青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水水化學(xué)特征

季雨桐，曹生奎，曹廣超，李華非

(1.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008)

青藏高原是中亞地區(qū)的大型構(gòu)造地貌區(qū)，平均海拔4000m，總面積約250萬(wàn)km2[1]，被稱為地球“第三極”.青藏高原特殊的地理環(huán)境造就了該地區(qū)天然水的獨(dú)特水化學(xué)特征，并在很大程度上保持著自然狀態(tài)[2].青藏高原的水資源對(duì)中國(guó)和其他東南亞國(guó)家至關(guān)重要，為了有效地利用和保護(hù)寶貴的水資源，了解并掌握青藏高原地區(qū)河水和地下水的水化學(xué)特征及其在自然水循環(huán)過(guò)程中的演化規(guī)律是十分必要的.如王利杰等[3]對(duì)西藏山南地區(qū)沉錯(cuò)湖泊與徑流水化學(xué)特征及主控因素進(jìn)行了初探；趙陽(yáng)[4]等研究了怒江源區(qū)那曲河水化學(xué)特征；孟俊倫等[5]研究了青藏高原尼洋河流域化學(xué)風(fēng)化的季節(jié)變化特征和影響因素；仁增拉姆[6]等研究了西藏年楚河流域的水化學(xué)特征.學(xué)者們對(duì)于青藏高原湖水、河水和地下水水化學(xué)特征的研究充實(shí)了青藏高原的水化學(xué)資料，為認(rèn)識(shí)青藏高原不同水體水化學(xué)特征提供了參考.

青海湖流域地處青藏高原東北部，該區(qū)域具有獨(dú)特的高原、水文、氣候等環(huán)境條件[7].因地處青藏高原高寒區(qū)、西北干旱區(qū)和東部季風(fēng)區(qū)的交界處，青海湖流域是中國(guó)重要的水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)調(diào)節(jié)功能區(qū)，青海湖也是維系青藏高原東北部自然生態(tài)環(huán)境安全的重要水體[8，9].河水和地下水是青海湖流域分布最廣的自然水體，也是當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧發(fā)展以及生態(tài)用水必不可少的水源[10].針對(duì)青海湖流域的水化學(xué)研究雖已有一定基礎(chǔ)[8-15]，但以往研究多集中于青海湖流域多個(gè)小流域，采樣點(diǎn)空間分布較少[11-14]，不易掌握其水化學(xué)過(guò)程及影響因素.

沙柳河是青海湖流域第二大河流[16]，深入了解沙柳河流域河水和地下水的水化學(xué)特征，對(duì)于評(píng)估該流域水質(zhì)和水環(huán)境可持續(xù)性具有至關(guān)重要的作用[17，18]，但針對(duì)該流域河水和地下水水化學(xué)特征及水質(zhì)評(píng)價(jià)方面的研究報(bào)道較少[13].為此，本文以青海湖沙柳河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于夏季典型月份河水和地下水樣品的高密度采集和水化學(xué)陰陽(yáng)離子含量等的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)該流域夏季河水和地下水的水化學(xué)特征進(jìn)行了研究，其目的在于掌握該流域夏季河水和地下水的水化學(xué)特征，評(píng)判其水質(zhì)狀況，以期為沙柳河流域河水和地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水環(huán)境管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐.

1 研究區(qū)概況

沙柳河又稱伊烏克蘭河，位于青藏高原東北部，青海湖北部(圖1).沙柳河河長(zhǎng)106km，其流域面積為1679.2km2[19]，其年徑流量占整個(gè)青海湖流域入湖流量的1/5[20-23].沙柳河流域春季升溫遲緩，夏季短，秋季降溫快，形成寒冷期長(zhǎng)，暖期短的格局，沒(méi)有明顯的四季之分，通常將一年劃分為冬半年與夏半年[16，24，25].流域境內(nèi)氣溫年較差較大，氣溫最低月在1月，氣溫最高月在7月[24，25].沙柳河流域北部山區(qū)地下水埋深較淺，中部地下水埋藏形式主要為山前、山間平原砂礫石層潛水[12，26，27]，下游至湖濱地區(qū)為潛水及承壓水[24，26，27].

圖1 青海湖沙柳河流域位置及采樣點(diǎn)分布

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2019年7月在沙柳河流域共采集97份河水和地下水樣品，其中，河水樣品55份，地下水樣品42份(包括井水39份、泉水3份)，采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1.河水樣品采集于沙柳河干、支流水面10cm以下的流動(dòng)水，地下水樣品采集于當(dāng)?shù)鼐用袼腿?在收集樣品之前，用采樣水體對(duì)高密度聚乙烯采樣瓶(HDPE)進(jìn)行沖洗，所有水樣采集2份；采集后用Parafilm膜作密封處理并立即裝進(jìn)自封袋內(nèi).用GPS記錄采樣點(diǎn)坐標(biāo).將采集的樣品運(yùn)回青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室冷凍，用于水化學(xué)測(cè)試分析.水溫、電導(dǎo)率(EC)和可溶性固體含量(TDS)值利用電導(dǎo)率測(cè)定儀(Direct Soil EC Meter-2265F美國(guó))在野外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定.

2.2 樣品測(cè)試

河水和地下水樣品的pH值使用pH儀器(雷磁PHS-3C，中國(guó))測(cè)定，每次測(cè)試前都需要標(biāo)定和校準(zhǔn)pH計(jì)，在測(cè)量樣品前必須用蒸餾水清洗儀器電極.每個(gè)樣品均測(cè)試三次，最終結(jié)果取三次測(cè)試平均值

2.3 數(shù)據(jù)分析

(1)

(2)

式中，各離子濃度單位為meq·L-1.

