塔里木盆地克里雅河流域水化学特征及成因分析*

纳麦提·托合提，张 峰

(1.喀什大学 生命与地理科学学院，新疆 喀什844006；2.新疆大学 绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐830046)

0 引言

水是影响干旱与半干旱地区最重要的生态因子[1,2]，对社会经济可持续发展影响大[3]．河流水化学条件通过地表水和地下水的水质来影响绿洲生态系统[4]．塔里木盆地四周分布着约54 923.9 km2的绿洲，占塔里木盆地总面积约10%[5]，自古就是人类文明繁衍和生息之地[6]，其河流水化学状况及影响因素则是开发利用盆地水资源时需要特别重视的问题．Berner E K认为，地质和气候因素在流域水化学中起着决定性作用[7]；王双合等学者认为河流的水化学特征对其所经地区的岩石和气候等有着指示意义[7,8]．Meybeck M研究了流域地貌、面积、径流量以及人类活动等因素对水化学的影响[9]．

塔里木盆地受极端干旱气候与地貌的影响[10]，盆地内天然水表现出矿化度普遍较高的水化学特征[11,12]，克里雅河也不例外[13]．Hiroki Takamura[14]把克里雅河分为4个河段进行分析，并把水化学与支流的流入、盆地气候、地下水补给等相结合；朱秉启[11]、吕明强[13]、邵跃杰[15]等学者先后对包括克里雅河在内的塔里木盆地的河流水化学进行了测定，但工作仅限于克里雅河的部分河段；缺少专门而系统的研究，对季节性变化涉及不多．

本文将克里雅河流域作为研究对象，以保护流域水环境和生态系统为目的，在不同季节沿流域不同位置采集了地表水和地下水样品进行测定，分析克里雅河流域的水化学特征及其成因，研究成果可为克里雅河水的地球化学研究、水资源保护以及水资源的合理开发利用提供有用数据．

图1 克里雅河流域DEM及样品采样点位置示意图Fig 1 DEM and distribution of sampling points in the Keriya River Basin

1 研究区概况

克里雅河发源于青藏高原北缘昆仑山乌什腾塔格山北坡，自南向北流，河流出山后中游形成于田绿洲，下游塔克拉玛干沙漠腹地形成达里雅博依天然绿洲，最终消失于沙漠中．河流上游由库拉甫河和喀什塔什河两大支流组成，从两大支流汇合点到于田绿洲为中游，于田绿洲以下为下游，上中下游海拔高度分别为2 600～6 100 m、1 400～2 600 m与1 100～1 400 m[16]．河流上游均为高山区，分布大量的岩浆岩和变质岩；中游上部为洪积冲积扇砾石平原，中部为亚沙土、沙壤土的农业平原，下部为盐土平原；下游达里雅博依天然绿洲为复合型沙丘和植被相间分布的三角洲，植被主要以胡杨、芦苇和柽柳为主[17]．在克里雅河上游海拔约4 800 m昆仑山，还分布着大气降水和冰雪融水补给的封闭湖泊，如乌鲁克库勒湖[18](图1)．

克里雅河总长约770 km，其中沙漠河段长420 km，流域总面积约7 358 km2，其中山区和沙漠占的比例极大[19]．克里雅河径流量的71%来自冰川和积雪融水，20%来自地下水补给，降水补给占9%，降水主要集中在山区[20]．据克里雅河水文站资料(新疆维吾尔自治区和田水文水资源勘测局提供)，1957―2009年流域多年平均气温11.72℃，平均降水量50.17 mm，平均蒸发量2 423 mm，多年平均径流量约7.31×108m3，最大、最小径流量分别为10.76×108m3(1966年)和4.92×108m3(1993年)；冬春夏秋季径流量分别占总径流量的7.2%、11.9%、66.4%和14.5%，径流量年际变化小，季节变化较大[21]．

2 样品采集与数据处理

分别于2014年8月和2015年1月从克里雅河上游的乌鲁克库勒湖至下游海拔1 100 m的塔克拉玛干沙漠腹地达里雅博依天然绿洲采集到高山湖水1个（2014年8月），河水21个（其中：2014年8月采集7个，2015年1月采集14个），地下水8个（2015年1月）（图1）．河水样品采自河流的上中下游，地下水则来自于田人工绿洲和达里雅博依天然绿洲．样品用聚乙烯瓶密封，记录坐标，在新疆大学绿洲生态教育部重点实验室测定．

