新疆克孜勒河流域喀什段水化學特征及成因

李文江++王文科段磊乃尉華

摘要：[JP2]在分析17組河水水樣的水化學數據基礎上，通過Piper三線圖、主成分分析和因子分析方法對克孜勒河流域喀什段河水的水化學特征及成因進行研究，結果表明克孜勒河上游與中下游的水化學類型差異反映出蒸發巖的風化溶解是影響河流水化學組成的主導因素，而河水中含量較高的SO2-4主要來源于新近系地層中石膏巖類的風化溶解。克孜勒河流域內蒸發巖風化以石膏巖類的風化為主，鹽巖類風化次之，碳酸鹽巖風化貢獻相對較少。區域內巖石化學風化的主要反應形式是石膏、芒硝、鎂硫酸鹽巖和鹽巖的溶解，其次是方解石和白云石溶解，再次為鈉長石溶解。

關鍵詞：喀什；克孜勒河；水化學特征；主成分分析；因子分析；巖石風化；蒸發巖

中圖分類號：P641文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2016）06015906

Study of hydrochemical characteristics and genesis in Kashi Reach of Kizil River Basin in Xinjiang

LI Wenjiang1，2，WANG Wenke2，3，DUAN Lei2，3，NAI Weihua4

（1.Xi′an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp，Xi′an 710077，China；

2.School of Environment Science and Engineering，Chang′an University，Xi′an 710054，China；

3.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education，Xi′an 710054，China；

4.No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Party of Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development，Changji，Xinjiang 831100，China）

Abstract：Based on analyzing water chemistry data of 17 river water samples，the hydrochemical characteristics and genesis in Kashi reach of Kizil River were studied by the means of Piper trilinear nomograph，principal component analysis and factor analysis.The results showed that the differences of hydrochemical types between the upstream and the middle or lower reaches reflected that the weathering dissolution of evaporates was the dominant influencing factor of the hydrochemical compositions of the river water，while the high quantity of SO24 in river originated from the weathering dissolution of the gypsum salt series in neogene stratigraphic.The evaporites weathering was dominated by gypsum salt weathering，while rock salt weathering took the second place，carbonate weathering contributed less，and the last was albite weathering.

Key words：Kashi；Kizil River；hydrochemical characteristics；principal component analysis；factor analysis；rock weathering；evaporites

河流的水化學特征受天然條件和人類活動影響的控制。天然條件如地質巖性、氣候、降水及植被[HJ1.88mm]等，其中地質因素在影響河流水化學特征中占據主導地位[1]。高壇光對青藏高原納木錯流域河水水化學特征研究中認為，納木錯流域河水主要受巖石風化影響，降水和冰川融水只是起到一定作用[2]。張立成對中國東部河水化學地理特征的研究中認為，地質環境條件是決定性條件，降水影響只有助長或削弱作用[3]。Mekbeck總結認為各種影響河水水化學組成中，地質—化學是決定性因素，氣候、降水等其它天然條件的影響不及總和的10%[4]。另外，針對水化學形成作用機理方面，目前研究中廣泛認可存在有溶濾作用、脫碳酸作用、脫硫酸作用、陽離子交替吸附作用、蒸發濃縮和混合作用[5]。Iggy等人認為水動力條件是決定水文地球化學分帶性的重要因素[6]。Varol分析土耳其Tigris河流域后認為流域中大量存在的碳酸鹽和碳酸鹽風化控制了該區域水文地球化學特征[7]。因此，研究河水的水化學組成，可以反演流域內地表巖石的風化過程，進而探究河流水化學組成和形成的來源。

新疆喀什克孜勒河是喀什噶爾河水系最大的一條常年性河流，為喀什市生產生活用水來源。然而，較差的水質極大地限制了水資源的開發利用。目前，國內針對克孜勒河的研究多集中在河水污染物和水資源質量評價等方面[810]，對河水的水化學變化及物質來源等天然地質因素的研究較少。本文通過水化學分析，主成分分析及因子分析等方法探討了河水中主要離子的來源，確定形成河水水化學的主導因素，為克孜勒河的水資源合理開發利用與保護措施的制定提供科學依據。

