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Arid Zone Research >

2024 , Vol. 41 >Issue 6: 917 - 927

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2024.06.02

Land and Water Resources

Analysis of the hydrochemistry characteristics and groundwater recharge sources in the Hotan River Basin, China

  • LI Xiaodeng , 1, 2 ,
  • CHANG Liang 1, 3 ,
  • DUAN Rui 1 ,
  • WANG Qian 1 ,
  • ZHANG Qunhui 1 ,
  • YANG Bingchao 1
Expand
  • 1. Xi’an Center of Geological Survey, China Geological Survey, Xi’an 710054, Shaanxi, China
  • 2. Urumqi Natural Resources Comprehensive Survey Center, China Geological Survey, Urumqi 830000, Xinjiang, China
  • 3. Key Laboratory for Groundwater and Ecology in Arid and Semi-arid Areas, China Geological Survey, Xi’an 710054, Shaanxi, China

Received date: 2023-10-10

  Revised date: 2024-01-26

  Online published: 2025-08-12

Fold

Abstract

The characteristics of hydrochemistry and groundwater recharge in the Hotan River Basin were studied by analyzing the chemical composition of water, primary recharge sources, and mutual transformation of water bodies (wells, ponds, and rivers) in the different geomorphic units. For this, SPSS statistical analysis, Piper diagram, Gibbs diagram, and isotope tracing methods (D, 18O, and 14C) were used. The results showed that (1) the water bodies mainly originated from the ice- and snow-meltwater and precipitation in the mid and high mountainous areas>2000 m in the south. From the mountains to the desert, the chemical type and salinity of the groundwater showed obvious zonal characteristics. The different water bodies were weakly alkaline, and the ion composition and TDS values varied with the overall order of pond>well>river. The NO3- contents of a few groundwater samples were significantly abnormal. (2) the groundwater in the gravel plain area mainly received vertical and disconnected recharge from the surface river water. The groundwater had a fast renewal rate, low salinity, and major water-rock interactions, mainly of the SO4·Cl-Ca·Mg type. (3) the TDS value of the groundwater in the fine soil plain area varied over an extensive range, mostly of the Cl·SO4-Na type. In the inter-river block, the groundwater near the upstream received surface water and lateral runoff from the adjacent areas, and the 14C age was small. “Drift Oxygen” of δD and δ18O isotopes in the groundwater of the middle and lower reaches could be generally observed. The 14C age of the groundwater in the watershed was considerable but minuscule near the riverbank. The relation between the groundwater and the river was close. On both sides of the inter-river block, the groundwater runoff flowed along the northeast and northwest directions, respectively, and finally discharged into the peripheral desert area. The research results can provide a theoretical basis for the reasonable development and utilization of water resources and protect the ecology and environment of the Hotan River Basin.

Key words： hydrochemistry; groundwater; recharging source; isotope; Hotan River Basin

Cite this article

LI Xiaodeng , CHANG Liang , DUAN Rui , WANG Qian , ZHANG Qunhui , YANG Bingchao . Analysis of the hydrochemistry characteristics and groundwater recharge sources in the Hotan River Basin, China[J]. Arid Zone Research, 2024 , 41(6) : 917 -927 . DOI: 10.13866/j.azr.2024.06.02

