3-等氧化劑反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量CO2和HCO3-[20]，F(xiàn)-來源于螢石（CaF2）的溶解。F3因子載荷較高的指標(biāo)為Fe，在還原環(huán)境中，溶解性增強(qiáng)，伴隨著鐵氧化物的還原性溶解，致使Fe2+增多，在氧化環(huán)境中，F(xiàn)e2+被氧化沉淀，導(dǎo)致地下水中含鐵量增多[21]。F4因子載荷較高指標(biāo)為NO3-，硝酸鹽污染較重地段分布于農(nóng)田耕作區(qū)，由于污水排放和大量施用農(nóng)業(yè)化肥，在降水和農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)NO3-下滲進(jìn)入土壤，通過包氣帶進(jìn)入地下水，使得地下水水質(zhì)劣化[22]。

在承壓水區(qū)潛水中F1、F2因子中載荷較高的指標(biāo)與單一結(jié)構(gòu)潛水的中的指標(biāo)一樣，其來源也相似，F(xiàn)3因子中載荷較高的因子為NO3-，F(xiàn)4因子中載荷較高的因子為Fe，F(xiàn)3的貢獻(xiàn)率大于F4的，表明在該含水層中NO3-對(duì)水質(zhì)的影響程度大于Fe的，可能是在該層含水層中受到人類活動(dòng)的影響較大。

圖6 Gibbs圖

圖7 Na端元圖

在承壓水中只有F1和F2因子，F(xiàn)1因子中載荷較高指標(biāo)與F1高度正相關(guān)，F(xiàn)1因子也代表了蒸發(fā)濃縮和礦物溶解的復(fù)合作用，F(xiàn)2因子中HCO3-、F-和Fe載荷較高，F(xiàn)2代表了原生氧化還原環(huán)境和螢石等礦物的溶解作用。

2.4.2 其他影響因素分析

1）水文地質(zhì)條件

塔里木盆地降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，蒸降比為1∶40～1∶56，鹽類離子主要來源于土壤和巖石，內(nèi)陸河從山區(qū)淋溶鹽分，通過地表水和地下水徑流，向盆地輸送，一部分通過強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使埋藏較淺的地下水中的鹽類離子析出，使得鹽分積聚地表，造成鹽漬化，另一部分隨著地下水徑流排向下游，最后注入湖泊或沙漠[10]。單一結(jié)構(gòu)潛水多分布在山前礫質(zhì)傾斜平原區(qū)，該區(qū)域含水層巖性為砂礫石或粗砂，地勢(shì)起伏顯著，水力梯度較大，超標(biāo)離子易遷移；多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓水多分布在細(xì)土平原區(qū)，上部為潛水，下部為承壓水，該區(qū)域含水層巖性為細(xì)砂、黏土與亞砂土，地勢(shì)較為平緩，地下徑流遲緩，水力梯度相對(duì)較小，減緩了超標(biāo)離子的運(yùn)移，使地下水中超標(biāo)離子增多，水質(zhì)劣化。

2）人為因素

通過利用Ca2+、SO42-和NO3-的3項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)人為影響因素進(jìn)行定量計(jì)算，分析工礦活動(dòng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和生活污水對(duì)地下水水質(zhì)的影響[3]，圖8表明單一結(jié)構(gòu)潛水、承壓水區(qū)潛水和承壓水受工礦活動(dòng)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響較大，在灌區(qū)單一結(jié)構(gòu)潛水區(qū)和承壓水區(qū)內(nèi)有較多的工業(yè)區(qū)、石油和煤礦等，根據(jù)《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》2019年新疆工業(yè)廢水排放量1.59億t，工業(yè)廢水、廢渣的排放使得地下水中SO42-、Cl-量升高；為提高農(nóng)作物產(chǎn)量，大量使用化肥和農(nóng)藥，塔里木盆地化肥總使用量約為100.47萬t，化肥和農(nóng)藥的施用，使得NO3-直接進(jìn)入水體，另外NH4+可經(jīng)過硝化作用氧化成NO3-[23]，大量的農(nóng)業(yè)灌溉水垂直入滲補(bǔ)給地下水，同時(shí)鹽分和超標(biāo)離子從土壤水遷移到地下水中，使得地下水水質(zhì)劣化。