图2 阴离子标准曲线Fig 2 Standard curve of anions

图3 阳离子标准曲线Fig 3 Standard curve of cations

p H值和可溶性固体总量（TDS）分别使用梅特勒托利多仪器有限公司FE20型pH计和FE30型电导率仪测定，测定前先用仪器所配的标样进行仪器校正，每次测完5个样品做标样校正；CI、SO2-4和NO3等阴离子使用北京普析通用仪器有限责任公司生产的TU-1810型紫外分光光度计测定，先分别配置CI、SO2-4和NO3不同浓度的标准溶液(北京世纪奥科生物技术有限公司制)，分别测定标准溶液在特定波段光的吸光度（Abs），然后绘出标准溶液浓度与其吸光度之间的标准曲线（图2），再测定样品吸光度，根据样品的吸光度计算出样品中该离子的浓度；Na+、K+、Mg2+和Ca2+等阳离子使用北京普析通用仪器有限责任公司生产的TAS-990AFG型原子吸收分光光度计以火焰法测定，先配置标准溶液(北京世纪奥科生物技术有限公司制)，分别测定它们的吸光度，根据标准溶液浓度和其吸光度（Abs），然后绘制出标准曲线（图3），最后测定待测水样的吸光度，根据吸光度来推算样品中该离子的含量；HCO3是根据阴阳离子含量以离子平衡法估算[22-24]；硬度采用德国度，以每10 mg/L CaO为1度[25]，根据Ca2+和Mg2+的含量，通过方程：硬度=(2.5×CCa+4.1×CMg)/17.8 mg/L得出[26]．

3 结果与分析

3.1 克里雅河流域水化学成分

表1 克里雅河流域天然水水化学成分（L：湖水，R：河水，g：地下水）Tab 1 Water chemistry of natural water along the Keriya River(L:lake water,R:surface water,g:groundwater）

克里雅河流域河水pH值范围在7.28～8.60，平均值为8.0；电导率、TDS值和硬度（德国度）范围分别在403～5 390μS/cm、216～2 884 mg/L和6.1～51.5，平均值分别为1 757μS/cm、940 mg/L和21.1；河水中的Na+、K+、Mg2+和Ca2+等主要阳离子含量分别为15.2～463 mg/L、0.8～50.7 mg/L、8.7～181.3 mg/L和19.2～115.7 mg/L，平均值分别为133.9 mg/L、13.9 mg/L、59.3 mg/L和52.8 mg/L，各阳离子的相对标准差（RSD）分别为0.58%、0.61%、0.24%和0.60%；CI-、SO2-4、HCO-3和NO-3等阴离子含量范围分别为19.8～1 129.6 mg/L、43.8～736.4 mg/L、21.7～475.7 mg/L和1.3～5.7 mg/L，平均值分别为318.7 mg/L、243.3 mg/L、228.3 mg/L和3.4 mg/L，各阴离子的相对标准差均低于1%（表1）．

克里雅河流域地下水pH值范围7.26～7.87，平均值为7.67，稍低于河水pH值；电导率、TDS值和硬度（德国度）范围分别2 080～7 260μS/cm、1 113～3 884 mg/L和30.2～66.4，平均值分别为4 453.8μS/cm、2 382.6 mg/L和45.5，均高于河水；地下水中的Na+、K+、Mg2+和Ca2+等阳离子含量分别为127～570 mg/L、18.5～96.5 mg/L、93.2～238.8 mg/L和58.8～89.7 mg/L，平均值分别为289.6 mg/L、44.5 mg/L、154 mg/L和71.7 mg/L；CI-、SO2-4、HCO-3和NO-3等阴离子含量分别为223.6～1 496.4 mg/L、229.5～1 031.7 mg/L、442.6～1 215.7 mg/L和0.6～109.2 mg/L，平均值分别为889.5 mg/L、607.9 mg/L、627.1 mg/L和21.2 mg/L（表1）．

乌鲁克库勒高山湖水p H值、电导率和TDS分别为8.95、32 300μS/cm和17 281 mg/L，在所有样品中值最高；硬度为58.9，第二高值．与河水和地下水相比，湖水中的SO2-4、HCO-3、Na+、K+和Mg2+等离子含量最高，分别为1 120 mg/L、3 930 mg/L、1 393 mg/L、230 mg/L、255.4 mg/L；而CI-、NO-3和Ca2+等离子含量却最低，分别为0 mg/L、0.6 mg/L、0.3 mg/L，呈现出因水不能流出，盐分长期溶解累积的全封闭性湖泊水化学特征（表1）．

