塔河流域地表水化學特征與控制因素研究

吐爾洪·艾力

（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局 新疆 阿克蘇 843000）

我國西部內陸地區(qū)水資源十分匱乏，不但時空分配不均勻而且用水效率極低，水資源管理滯后問題亟待解決[1-2]。水資源開發(fā)與利用對當?shù)亟?jīng)濟和環(huán)境有著重要影響，部分河流中上游過渡開采，導致下游沿岸植物枯死，土地荒漠化愈演愈烈。因此，掌握流域內水化學特征及其影響因素對水資源保護至關重要。

塔里木河是我國最大的內陸河，全長超過2200km，大小支流約200條。由于人類活動和氣候變化，絕大多數(shù)支流于上世紀80年代斷流，目前僅有：阿克蘇河、葉爾羌河、和田河仍匯入塔河。不僅如此，由于近些年農(nóng)業(yè)廢水排放，塔河流域水質急劇惡化，氯化物、硫化物等污染物超標。流域水體的化學特征對水資源的可利用性起著決定性作用。通過對塔河流域地表水進行取樣，研究了水化學成分、特征、控制因素，并依據(jù)測量結果對礦物運移進行數(shù)值模擬。希望為今后塔河流域地表水研究和污染治理提供參考。

1 水樣采樣及測定方法

塔河流域發(fā)源于天山山脈和昆侖山山脈，山區(qū)降水豐富并分布著眾多冰川。僅阿克蘇河上游就有冰川1000多條，這些冰川總面積達2975km2，儲水容量高達3.93×1011t。塔里木河歷來受到國內外學者關注，本文所指的塔河為三條支流交匯后的塔里木河干流段，此段長度約1280km。塔河干流阿拉爾站的年平均徑流量為4.87×109m3，其中主要來水依賴于阿克蘇河，約占72%，來自和田河的流量為22.5%，葉爾羌河來水僅為5.5%。塔河在流量季節(jié)性變化、沉積物不斷堆積的作用下，河道動蕩不定，整個流域形成了十分復雜的水網(wǎng)。

塔河流域水樣采集于14年8月和9月進行。8月采集了塔河下游河段22個取樣點的樣本，并測量了這些樣本的水化學參數(shù)。9月采集了阿克蘇河、葉爾羌河、和田河等中上游河段50個取樣點的樣本，測量了水化學參數(shù)和同位素情況。利用GPS記錄采樣位置，其分布見圖1。根據(jù)環(huán)境水質規(guī)范，采樣在水面30cm以下處進行，采樣容器為0.2L的聚乙烯塑料瓶，采樣后需對塑料瓶密封處理并放到恒溫箱內保存。

上述水樣的測量內容包括：酸堿度、礦化度、SO42－、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、HCO3-離子的濃度。酸堿度的測量由pHS－2C型pH值測試計完成，礦化度測量采用殘渣烘干法得出，Na+、K+測量采用火焰光度法，其余離子濃度采用滴定法獲得。

2 水化學特征及影響因素

2.1 水化學成分

對上一節(jié)中72個測點的水樣進行測量，得出塔河流域水化學特征值，列于表1。從這些測點的數(shù)據(jù)得出：博湖入口處的PH值最高，達到8.54；阿克蘇河中游測點的PH值最低，為7.44；開都河測點的礦化度含量最小，為253mg/L；塔河下游測點礦化度含量最高，為3220mg/L。

圖1 采樣點分布圖

表1 地表水水化學特征值

圖2 水樣HCA分析樹枝狀結構圖

圖3 礦化度（TDS）與河水中離子比值間的關系

圖4 地表水蒸發(fā)程度與礦化度曲線

從表1中可知，塔河流域的平均PH值為8.01，屬于弱堿性水。其礦化度平均值為656 mg/L，遠大于長江流域的241mg/L。該流域的主要離子含量為618mg/L，與礦化度平均值很接近，說明該流域水體污染較小。表1中的4種主要陽離子平均濃度為179mg/L，4種主要陰離子平均濃度為439mg/L。研究表明，陰離子偏高的原因為蒸發(fā)巖風化，其致使Cl－和SO42－增加。