3）陽離子交換

當(dāng)（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）與（Na+-Cl-）的比值接近-1，則表示發(fā)生了陽離子交換作用[24]。由圖9（a）可以看出單一結(jié)構(gòu)潛水、承壓水區(qū)潛水和承壓水的2分別為0.936、0.987和0.952，表明線性擬合效果極好；單一結(jié)構(gòu)潛水、承壓水區(qū)潛水和承壓水直線斜率分別為-1.04、-1.01和-0.97，說明研究區(qū)水樣陽離子交換強(qiáng)弱為承壓水區(qū)潛水>承壓水>單一結(jié)構(gòu)潛水，因?yàn)槌袎汉畬拥牡叵滤畡?dòng)力條件差，沉積物顆粒較細(xì)，使得陽離子交換更加明顯。

利用氯堿指數(shù)（-1和-2）進(jìn)一步分析陽離子交換作用發(fā)生的強(qiáng)度和方向，若（-1和-2）均為負(fù)值，地下水中Ca2+、Mg2+與顆粒物上的Na+發(fā)生離子交換，使得地下水中Na+量升高，Ca2+、Mg2+量降低[25]；若二者均為正值，則反之。如圖9（b）所示，絕大部分采樣點(diǎn)-1和-2均小于0，表明發(fā)生了反向陽離子交換作用，氯堿指數(shù)減小，陽離子交換作用增強(qiáng)，地下水中Na+量增多，導(dǎo)致水質(zhì)劣化。

圖9 γ(Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-)/γ(Na+-Cl-)和氯堿指數(shù)圖

3 討 論

塔里木盆地灌區(qū)地下水水質(zhì)在水平和垂向上呈現(xiàn)不同的規(guī)律，水平方向上，從山前礫質(zhì)傾斜平原向中下游細(xì)土平原地下水水質(zhì)逐漸變差；垂直方向上，地下水水質(zhì)優(yōu)劣呈現(xiàn)單一結(jié)構(gòu)潛水>承壓水>承壓水區(qū)潛水的特點(diǎn)。由于山區(qū)降水豐富且常年積雪，大氣降水和冰雪融水為山前礫質(zhì)傾斜平原的單一結(jié)構(gòu)潛水提供了補(bǔ)給來源，水質(zhì)相對(duì)較好，而位于細(xì)土平原區(qū)的承壓水區(qū)潛水受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用，水質(zhì)相對(duì)較差，這與尹立河等[26]對(duì)西北內(nèi)陸河流域平原區(qū)所述結(jié)果一致。為了人們生活的需要，在河流上游段修建水庫或者人工渠系，將河水引入灌區(qū)，在河流的上、中游灌區(qū)內(nèi)，地下水位上升，經(jīng)地表的強(qiáng)烈蒸發(fā)后，鹽分留于土壤表層，再經(jīng)過地表徑流的垂直入滲，致使地下水中值增大，不宜灌溉的水樣增多[27]；由灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，可灌溉水樣與不可灌溉水樣占比約為2∶3。在灌溉期，地下水位上升，在蒸發(fā)作用下，地下水埋深較淺的地下水中的鹽分易于累積于土壤表層，加重鹽漬化現(xiàn)象。喬木等[17]對(duì)塔里木盆地灌區(qū)鹽漬化現(xiàn)象進(jìn)行研究認(rèn)為塔里木盆地灌區(qū)以硫酸鹽-氯化物、氯化物-硫酸鹽、氯化物等鹽分類型為主，總體是塔里木盆地東部和東南灌區(qū)鹽漬化較輕，北部和西部灌區(qū)鹽漬化較重。另外在原生環(huán)境下非鹽漬化區(qū)，地下水的強(qiáng)烈開采，會(huì)導(dǎo)致常量組分升高，TDS增大，污染組分和污染程度增加，也會(huì)致使水質(zhì)劣化[27]；塔里木盆地灌區(qū)灌溉水對(duì)土壤鹽分的淋濾作用較強(qiáng)，而姚玲等[28]表明，河套灌區(qū)大氣降水對(duì)土壤的淋濾作用強(qiáng)于灌溉水，這可能是兩地氣候差異所致。河流和渠系污染源主要來自于工業(yè)廢水和生活污水，引水灌溉致使污染物進(jìn)入到地下水中，水質(zhì)劣化[29]，另外，灌區(qū)周邊有大量的農(nóng)牧場(chǎng)，糞便和化肥農(nóng)藥的不當(dāng)處理，致使硝酸鹽量升高，這與秦景等[30]對(duì)北京市西南山前平原中的研究結(jié)果一致。本文結(jié)合水文地球化學(xué)方法對(duì)地下水水質(zhì)成因進(jìn)行分析。在今后的研究中，還可以考慮將遙感技術(shù)、同位素技術(shù)和水文地球化學(xué)等方法相融合，對(duì)研究區(qū)地下水水質(zhì)劣化的成因進(jìn)行深入探討。