3.2 水化学类型分布特征

在夏季，克里雅河流域中上游河水阳离子中没有绝对优势离子（含量超过50%），大部分样品阳离子以Ca2+和Na+为主，阴离子以HCO-3和SO2-4为主，除了样品R8-1和R8-2的水化学类型分别为SO2-4-CI--HCO-3-Mg2+-Ca2+与SO2-4-Ca2+-Na+型外，其他样品的水化学类型均为HCO-3-SO2-4-Ca2+-Na+型；在冬季，中上游河水阳离子以Na+为主，阴离子以HCO-3为主，CI-和SO2-4的含量也较多，水化学类型为HCO-3-CI--SO2-4-Na+-Ca2+型，与前人研究[11]基本一致；冬季下游河水阳离子中Na+占绝对优势，含量均超过50%，阴离子中没有出现优势离子，主要以CI-为主，其次为SO2-4，水化学类型为CI--SO2-4-Na+-Mg2+型（图4）．

流域地下水阳离子以Na+和Mg2+为主，Na+占优势，阴离子含量均较高，以CI-为主，水化学类型为CI--SO2-4-HCO-3-Na+-Mg2+型，与下游河水接近，可能与冬季克里雅河河水接受地下水补给有关．乌鲁克库勒高山湖水阳、阴离子中Na+和HCO-3占绝对优势，分别占阳、阴离子含量的86.4%和77.8%，水化学类型为HCO-3-SO2-4-Na+型（图4）．

图4 克里雅河流域天然水的水化学组成三角图Fig 4 Ternary diagram showing the water chemical types in the Keriya River Basin

4 讨论

4.1 水化学成分沿流域变化的原因

由图5可以看出，在夏季，中上游河水TDS值、硬度和各离子含量均较低，可能与夏季克里雅河径流量大（占年总径流量的66.4%），河水对化学离子的稀释作用有关．与中上游河水相比，冬季下游河水的p H值、TDS值、硬度和各离子含量明显增高，这可能与上下游地质不同、下游岩石的溶解时间长、水量少、日照强烈等诸多因素有关．与河水相比，地下水TDS值、硬度及各离子含量普遍较高，尤其是沙漠腹地天然绿洲地下水；地下水中的各离子含量接近于冬季下游河水，但空间上的变化较大（图5），与前人研究一致[14]，这可能与冬季地下水补给河水密切相关．随着海拔高度的降低，河水TDS值、硬度和主要离子含量逐渐增高，水质下降，冬季比夏季明显；在河流出山口，由于河流两条支流汇合水量增多，TDS值和其他离子含量出现有所降低，河水稀释作用明显．

图5 克里雅河流域河水和地下水水化学成分的变化Fig 5 The variation of Water chemistry in river water and groundwater along the Keriya River

4.2 水化学离子的成因

Gibbs根据世界主要河流、湖泊及海洋水的TDS与Na+/(Na++Ca2+)、TDS与CI-/(CI-+HCO-3)的关系，将水化学成分的成因机制分为：降水控制型、岩石风化控制型和蒸发-结晶控制型等三类[27]．以该方法，克里雅河流域天然水远离大气降雨作用带，而无论冬季还是夏季，中上游河水均受到岩石风化作用的影响，与夏季相比，冬季河水更接近于蒸发-结晶作用带，这可能与冬季地下水补给河水有一定的关系；对下游河水和地下水而言，两者的TDS值、Na+/(Na++Ca2+)和CI-/(CI-+HCO-3)比值都较高（图6），说明下游河水和地下水受到蒸发-结晶作用的控制，表现出典型的干旱区河流的水化学特征[28]，可能与塔里木盆地的极端干旱气候有关．

图6 克里雅河流域河水和地下水Gibbs图Fig 6 Gibbs plot of showing the water chemical types in the Keriya River Basin

