玛纳斯河流域中下游平原地区水化学特征及其影响因素

夏 梦, 马 龙, 吉力力·阿不都外力

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046;2.中国科学院 新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011)



玛纳斯河流域中下游平原地区水化学特征及其影响因素

夏 梦1, 马 龙2, 吉力力·阿不都外力2

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046;2.中国科学院 新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011)

通过Piper三线图示法、系统聚类等方法对玛纳斯河中下游28个地表水样品离子化学成分进行了分析，研究了玛纳斯河流域冲积平原的水化学分布特征及影响因素。结果表明：1) 研究区水体样品pH值差异较小，但矿化度和各离子组成的差别明显，从淡水到高盐矿化度水均有分布。阳离子浓度Na+>Ca2+>Mg2+>K+；阴离子浓度SO42->Cl->HCO3-。水样中K+和HCO3-的变异系数相对较小，Cl-和Na+变异系数最大。2) 玛纳斯河流域冲积平原地区水化学类型主要有Ca2+-HCO3-，Na+-SO42-，Ca2+-SO42-，Na+-Cl-四种。其中Ca2+-HCO3-型占总水样的78.6%，其中仅有3个样品为Na+-SO42-型，2个样品为Ca2+-SO42-型，1个样品为Na+-Cl-型。聚类分析的结果表明玛纳斯河流域地表水化学特征表现出较为明显的空间分异性。总体来看，玛纳斯流域地表水中部分水样的水化学类型改变，主要是由于水体蒸发强度的差异以及玛纳斯河流域土壤中盐分离子被淋洗，增加了水体中的盐分离子含量从而导致水化学类型呈现出差异性。

水文学; 水化学特征; 影响因素; 聚类分析; 玛纳斯河

玛纳斯河流域是新疆开垦最大最早的人工绿洲。近年来，由于玛纳斯河流域人口剧增，加之水土资源的不合理开发利用，流域内出现了水质恶化，土地盐碱化等一系列环境问题，严重影响了流域生态与环境的保护，直接关系到流域的可持续发展。目前对玛纳斯河流域环境的研究，集中于对流域的气候变化[1-3]，水系的变迁[4]、水资源利用[5-8]、土地利用及覆被变化[9-10]，以及土壤盐碱地类型[11]、土壤盐分[12]、养分的空间分布格局及影响因素[13]等方面。而水分作为流域地球化学循环的纽带，在大气圈、岩石圈、土壤圈的物质、能量、信息的交换过程中扮演着重要的角色。水体与周围环境相互作用的结果导致水化学特征发生一系列的变化[14]，水化学特征因此被认为是良好的“示踪剂”，记录着水体的形成、转化和运移[15]。研究流域水化学特征的分布和差异不仅对揭示区域水岩相互作用的历史，而且对评价当前水化学状态，合理利用和保护水资源都具有重要的意义。本文以玛纳斯河流域中下游平原地区水体为研究对象，运用水化学分析方法，系统分析流域内水化学特征及其影响因素，以其为玛纳斯河流域水资源的开发利用提供借鉴。

1 研究区概况

玛纳斯河流域地处天山北麓中段准噶尔盆地南缘，是北疆重要的粮棉基地，流域面积3.35万km2[16]。自东向西包括塔西河、玛纳斯河、宁家河、金沟河和巴音沟河等5条主要河流,其中玛纳斯河水量最大、流程最长，全长400 km，年平均径流量12.8亿m3，主要依靠冰川融水和地下潜流补给。行政区划上包括玛纳斯县、沙湾县、石河子垦区以及克拉玛依部分地区[9]。流域内地貌类型多样，地势由东南向西北倾斜，依次为冲积洪积扇、冲积平原和干三角洲。流域属典型的大陆性干旱气候，年平均气温6.6℃；降水量由南向北逐渐递减，靠近沙漠边缘降水量仅117 mm；流域蒸发量随海拔的降低而增加，越靠近沙漠边缘蒸发量越大[17]。

