南北疆典型绿洲水化学特征差异与时空变化规律分析
作者： 马玉 刘小龙 张鹏伟 摆翔 彭磊
摘要 利用水化学指标、离子含量特征、Piper图、Gibbs图、主要离子比例关系和USSL图法，以中国西北干旱区新疆南（策勒）北（阜康）2个绿洲为例，对2005—2019年天然水体的水化学特征进行分析。结果表明：2005—2019年阜康地下水离子浓度与溶解性固体总量（TDS）波动较大，总体呈下降趋势，地表水离子含量变化并不明显；2个绿洲区的TDS与其他各离子含量之间均存在较好的相关性，天然水体的矿化度主要由Na+与SO 42-控制。策勒水化学类型为Na+-Cl-型和混合型，阜康水化学类型为Ca2+-HCO 3-、Na+-Cl-型和混合型；阜康的流动地表水主要受碳酸盐岩风化的影响，静止地表水受硅酸盐岩的风化作用的影响，硅酸盐岩和蒸发盐岩的风化是地下水组分的主要控制因素；策勒的地表水和地下水化学组分均受硅酸盐岩与碳酸盐岩风化的影响。
关键词 水化学；时空变化规律；Piper图；水-岩相互作用；离子比；干旱区绿洲
中图分类号 P 641.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2025）01-0063-07
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.014
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Water Chemical Characteristics and Spatio-temporal Variation of Typical Oases in Southern and Northern Xinjiang—Take Cele and Fukang for Example
MA Yu LIU Xiao-long 3，ZHANG Peng-wei1 et al
（1.Urumqi Comprehensive Survey Center on Natural Resources，CGS，Urumqi，Xinjiang 830046;2.Wuhan Center of Geological Survey，CGS，Wuhan，Hubei 430205; 3.Research Center of Granitic Diagenesis and Mineralization，CGS，Wuhan，Hubei 430205）
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 42-.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.
Key words Water chemistry;Spatiotemporal variation law;Piper chart;Water-rock interaction;Ion ratio;Oasis in arid areas
基金项目 中国地质调查局地质调查项目（DD20220962）。
作者简介 马玉（1995—），女，新疆乌鲁木齐人，工程师，硕士，从事水工环地质调查与研究工作。*通信作者，正高级工程师，硕士，从事水工环地质调查与研究工作。
水化学调查是研究流域水循环的基础，流域内地表水与地下水存在相互水力联系，地表水、地下水的水化学组成分析结果，可作为水资源评价的依据，并有利于区域水文地质的发展和对水文地球化学的预测［1-2］。有研究表明，西北内陆地表水的水量与水质发生了时空的改变，同时与地表水系密切相关的地下水环境特征也发生明显的变化［3-4］。近年来，众多学者关注干旱半干旱区的天然水体水化学组分及其成因［5］，该地区降水稀少，河流水化学成分主要受流经区域地质岩性［6］、人类活动［7］的影响；其次，地表水水化学特征还与地下水的相互转换有关［8］，一般来说，水-岩石相互作用会导致矿物质的溶解，从而引起地下水化学性质的变化，而天然水体的离子构成是识别和确定地下水水体化学特征及其控制端元的重要影响因素［9］。因此，了解西北干旱区重要水源的水化学特征及演化规律对绿洲区生态系统稳定和人类生产生活的保障都极为重要。