1研究區概況

克孜勒河發源于吉爾吉斯共和國境內的特拉普齊亞峰（海拔6 048 m），在我國境內長約600 km。該河流經西南天山流入后，自西向東經烏恰縣、疏附縣、疏勒縣、喀什市、伽師市、巴楚縣，同葉爾羌河匯合后流入塔里木河流，在我國境內流經水域面積達15 000 km2。本文研究的克孜勒河喀什段以克孜勒河西部出山口分為界分為上游和中下游，在此河段內主要支流有康蘇河、膘爾托闊依河及博谷孜河。[HJ]

克孜勒河是典型的內陸河，以冰雪融水補給為主。最大年徑流量269億m3，最小年徑流量為156億m3，多年平均徑流量2138億m3。豐水期為6月-8月份，枯水期為12月至翌年1月-2月。喀什地區氣候干燥，蒸發強烈，降雨量少，河水中硫酸鹽及硬度超標，不適合用作飲用水，但對堿土的改良起到較好的中和作用，可作為農業和生產用水。

[JP2]克孜勒河自喀什市以西段，地層以上更新統—全新統沖洪積層為主，砂卵礫石層出露于地表或埋藏于亞黏土、亞砂土之下。在庫木塔格與博孜塔格出山口上游段出露有新近系泥巖，中上部為砂質泥巖和砂巖互層，含有大量石膏等鹽類礦物。自喀什市以東段，地層主要為第四系全新統風積層，巖性為土黃色、淺灰色細砂和中細砂。沿克孜勒河流域，巖土體多為亞硫酸鹽漬土和硫酸鹽漬土，摩爾比（Cl-/2SO2-4）在001%～091%之間，屬中鹽漬土。

2樣品采集與測試

[JP2]樣品采集時間為2012年10月-11月，在克孜勒河喀什段由上游山區至喀什市區東部，沿河水流向，大致均勻間隔采集河水樣共17組。采樣點分布圖見圖1。取樣前，將聚乙烯塑料瓶用所取河水水潤洗3次，取樣結束后，用透明膠帶封口并貼好標簽。采樣現場測定濁度、pH、水溫、電導率、溶解氧等物理化學指標，室內測試指標包括：Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO3-以及TDS。水質簡分析中Na+用火焰原子吸收分光光度法測定；Ca2+、Mg2+用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定；SO2-4用硫酸鋇比濁法測定； HCO3-用酸堿滴定法測定；Cl-用硝酸銀容量法測定；總溶解固體（TDS）用105 ℃干燥—重量法檢測。水樣中電荷平衡歸一化指數（NICB=（TZ+- TZ-）/ TZ+）在±005之間，表明樣品測試誤差較小，測試精度在合理范圍以內（表1）。

3河水水化學特征

[JP2][HJ1.5mm]克孜勒河喀什段全程pH值為746～836，平均值為796，處于中性至弱堿環境。總溶解固體（TDS）受河流巖性、地勢、植被和機械剝蝕速率影響[11]，變化范圍為270～13578 mg/L，平均值7374 mg/L，大于世界河流平均值（100 mg/L）[12]。除樣品H8外，[HJ2.3mm]克孜勒河水中溶解總陽離子當量濃度（TZ+=Na++K++2Ca2++2Mg2+）變化范圍較大，其值為912～2393 meq/L，平均值為1381 meq/L，高于世界河流[JP3]平均值（0725 meq/L）[13]。總陰離子當量濃度（TZ-=Cl-+[HJ]2SO2-4+HCO3-）變化范圍為878～2268 meq/L，平均值1391 meq/L。