2 研究方法

2012年9月在玛纳斯河流域冲积平原地带采集水样28个，各采样点地理信息见表1。分别对pH，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，SO42-，HCO3-，CO32-，Cl-和矿化度(TDS)等主要离子和化学成分进行分析。pH值用PHS-2C型酸度计测定；Mg2+和Ca2+用EDTA络合滴定法测定；Na+和K+用6410火焰光度计测定；HCO3-和CO32-用双指示剂中和法测定；SO42-用EDTA间接滴定法测定；Cl-用AgNO3滴定法测定。测定的具体方法参照参考文献[18]。样品的分析测试工作在中国科学院生态与地理研究所分析测试中心完成。对水样水化学类型分布特征采用水文水化学分析软件AquaChem V.4.0绘制Piper三线图进行概括性的总体分析。Piper三线图是Piper[19]在1944年提出的，由两个等边三角形和一个等边平行四边形组成，左边等边三角形表示阳离子当量浓度百分含量，右边等边三角形表示阴离子当量浓度百分含量。在水化学类型总体分布的基础上，采用SPSS 21.0统计软件进行聚类分析，更细致的探讨相同水化学类型不同样品间的离子组合特征差异性。聚类方法采用组内联接法，以Pearson相关性作为度量标准。由于数据的量纲相同，数量级相差不大，所以未对数据进行标准化处理。聚类分析法使离子组合特征相近的水样聚为一类，因此更好地展示了水样水化学的分布特征。

表1 采样点地理信息

注：全部水样中除了Z07，Z08，Z09，Z10，Z11，Z19为位于下游的水样外，其余均为位于中游的水样。

3 结果与分析

3.1 主要水化学特征

研究区水样的水化学参数统计特征见表2。研究区水样pH值为7.19～7.92，平均值为7.66。矿化度为0.19～11.63 g/L，平均值为1.09 g/L。研究区水体样品pH值差异较小，但矿化度差别明显，从淡水到高盐矿化度水均有分布。各样品间离子浓度差异较大，阳离子Ca2+，Mg2+，Na+、K+质量浓度分别介于0.03～0.44 g/L，0.004～0.42 g/L，0.006～2.97 g/L和0.003～0.02 g/L，平均浓度分别为0.07，0.04，0.22，0.005 g/L；水体阴离子HCO3-，Cl-，SO42-质量浓度分别介于0.09～0.41 g/L，0.007～3.11 g/L和0.02～4.57 g/L，平均浓度为0.14，0.24和0.34 g/L。阳离子浓度Na+>Ca2+>Mg2+>K+；阴离子浓度SO42->Cl->HCO3-。各离子变异系数[20]差异较大。水体中K+和HCO3-的浓度变异系数相对较小，反映它们在水中含量相对稳定。Cl-、Na+、Mg2+、SO42-和Ca2+的浓度变异系数相对较大，其中Cl-和Na+分别为阴离子和阳离子中变异系数最大的离子，表明其在水中含量离散程度较大。

表2 各水样水化学指标值及统计特征

3.2 水化学离子组合特征及其影响因素

Piper三线图用于分析水体的水化学类型及水化学成分的演化规律具有很强的优势[21]。故本文采用Piper三线图对研究区水样进行水化学类型分析(图1)。研究区水化学类型主要有Ca2+-HCO3-，Na+-SO42-，Ca2+-SO42-，Na+-Cl-四种类型。大部分样品都属于Ca2+-HCO3-型，占总水样的78.6%；3个样品(Z04，Z07，Z13)属于Na+-SO42-型，占总水样的10.7%；2个样品(Z20，Z05)属于Ca2+-SO42-型，占总水样的7.1%；1个样品(Z19)属于Na+-Cl-型，占总水样的3.6%。总体看来，研究区大部分水体样品的水化学类型呈集中趋势，属于Ca2+-HCO3-型，少数样品可能由于受到多种因素影响水化学类型产生差异。