在天然状态下，水化学组分往往能从侧面反映出水体的物质补给来源、运移转化等水文循环特征[1-2]。我国西北内陆干旱区降水稀少、蒸发强烈，水资源短缺问题往往制约着当地经济的发展。因此，合理开发和科学管理水资源，在社会生产活动和维持区域生态环境稳定方面具有重要的促进作用[3-4]。随着人类社会的发展，人们对水化学方面的研究越来越深入，特别是同位素示踪技术得到了国内外诸多学者们的普遍重视，被广泛应用于地下水补给来源分析[4-5]、水体相互转化研究[6-7]、水汽来源追踪[8-9]、混合水比例计算[10-11]、植物体水分输出[12⇓⇓-15]、水动力场指示[16⇓⇓⇓-20]和循环机理解析[21-22]等方面。
和田河流域位于新疆塔里木盆地西南腹地，区内水文地质工作开展相对较晚，整体研究程度有限。目前，有关水化学的研究成果多集中在水化学特征及其控制影响因素分析等方面。在和田河流域范围内，张晓伟等[23]通过统计分析研究55件地下水化学样品水质测试结果，分别指出了地下水中Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-离子与TDS、电导率（EC）、总硬度（TH）等指标之间的关系；李玲等[24]通过分析研究绿洲区浅层地下水化学特征和水化学作用，发现浅层地下水化学组分主要源于对盐岩的溶滤，同时受蒸发浓缩作用的部分影响；杨锐等[25]结合平原区地下水水质检测数据，分析了平原区地下水硬度空间分布规律及其影响因素，认为水文地球化学作用和环境因素共同影响着地下水硬度空间分布；李升等[26]在皮山县境内，通过采集具有代表性的地表水和地下水样，对皮山河绿洲带内地下水水化学及环境稳定同位素特征进行了分析研究，揭示了地表水与地下水补给来源和两者之间的转化关系。本文在传统水化学特征分析方法的基础上，进一步将氢氧稳定同位素示踪技术和14C放射性同位素测年方法相结合，深入分析并揭示了不同水体水化学特征、地下水补给来源与各水体之间的转化关系，以期为和田河流域地下水资源生态环境保护和合理开发提供一定理论依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

和田地区位于我国新疆南部，地势南高北低，海拔1102~7282 m。南部为昆仑山脉，西南为喀喇昆仑山脉，北面是塔克拉玛干沙漠。和田河流域地处和田地区中心，区内干旱少雨，年均水面蒸发量在2000 mm以上，多年平均降水量仅约35 mm，蒸发量远远大于降水量，干旱指数大于57[25,27]。按照自然地理和径流状况，流域的上、中、下游可分别对应划分为山区、平原和沙漠 [28-29]（图1）。
图1 和田河流域不同水体水样点分布示意图

Fig. 1 Distribution diagram of water samples of different water bodies in Hotan River Basin

上游为南部山区（图2）。其中，中高山区的高海拔和常年冰雪融水分别为流域内地下水提供良好的动力条件和补给来源[30-31]。山区内植被稀少，基岩裸露，风化强烈，节理裂隙发育。整体富水性差，仅在断裂充水带部位存在相对富水地段。地下水多以泉水溢出和越流侧向补给邻区为主。山前低山丘陵区为流域汇流区，地表冲沟发育，入渗补给条件差，水位埋深>50 m。地下水类型为碎屑岩裂隙孔隙水，富水性差且不均匀，多<500 m3·d-1。
图2 和田河流域南北向水文地质剖面示意图

Fig. 2 Schematic diagram of north-south hydrogeological profile in Hotan River Basin

中游山前倾斜平原是第四系松散层孔隙水的主要赋存、富集和转化场所。根据地貌岩相带和含水层结构的不同，将之划分为砾质平原区和细平原区两个地质地貌单元。砾质平原区由山前多个大小洪积扇连接、迭置而成。地下水补给条件差，埋深一般在3~50 m之间。富水性较弱，多在500~1000 m3·d-1范围内。细土平原区，主要是指在玉龙喀什河和喀拉喀什河（以下分别简称“玉河”和“喀河”）流域内由卵砾石或粉砂土冲积层组成水文网系发育的弱倾斜平原。区内地层松散，孔隙发育，地表水和地下水相互补给转化十分频繁[24⇓⇓⇓-28]。地下水位普遍埋藏较浅，大多在3~18 m范围内。富水性一般在1000~3000 m3·d-1之间，局部地区可达3000 m3·d-1以上。河间地块位于玉河和喀河之间，沿东北方向呈狭长形分布，宽度范围大约8~15 km。
下游沙漠区沙丘洼地发育，地下水主要赋存于平原区下伏冲洪积层中。含水层多为粉细砂，局部夹有粉砂土、薄层亚砂土或透镜体。地下水径流条件差，主要靠上游地下潜流侧向补给，特大洪水期暂时性洪流入渗补给也是地下水来源之一[31]。地下水水位多在1~3 m或者3~5 m之间，以垂向蒸发和局部植被蒸腾排泄为主。