策勒绿洲和阜康绿洲是南北疆典型的山地绿洲，分别位于塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠边缘，具有生态环境恶劣、缺水情况严重的特点［10］，绿洲水源主要靠昆仑山和天山冰雪融化补给［11］，平原区含水层结构均为以卵砾石为主的第四系松散堆积物，且含水层厚度大、富水性强。受到气候变化、人口增长、过度放牧和过度开荒等因素的干扰，当地居民大量开采地下水和抽取河流水使用，这给当地水资源的可持续发展带来了巨大的压力［12］。而摸清干旱区的水质变化规律是该区水资源管理的核心，这对当地产业发展、资源合理利用和生态环境的改善具有重要意义。
截至目前，尽管对新疆水资源演变的猜测不断，由于水化学数据较少，对河流的水文地球化学认识不足，且研究针对的区域集中在单个含水系统中，还不清楚与其他干旱地区的类似系统相比如何。因此展开长时间尺度的南北疆典型干旱荒漠绿洲的地表水和地下水水化学特征综合研究，探讨2005—2019年天然水体的水质变化趋势，其分析结果可为西北干旱荒漠绿洲的水资源合理利用及可持续发展提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
策勒绿洲位于塔克拉玛干沙漠南缘和昆仑山北麓之间（图1），地理位置为80°03′～82°10′E、35°17′～39°30′N，属典型内陆暖温带荒漠气候，夏季炎热，干旱多风少雨，日照时间长，昼夜温差大，多年平均降水量35.1 mm，多年平均蒸发量2 600 mm。主要土壤类型为风沙土、棕漠土、灌淤土与盐土，过渡带内的植被单调。绿洲内呈现典型干旱区洪积扇地下水流特征，流向为由南向北，与地表径流方向一致。地下水埋深小于50 m，富水性好，含水层特征为第四系砂卵砾石单一孔隙潜水含水层。
阜康绿洲位于准噶尔盆地东南部，博格达山北麓低山-丘陵地带（图1），地理位置为87°46′～88°44′E、43°45′～45°30′N，属于典型的大陆干旱型气候，夏季炎热干燥，冬季寒冷多风，多年平均降水量220 mm，多年平均蒸发量1 817 mm。阜康南部山体高峻，湿润的西风带侵入后，山地降水增多，高山发育冰川，中山形成森林，最终形成径流流入荒漠。含水层特征为从山前倾斜平原到冲洪积细土平原区，含水层由单
一结构潜水向上层潜水-下层承压水或多层结构含水层逐渐变化。
1.2 样品采集与测试
1.2.1 样品采集。
数据来源于中国生态系统研究网［13］，
2005—2019年在南疆策勒和北疆阜康2个研究区分别进行采样（图2），采样信息如表1所示。
采样前，先将预先灭菌的聚乙烯瓶和瓶盖用水样润洗3遍后采样，水井采样用水泵抽取15 min后采取水样，再将水样用0.45 μm的微孔滤膜过滤，其中用于阳离子分析的样品使用硝酸酸化至pH< 然后将水样置于冷藏箱中低温保存。采样全过程严格依据《地下水环境监测技术规范》（HJ/T 164—2020）进行，水样测试分析由中国科学院新疆生态与地理研究所生态与环境分析测试中心完成。
1.2.2 样品测试。
测试项目为离子含量（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO 3-、Cl-、SO 42-）、电导率（EC）、溶解性固体总量（TDS），且各离子的测试精度均为0.01 mg/L。K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量采用火焰原子吸收分光光度法测定，HCO 3-含量采用乙二胺四乙酸二钠滴定法测定，Cl-、SO 42-含量采用离子色谱仪测定，EC用电导率仪在采样现场测取，TDS采用干燥-重量法测定。
1.3 数据处理
Piper图的三线性分类系统根据主要阳离子（Ca2+、Mg2+、Na+和K+）和阴离子（HCO 3-、Cl-、SO 42-）的毫升当量值来确定不同岩石风化作用对地下水离子浓度的相对贡献程度。利用Gibbs图的半对数坐标图解可以探究区域水体溶解化学成分的功能来源［14］。Gibbs将天然水体重要的自然机制作用归为大气降水、岩石风化和蒸发-结晶3种，它们控制着地下水的主要离子化学［15］。在Gibbs图中，TDS值分别与Na+/（Na++Ca2+）值和Cl-/（Cl-+HCO 3-）值在不同的图中进行绘制。Gaillardet端元图是由大量水化学数据样本建立出的基于钠离子归一化摩尔比的计算模型，河水溶质的物源通过绘制蒸发盐岩、硅酸盐岩和碳酸盐岩端元图来识别［16］。通常用水体中Mg2+/Na+、Ca2+/Na+和HCO 3-/Na+含量的比值来研究水体和各种岩体之间的相互作用［17］。