中天山典型內(nèi)陸河流域水化學(xué)時(shí)空特征分析

吳麗娜, 孫從建,2, 賀 強(qiáng), 陳 偉, 張永清

(1.山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000;2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011)

中天山典型內(nèi)陸河流域水化學(xué)時(shí)空特征分析

吳麗娜1, 孫從建1,2, 賀 強(qiáng)1, 陳 偉1, 張永清1

(1.山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000;2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011)

烏魯木齊河; 時(shí)空分布; Piper; gibbs; 控制因素

河流的水化學(xué)元素組分及其分布特征在很大程度上表征著水資源質(zhì)量狀況、區(qū)域環(huán)境化學(xué)特征、水體元素遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律[1-2]。水體離子組成是水化學(xué)性質(zhì)的重要方面，研究河流水體化學(xué)離子特征對(duì)于正確理解河流流域內(nèi)地表水與地下水的補(bǔ)給關(guān)系、河水的離子組成和識(shí)別控制該水體化學(xué)組成的基本過(guò)程具有重要意義[3-5]。流域水化學(xué)的研究開(kāi)展相對(duì)較早，研究?jī)?nèi)容已從最開(kāi)始簡(jiǎn)單水化學(xué)離子濃度測(cè)定發(fā)展為水體離子組分研究、地下水與地表水關(guān)系、控制因素、水文地球化學(xué)、氣候變化等綜合研究[6-7]。國(guó)內(nèi)河流水化學(xué)研究起源于20世紀(jì)60年代初期，樂(lè)嘉祥等[8]根據(jù)我國(guó)500多條河流的900多個(gè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了中國(guó)第一張水化學(xué)圖和河流水硬度圖，開(kāi)啟了對(duì)我國(guó)河流的水化學(xué)研究之路。此后有學(xué)者相繼對(duì)長(zhǎng)江、黃河、珠江、青海湖、太湖、漢江等河流湖泊的水化學(xué)特征進(jìn)行了研究。干旱內(nèi)陸河流作為西北干旱地區(qū)最主要的水源保障，其對(duì)于整個(gè)干旱內(nèi)陸地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。對(duì)于高寒內(nèi)陸河流域的河水化學(xué)離子過(guò)程的長(zhǎng)時(shí)間尺度的監(jiān)測(cè)可以清晰地反映流域的水質(zhì)變化過(guò)程、流域的水體交互過(guò)程以及流域水循環(huán)機(jī)理，其結(jié)果可以為我們制定區(qū)域水資源合理利用及可持續(xù)發(fā)展提供重要理論依據(jù)[9]。

烏魯木齊河流域作為天山山區(qū)典型的內(nèi)陸河流域，肩負(fù)著中亞最大城市——烏魯木齊市的水資源供給保障，同時(shí)也是我國(guó)一帶一路及天山北麓經(jīng)濟(jì)帶的重要水資源保障，其區(qū)位的重要性不言而喻。近年來(lái)，在氣候變化背景下，作為典型高寒區(qū)內(nèi)陸河流域的烏魯木齊河對(duì)氣候變化的響應(yīng)明顯[10-11]。氣候變化加劇了山區(qū)冰雪融化的速率，改變了徑流的組成成分，影響了水體的化學(xué)變化過(guò)程，使山區(qū)水體化學(xué)過(guò)程更加復(fù)雜化，同時(shí)加劇了干旱內(nèi)陸地區(qū)水資源的供需矛盾[12-13]。因此急需開(kāi)展針對(duì)于氣候變化背景下的山區(qū)徑流水體化學(xué)過(guò)程深入研究，以便于優(yōu)化區(qū)域水資源的配置，應(yīng)對(duì)氣候變化過(guò)程。關(guān)于烏魯木齊河流域的水化學(xué)研究，前人工作主要集中于水體離子的判定[14]、冰川水化學(xué)特征分析[15-17]、單次水體采樣結(jié)果的水化學(xué)類(lèi)型判定等[18-20]，而基于長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果的水體化學(xué)過(guò)程時(shí)空特征研究在烏魯木齊河流域開(kāi)展甚少。本研究基于長(zhǎng)期水體水化學(xué)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)于烏魯木齊河山區(qū)不同高程地表水離子組分、時(shí)空變化特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，深入探討控制流域地表水化學(xué)過(guò)程的主要因素，分析不同時(shí)期控制水體的主要化學(xué)過(guò)程，其結(jié)果對(duì)該區(qū)水資源合理利用和可持續(xù)開(kāi)發(fā)具有重要的實(shí)際價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