1.2 数据来源与处理

2021年6—7月，在和田河流域范围内开展了“重点流域地下水流场调查”项目野外工作，过程中调查采集了全分析和氢氧同位素样品各45组。其中，井水样30件（井深50~130 m，水位埋深2.17~16.35 m）、坑塘水样8件、河水样7件。另外，在井水采集点中选取其中6个作为14C样品采样点。整个过程中，水样的采集和保存均严格遵守GB/T 14848-2017质量标准。
全分析水样由具有地质实验测试甲级、国家级计量认证的单位进行检测分析。测试项目主要包括常规离子和溶解性总固体（TDS）、氢离子浓度指数（pH）、总硬度（TH）等综合指标。氢氧同位素样品通过质谱仪测定完成。分析测试精度：δ18O确保精度0.025‰，δD值确保精度0.1‰。14C同位素样品采用超灵敏加速器质谱技术（AMS）测试完成。

1.3 研究方法

根据测试结果，结合研究区地质地貌、水文地质条件，将流域水化学组分、氢氧和14C同位素作为示踪指示剂进行水化学特征、补给来源和水体转化分析研究。数据处理过程中，采用SPSS数理软件对样品主要指标进行统计性描述，通过Aquachem软件绘制Piper三线图，对主要离子进行特征分析和类型分类，利用Gibbs图解法对不同控制因素作用下水化学演变过程进行归纳[32]。相关图表公式采用Visio、Photoshop、MathType等软件处理完成。

2 结果与分析

2.1 水化学特征分析

2.1.1 参数统计特征

统计结果显示（表1），所有水体pH值均呈弱碱性。地下水的TDS值变化范围较大，在381.16~3062.20 mg·L-1之间。整体值较低，多数为淡水或TDS值处于1000.00~1500.00 mg·L-1之间的微咸水，仅有位于沙漠腹地S210公路以东的G14样点，TDS值高达3062.20 mg·L-1，这可能与该样点所处的水文地质条件有关。河水均为淡水，TDS值普遍<500.00 mg·L-1。坑塘水TDS平均值最高（3028.06 mg·L-1），全部为微咸水或咸水。此外，NO3-离子含量变异系数Cv值较其他离子偏大，部分地下水样点中NO3-含量明显超过一般天然环境本底值，这应该与人类活动产生的生活污水、粪便或农业化肥有关[33-34]。
表1 不同水体水化学参数统计

Tab. 1 Statistics of hydrochemical parameters of different water bodies

类型 指标 K+/(mg·L-1) Na+/(mg·L-1) Ca2+/(mg·L-1) Mg2+/(mg·L-1) Cl-/(mg·L-1) SO42-/(mg·L-1) HCO3-/(mg·L-1) NO3-/(mg·L-1) TDS/(mg·L-1) pH
地下水 极差 39.20 689.39 108.77 131.21 1101.43 653.69 572.59 18.49 2681.04 0.57
最小值 5.66 52.65 39.33 7.55 73.74 105.53 134.30 0.25 381.16 7.59
最大值 44.86 742.04 148.10 138.76 1175.17 759.22 706.89 18.74 3062.20 8.16
平均值 19.73 283.87 82.04 64.21 403.08 265.50 351.25 4.57 1299.64 7.90
标准差 7.74 165.22 33.66 32.03 243.67 134.20 139.56 4.11 587.82 0.17
变异系数 0.39 0.58 0.41 0.50 0.60 0.51 0.40 0.90 0.45 0.02
坑塘水 极差 61.81 1166.35 205.89 220.80 1522.22 1318.54 383.36 16.41 3851.77 2.13
最小值 14.82 214.35 19.67 49.42 264.46 236.93 163.60 3.02 1036.91 7.70
最大值 76.63 1380.70 225.56 270.22 1786.68 1555.47 546.96 19.43 4888.68 9.83
平均值 53.21 844.05 83.38 154.19 917.45 749.27 361.08 6.39 3028.06 8.53
标准差 20.72 414.77 77.33 69.00 523.16 479.44 152.65 5.53 1319.11 0.70
变异系数 0.39 0.49 0.93 0.45 0.57 0.64 0.42 0.87 0.44 0.08
河 水 极差 5.05 80.33 28.50 19.48 123.37 73.98 80.58 2.87 366.78 0.46
最小值 5.30 46.48 50.97 10.22 63.10 79.55 148.95 2.10 338.26 7.77
最大值 10.35 126.81 79.47 29.70 186.47 153.53 229.53 4.97 705.04 8.23
平均值 7.03 79.28 62.73 18.08 111.31 120.12 176.51 4.02 491.49 7.98
标准差 1.75 28.00 10.49 6.47 41.55 25.64 31.75 0.99 123.60 0.16
变异系数 0.25 0.35 0.17 0.36 0.37 0.21 0.18 0.25 0.25 0.02

