中天山典型内陆河流域水化学时空特征分析

2017-09-12吴丽娜孙从建张永清

水土保持研究 2017年5期

关键词：水化学乌鲁木齐冰川

吴丽娜, 孙从建,2, 贺强, 陈伟, 张永清

(1.山西师范大学地理科学学院, 山西临汾 041000;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)

中天山典型内陆河流域水化学时空特征分析

吴丽娜1, 孙从建1,2, 贺强1, 陈伟1, 张永清1

(1.山西师范大学地理科学学院, 山西临汾 041000;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)

乌鲁木齐河; 时空分布; Piper; gibbs; 控制因素

河流的水化学元素组分及其分布特征在很大程度上表征着水资源质量状况、区域环境化学特征、水体元素迁移转化的规律[1-2]。水体离子组成是水化学性质的重要方面，研究河流水体化学离子特征对于正确理解河流流域内地表水与地下水的补给关系、河水的离子组成和识别控制该水体化学组成的基本过程具有重要意义[3-5]。流域水化学的研究开展相对较早，研究内容已从最开始简单水化学离子浓度测定发展为水体离子组分研究、地下水与地表水关系、控制因素、水文地球化学、气候变化等综合研究[6-7]。国内河流水化学研究起源于20世纪60年代初期，乐嘉祥等[8]根据我国500多条河流的900多个站点的监测数据绘制了中国第一张水化学图和河流水硬度图，开启了对我国河流的水化学研究之路。此后有学者相继对长江、黄河、珠江、青海湖、太湖、汉江等河流湖泊的水化学特征进行了研究。干旱内陆河流作为西北干旱地区最主要的水源保障，其对于整个干旱内陆地区的经济社会发展具有十分重要的战略意义。对于高寒内陆河流域的河水化学离子过程的长时间尺度的监测可以清晰地反映流域的水质变化过程、流域的水体交互过程以及流域水循环机理，其结果可以为我们制定区域水资源合理利用及可持续发展提供重要理论依据[9]。

乌鲁木齐河流域作为天山山区典型的内陆河流域，肩负着中亚最大城市——乌鲁木齐市的水资源供给保障，同时也是我国一带一路及天山北麓经济带的重要水资源保障，其区位的重要性不言而喻。近年来，在气候变化背景下，作为典型高寒区内陆河流域的乌鲁木齐河对气候变化的响应明显[10-11]。气候变化加剧了山区冰雪融化的速率，改变了径流的组成成分，影响了水体的化学变化过程，使山区水体化学过程更加复杂化，同时加剧了干旱内陆地区水资源的供需矛盾[12-13]。因此急需开展针对于气候变化背景下的山区径流水体化学过程深入研究，以便于优化区域水资源的配置，应对气候变化过程。关于乌鲁木齐河流域的水化学研究，前人工作主要集中于水体离子的判定[14]、冰川水化学特征分析[15-17]、单次水体采样结果的水化学类型判定等[18-20]，而基于长期观测结果的水体化学过程时空特征研究在乌鲁木齐河流域开展甚少。本研究基于长期水体水化学监测结果，对于乌鲁木齐河山区不同高程地表水离子组分、时空变化特征进行系统分析，深入探讨控制流域地表水化学过程的主要因素，分析不同时期控制水体的主要化学过程，其结果对该区水资源合理利用和可持续开发具有重要的实际价值。

1 研究区概况

乌鲁木齐河流域位于天山中段北坡，流域南北长200 km以上，东西宽25～50 km，位于86°45′—87°56′E，43°00′—44°07′N(图1)。出山口——英雄桥水文站以上集水面积924 km2，集水区平均海拔高度3 083 m(本文主要研究区域)。乌鲁木齐河流域深居亚欧大陆腹地，为典型中温带大陆性干旱气候，多年平均气温为-5.2℃，年均降水量为400～500 mm，降水集中在6—8月份。英雄桥以上山区多年平均径流量约为2.45亿m3[21]。其中多年平均降雨径流量约为2.19亿m3，降水补给占河流年径流总量的80%以上，流域内流水侵蚀作用强烈[22-23]。流域山势陡峭，高山区发育有现代冰川，多年平均冰川融水补给量约占10%[22-23]。乌鲁木齐河源区在大地构造单元上跨越南北两个构造单元，南侧地层由下古生界志留纪的结晶片岩组成，北侧的加里东褶皱带地层主要是泥盆纪的绿泥石石英片岩、云母石英岩夹灰质片岩，凝灰质砂岩及硅质岩，海拔2 900 m以上的森林带上限以上山地属于高山灌丛和基岩裸露的冰川—冰缘带[24]。