烏魯木齊河流域位于天山中段北坡，流域南北長(zhǎng)200 km以上，東西寬25～50 km，位于86°45′—87°56′E，43°00′—44°07′N(xiāo)(圖1)。出山口——英雄橋水文站以上集水面積924 km2，集水區(qū)平均海拔高度3 083 m(本文主要研究區(qū)域)。烏魯木齊河流域深居亞歐大陸腹地，為典型中溫帶大陸性干旱氣候，多年平均氣溫為-5.2℃，年均降水量為400～500 mm，降水集中在6—8月份。英雄橋以上山區(qū)多年平均徑流量約為2.45億m3[21]。其中多年平均降雨徑流量約為2.19億m3，降水補(bǔ)給占河流年徑流總量的80%以上，流域內(nèi)流水侵蝕作用強(qiáng)烈[22-23]。流域山勢(shì)陡峭，高山區(qū)發(fā)育有現(xiàn)代冰川，多年平均冰川融水補(bǔ)給量約占10%[22-23]。烏魯木齊河源區(qū)在大地構(gòu)造單元上跨越南北兩個(gè)構(gòu)造單元，南側(cè)地層由下古生界志留紀(jì)的結(jié)晶片巖組成，北側(cè)的加里東褶皺帶地層主要是泥盆紀(jì)的綠泥石石英片巖、云母石英巖夾灰質(zhì)片巖，凝灰質(zhì)砂巖及硅質(zhì)巖，海拔2 900 m以上的森林帶上限以上山地屬于高山灌叢和基巖裸露的冰川—冰緣帶[24]。

圖1烏魯木齊河流域和站點(diǎn)分布

2 樣品采集與分析方法

表1 研究區(qū)域采樣點(diǎn)信息

3 結(jié)果與分析

3.1 烏魯木齊河水化學(xué)成分

烏魯木齊河流域水體TDS值較低，水質(zhì)較好(TDS值為36～352 mg/L)。平均礦化度(190.44 mg/L)低于世界干旱區(qū)地表水礦化度平均值(440 mg/L)和半干旱區(qū)地表水礦化度平均值(大約370 mg/L)，但高于世界總體河水的TDS平均值(大約81 mg/L)[24]。

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

3.2 烏魯木齊河流域離子濃度的時(shí)間變化

圖2烏魯木齊河年際離子分布與年內(nèi)離子分布Piper三線(xiàn)圖

3.3 烏魯木齊河流域離子濃度的空間分布

為更詳細(xì)分析烏魯木齊河流域地表水化學(xué)的空間分布特征，研究將6處不同海拔高度的采樣點(diǎn)分為高山區(qū)、中山區(qū)及低山區(qū)來(lái)進(jìn)行討論。分析結(jié)果顯示(圖3)：