注：pH、标准差和变异系数均无量纲。

空间上来看，从南部的低山丘陵区到北部的风积沙漠区，不同水体的TDS值均呈逐渐增大的趋势，具有较为明显的分带性演变规律。K+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、TDS等离子指标值均呈坑塘水>井水>河水趋势。Cv值均小于1，说明实际样点数据值符合正态分布理论。另外，河水各指标Cv值明显小于井水和坑塘水，离散程度较小，这表明河水在向下游细土平原区快速运移的过程中，自身的水化学成分受到其他水体的影响程度较小，沿途应该以入渗补给地下水为主[28,31,35]。位于河间地块分水岭处的G8、G9、G10等样点，其TDS值明显高出近河岸的G21、G22、G23，这说明河间地块内地下水与河水之间水力关系复杂，可能受水文地质条件、人工开采和丰枯水期河道摆动等因素综合影响[31,35-36]。

2.1.2 类型及空间分布

Piper三线图所示（图3），地下水特征以多元型水为主。结合图1样点分布位置可知，从南向北，砾质平原区地下水水化学类型多集中反映为SO4·Cl-Ca·Mg型，细土平原区和沙漠区则主要为Cl·SO4-Na型，空间整体上具有较明显的分带性。仅玉河左岸的G13样点落在4区，呈HCO3-Ca·Mg型，进一步表明河间地块分水岭的存在影响着局部地下水的水化学组成。河水样点分布极为集中，为单一的SO4·Cl-Ca·Mg型。其水化学类型与砾质平原区地下水化学组分结构基本相同，说明河水与砾质平原区地下水主要补给来源一样，可能均来自于南部中高山区的冰雪融水或大气降水[30,33]。坑塘水样点集中分布于细土平原区边缘附近，水中Na+占主导地位，水化学类型多为Cl·SO4-Na型，这应与其受到的强烈蒸发影响有关[16,23]。
图3 不同水体Piper三线图

Fig. 3 Piper diagram of different water bodies

2.1.3 控制因素

由图4 Gibbs模型结果显示，所有样点均远离大气降水控制区域，均落在水岩溶滤和蒸发浓缩作用区域内。地下水方面，喀河分界线以东的细土平原和风积沙漠区水样点主要落在蒸发浓缩作用区域内，而喀河以西的样点如G15、G18、G24等则明显受水岩溶滤作用控制。根据水位统测资料显示，相较其他地区，该区域样点水位埋深明显偏大，多在10 m以上，这可能表明该处地下水更多来源于砾质平原区地下水的侧向径流补给。河水水样点分布集中，均落在水岩溶滤作用区域内，进一步表明，河水主要来源于南部中高山区的冰雪融水或大气降水补给。坑塘水中，除位于细土平原区河间水文网系中的样点S7外，其他水样点则均落在蒸发浓缩区域内，再次说明河间地块内各水体之间水力联系复杂。
图4 流域不同水体Gibbs图

