中国克拉玛依地区浅层地下水水文地球化学特征时空演变、形成机制与污染评价研究

本研究针对干旱区克拉玛依市浅层地下水水质演化机制不清的问题，通过采集丰枯水期274组水样，综合运用多元统计、离子比例分析及污染指数评价方法，揭示了地下水化学特征受蒸发浓缩及岩盐、石膏、白云石等矿物溶解控制，并发现区内63%以上区域存在不同程度污染，为干旱区地下水环境保护与可持续利用提供了重要科学依据。

　　

在中国西北干旱地区的克拉玛依，地下水是维系生态安全和支撑社会发展的重要命脉。然而，随着工业化和城市化进程加速，地下水环境正面临日益严峻的挑战——水质恶化、盐分累积、污染扩散等问题逐渐显现。更令人担忧的是，人们对这片土地下隐藏的水文地球化学演化规律和污染特征仍知之甚少。这种认知空白严重制约了地下水资源的合理开发与有效保护，正是在这样的背景下，由新疆大学化学工程学院精细化工教育部重点实验室的于慧明等人组成的研究团队，开展了一项针对克拉玛依浅层地下水系统的全面研究，其成果发表在环境科学领域知名期刊《Ecotoxicology and Environmental Safety》上。

为了深入解析该区域地下水化学特征的形成机制，研究团队在2022年丰水期和枯水期分别系统采集了137个地下水样本（合计274样次），采样点覆盖乌尔禾、白碱滩、克拉玛依和独山子四大行政区。采用滴定法测定Cl^?、HCO₃^?、SO₄^2?和CO₃^2?浓度，原子吸收光谱法检测K⁺和Na⁺，酸滴定法分析Mg²⁺和Ca²⁺，并通过烘干称重法获得总溶解固体（TDS）数据。研究运用描述性统计、克里金空间插值、皮尔逊相关性分析、吉布斯(Gibbs)模型、离子比例图示、饱和指数(SI)计算及污染指数(PIG)评价等多重技术手段，全面揭示了地下水化学组分的时空分布规律、控制因素和污染状况。

3.1 水化学特征

通过统计分析发现，地下水呈弱碱性至碱性，TDS平均值超过7000 mg/L，离子浓度序列为K⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺ < Na⁺ 和 CO₃^2– < HCO₃^– < SO₄^2– < Cl^–。空间上高浓度离子主要富集在白碱滩区和克拉玛依区北部，而HCO₃^–和pH高值区则集中在乌尔禾和克拉玛依中部。Piper图解显示水化学类型以NaCl型和Ca-HCO₃型为主，存在明显季节转换特征。

3.2 形成机制与离子来源

吉布斯模型表明地下水演化主要受蒸发作用和岩石风化控制，降水影响微弱。离子相关性分析揭示Na⁺与Cl^–的强烈相关性（r>0.97）说明其主要来源于岩盐溶解，而Ca²⁺与SO₄^2–的关联则指向石膏溶解。离子比例图进一步证实了白云石和方解石的溶解贡献。氯碱指数(CAI-I和CAI-II)分析表明阳离子交换作用显著，其中Na⁺与Ca²⁺/Mg²⁺的交换过程对水质演化产生重要影响。

3.3 主成分分析

提取的三个主成分累计解释方差达84.48%。PC1代表水-岩相互作用和蒸发浓缩过程，PC2反映碳酸盐平衡体系，PC3表征碳酸氢根离子的动态变化。分析结果表明自然演化过程是控制地下水化学特征的主要因素。

3.4 矿物溶解/沉淀

饱和指数计算显示：岩盐和石膏多数处于未饱和状态(SI<0)，而白云石和方解石则多以饱和状态存在(SI>0)。矿物溶解程度在枯水期更高，表明蒸发浓缩作用促进了矿物的沉淀析出。

3.5 地下水质量评价

污染指数评价显示，Na⁺、Cl^–、SO₄^2–和TDS的污染区域占比在丰枯水期分别达63.19–70.72%和62.55–68.30表明白碱滩区和克拉玛依区北部污染最为严重，而乌尔禾北部和独山子南部水质相对较好。污染主要源于工业设施、农业活动和生活污水排放，同时自然演化过程也加剧了水质恶化。

研究结论强调，克拉玛依浅层地下水化学特征主要受蒸发浓缩、岩石风化和阳离子交换作用控制，矿物溶解（特别是岩盐、石膏、白云石和方解石）是离子来源的主要途径。区内大部分区域遭受中度至重度污染，地下水质量总体较差。这些发现不仅揭示了干旱地区地下水环境的演化机制，而且为当地水资源管理政策的制定提供了关键科学依据，对生态脆弱区水资源保护与可持续利用具有重要指导意义。该研究建立的综合分析方法论也可为类似干旱区的地下水资源研究提供参考范式。