4 討 論

4.1 河水中陰陽(yáng)離子與TDS相互關(guān)系

6個(gè)站點(diǎn)不同月份TDS分布圖(圖4)中顯示流域TDS有明顯的季節(jié)和空間分異。從站點(diǎn)1到站點(diǎn)6，河水的礦化度表現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)，且在站點(diǎn)3處增幅最大(圖4C)。原因是河源區(qū)大部分為T(mén)DS極低的冰川融水和大氣降水補(bǔ)給，地區(qū)多為冰磧覆蓋，土壤發(fā)育年輕，可溶鹽較少，加之高寒土壤凍結(jié)，地表可溶鹽難以積聚[30]。到中山區(qū)，參與的河流補(bǔ)給攜帶較多鹽分，土壤發(fā)育完善，可溶鹽多，氣溫升高，沿途水分蒸發(fā)增多，TDS值愈高[18]。各站點(diǎn)地表河水的礦化度也表現(xiàn)出顯著的季節(jié)分異，各站點(diǎn)夏季河水表現(xiàn)出相對(duì)一致的TDS值，這與該季節(jié)山區(qū)多降水同時(shí)冰川融水較多有直接關(guān)系，大量的冰川融水及較多的降水是流域各站點(diǎn)夏季徑流的主要組成，使得這一時(shí)期各站點(diǎn)地表河水的低礦化保持一致。烏魯木齊河流域山區(qū)各站點(diǎn)中(除站點(diǎn)1)在初春融雪期表現(xiàn)出較高的礦化度，這可能與融雪水對(duì)土壤鹽分的淋融有一定關(guān)系，春季蒸發(fā)旺盛，鹽分隨著水分的蒸發(fā)上行并伴隨著融雪徑流匯入河水中，從而造成這一時(shí)期各站點(diǎn)河水的礦化度升高[16]；河水TDS在5月達(dá)到全年峰值，之后逐漸降低，到7月或8月(主要降水補(bǔ)給期)達(dá)到全年最低值后，河水TDS出現(xiàn)上升趨勢(shì)并在秋季融雪期出現(xiàn)又一峰值。夏季降水較多，土壤中鹽分被降水淋溶下行，使得地下水TDS值升高。秋季降水減少，溫度較低，冰川融水量也隨之減少。這一時(shí)期，TDS相對(duì)較高的地下水對(duì)徑流的補(bǔ)給量增加，使得河水TDS秋季出現(xiàn)又一峰值[31]。

圖3烏魯木齊河站點(diǎn)Piper三角圖

圖4 流域各站點(diǎn)TDS分布表2 烏魯木齊河水中各離子濃度相關(guān)性分析

**.在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*.在0.05水平(雙側(cè))上顯著相。

4.2 成因探討

為深入分析烏魯木齊河流域各類(lèi)水體間相互關(guān)系，同期在流域內(nèi)從上游至下游依次建立地下水站點(diǎn)，與河水站點(diǎn)相呼應(yīng)。在河源區(qū)1號(hào)冰川附近采集冰川融水進(jìn)行離子測(cè)定。在河流出山口處建立降水長(zhǎng)期觀測(cè)站點(diǎn)。

圖5 烏魯木齊河水化學(xué)Gibbs圖表3 不同水體中主要離子組成 mg/L

5 結(jié) 論

烏魯木齊河流域水體TDS值呈現(xiàn)出明顯空間分布差異，隨著海拔的降低，河水TDS值由高山區(qū)到中山區(qū)再到低山區(qū)增大；河水TDS年際變化和季節(jié)變化顯著，河水在融雪期呈現(xiàn)出明顯的“離子脈沖”現(xiàn)象，TDS值升高，夏季降水補(bǔ)給期河水TDS值降低，秋季融雪期受地下水影響TDS再次升高。依據(jù)Gibbs分析控制該區(qū)水化學(xué)類(lèi)型的影響因素為水巖交互作用。

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AnalysisofTemporalandSpatialVariationofHydrochemicalCharacteristicsoftheTypicalInlandRiverintheMiddleofTianshanMountains

WU Lina1, SUN Congjian1,2, HE Qiang1, CHEN Wei1, ZHANG Yongqing1

(1.SchoolofGeographicalScience,ShanxiNormalUniversity,Linfen,Shanxi041000,China; 2.StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)

Urumqi River; temporal and spatial distribution; Piper; gibbs; control factors

2016-11-21

：2017-01-21

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M590989);支持“率先行動(dòng)”中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)與中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合資助優(yōu)秀博士后項(xiàng)目(2015LH048);中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(KFKT201601)

吳麗娜(1992—),女,山西呂梁人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗瘜W(xué)。E-mail:sxwlina@sina.com

孫從建(1986—),男,河北滄州人,博士(后),主要從事水循環(huán)及同位素水文研究。E-mail:suncongjian@sina.com

S153；P332.7

：A

：1005-3409(2017)05-0149-08