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石河子地区地处欧亚大陆腹地,属典型的大陆性气候,是我国西北内陆干旱区水资源匮乏地区之一。地下水资源是该地区的主要水源,是当地人民生活、生产以及生态用水的关键构成要素。近年来,该地区水资源供需矛盾日益突出,地下水资源已经受到了不同程度的超采和污染,导致当地经济社会的发展受到制约。所以,揭示当地地下水水质现状,探究区域地下水组分形成机理,分析归纳地下水水质变化规律,对保障当地供水安全以及预防地方病具有重要的现实价值。同时对其他干旱地区的地下水资源保护与利用、实现区域可持续发展也可提供参考借鉴。本文以石河子地区作为研究区,通过调查整理当地地质与水文地质条件,采用主成分分析法、Q型聚类分析法、离子比值法、水化学图解法、水文地球化学反向模拟等方法,分析地下水水化学特征、区域地下水演化的水文地球化学过程,并解析影响该区域用水安全的砷、氟、碘的来源、分布特征,研究其形成机理,主要的研究成果及创新点如下:(1)地下水水化学类型及其演化:2014年至2017年间,HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3·SO4-Na·Ca型、HCO3·SO4-Ca型是构成潜水的稳定水化学类型;HCC3-Na·Ca型,HCO3·SO4-Na·Ca型,HCO3·SO4-Ca型是构成承压水的稳定水化学类型。(2)地下水水化学组分演化:常量组分含量在平面上均呈现以石河子市为中心,向研究区四周递减的趋势,在垂向上由潜水至浅层承压水再至深层承压水,呈现总体降低趋势;总硬度(TH)和TDS总体上由南部山区向北部平原区递减,在垂向上由潜水至浅层承压水再至深层承压水呈现明显降低趋势。(3)研究区地下水水质形成与演化的过程:通过主成分分析发现地下水水质形成和演化与矿物溶解沉淀、氧化还原等自然过程有关,同时受人为因素影响;沿玛纳斯河冲积扇扇轴方向潜水水流动力作用总体增强,而浅层承压水和深层承压水水流动力作用逐渐减弱;地下水中常量组分主要来源于岩盐、含钠矿物(如钠长石、芒硝)、碳酸盐(白云石、方解石)和硫酸盐(石膏)等矿物发生的溶解反应;研究区域地下水形成与演化,不仅受风化水解作用的影响,同时伴随阳离子交换、氧化还原等过程。(4)微量无机组分As:地下水As主要来自含水层中的含砷矿物,以及含砷农药使用;由南至北、由潜水至承压水,As含量呈递增趋势:区内高As地下水的水化学类型主要为HCO3-Na型、HCO3·Cl-Na型;碱性、还原环境有利于该区地下水中As富集;As含量与氧化还原敏感组分NO3-、NH4+、SO42-、HCO3-、Fe氧化物等密切相关:根据热力学反应焓值不同,上述氧化还原敏感组分主导As的还原过程可以划分为三个阶段(依次为NO3·的还原主导阶段、Fe氧化物的还原主导阶段、SO42-的还原主导阶段),这三个阶段在空间分布上与As含量的分区吻合;在pH和Eh共同控制下As赋存形态中HAsO42-含量占绝对优势。(5)微量无机组分F-:地下水中F-主要来自萤石的风化溶解以及区中工业“三废”排放;F-含量自南向北逐渐升高;富含F-地下水的水化学类型是HCO3·Cl-Na型、Cl·SO4-Na型、HCO3-Na型;碱性、还原环境有利于地下水中F-富集;区内未出现高矿化度、高硬度、高碱度伴随高氟的规律;萤石、方解石等矿物的溶解与沉淀、蒸发与浓缩、阳离子交换作用对F-均产生了影响;研究区地下水中F-可能的存在形式主要为F-、MgF+、CaF+、NaF、HF。(6)微量无机组分I-:沉积物中生物富集、降水与灌溉水的淋滤作用促使碘进入地下水;自南向北其含量逐渐升高;高I-地下水的水化学类型主要为Cl·SO4-Na型、HCO3-Na型、HCO3·Cl-Na型;碱性、还原环境有利于其富集;Na+、Cl-含量增高,使得更多的I-进入地下水中。(7)微量无机组分赋存共性:区内地下水中As、F-、I-含量均表现为自南向北递增,与研究区水文地质环境和地下水循环速率等方面在南北向上存在显著差异有关;As、F-、I-三者同时超标的地下水水化学类型是HCO3·Cl-Na型、HCo3-Na型、Cl·SO4-Na型;弱碱性、碱性的还原环境是它们形成及富集的共同条件;As、F-、I-含量同时超标比单一组分或两种组分同时超标的情况更易发生,深层承压水比浅层承压水更易使它们共同富集;TDS对As、F-、I-三者同时富集有一定的促进作用。