图1 研究区水化学类型Piper图

为了进一步探讨本研究区水体样品中离子浓度组合特征差异，将28个样品的7种离子作为变量进行系统聚类分析[22](图2)。聚类分析的结果与Piper图分类结果一致，在Piper图中为Ca2+-HCO3-型的水样具有相同的离子组合特征，但是聚类分析更能直观的反映玛纳斯河流域水体中离子浓度更细微的差异。属于Ca2+-HCO3-型的水样中，位于玛纳斯河流域中游的大部分水样(簇C1)具有不同于下游水样(Z08，Z09，Z10，Z11)的水化学组合特征。将大多数位于中游的水样(簇C1)和位于下游的水样(Z08，Z09，Z10，Z11)7种离子浓度平均含量进行对比发现(表3)，相对于簇C1而言，位于下游的水样各个离子平均质量浓度都有所增加，其中Cl-和Na+的平均质量浓度相对增加较高，增加量均高于簇C1中相对应的离子平均质量浓度400%和300%，而其余离子的平均质量浓度相对增加较少。表明了水体从中游到下游Cl-和Na+的质量浓度有增高的趋势，这一结果显示由于水体蒸发等因素造成水化学组成的空间分异性。另外，从聚类图中也可以看到，位于中游的水样玛纳斯河水Z18和中部水库水Z21具有与下游水样(Z08，Z09，Z10，Z11)相同的离子组合特征(簇C2)，表明了Z18和Z21中的Cl-和Na+质量浓度较其它中游样品(簇C1)高，反映了可能受到中部种植灌溉洗盐水的影响较大。

图2 玛纳斯河流域地表水化学组成系统聚类树状图

在Piper图中水化学类型不同于Ca2+-HCO3-型的六个水样(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)，在系统聚类图中也体现出了不同于其它玛纳斯河流域地表水样品的显著差异。其中，下游水渠水Z07和146团大桥渠水Z19的离子组合特征差异性最大(簇A)，明显不同于其余所有样品。而Z04，Z13，Z20，Z05的离子组合特征也表现出了较Ca2+-HCO3-型水样(簇C)的显著不同。现将六个水样(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)与Ca2+-HCO3-型水样(簇C)的离子组合特征进行对比，并且将六个水样中属于中游的水样(Z04，Z13，Z20，Z05)和属于下游的水样(Z07，Z19)的离子组合特征进行对比(表3)。由表3可知，簇C中的HCO3-和Ca2+为阴离子和阳离子中质量浓度最大的离子，分别占离子总量的47.2%和11.8%。相比于簇C，六个水样(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)的各个离子平均质量浓度均有增加，其中Cl-，SO42-，Mg2+，Na+离子浓度相对增加较大，分别高出簇C相对应离子含量5 200%，2 760%，1 300%，4 750%。表明了相对于Ca2+-HCO3-型水样(簇C)这六个水样(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)的盐分离子含量显著增加。同时，将六个水样中属于中游的水样(Z04，Z13，Z20，Z05)和属于下游的水样(Z07，Z19)进行对比发现，下游的水样各个离子质量浓度平均值均高于中游的水样，Cl-，SO42-，Mg2+，Na+离子浓度相对增加较大，其中Cl-和Na+分别为阴离子和阳离子中质量浓度增加最大的离子，分别高出中游的水样相对应离子质量浓度2 138.5%和1 778.6%。表明了盐分离子在下游地区大量聚积的现象。总的来说，造成这六个水样(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)与其余水样之间，以及这六个水样中属于中游水样和属于下游水样之间的离子组合特征差异的原因，主要是由于玛纳斯河流域，常年受种植、灌溉等的影响，土壤中的一部分盐分被淋洗掉，而淋洗掉的盐分部分通过排水系统进入水体中，带走了土壤中的部分可溶性离子，随洗盐水进入地表水体中，致使水化学组分产生差异。另外，玛纳斯河流域中下游地区的蒸发差异也是造成部分水样水化学组分差异性的原因。

表3 各样品组合离子含量特征 g/L

注：C1代表Ca2+-HCO3-型水样中属于中游的水样，亦即簇C1；C2代表Ca2+-HCO3-型水样中属于下游的水样(Z08，Z09，Z10，Z11)；C代表Ca2+-HCO3-型水样，亦即簇C；M代表六个水样(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)；M1代表(Z04，Z13，Z20，Z05)；M2代表(Z07，Z19)