Fig. 4 Gibbs diagram of different water bodies in the basin

2.2 地下水来源分析

2.2.1 D、18O同位素

稳定同位素示踪方法是目前较新的研究手段之一，在地下水补给来源、运移和循环过程等方面的研究中具有非常重要的指示作用[37-38]。氘盈余d-excess概念的提出，不仅能反映某个地区的大气降水、蒸发和凝结过程中的不平衡程度，还能更好地描述量化出不同水体的氢氧稳定同位素组成特征差异[9,38⇓-40]。
从参数统计特征和δD-δ18O关系曲线中可以看出（表2，图5），不同水体δD和δ18O均在和田地区大气降水线（LMWL）变化范围内，说明了大气降水是区内各水体的主要补给来源[36-37]。
表2 不同水体δD、δ18O和d-excess参数统计

Tab. 2 Statistics of δD、δ18O and d-excess parameters of different water bodies

类型 指标
/‰		 极差
/‰		 最小值
/‰		 最大值
/‰		 平均值
/‰		 标准
差		 变异
系数
地下水 δD 27.50 -69.12 -41.62 -55.02 6.37 -0.12
δ18O 3.86 -11.31 -7.45 -8.91 1.00 -0.11
d-excess 13.17 11.88 25.05 16.25 3.07 0.19
坑塘水 δD 44.11 -41.40 2.72 -26.63 15.09 -0.57
δ18O 10.13 -6.46 3.67 -2.88 3.71 -1.29
d-excess 37.26 -26.95 10.30 -3.57 15.01 -4.20
河水 δD 8.71 -51.77 -43.07 -47.15 2.95 -0.06
δ18O 1.97 -9.32 -7.34 -8.40 0.74 -0.09
d-excess 13.32 15.68 29.00 20.05 5.68 0.28

注：标准差和变异系数均无量纲。

图5 不同水体δD-δ18O关系曲线

Fig. 5 δD-δ18O relationship curves of different water bodies

在井水方面，水样点中δD和δ18O均呈负值，并且δ18O波动范围在-11.31‰~-7.45‰之间，相较坑塘水和河水明显偏小，说明地下水受到的蒸发作用较弱。同时，所有水样点均落于LMWL附近，且偏向左上侧，推断该地区地下水补给来源可能为山区降水或者中高山区冰雪融水[9]。另外，位于玉河东侧洛浦县以北沙漠绿洲区的G4、G1、G3、G2等样点δD和δ18O均呈最小，d-excess值多在18‰以上，明显大于平均值16.25‰，说明样点代表区域内地下水更新速度快，地下水应主要源自于附近南部山区降水入渗后侧向补给；G11和G12则位于流域中下游北部沙漠滩地区的河间地块分水岭附近，间接验证了地块内部地下水并不是主要源自于河水补给。相较之，坑塘水样点极差和Cv值均呈最大。其样点基本上都落在LMWL附近左下方，尤其是河间地块北部靠近喀河右岸的样点S8，“氧漂移”现象更加显著，说明其他水体在补给坑塘水的过程中受到强烈蒸发作用。另外，坑塘水样点中d-excess值明显小于井水和河水，说明其受到的地下水补给量占比多，并且这部分地下水在含水层中运移时间较长，其补给区极可能位于较远处的南部中高山地区[9,37⇓⇓-40]。河水中δD和δ18O均偏负，样点分布最为集中，δ18O的R值只有1.97‰，明显小于河水和坑塘水。其样点均位于LMWL之上，表现出重同位素贫化特征，特别是位于低山丘陵区内的R1和R2水样点更为明显。结合前面水化学特征分析，推断出河水的主要补给来源应为中高山区的冰雪融水或降水[9,37⇓⇓-40]。
通过18O的高程效应，利用公式分析计算地下水含水层补给区大气降水的入渗高度，即补给来源区海拔高程H（m）。公式如下：
H = ( δ g - δ p ) / k + h
式中：h为地下水取样高程(m)；δg为地下水δ18O(‰)；δp为研究区内大气降水同位素δ18O(‰)，本次采用和田当地大气降水同位素加权平均值-6.4‰[41-42]；k为同位素δ18O高程梯度，采用全球平均高程梯度值-0.25‰·（100m）-1。计算结果显示，地下水补给来源区高程范围为1710~3272 m，平均值为2313 m，其中，高程大于2000 m的样点有22个，说明南部昆仑山2000 m以上的中高山区冰雪融水和大气降水是流域内地下水的主要补给来源。部分样点补给高程计算结果见表3。
表3 同位素部分样点特征值及参数统计