4.3 水化学成分的来源

受到风化作用的岩石根据其化学性质分为蒸发岩、碳酸盐岩和硅酸盐岩[29]，它们对全球河流溶解物的贡献率分别占17.2%、50%和11.6%[30]．天然水中的Na+和K+来源于蒸发岩或硅酸盐的溶解，Mg2+和Ca2+则来源于碳酸盐、蒸发岩或硅酸盐岩，SO2-4和CI-来源于蒸发岩，而HCO-3来源于碳酸盐矿物[31]．

从图7(a)中可以看出，除了湖水和2个中上游河水以外，其他样品都处在SO2-4+CI-与HCO-3的y=x（1∶1）线下方，且离y=x线较远，说明河水和地下水化学成分中蒸发岩来源大于碳酸盐，湖水则相反．由图7(b)可以看到，除了湖水外，其他数据点都处于Ca2++Mg2+与HCO-3的y=x线下方，且离线较远，说明碳酸盐并不是水中所有Ca2++Mg2+的来源．图7(c)显示，除了湖水外，其他样品处于Na++K+与CI-的y=x线上或离线很近，暗示蒸发岩中KCI和NaCI的溶解可能是河水和地下水中CI-与Na++K+的主要来源．由图7(d)和7(e)可以看出，所有数据点都接近于Na+与SO2-4的y=x线和Na+与HCO-3的y=x线，说明硫酸盐矿物的溶解也是水中Na+的重要来源，同时说明湖水中的Na+来源于硫酸盐（图7(e)）．图7(f)显示，大多数点接近于SO2-4与Ca2++Mg2+的y=x线，表明水中的部分Ca2+和Mg2+来源于硫酸盐矿物的溶解．

图7 克里雅河流域水主要离子比例关系Fig 7 Ratio of major ions in the Keriya River Basin

在天然水中NH+4、NO-2、NO-3和H2PO-4等离子的含量较高，意味着生物或人类活动对该水体的水化学有一定的影响[32]，受到农业污染影响的水中NO-3的含量较高[33]．研究显示，于田绿洲地下水中NO-3的含量很高，分别为109.2 mg/L和53.4 mg/L，远远超过河水中的NO-3含量最高值5.7 mg/L和达里雅博依天然绿洲地下水中的最高值3.0 mg/L，说明于田绿洲地下水受到人类农业生产活动的影响较大；同时，对河水而言，于田绿洲河水中的NO-3含量最高（样品R1-8），很可能与受到农业污染的地下水补给河水有关．

5 结论

（1）克里雅河流域水质从上游至下游逐渐下降．在冬季和夏季，克里雅河流域中上游河水属于硬度为软水至中等硬水的淡水，水质冬季比夏季差；冬季下游河水属于硬度为中等硬水至硬水的微咸水；地下水均为硬水，其中于田绿洲地下水为微咸水，而沙漠腹地地下水则为咸水；湖水为过咸硬水．

（2）中上游河水中的阳离子，夏季和冬季分别为Ca2+＞Na++K+＞Mg2+与Na++K+＞Ca2+＞Mg2+，阴离子分别为HCO-3＞SO2-4＞CI-与HCO-3＞CI-＞SO2-4，水化学类型分别为HCO-3-SO2-4-Ca2+-Na+型和HCO-3-CI--SO2-4-Na+-Ca2+型；冬季下游河水中的阴离子和阳离子分别为CI-＞SO2-4＞HCO-3与Na++K+＞Mg2+＞Ca2+，水化学类型为CI--SO2-4-Na+-Mg2+型；地下水阴阳离子分别为CI-＞HCO-3＞SO2-4与Na++K+＞Mg2+＞Ca2+，水化学类型为CI--SO2-4-HCO-3-Na+-Mg2+型．可见，不同季节和河流不同部位的水化学成分差异显著．河流越往下游，由于河水与岩石接触的时间越长、河水流速越慢、流量越少以及日照越强烈的原因，克里雅河流域河水的TDS和主要离子含量逐渐增高．在冬季，除了p H值外，克里雅河流域河水的TDS值、硬度和主要离子含量均高于夏季．

（3）克里雅河流域水化学组成受到岩石风化作用和蒸发-结晶作用的控制，气候、人类生产活动和季节变化的影响较大，其中中上游河水受到岩石风化作用的控制，而下游河水和地下水则受到塔里木盆地极端干旱气候蒸发作用的影响．

（4）克里雅河流域于田人工绿洲地下水在一定程度上受到人类农业生产活动的污染，冬季地下水补给河水导致于田人工绿洲河水中NO-3增高．