浅层地下水是干旱区重要的生态水文过程要素[1-2]，地下水位埋深及盐度大小直接影响干旱区生态植被的生长[1，3]。在我国极端干旱区，如黑河下游具有重要生态防护功能的天然绿洲区，浅层地下水化学的变化将直接影响整个生态系统的动态平衡[4]。
摘要：以额济纳三角洲2011年生态输水期间（4月）和生态输水间歇期（8月）两次巡测水样的水化学数据为基础，运用Kriging插值、Piper图等方法，综合分析单次生态输水情况下额济纳三角洲河岸带、戈壁带和农田绿洲区浅层地下水化学特征变化及其主要影响因素。结果表明：与4月相比，8月研究区浅层地下水化学类型未发生明显改变，但TDS（总溶解固体）（22117～29743mg/L）、总硬度（2515～3573mg/L）以及各主要离子含量显著增加，空间变异系数增大（1126～1575）；空间上，地下水化学表现出明显的变化特征，沿地下水径流方向，地下水TDS由小于1000mg/L增高到大于3000mg/L，垂直河道方向，距河道一定距离存在TDS峰值带；额济纳三角洲浅层地下水化学特征的影响因素主要包括潜水蒸散发、生态输水和抽水灌溉等。
关键词：国家级论文发表,浅层地下水,水化学特征,干旱区,额济纳三角洲
额济纳绿洲区的生态环境问题已引起了国内学者的极大关注[5-12]，已有研究表明，自2000年实施黑河输水措施后，额济纳三角洲地下水整体趋于淡化，但部分地区地下水TDS持续增加，仍存在严重生态环境危机。前人对额济纳的地下水化学变化特征以及演化机理研究主要集中在实施生态输水工程前后浅层地下水化学的变化及影响因素分析[6，9，11]。而长期影响效果是单次生态输水影响的累积，研究额济纳三角洲河岸带、戈壁带和农田绿洲区不同地带的地下水化学在单次生态输水情况的各主要影响因素，能更加深入了解生态输水对不同地区地下水化学恢复的影响程度及机理，为生态输水管理和生态环境恢复决策提供重要参考，也为进一步分析与预测自然因素与人类活动共同影响下的水质演化过程提供依据。
1研究区概况
额济纳盆地地处我国西北河西走廊，黑河流域的最下游。南与甘肃省鼎新盆地相邻，西以马鬃山剥蚀山地东麓为限，东接巴丹吉林沙漠，北抵中蒙边境[10，13]，整体地势由西南向东北逐渐倾斜。该地区深居我国西北内陆腹地，为典型的大陆性干旱气候区，降水稀少，蒸发强烈，温差大，风大沙多。据额济纳旗气象站1960年-2011年观测，额济纳绿洲区多年平均降水量为34mm，蒸发能力为1413mm[14]。降水多集中在每年的6月-9月，单次降水量>10mm的降水场次十分稀少，因此大气降水对地表径流、地下水的直接补给作用十分微弱[15]，但由于降水能有效抑制潜水蒸发作用，因此大气降水对研究区地下水补给作用不容忽视。额济纳三角洲地下水的补给，主要来自黑河水季节性垂向渗漏补给、大气降水的入渗补给、相邻鼎新盆地与额济纳盆地东南部巴丹吉林沙漠潜水的侧向径流补给。地下水系统的排泄主要包括潜水的蒸发、植被的蒸腾及工农业生产和居民生活对地下水的开采。本次研究区为额济纳旗境内狼心山以北的额济纳三角洲，介于东经99°30′-102°00′，北纬40°20′-42°30′之间，见图1。
额济纳盆地主要含水层为第四系含水层，根据垂直方向上的含水层结构分为单一结构含水层、双层结构含水层和多层结构含水层区。额济纳盆地西南部属于单层结构的潜水系统，向东北方向逐渐过渡为双层或多层结构的潜水-承压水系统[13]。盆地自西南向东北，含水层岩性颗粒渐细，地下水水位埋深渐浅，含水层的富水性由强变弱，含水层层次增多[16]。
2研究方法
地下水监测点的布设应考虑监测结果的代表性、实际采样的可行性以及监测工作的连续性，宏观上能控制不同的水文地质单元，反映所在区域地下水质量空间变化。本次研究布设的地表水-地下水水样点，在空间分布上南起狼心山水文站，北至东居延海（图1），水样点沿着额济纳东、西河的上、中、下游分布在典型的河岸带、戈壁滩与农田绿洲区，且均采自长期观测井，符合地下水监测点布设要求。共采集水样34个，其中4月和8月浅层地下水水样各14个（各观测井井深48～15m，均位于潜水含水层），居延海湖水水样各1个；4月份生态输水河水水样4个。现场采用CyberScanPC300手提pH/EC测定仪测出pH。水样的室内水化学简分析在中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心完成，CO32-和HCO3-采用滴定法（001NH2SO4）实验分析，其他的阴阳离子分别利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）和电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES）测定。TDS为八大主要离子质量浓度之和。对于所分析的水样通过阴阳离子平衡计算验证，其实验误差不超过5%。