Tab. 3 Characteristic values and parameter statistics of partial samples of isotope

样品编号 井深/m 水位埋深/m 取样高程/m 补给高程/m δD/‰ δO/‰ d-excess/‰ 14C年龄/aB.P.
G6 130 4.03 1316 1932 －48.92 －7.68 12.55 330
G8 120 4.21 1299 2379 －53.66 －8.32 12.90 2930
G10 80 4.27 1275 2067 －53.88 －8.38 13.16 320
G12 100 3.75 1260 2127 －55.33 －8.57 13.21 9780
G14 75 3.45 1268 2636 －66.02 －9.82 12.54 7290
G25 85 3.13 1315 1929 －53.00 －8.37 13.96 810

2.2.2 14C测年

从南到北，14C年龄整体呈现出由小变大的趋势（图6）。从距离河流主河道远近程度来看，G6和G10距离玉河较近，14C值年龄表现年轻，分别为330 aB.P.和320 aB.P.，说明地下水受河流主干道补给影响比较大。G8和G12距离河流相对较远，尤其是处在河间地块分水岭处的G12样点，地下水年龄值为9780 aB.P.，远远大于河流近岸处的G6和G10。结合水化学和氢氧同位素特征的相关分析，推断出河间地块分水岭处的地下水向两侧河岸方向径流排泄补给河水，其补给源区应为南部较远处的低山丘陵区或中高山地区。G25采样点位于墨玉县乌尔其乡内，周边渠系遍布，人类农业生产活跃，地下水14C年龄较小，这应该与当地水位埋深较浅、人工开采程度高、两水混合转化复杂等因素有关[27⇓⇓⇓-31]。G14水样位于和田沙漠公路东侧远离玉河主河道的沙漠腹地，周围人类生产活动较少，地下水年龄为7290 aB.P.，表明地下水在含水层中滞留时间长，证实了流域内地下水主要起源于南部中高山区冰雪融水和大气降水的补给。
图6 14C取样位置分布及年龄

Fig. 6 Location distribution and age of 14C samples

3 结论

通过实际水文地质调查和水化学取样分析，结合氢氧稳定同位素示踪和14C放射性同位素测年方法，对不同地貌单元水化学特征、地下水补给来源及高程区估算和两水转化关系进行了研究。主要结论如下：
（1） 各水体均呈弱碱性。K+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-等离子含量，以及TDS和Cv值整体关系：坑塘水>井水>河水。坑塘水TDS平均值最高（3028.06 mg·L-1），受蒸发作用影响显著。河水TDS值最低（491.49 mg·L-1），以水岩溶滤作用为主。NO3-离子Cv值较大，部分地下水样点中其含量超标。
（2） 河水起源于南部中高山区的冰雪融水或降水。山前砾质平原区是流域内地下水的主要的补给转化区，大量接受地表河水的脱节型入渗补给。TDS值低，d-excess值大，14C年龄小，地下水更新速度快，水化学类型多呈SO4·Cl-Ca·Mg型。
（3） 细土平原区地下水TDS值变幅大，水化学类型以Cl·SO4-Na型为主。受地表水及侧向径流补给和蒸发作用影响，河间地块内靠近上游地区地下水14C年龄小，中下游区地下水则普遍出现“氧漂移”现象。
（4） 河间地块内水化学特征较为复杂。分水岭处地下水14C年龄大，主要接受上游邻区地下水侧向径流补给。沿河近岸处地下水年龄小，TDS值低。玉河东侧、喀河西侧的地下水整体上分别沿东北、西北方向径流。在细土平原区边缘溢出带附近，两水关系开始转变为地下水补给河水，并向沙漠区侧向径流排泄。

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