2.2 水化學特征

為了清晰的得出塔河流域的水化學類型，采用HCA方法對水樣進行分組[3]。HCA方法又稱層序聚類分析法，其可以簡單的依靠數(shù)據(jù)間的相似水平對水樣進行分類。由于CO32－離子含量較少，本文選擇表1中的其他7種離子進行研究，相似度衡量采用歐氏距離法，計算式如下[4]：

式中:n為水化學特征值個數(shù)；x、y為假設聚類的橫縱坐標。

根據(jù)公式計算出塔河流域每個水樣間的水化學相似度歐式距離，根據(jù)各歐式距離做出HCA樹枝狀結構圖，見圖2[5]。圖2中橫坐標代表取樣點，縱坐標表示歐式距離，沒兩條豎線的交匯點表示兩個聚類的歐氏距離。

由圖2可以得出，樹枝狀結構共分為2個大類G1和G2。G1包含SG1和SG2兩個子聚類合計5個水樣，其礦化度在1532mg/L～3220mg/L，礦化度程度很高說明含有的Cl－和SO42－較多，因此G1的水化學類型為Na－Mg－Cl－SO4。G2包含 SG3、SG4、SG5、SG6四個子聚類合計67個水樣，SG3的礦化度在725mg/L～860mg/L，水化學類型為 Na－Mg－SO4－Cl；，SG4的礦化度在 725 mg/L～86 mg/L，水化學類型為 Ca－Na－HCO3－SO4SG5的礦化度在255mg/L～600mg/L，水化學類型為 Ca－Na－HCO3－SO4；SG6的礦化度在253mg/L～371mg/L，水化學類型為Ca－Mg－HCO3。因此塔河流域的水化學類型供應4種，分別別為：Na－Mg－Cl－SO4、Na－Mg－SO4－Cl、Ca－Na－HCO3－SO4、Ca－Na－HCO3－SO4。

2.3 控制因素研究

碳酸巖風化后會導致地表水中的Ca2+Mg2+、HCO3－含量增加，蒸發(fā)巖風化則會導致Cl－、、Na+、K+含量增加[6-7]。 根據(jù)礦化度（TDS）與河水中離子比值間的關系，繪制Gibbs圖，見圖3。由圖3可以得出地表水化學組分與降水、巖石風化、蒸發(fā)結晶間的關系Gibbs圖是判斷地表水化學特征控制因素的主要手段。

由圖3可知，離子比值變化范圍為0.1～0.9，礦化度在200mg/L～3000mg/L之間。從水樣分布看，塔河流域地表水礦化度主要受巖石風化控制，只有少數(shù)測點受蒸發(fā)—結晶控制。由于降水控制的范圍無測點，因此塔河流域地表水礦化度不受降水影響。

氫氧穩(wěn)定同位素可作為辨別水化學特征控制因素的手段，氫穩(wěn)定同位素含量用δ表示，氧穩(wěn)定同位素含量用δ18O表示。由此得出地表水蒸發(fā)程度d的表達式為：

查閱文獻可知，塔河流域博湖的δD均值為-0.0541，δ18O均值為-0.0078；而塔河中下游的δD均值為-0.0554，δ18O均值為-0.0072。因此博湖水樣有蒸發(fā)趨勢，蒸發(fā)斜率為4.57。當蒸發(fā)影響到地表水礦化度時，d與TDS曲線將接近蒸發(fā)線；當巖石風化溶解影響到地表水礦化度時，d與TDS曲線將接近鹽分溶解線，見圖4。

雖然水分蒸發(fā)導致的礦化度增長速度更快，但其所在比例較低，因此巖石風化仍是影響塔河流域地表水礦化度的主要因素。

3 結論

通過對塔河流域地表水進行取樣，研究了水化學成分、特征、控制因素，并依據(jù)測量結果對礦物運移進行數(shù)值計算。研究表明：

1）陰離子偏高的原因為蒸發(fā)巖風化，其致使 Cl－和增加；

2）塔河流域的水化學類型共有4種，Na－Mg－Cl－SO4、Na－Mg－SO4－Cl、Ca－Na－HCO3－SO4、Ca－Na－HCO3－SO4；

3）塔河流域地表水礦化度主要受巖石風化影響。陜西水利

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