3浅层地下水化学特征
3.1空间变化特征
额济纳三角洲浅层地下水化学特征在两次采样期的空间分布基本一致；从上游冲洪积扇区到下游东、西居延海附近呈现明显的水平分带性。南部的冲洪积扇区及河岸带，浅层地下水的TDS<1000mg/L，属于淡水，河岸带TDS空间变异小，均值也最小；中部及北部的大部分戈壁带，TDS介于1000～3000mg/L之间，属于微咸水，戈壁带TDS普遍较大，空间变异小；东河下游农田绿洲地区的部分TDS>3000mg/L，属于咸水，农田绿洲区TDS空间变异大，多出现极高值，见图2。
3.1.1沿河道方向
自额济纳三角洲南部的冲洪积扇区至东河下游农田绿洲区，浅层地下水化学类型变化明显：由狼心山水文站（GW1）的SO4-HCO3-Mg-Na型渐变为I断面（包括GW2、GW3、GW4）的SO4-HCO3-Na-Mg型，至II断面（包括GW5、GW6、GW7、GW8）和东河下游额济纳农田绿洲区演化为SO4-Cl-Na-Mg型；沿河道河水的水化学类型未发生改变，均为SO4-HCO3-Mg-Na型[东居延海湖水的水化学类型为Cl-SO4-Mg-Na型（4月20日水样）或SO4-Cl-Na-Mg型（8月10日水样）。可见沿河道地下水化学类型由南部与河水水化学类型相同逐渐变为下游农田绿洲区与东居延海湖水水化学类型相同，浅层地下水沿河道TDS（最大增幅123641mg/L）、总硬度（最大增幅13843mg/L）以及各主要离子沿河流方向显著增加。3.1.2垂直河道方向
以Ⅱ断面为例，在垂直河道方向上TDS在生态输水期间和生态输水间歇期变化趋势一致：随着距河道距离的增加，呈现出增加-减少-平稳的变化趋势，见图3。距西河5500m处的观测井GW6的TDS最高，并显著高于其他3个观测井。有研究表明，在极端干旱区的末端，包气带中盐分因蒸发浓缩作用聚集而丰富，生态输水的河水水质较好，大量的河水补给导致近河床位置浅层地下水中TDS和离子含量下降[但同时生态输水使河床上沉积的大量易溶盐类溶解在水中，造成水头到达之处的地下水盐分升高[17]；而远离河道的戈壁带地区，如GW7和GW8距东、西河均超过9000m，它们并不受生态输水的影响[18]，地下水TDS较低且稳定，因此呈现出上述增加-减少-平稳的变化趋势。综上所述，在距西河一定距离的位置存在浅层地下水TDS峰值带，即本次生态输水的河水影响范围边界[17，19]。
3.2时间变化特征3.2.1水化学特征分析
由额济纳三角洲河水、东居延海湖水及浅层地下水Piper图可以看出，全部地表-地下水水样都分布在菱形图第4区，其水化学特征为强酸>弱酸，就见图4。
与4月相比，8月浅层地下水pH均值略有下降（78～76）；总硬度均值增加1058mg/L（2515～3573mg/L）；TDS均值增加7626mg/L。4月的TDS均值为22117mg/L，最小值为7807mg/L，出现在西河上游河岸带的GW2观测井；最大值为102296mg/L，出现在东河下游农田绿洲区的GW13观测井。8月的TDS均值为29743mg/L，最小值7585mg/L，出现在东河下游农田绿洲区GW9观测井；最大值为131225mg/L，出现在东河下游农田绿洲区的GW10观测井。8月70%以上观测井的TDS呈现增加趋势，尤其是断面Ⅰ和断面Ⅱ，除距离东河河道非常近的GW4略微下降，其余所有观测井的TDS均显著增加。东河下游农田绿洲区部分观测井的TDS略显下降，变化规律不显著。但浅层地下水化学类型在Piper图中的位置几乎无变动，水化学类型中少量的变化并没有体现地下水盐化的趋势。其中，50%的观测井水化学类型完全没有改变，发生变化的观测井有GW2、GW5、GW10和GW12，分别由Na-Mg-SO4-HCO3型变为Na-Mg-HCO3-SO4型、Na-Mg-SO4-HCO3型变为Na-Mg-SO4-Cl型，Na-Mg-SO4-Cl型变为Na-Mg-SO4型、Na-Mg-SO4-HCO3型变为Ca-Na-SO4-HCO3型。
3.2.2主要离子特征分析
