塔河流域地表水化學(xué)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(nèi)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(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和環(huán)境有著重要影響，部分河流中上游過渡開采，導(dǎo)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(nèi)水化學(xué)特征及其影響因素對水資源保護(hù)至關(guān)重要。

塔里木河是我國最大的內(nèi)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(jì)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(zhì)急劇惡化，氯化物、硫化物等污染物超標(biāo)。流域水體的化學(xué)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(jìn)行取樣，研究了水化學(xué)成分、特征、控制因素，并依據(jù)測量結(jié)果對礦物運(yùn)移進(jìn)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(dá)2975km2，儲水容量高達(dá)3.93×1011t。塔里木河歷來受到國內(nèi)外學(xué)者關(guān)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(fù)雜的水網(wǎng)。

塔河流域水樣采集于14年8月和9月進(jìn)行。8月采集了塔河下游河段22個取樣點(diǎn)的樣本，并測量了這些樣本的水化學(xué)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(diǎn)的樣本，測量了水化學(xué)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(zhì)規(guī)范，采樣在水面30cm以下處進(jìn)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(nèi)保存。

上述水樣的測量內(nèi)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(xué)特征及影響因素

2.1 水化學(xué)成分

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

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

表1 地表水水化學(xué)特征值

圖2 水樣HCA分析樹枝狀結(jié)構(gòu)圖

圖3 礦化度（TDS）與河水中離子比值間的關(guān)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(yuǎn)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?yàn)檎舭l(fā)巖風(fēng)化，其致使Cl－和SO42－增加。

2.2 水化學(xué)特征

為了清晰的得出塔河流域的水化學(xué)類型，采用HCA方法對水樣進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)特征值個數(shù)；x、y為假設(shè)聚類的橫縱坐標(biāo)。

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

由圖2可以得出，樹枝狀結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)類型為 Na－Mg－SO4－Cl；，SG4的礦化度在 725 mg/L～86 mg/L，水化學(xué)類型為 Ca－Na－HCO3－SO4SG5的礦化度在255mg/L～600mg/L，水化學(xué)類型為 Ca－Na－HCO3－SO4；SG6的礦化度在253mg/L～371mg/L，水化學(xué)類型為Ca－Mg－HCO3。因此塔河流域的水化學(xué)類型供應(yīng)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(fēng)化后會導(dǎo)致地表水中的Ca2+Mg2+、HCO3－含量增加，蒸發(fā)巖風(fēng)化則會導(dǎo)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(guān)系，繪制Gibbs圖，見圖3。由圖3可以得出地表水化學(xué)組分與降水、巖石風(fēng)化、蒸發(fā)結(jié)晶間的關(guān)系Gibbs圖是判斷地表水化學(xué)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(fēng)化控制，只有少數(shù)測點(diǎn)受蒸發(fā)—結(jié)晶控制。由于降水控制的范圍無測點(diǎn)，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(xué)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(dá)式為：

查閱文獻(xiàn)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(dāng)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(dāng)巖石風(fēng)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(dǎo)致的礦化度增長速度更快，但其所在比例較低，因此巖石風(fēng)化仍是影響塔河流域地表水礦化度的主要因素。

3 結(jié)論

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

1）陰離子偏高的原因?yàn)檎舭l(fā)巖風(fēng)化，其致使 Cl－和增加；

2）塔河流域的水化學(xué)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(fēng)化影響。陜西水利

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