4 結(jié) 論

1）塔里木盆地灌區(qū)地下水pH值范圍為6.39～10.50，TDS相對(duì)較高，多為高礦化度水。陽離子以Na+離子為主，陰離子以SO42-和Cl-為主，其中SO42-超標(biāo)率最大，高達(dá)72.4%，地下水水化學(xué)類型主要為SO4·Cl-Na、SO4·Cl-Na·Mg和SO4·Cl-Na·Ca型。塔里木盆地灌區(qū)I、Ⅱ、III類水所占比例較小，IV類和V類水所占比例較大，含水層水質(zhì)的優(yōu)劣表現(xiàn)為單一結(jié)構(gòu)潛水>承壓水>承壓水區(qū)潛水。

2）地下水水質(zhì)主要受到蒸發(fā)濃縮作用以及巖石溶濾作用的影響，使得地下水中Na+、SO42-和Cl-等離子超標(biāo)，山前礫質(zhì)傾斜平原和細(xì)土平原區(qū)由于地勢(shì)和水動(dòng)力條件的差異，使得細(xì)土平原區(qū)水質(zhì)較差，另外，反向陽離子交換使得Na+量升高，地下水水質(zhì)進(jìn)一步劣化。

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Spatial Change in Groundwater Quality and Its Determinants in Irrigation Areas at Tarim Basin, Xinjiang

YAN Zhiyun1,2,3, ZENG Yanyan1,2,3*, ZHOU Jinlong1,2,3, SUN Ying1,2,3

(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China;2. Xinjiang Hydrology and Water Resources Engineering Research Center, Urumqi 830052, China;3. Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disasters Prevention, Urumqi 830052, China)

【Objective】This paper is to analyze the spatial change in groundwater quality and its determinants in irrigation areas in Tarim Basin in Xinjiang, in attempts to provide a baseline guidance for sustainable utilization of groundwater resources and alleviating groundwater pollution.【Method】The analysis was based on 1 292 groundwater quality measurement data, from which we analyzed the groundwater chemical composition and chemistry types using the descriptive statistical analysis method and the Piper trilinear diagram method. The groundwater quality was analyzed using the water quality index method, USSL diagram and Wilcox diagram; spatial variation in groundwater quality and its determinants were calculated using the Kriging interpolation, factor analysis and ion ratio methods. 【Result】Groundwater quality in the gravelly inclined plain in front of the mountain was better than that in the fine soil plain in the middle and low reaches of the basin. Dissolution of rocks increased ion contents in the groundwater, and groundwater quality deteriorates gradually from the gravelly inclined plain to the fine soil plain. The soluble salt concentration of groundwater in irrigation areas was considerably high; ions in shallow groundwater precipitated due to evaporation, resulting in salt accumulation on the soil surface. The factors affecting groundwater quality are ranked in the order: single structured unconfined groundwater>confined groundwater>unconfined groundwater in confined area. 【Conclusion】The groundwater quality in the irrigation areas was jointly affected by evaporation and mineral dissolution, the redox in original geology, and human activities, in addition to aquifer type, groundwater recharge-discharge, runoff and cation exchange.

groundwater; quality evaluation; spatial variation; factor analysis; irrigation area of Tarim Basin

閆志雲(yún), 曾妍妍, 周金龍, 等. 新疆塔里木盆地灌區(qū)地下水水質(zhì)空間變化及其影響因素[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(8): 70-79.

YAN Zhiyun, ZENG Yanyan, ZHOU Jinlong, et al. Spatial Change in Groundwater Quality and Its Determinants in Irrigation Areas at Tarim Basin, Xinjiang[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(8): 70-79.

1672 - 3317（2022）08 - 0070 - 10

P641.69

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021541

2021-11-04

新疆自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019D01B18）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42067035）；“新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”2021年開放課題（ZDSYS-JS-2021-10）

閆志雲(yún)（1995-），男，甘肅民樂人。碩士研究生，主要從事干旱區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)相關(guān)研究工作。E-mail: d1259119257@163.com

曾妍妍（1989-），女，江西吉水人。副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事水土環(huán)境地球化學(xué)與劣質(zhì)地下水處理等研究工作。E-mail: 644257818@qq.com

責(zé)任編輯：白芳芳