4河水主要離子來源及成因分析

4.1Piper三線圖分析

利用Piper三線圖（圖2）可以表明水體中主離子組成變化，體現不同水體化學組成特征[14]。克孜勒河河水中SO2-4為主要陰離子，占離子總量約30%～70%，河水沿程逐漸趨于富集堿土金屬（Ca2+、Mg2+）。上游山區及其支流中，陰離子以SO2-4和Cl-或HCO3-為主，陽離子以Na+和Ca2+為主；河水水化學類型主要為SO4·Cl或SO4·HCO3型。從出山口至河水下游，河水中Ca2+含量逐漸增大，占離子總量40%～60%；Mg2+次之，占離子總量20%～40%；非碳酸鹽硬度普遍大于50%，水化學類型以SO4Ca·Mg型為主。

Piper三線圖除了可以反映河水水化學組成，還能夠區分不同風化作用影響的物質來源[15]。在陰離子三角圖上，蒸發巖風化區域靠近SO2-4Cl-一端，而碳酸鹽巖風化區域則靠近HCO3-組分一側；在陽離子三角圖中，蒸發巖風化區域靠近Na++K+一側，碳酸鹽巖風化區域靠近Ca2+Mg2+一端。從圖2中可以看出，克孜勒河流域中，蒸發巖風化作用始終占主導地位，至中下游段碳酸鹽巖風化作用影響加強，但仍舊以蒸發巖風化為主。

4.2主成分分析（PCA）及因子分析

為了進一步探討不同巖石風化作用對克孜勒河[HJ2.5mm]河水主要離子化學作用的影響，對克孜勒河流域6大離子組成做主成分分析和因子分析。主成分分析通過線形變換，從眾多原始變量中導出少數互補相關的關鍵變量，來盡可能完整的反映原始信息，以達到簡化分析的目的。而因子分析將少數的隨機變量根據相關性大小綜合為不同的具有實際意義的公因子，從而更加直觀有效的描述內容。影響克孜勒河水化學類型的因素眾多，利用主成分分析可以提取出對河水水化學形成起主導作用的主要離子，并通過因子分析確定出影響水化學類型形成的主要風化過程。

采用Varimax最大正交旋轉，以令較大因子負載的變量個數減小至最低限度。旋轉前后各因子特征根及累計方差貢獻率見表2。旋轉后，前三個因子特征根均大于1，其方差貢獻率分別為3667%、3484%和2502%，三者累積方差貢獻率達到9654%。提取的三個因子可以代表原始數據所包含的綜合信息，認為信息量無損失。對初始因子載荷矩陣做25次正交旋轉，使得因子載荷趨近于兩個極端，借此來明確各個因子的含義。由表3可以看出，第一因子與Ca2+、Mg2+及SO2-4相關性較大，代表以石膏及鎂硫酸鹽溶解為主的蒸發巖；第二因子與Na+和Cl-相關性較大，代表以石鹽、鉀鹽等巖鹽溶解為主的蒸發巖；第三因子與Mg2+和HCO3-相關性較大，代表碳酸鹽巖的溶解。

根據表2中因子累積貢獻率可以看出，代表蒸發巖溶解的第一因子和第二因子方差累積貢獻率達7152%，表明蒸發巖溶解是控制克孜勒河河水水化學組成的主要影響因素，碳酸鹽巖溶解次之；而其中石膏巖類的溶解又是蒸發巖風化中的主要因素。

根據主成分因子得分繪制克孜勒河流域水樣主成分因子得分圖，如圖3所示。得分劃分為四個區域（以圖3（a）為例）：右上角表示河水主要離子含量同時受第一因子和第三因子影響；右下角表示河水主要離子含量主要受第一因子影響；左上角表示河水主要離子含量主要受第三因子影響；左下角表示河水主要離子含量既不受第一因子影響也不受第三因子影響，而受其他因素影響。

由圖3可知，在克孜勒河流域，出山口以上及各支流主要離子主要受碳酸鹽巖和巖鹽溶解控制，在博古孜河還受硫酸鹽巖溶解控制；出山口至下游河流主要離子主要受硫酸鹽巖和碳酸鹽巖溶解控制。進一步說明蒸發巖風化是控制克孜勒河河水水化學組成的主要因素，碳酸鹽巖風化次之。