3 結(jié)果

3.1 河水和地下水水化學(xué)離子指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征

表1 青海湖沙柳河流域夏季河水水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征

表2 青海湖沙柳河流域夏季地下水水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征

3.2 河水和地下水水化學(xué)類型

圖2 青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水Piper圖

3.3 河水和地下水主要離子來(lái)源及控制因素

圖3 青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水Gibbs圖

3.4 河水和地下水各離子相關(guān)性

表3 青海湖沙柳河流域夏季河水各水化學(xué)離子間的相關(guān)系數(shù)

表4 青海湖沙柳河流域夏季地下水各水化學(xué)離子間的相關(guān)系數(shù)

4 討論

4.1 青海湖流域其他河流水化學(xué)特征的比較

為了比較沙柳河流域與青海湖其他子流域河水和地下水化學(xué)特征的差異性，梳理了已有關(guān)于青海湖流域布哈河、哈爾蓋河、倒淌河等不同河流水化學(xué)的研究成果，通過(guò)與本文的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，青海湖流域不同河流河水和地下水的pH值與本文研究結(jié)果類似(表5)，均為弱堿性.各流域河水水化學(xué)類型為HCO3-Ca型或HCO3-Ca·Mg型(表5)，本文研究結(jié)果中則為兩種水型都有.地下水水化學(xué)類型有所差異，布哈河、倒淌河地下水受到部分蒸發(fā)巖影響含有部分Cl-Na型[13].在沙柳河流域，已有研究結(jié)果顯示其地下水主要類型為HCO3-Ca型，本文研究結(jié)果則為HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型(表6)，兩者間稍有差異可能是本文采樣點(diǎn)布設(shè)密集，水化學(xué)特征研究結(jié)果更加全面.在水化學(xué)控制因素方面，本文研究結(jié)果與已有研究結(jié)果一致，巖石風(fēng)化作用均是控制青海湖流域主要河流和地下水水化學(xué)組分的主要因素(表5，6)，這與流域相近的地理位置及相似的水源構(gòu)成有關(guān).

表5 青海湖流域主要河流河水水化學(xué)特征和離子來(lái)源比較

表6 青海湖流域主要河流地下水水化學(xué)特征和離子來(lái)源比較

4.2 河水和地下水各離子比值及主要來(lái)源分析

水體中可溶組分的離子比值關(guān)系可以用來(lái)確定水體混合過(guò)程和物質(zhì)來(lái)源[50-52].離子比值關(guān)系可進(jìn)一步明確青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水中主要離子來(lái)源，以此驗(yàn)證Piper三線圖、Gibbs圖和Pearson相關(guān)性分析中得出的結(jié)果[53].

4.2.1 河水離子比值及主要來(lái)源分析

圖4 青海湖沙柳河流域夏季河水離子關(guān)系

4.2.2 地下水離子比值及主要來(lái)源分析

圖5 青海湖沙柳河流域夏季地下水離子關(guān)系

4.3 河水和地下水的陽(yáng)離子交換作用

圖6 青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水與(Na+-Cl-)的相關(guān)關(guān)系

4.4 灌溉用水適宜性評(píng)價(jià)

灌溉用水的適宜性取決于溶解鹽的類型和濃度，其中Na+起著至關(guān)重要的作用[38].根據(jù)鈉百分比(Na+%)值，灌溉用水可分為五類，分別為：優(yōu)：Na+%<20%，好：Na+%介于20%～40%，允許：Na+%介于40%～60%，可疑：Na+%介于60%～80%，不合適：Na+%>80%[38].鈉吸附比(SAR)可以反映河水和地下水中Na+與土壤中Ca2+和Mg2+發(fā)生離子交換作用，通常，灌溉水中高鈉含量會(huì)導(dǎo)致Ca2+和Mg2+被Na+置換.Ca2+和Mg2+在土壤中的位移降低了其滲透性，會(huì)導(dǎo)致缺鈣、反絮凝等現(xiàn)象從而影響植物生長(zhǎng)[13].根據(jù)鈉吸附比(SAR)，灌溉用水可分為四類，分別為：低：SAR<10，中：SAR介于10～18，高：SAR介于18～26，非常高：SAR>26[38].

青海湖沙柳河流域夏季河水的Na+%介于1.74%～41.86%之間，地下水的Na+%介于7.27%～42.32%之間，兩者的平均值均為15%.河水的SAR范圍在0.04～1.37之間，平均值為0.37；地下水的SAR范圍在0.17～1.96之間，平均值為0.46.依據(jù)上述Na+%和SAR灌溉用水分類標(biāo)準(zhǔn)，青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水屬于優(yōu)和低SAR類型，灌溉適宜性很好.

5 結(jié)論

(1)青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水pH值分別介于7.23～8.53和6～8.2，TDS介于86.4～262mg·L-1和157～379mg·L-1，屬于弱堿性水.夏季河水和地下水水化學(xué)類型均以HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca型為主.

(2)巖石風(fēng)化作用是控制青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水水化學(xué)組分的主要因素.其夏季河水和地下水離子主要來(lái)源于碳酸鹽風(fēng)化，伴有少量的硅酸鹽巖風(fēng)化.

(3)青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水中的Ca2+和Mg2+主要來(lái)源于碳酸鹽的溶解；其夏季河水和地下水Na+受離子交換作用影響，部分Na+和K+還來(lái)自巖鹽和硅酸巖的溶解.