浅层地下水各主要离子与TDS变化规律相似，见表1。与4月相比，8月的主要离子成分最小值没有显著变化，但最大值和平均值都不同程度增加。阴离子中SO42-平均浓度增加3379mg/L（8852～12230mg/L），HCO3-增加736mg/L（3433～4170mg/L），Cl-增加了632mg/L（3178～3810mg/L）；阳离子中Na++K+平均浓度增加最多，增加1905mg/L（4056～5961mg/L），Mg2+增加725mg/L（1570～2296mg/L），Ca2+增加333mg/L（945～1278mg/L）。8月各主要离子的变异系数也均增大，变异系数反映单位均值上的离散程度，变异系数增大，表明生态输水间歇期，额济纳三角洲浅层地下水各离子空间分布不均匀性增加。其中增加最多的是Na++K+，约增加1倍，其次是Cl-、SO42-和Mg2+，浅层地下水中含量较少的HCO3-和Ca2+的变异系数一直较小，没有明显变化。
4影响因素分析
观测井所处的位置及其地下水水位和河水的动态关系，决定了观测井的类型，按照戈壁带、河岸带和农田绿洲区三种不同类型具体分析地下水化学的影响因素，见图5。
4.1戈壁带
在干旱区，强烈的蒸散发作用致使浅层地下水“水去盐留”，盐分的不断积累导致水化学向盐化方向演化[2，13]。额济纳三角洲戈壁带（观测井GW7、GW8）地下水化学变化的主要影响因素是潜水蒸散发作用。如图5类型一所示，观测井地下水位在夏季缓慢下降，在蒸散发的持续作用下，戈壁带地下水TDS较高，并且随时间不断增大，与4月相比，8月的TDS均值升高了828mg/L（11916～12744mg/L）。
4.2河岸带
2011年4月12至21日采样时，东、西河已分别连续生态输水97天、120天，处于该年第一次生态输水期间，此时，东、西河已分别输水14284×104m3和5869×104m3，约占全年输水总量的1/3；8月13至18日采样时，东、西河已分别停止生态输水27天、123天，处于第一次生态输水间歇期。黑河间歇性生态输水的河道渗漏补给是研究区浅层地下水的主要补给源[13]。在距河道100m以内的河岸带（观测井GW4、GW5），如图5类型二所示，地下水位动态对生态输水过程的响应显著，地下水位在两次来水期间均有不同程度的回升。因此，河岸带地下水化学变化在受到潜水蒸散发作用影响的同时，主要受到生态输水条件下的河流入渗补给影响，故与戈壁带相比，河岸带的浅层地下水TDS整体偏低。受生态输水分配的影响，东河沿岸地下水较西河沿岸更加淡化，TDS也明显偏小。这主要是因为东河多年平均生态输水量是西河的3倍多，因此东河沿岸的地下水受入渗河水的淡化作用更显著。同时，在河水入渗补给地下水的过程中，河岸带地下水中的盐分成条带状向远离河道方向缓慢运动，并在距河岸带一定距离的位置存在一个浅层地下水TDS峰值带[16]。
4.3农田绿洲区
在农田灌区，春季河水漫灌和夏季地下水开采回灌是影响浅层地下水水位（如图5类型三所示）与水化学动态的主要因素，此外，作用于整个额济纳三角洲的潜水蒸散发作用以及生态输水作用也对大部分位于河流附近的农田灌区地下水水化学产生影响。与4月相比，8月灌区地下水的TDS平均增加了24112mg/L（48230～72341mg/L），但受灌溉面积及抽水量大小的影响，不同观测点的地下水TDS变化幅度差异较大。其中观测井GW10位于农田中，其控制灌溉面积约为2667hm2，每年灌溉抽水量约为204×104m3，在地下水抽取-回灌的过程中，浅层地下水受到反复的蒸发浓缩作用，盐分不断淋滤累积，其TDS在4月至8月期间增加了94453mg/L。浅层地下水化学特征及其变化规律受气候、水文、地形特征、岩性等因素的综合影响，同时受地下水补给、径流、排泄条件的制约[8]。结合研究区浅层地下水位动态变化特征[14]，分析出额济纳三角洲河岸带、戈壁带和农田绿洲区地下水化学主要受到潜水蒸散发、生态输水、抽水灌溉等因素综合作用。
5结论
（1）自额济纳三角洲南部的冲洪积扇区至东河下游农田绿洲区，沿河流方向浅层地下水化学类型由SO4-HCO3-Mg-Na型变为SO4-Cl-Na-Mg型，TDS、总硬度以及各主要离子沿地下水径流方向显著增加。
（2）与生态输水期（2011年4月）相比，生态输水间歇期（2011年8月）的地下水TDS、总硬度以及各主要的离子含量均显著增加，空间变异系数增大，但地下水化学类型并未发生改变。
（3）在垂直河道方向上，地下水TDS随着距河道距离的增加，呈现出"增加-减少-平稳"的变化趋势，表明在距河岸一定距离的位置存在一个TDS最高的水平带。
（4）额济纳三角洲浅层地下水化学特征变化的主要影响因素包括蒸散发、生态输水和抽水灌溉等。在戈壁带，潜水蒸散发使水化学盐化，而生态输水过程中的河水入渗补给使河岸带地下水化学得到淡化；在三角洲下游的农田绿洲区，由于抽水灌溉使地表水与地下水之间的多次转换，造成地下水TDS不断增加。
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