4.3主要風化過程

克孜勒河流域河水中（Na++K+）和Cl-相關分析結果顯示其相關系數為0.99，Na+與SO2-4的相關系數為064，表明河水中巖鹽的溶解對其貢獻最大，其次為芒硝溶解。另外，Na+與HCO3-也具有較弱的相關性，其相關系數為044，說明存在少量鈉長石溶解來源的Na+。水體中，蒸發巖占據主體地位時，（Na++K+）和Cl-的比值應該為1。克孜勒河河水中（Na++K+）和Cl-的比值均大于1，說明Cl-主要來源為巖鹽的溶解[16]。

克孜勒河流域河水中，陰離子以SO2-4最多。通過對SO2-4和Ca2+的相關性分析為正相關，其相關系數為088。SO2-4和Na+、Mg2+的相關系數分別為064和072。表明石膏的溶解貢獻最大，其次為芒硝及鎂硫酸鹽。另外，（HCO-3+ SO2-4）與（Ca2++Mg2+）的相關系數最大，其值為096，表明鎂硫酸鹽的水解促使Ca2+的碳酸鹽在H2SO4作用下發生反應[17]。

HCO3-與Ca2+不具有明顯的相關性，而HCO3-與Mg2+、（Ca2++Mg2+）相關系數分別為054和089。在克孜勒河流域中，除蒸發巖風化溶解的主導地位外，碳酸鹽巖的風化溶解也是重要影響因素。HCO3-與Mg2+、Ca2+應該具有相同的物質來源，即HCO3-與Ca2+應該呈現較好的相關性。但由于蒸發巖風化過程中，石膏溶解度遠大于碳酸鹽溶解度，石膏溶解的Ca2+將促使形成CaCO3沉淀，從而干擾HCO3-與Ca2+的相關性，卻并不會影響HCO3-與Mg2+的相關性[18]。

根據以上分析，克孜勒河流域發生的主要風化反應分別為

CaSO4·2H2O（石膏）+H2O→Ca2++SO2-4+3H2O

NaCl（巖鹽）→Na++Cl-

MgSO4·2H2O+H2O→Mg2++SO2-4+3H2O

Na2SO4· 10H2O（芒硝）+H2O→2Na++SO2-4+11H2O

CaCO3（方解石）+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-

CaMg（CO3）2（白云巖）+2H2O+2CO2→Ca2++Mg2++4HCO3-

2NaAlSi3O8（鈉長石）+2CO2+11H2O→4H4SiO4+2HCO3-+4Na++Al2Si2（OH）4

在克孜勒河流域，蒸發巖風化影響大于碳酸鹽巖的風化。其中石膏等蒸發巖的風化是造成河水中高濃度SO2-4的主要原因。克孜勒河上游丘陵山區中出露有新近系地層，其中大量發育的石膏鹽類礦物為河水中的SO2-4提供了來源。

5結論

（1） 克孜勒河水上游與中下游的水化學類型不[JP2]同。上游以SO4·ClNa·Ca或SO4·HCO3Ca·Na型為主；中下游以SO4Ca·Mg型為主。蒸發巖的風化溶解是影響河流水化學組成的主導因素，至中下游碳酸鹽風化影響稍有增強。

（2） 主成分分析和因子分析表明，克孜勒河流域內巖石風化以石膏等蒸發巖風化為主，巖鹽類蒸發巖風化次之，最后是碳酸鹽風化。三者方差貢獻率分別為3667%、3484%和2502%。

（3） 克孜勒河主要風化反應以石膏、芒硝、鎂硫酸鹽巖和鹽巖的風化為主，其次是方解石和白云石的風化，另有少量的鈉長石風化溶解反應。克孜勒河中SO42-含量較高，其主要來源為河流流經的新近系地層中石膏巖類的風化溶解。

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