金溝河樞紐處水化學(xué)特征演變及影響因素分析

劉婷婷

（新疆金溝河流域管理局水利管理中心，新疆 沙灣 832100）

1 研究區(qū)概況

金溝河發(fā)源于依連哈比爾尕山北側(cè)科爾達(dá)拉河源頭的31 號(hào)冰川，河流水網(wǎng)發(fā)育，呈樹狀水系，為典型的冰川融雪型補(bǔ)給河流，地勢(shì)由南向北傾斜，最高海拔5256 m，最低僅300 m 左右。流域地處新疆維吾爾自治區(qū)中西部的沙灣縣境內(nèi)，西臨八音溝河，南界天山分水嶺，北到瑪納斯河，流域總面積2626 km2，其中金溝河出山口以上面積為1688 km2，金溝河引水樞紐位于金溝河出山口處，閘址位于原紅山頭站下游300 m。從河源至出山口（海拔820 m）主河道長(zhǎng)約94 km，平均縱坡46‰。紅山頭水文站多年平均流量為11.25 m3/s，多年平均徑流量為3.55×108m3。

2 研究?jī)?nèi)容及方法

2.1 研究?jī)?nèi)容

1964年～2013年金溝河樞紐處7 種離子濃度數(shù)據(jù)主要來自紅山頭站和八家戶水文站水化學(xué)資料，金溝河樞紐兩個(gè)水文測(cè)站總?cè)芙庑怨腆w（TDS）通過下式近似計(jì)算：

式中：c 為各物理量含量，mg/L。

流域其余測(cè)站的總?cè)芙庑怨腆w（TDS）直接采用文獻(xiàn)值。

2.2 研究方法

阿列金法主要基于離子濃度及比例關(guān)系進(jìn)行天然水體水化學(xué)特征的分類與分析。通常情況下，礦化度主要按照［C]＜［S]＜［Cl]，Ca2+＜Mg2+＜Na+，Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ的趨勢(shì)逐漸增大，其中Ca2++Mg2+代表總硬度，代表總堿度，總硬度與總堿度之比是衡量水體是否因受人類活動(dòng)影響而發(fā)生酸化的參考性指標(biāo)，若比值≤1，說明石灰?guī)r溶解過程僅受水體中碳酸的影響；若比值＞1，說明石灰?guī)r溶解過程還受到人為酸的影響［1]。本文采用阿列金法進(jìn)行金溝河樞紐處1964年～2013年水化學(xué)類型分類與分析。

Gibbs 圖解法將地表水體分為風(fēng)化控制型、降水控制型和蒸發(fā)控制型，若流域水體Na+/ （Na++1/2Ca2+） 值與Cl-/值均不大于0.5，且總?cè)芙庑怨腆w（TDS）含量適中，則巖石風(fēng)化作用是其離子濃度與比例的主要影響因素；而當(dāng)流域水體Na+/（Na++1/2Ca2+）值與Cl-/（Cl-+值接近1.0，且總?cè)芙庑怨腆w（TDS）含量較高時(shí)，蒸發(fā)作用是其離子濃度與比例的主要影響因素；當(dāng)流域水體Na+/ (Na++1/2Ca2+) 值與Cl-/（Cl-+值更趨近于1.0，且總?cè)芙庑怨腆w（TDS）含量較低時(shí)，大氣降水補(bǔ)給作用是其離子濃度與比例的主要影響因素［2]。大量研究表明，該方法是了解天然河流離子變化特征趨勢(shì)及成因的最有效方法之一，故本文運(yùn)用Gibbs 圖解法進(jìn)行金溝河流域樞紐處水化學(xué)特征及自然影響因素的分析。考慮到1964年～2013年金溝河樞紐處主要水文測(cè)站離子數(shù)據(jù)不全，金溝河流域周邊產(chǎn)業(yè)建設(shè)及快速發(fā)展主要開始于20 世紀(jì)末期，所以在進(jìn)行總?cè)芙庑怨腆w（TDS）含量、離子比例、水化學(xué)特征分析時(shí)，只分析2000年～2013年的數(shù)據(jù)。

相關(guān)分析法主要探討有依存關(guān)系現(xiàn)象之間的相關(guān)程度與相關(guān)方向，通常用于隨機(jī)變量之間相關(guān)關(guān)系研究，本文應(yīng)用SPSS 17.0 進(jìn)行2000年～2013年金溝河樞紐處7 種主要離子濃度與區(qū)域內(nèi)10 項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)的Pearson 相關(guān)分析。

3 分析與討論

3.1 水質(zhì)、水化學(xué)

本次收集到紅山頭站1964年及1982年水樣分析成果和八家戶水文站2007年～2008年、2013年水質(zhì)數(shù)據(jù)。據(jù)分析，金溝河水體比較潔凈，現(xiàn)狀水質(zhì)良好，在八家戶站斷面以上全年各時(shí)段水質(zhì)均可達(dá)到Ⅰ類，河流枯水期流量平穩(wěn)，呈澄清狀態(tài)，汛期水體呈渾濁狀。天然水化學(xué)成分在年內(nèi)有著季節(jié)性變化規(guī)律。汛期河流水量大，徑流主要以融雪、降水補(bǔ)給，水體中各種離子含量較低；枯水期，徑流主要靠地下水補(bǔ)給，河流水量小，礦化度增大。根據(jù)水樣分析成果，金溝河樞紐處八種主要離子中以Ca2+和為主，最少。金溝河水質(zhì)化學(xué)特征見表1。