图1乌鲁木齐河流域和站点分布

2 样品采集与分析方法

表1 研究区域采样点信息

3 结果与分析

3.1 乌鲁木齐河水化学成分

乌鲁木齐河流域水体TDS值较低，水质较好(TDS值为36～352 mg/L)。平均矿化度(190.44 mg/L)低于世界干旱区地表水矿化度平均值(440 mg/L)和半干旱区地表水矿化度平均值(大约370 mg/L)，但高于世界总体河水的TDS平均值(大约81 mg/L)[24]。

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

3.2 乌鲁木齐河流域离子浓度的时间变化

图2乌鲁木齐河年际离子分布与年内离子分布Piper三线图

3.3 乌鲁木齐河流域离子浓度的空间分布

为更详细分析乌鲁木齐河流域地表水化学的空间分布特征，研究将6处不同海拔高度的采样点分为高山区、中山区及低山区来进行讨论。分析结果显示(图3)：

4 讨论

4.1 河水中阴阳离子与TDS相互关系

6个站点不同月份TDS分布图(图4)中显示流域TDS有明显的季节和空间分异。从站点1到站点6，河水的矿化度表现出不断增大的趋势，且在站点3处增幅最大(图4C)。原因是河源区大部分为TDS极低的冰川融水和大气降水补给，地区多为冰碛覆盖，土壤发育年轻，可溶盐较少，加之高寒土壤冻结，地表可溶盐难以积聚[30]。到中山区，参与的河流补给携带较多盐分，土壤发育完善，可溶盐多，气温升高，沿途水分蒸发增多，TDS值愈高[18]。各站点地表河水的矿化度也表现出显著的季节分异，各站点夏季河水表现出相对一致的TDS值，这与该季节山区多降水同时冰川融水较多有直接关系，大量的冰川融水及较多的降水是流域各站点夏季径流的主要组成，使得这一时期各站点地表河水的低矿化保持一致。乌鲁木齐河流域山区各站点中(除站点1)在初春融雪期表现出较高的矿化度，这可能与融雪水对土壤盐分的淋融有一定关系，春季蒸发旺盛，盐分随着水分的蒸发上行并伴随着融雪径流汇入河水中，从而造成这一时期各站点河水的矿化度升高[16]；河水TDS在5月达到全年峰值，之后逐渐降低，到7月或8月(主要降水补给期)达到全年最低值后，河水TDS出现上升趋势并在秋季融雪期出现又一峰值。夏季降水较多，土壤中盐分被降水淋溶下行，使得地下水TDS值升高。秋季降水减少，温度较低，冰川融水量也随之减少。这一时期，TDS相对较高的地下水对径流的补给量增加，使得河水TDS秋季出现又一峰值[31]。

图3乌鲁木齐河站点Piper三角图

图4 流域各站点TDS分布表2 乌鲁木齐河水中各离子浓度相关性分析

**.在0.01水平(双侧)上显著相关；*.在0.05水平(双侧)上显著相。

4.2 成因探讨

为深入分析乌鲁木齐河流域各类水体间相互关系，同期在流域内从上游至下游依次建立地下水站点，与河水站点相呼应。在河源区1号冰川附近采集冰川融水进行离子测定。在河流出山口处建立降水长期观测站点。

图5 乌鲁木齐河水化学Gibbs图表3 不同水体中主要离子组成 mg/L

5 结论

乌鲁木齐河流域水体TDS值呈现出明显空间分布差异，随着海拔的降低，河水TDS值由高山区到中山区再到低山区增大；河水TDS年际变化和季节变化显著，河水在融雪期呈现出明显的“离子脉冲”现象，TDS值升高，夏季降水补给期河水TDS值降低，秋季融雪期受地下水影响TDS再次升高。依据Gibbs分析控制该区水化学类型的影响因素为水岩交互作用。

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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)