4 结 论

通过对玛纳斯河流域中下游平原地区的水化学特征分析得出以下几点认识：

1) 研究区水样矿化度变化范围在0.19～11.63 g/L之间，平均值为1.09 g/L。阳离子浓度Na+>Ca2+>Mg2+>K+；阴离子浓度SO42->Cl->HCO3-。水样中K+和HCO3-的变异系数相对较小，反映它们在水中含量相对稳定。Cl-和Na+分别为水体阴离子和阳离子中变异系数最大的离子，表明其在水中含量离散程度较大。

2) 玛纳斯河流域中下游平原地区水化学类型主要有Ca2+-HCO3-，Na+-SO42-，Ca2+-SO42-，Na+-Cl-四种类型。大部分水样都属于Ca2+-HCO3-型，占总水样的78.6%；Na+-SO42-型占总水样的10.7%；Ca2+-SO42-型占总水样的7.1%；Na+-Cl-型占总水样的3.6%。

3) 聚类分析的结果表明玛纳斯河流域地表水特征具有明显的空间分异性。同属Ca2+-HCO3-型的水样，从中游到下游Cl-和Na+有增加的趋势，显示出由于水体蒸发等因素造成水化学组成的空间分异性。另外同属Ca2+-HCO3-型水样中，部分属于中游的水样与属于下游的水样具有相同的离子组合特征，表明这部分中游水样受到灌溉洗盐水的影响较大。而其他类型水样具有明显不同于Ca2+-HCO3-型水样的离子组合特征，究其原因主要是由于玛纳斯河流域部分地区受到种植灌溉等因素的影响，使得土壤中的部分盐分离子被淋洗掉而进入水体中，从而增加了水体中的盐分离子含量，再加之玛纳斯河流域中下游地区的蒸发差异，最终导致部分水样水化学组成的差异。

[1] 凌红波,徐海量,张青青,等.1956—2007年新疆玛纳斯河流域气候变化趋势分析[J].冰川冻土,2011,33(1):64-71.

[2] 唐湘玲,魏文寿.玛纳斯河流域气候变化对径流变化的影响[J].石河子大学学报:自然科学版,2006,23(6):730-734.

[3] 南峰,李有利,史兴民.新疆玛纳斯河水量波动与气候变化之间的关系[J].水土保持研究,2003,10(3):59-61.

[4] Yuan Y, Shao X, Wei W, et al. The potential to reconstruct Manasi River streamflow in the northern Tien Shan Mountains (NW China)[J]. Tree-Ring Research,2007,63(2):81-93.

[5] 刘志明,刘少玉,陈德华,等.新疆玛纳斯河流域平原区水资源组成和水循环[J].水利学报,2006,37(9):1102-1107.

[6] 何新林,郭生练.气候变化对新疆玛纳斯河流域水文水资源的影响[J].水科学进展,1998,9(1):77-83.

[7] 范文波,周宏飞,李俊峰.玛纳斯河流域生态需水量估算[J].水土保持研究,2010,17(6):242-245.

[8] 李志忠,韩洪凌.天山北麓的水资源利用与绿洲稳定性:以玛纳斯河流域为例[J].干旱区资源与环境,2004,18(8):1392142.

[9] Li Y L, Qao M, Yang X L, et al. Analysis on land use/cover change and landscape fragmentation in typical watershed of arid zone in last 30 years： a case of Manasi river watershed, xinjiang[J]. Journal of Desert Research,2008,28(6):1050-1057.

[10] 程维明,周成虎,刘海江,等.玛纳斯河流域50年绿洲扩张及生态环境演变研究[J].中国科学:D辑,2006,35(11):1074-1086.

[11] 阿不都外力·吉力力·买买提阿依古丽,唐杨.玛纳斯河流域绿洲土壤春季盐渍化研究[J].干旱区研究,2013,30(2):189-195.

[12] 唐杨,吉力力,刘东伟,等.基于微地形和土地覆被的土壤水分空间变异性：以玛纳斯河流域绿洲为例[J].干旱区研究,2011,28(2):222-228.