表1 金溝河地表水水水質(zhì)分析成果表

3.2 自然因素對(duì)金溝河水化學(xué)特征的影響

將金溝河流域樞紐工程處紅山頭站和八家戶水文站2000年～2013年水化學(xué)特征數(shù)據(jù)繪制在Gibbs 圖中（圖1），可以看出流域樞紐工程處水化學(xué)離子特征和北運(yùn)河土門樓站較為接近，其Na+/（Na++1/2Ca2+）的取值在0.4～0.6 之間，總?cè)芙庑怨腆w（TDS）含量在545.9 mg/L～436.6 mg/L 之間，表明巖石和蒸發(fā)因素是離子濃度與比例變化的主要影響因素。通常情況下，巖石因素為主的天然河流隨徑流量和降水量的增加其離子濃度降低，懸浮物濃度增加。2000年～2006年間，金溝河流域樞紐工程處降水相對(duì)充沛，流域年均流量與降水量正相關(guān)且呈上升趨勢(shì)。2007年～2010年間，金溝河流域樞紐區(qū)降水稀少，流域年均流量大幅回落，并與降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，徑流量中雨洪占比有所下降，但農(nóng)田澇水比例增加。分析金溝河流域樞紐工程處離子濃度與徑流量、降水量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，2000年～2013年間，隨流域徑流量的變化Na+、Mg2+、等離子含量濃度下降，、Ca2+濃度上升，K+、Cl-離子含量并無明顯變化。可見，降水及巖石風(fēng)化等因素對(duì)金溝河流域樞紐處水化學(xué)特征演變的影響并不顯著。

圖1 2000年～2013年水化學(xué)特征數(shù)據(jù)Gibbs 圖

3.3 人類活動(dòng)對(duì)金溝河水化學(xué)特征的影響

隨著金溝河流域產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度的加快，污水生產(chǎn)量增加，而當(dāng)前污水處理僅針對(duì)耗氧有機(jī)物的去除，對(duì)包括磷、氮等在內(nèi)的無機(jī)營(yíng)養(yǎng)離子處理效果并不理想，在污水處理過程中因添加硫酸鋁、二氧化氯、聚合氯化鋁、氯氣等絮凝劑和消毒劑導(dǎo)致流域水體中相應(yīng)離子濃度不斷升高。2000年～2013年金溝河流域主要離子濃度與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展變量的Pearson 相關(guān)系數(shù)（表2）表明，該流域樞紐處主要離子濃度變化和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展變量之間有顯著的相關(guān)性，其中K+和Cl-離子濃度變化與發(fā)展變量相關(guān)性最高，K+和地區(qū)人口密度、人均GDP、化肥施用量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，并與灌溉面積、農(nóng)業(yè)用水顯著負(fù)相關(guān)；而Mg2+、Na+、和主要社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展變量相關(guān)性并不高。通過分析可以認(rèn)為，隨著金溝河流域范圍內(nèi)人口密度、人均GDP、城市化率等的增加，耕地面積、灌溉面積及農(nóng)業(yè)用水量逐漸減少，流域樞紐處K+、Ca2+、Cl-、等離子濃度持續(xù)升高。

表2 2000年～2013年金溝河流域主要離子濃度與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展變量的Pearson 相關(guān)系數(shù)

2000年～2013年金溝河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)獲得了較快發(fā)展，常住人口由2000年的12.99 萬人增加至2013年的21.47 萬人，地方GDP 從25.95 億元增加至2013年的64.73 萬元，城鎮(zhèn)化率從32.07%提升至65.7%。隨著人口增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，土地資源和水資源使用方式發(fā)生較大改變，耕地面積和灌溉面積下降20.42%，單位耕地面積化肥施用量增加了1.5 倍左右，上述人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的變化對(duì)金溝河流域樞紐處水化學(xué)特征演變影響較大。

上述分析也表明，金溝河流域樞紐處水體鹽漬化較為嚴(yán)重，但其鹽漬化成因與北運(yùn)河土門樓站略有不同。北運(yùn)河土門樓站河水鹽漬化主要原因在于地表水大量人為攔蓄及井泉水過渡開采，導(dǎo)致徑流量降低后，灌溉回水將大量鹽分傾斜入河流。而金溝河流域樞紐處補(bǔ)給水源主要為雨洪水和農(nóng)田澇水，徑流量并未出現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)，其水體鹽漬化主要由人口增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，土地資源和水資源使用方式發(fā)生較大改變，耕地面積和灌溉面積下降等人為因素影響所致。

4 結(jié)論

本文分析結(jié)果表明，2000年～2013年金溝河樞紐處Cl-、Na+、等離子濃度及總?cè)芙庑怨腆w（TDS）含量顯著上升，而濃度并無明顯變化，水化學(xué)特征數(shù)據(jù)Gibbs 圖分析結(jié)果表明，金溝河流域河水呈鹽漬化趨勢(shì)，其總?cè)芙庑怨腆w（TDS）含量及離子特征變化趨勢(shì)與北運(yùn)河土門樓站變動(dòng)趨勢(shì)一致。金溝河流域水化學(xué)類型主要表現(xiàn)為CⅡCa 型，礦化度不斷增加，自然因素方面影響較大的有巖石風(fēng)化作用及蒸發(fā)作用。Pearson相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果顯示，與自然因素相比，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及灌溉方式轉(zhuǎn)變等人為因素對(duì)金溝河流域2000年～2013年水化學(xué)特征演變的影響更為顯著。

基于上述結(jié)論，應(yīng)加強(qiáng)金溝河流域（尤其是金溝河樞紐處）非點(diǎn)源污染治理及流域生態(tài)治理，加強(qiáng)對(duì)化肥施用、人類活動(dòng)、農(nóng)業(yè)灌溉等影響流域水化學(xué)特征程度的控制，并進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)金溝河流域其余區(qū)域水化學(xué)特征演變與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展內(nèi)在機(jī)理的深入研究。