[13] 买买提阿依古丽,阿不都外力吉力力,葛拥晓.玛纳斯河流域绿洲土壤养分空间变异特征与格局[J].干旱区资源与环境,2013,27(9):153-159.

[14] Markich S J, Brown P L. Relative importance of natural and anthropogenic influences on the fresh surface water chemistry of the Hawkesbury-Nepean River, south-eastern Australia[J]. Science of the Total Environment,1998,217(3):201-230.

[15] Winter T C. Recent advances in understanding the interaction of groundwater and surface water[J]. Reviews of Geophysics,1995,33(S2):985-994.

[16] 禹朴家,徐海量,乔木,等.玛纳斯河流域土壤类型空间分布格局分析[J].土壤学报,2010,47(6):1050-1059.

[17] 吉力力.阿不都外力.干旱区湖泊与盐尘暴[M].北京:中国环境科学出版社,2012.

[18] 中华人民共和国卫生部，中国国家标准化管理委员会.生活饮用水标准检验方法[S].GB/T 5750.1—2006.

[19] Piper A M. A graphic procedure in the geochemical interpretation of water-analyses[J]. Eos, Transactions American Geophysical Union,1944,25(6):914-928.

[20] 王文森.变异系数：一个衡量离散程度简单而有用的统计指标[J].中国统计,2007(6):41-42.

[21] Karmegam U, Chidambaram S, Prasanna M V, et al. A study on the mixing proportion in groundwater samples by using Piper diagram and Phreeqc model[J]. Chinese Journal of Geochemistry,2011,30(4):490-495.

[22] 吴喜之.统计学:从数据到结论[M].北京:中国统计出版社,2004.

The Water Chemical Characteristics and Its Influence Factors in Middle and Lower Reaches of Manasi River Basin

XIA Meng1, MA Long2, JILILI·Abuduwaili2

(1.CollegeofResourceandEnvironmentSciences,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 2.StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)

Hydrochemical investigations of 28 surface water samples were conducted in middle and lower reaches of Manas River Basin. In this study, hierarchical clustering method and PIPER diagram were used to anayze the hydrochemical characteristics and its influence factors. The result shows that: 1) the pH of water samples in the study area has little difference, but the differences in total dissolved solids (TDS) and major-ion (Mg2+, Ca2+, Na+, K+, SO42-, HCO3-and Cl-) composition were obviously signifcant. In this study area, the fresh water and high salinity water distribute here. The order of the average concentrations of major cations in Manas River Basin is Na+>Ca2+>Mg2+>K+, and the sequence of concentrations for major anions is SO42->Cl->HCO3-. The coefficients of variation of K+and HCO3-are relative small in water samples, otherwise, the ions (Cl-and Na+) have the biggest values among the seven major ions; 2) the surface water of the Manas River Basin belongs to four hydrochemical types (Ca2+-HCO3-, Na+-SO42-, Ca2+-SO42-, Na+-Cl-). The Ca2+-HCO3-type accounts for 78.6% of the total samples, however, there are three water samples with Na+-SO42-type, two samples with Ca2+-SO42-type, and only one sample with Na+-Cl-type in this area. The result of hierarchical clustering analysis showed that chemical characteristics in surface water had obvious spatial variability. Overall, the changes of hydrochemical characteristics of Manas River Basin are mainly due to spatial differences of water evaporation and soil salinity leaching into surface water bodies, which induced the differences in hydrochemical types of surface waters.

hydrology; hydrochemical characteristics; influencing factors; hierarchical cluster analysis; Manas River

2014-06-08

2014-07-24

中国科学院西部之光(XBBS201106)；国家自然科学基金(41471173)

夏梦(1990—),女(回族),新疆乌鲁木齐人,硕士研究生,从事干旱区湖泊资源与环境研究。E-mail:xiamgyh@sina.com

吉力力·阿不都外力(1964—),男(维吾尔族),新疆拜城县人,研究员,博士,主要从事地理生态学方面的研究。E-mail:jilil@ms.xjb.ac.cn

X142

1005-3409(2015)02-0136-05