青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水水化学特征

季雨桐，曹生奎，曹广超，李华非

(1.青海师范大学 地理科学学院，青海 西宁 810016；2.青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海 西宁 810008)

青藏高原是中亚地区的大型构造地貌区，平均海拔4000m，总面积约250万km2[1]，被称为地球“第三极”.青藏高原特殊的地理环境造就了该地区天然水的独特水化学特征，并在很大程度上保持着自然状态[2].青藏高原的水资源对中国和其他东南亚国家至关重要，为了有效地利用和保护宝贵的水资源，了解并掌握青藏高原地区河水和地下水的水化学特征及其在自然水循环过程中的演化规律是十分必要的.如王利杰等[3]对西藏山南地区沉错湖泊与径流水化学特征及主控因素进行了初探；赵阳[4]等研究了怒江源区那曲河水化学特征；孟俊伦等[5]研究了青藏高原尼洋河流域化学风化的季节变化特征和影响因素；仁增拉姆[6]等研究了西藏年楚河流域的水化学特征.学者们对于青藏高原湖水、河水和地下水水化学特征的研究充实了青藏高原的水化学资料，为认识青藏高原不同水体水化学特征提供了参考.

青海湖流域地处青藏高原东北部，该区域具有独特的高原、水文、气候等环境条件[7].因地处青藏高原高寒区、西北干旱区和东部季风区的交界处，青海湖流域是中国重要的水源涵养功能区和生态调节功能区，青海湖也是维系青藏高原东北部自然生态环境安全的重要水体[8，9].河水和地下水是青海湖流域分布最广的自然水体，也是当地农牧发展以及生态用水必不可少的水源[10].针对青海湖流域的水化学研究虽已有一定基础[8-15]，但以往研究多集中于青海湖流域多个小流域，采样点空间分布较少[11-14]，不易掌握其水化学过程及影响因素.

沙柳河是青海湖流域第二大河流[16]，深入了解沙柳河流域河水和地下水的水化学特征，对于评估该流域水质和水环境可持续性具有至关重要的作用[17，18]，但针对该流域河水和地下水水化学特征及水质评价方面的研究报道较少[13].为此，本文以青海湖沙柳河流域为研究对象，基于夏季典型月份河水和地下水样品的高密度采集和水化学阴阳离子含量等的测试数据，对该流域夏季河水和地下水的水化学特征进行了研究，其目的在于掌握该流域夏季河水和地下水的水化学特征，评判其水质状况，以期为沙柳河流域河水和地下水水质监测和水环境管理提供基础数据和理论支撑.

1 研究区概况

沙柳河又称伊乌克兰河，位于青藏高原东北部，青海湖北部(图1).沙柳河河长106km，其流域面积为1679.2km2[19]，其年径流量占整个青海湖流域入湖流量的1/5[20-23].沙柳河流域春季升温迟缓，夏季短，秋季降温快，形成寒冷期长，暖期短的格局，没有明显的四季之分，通常将一年划分为冬半年与夏半年[16，24，25].流域境内气温年较差较大，气温最低月在1月，气温最高月在7月[24，25].沙柳河流域北部山区地下水埋深较浅，中部地下水埋藏形式主要为山前、山间平原砂砾石层潜水[12，26，27]，下游至湖滨地区为潜水及承压水[24，26，27].

图1 青海湖沙柳河流域位置及采样点分布

2 材料与方法

2.1 样品采集

2019年7月在沙柳河流域共采集97份河水和地下水样品，其中，河水样品55份，地下水样品42份(包括井水39份、泉水3份)，采样点分布见图1.河水样品采集于沙柳河干、支流水面10cm以下的流动水，地下水样品采集于当地居民水井和泉水.在收集样品之前，用采样水体对高密度聚乙烯采样瓶(HDPE)进行冲洗，所有水样采集2份；采集后用Parafilm膜作密封处理并立即装进自封袋内.用GPS记录采样点坐标.将采集的样品运回青海省自然地理与环境过程重点实验室冷冻，用于水化学测试分析.水温、电导率(EC)和可溶性固体含量(TDS)值利用电导率测定仪(Direct Soil EC Meter-2265F美国)在野外进行现场测定.

2.2 样品测试

河水和地下水样品的pH值使用pH仪器(雷磁PHS-3C，中国)测定，每次测试前都需要标定和校准pH计，在测量样品前必须用蒸馏水清洗仪器电极.每个样品均测试三次，最终结果取三次测试平均值

2.3 数据分析

(1)

(2)

式中，各离子浓度单位为meq·L-1.

3 结果

3.1 河水和地下水水化学离子指标统计特征

表1 青海湖沙柳河流域夏季河水水化学指标统计特征

表2 青海湖沙柳河流域夏季地下水水化学指标统计特征

3.2 河水和地下水水化学类型

图2 青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水Piper图

3.3 河水和地下水主要离子来源及控制因素

图3 青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水Gibbs图

3.4 河水和地下水各离子相关性

表3 青海湖沙柳河流域夏季河水各水化学离子间的相关系数

表4 青海湖沙柳河流域夏季地下水各水化学离子间的相关系数

4 讨论

4.1 青海湖流域其他河流水化学特征的比较

为了比较沙柳河流域与青海湖其他子流域河水和地下水化学特征的差异性，梳理了已有关于青海湖流域布哈河、哈尔盖河、倒淌河等不同河流水化学的研究成果，通过与本文的对比发现，青海湖流域不同河流河水和地下水的pH值与本文研究结果类似(表5)，均为弱碱性.各流域河水水化学类型为HCO3-Ca型或HCO3-Ca·Mg型(表5)，本文研究结果中则为两种水型都有.地下水水化学类型有所差异，布哈河、倒淌河地下水受到部分蒸发岩影响含有部分Cl-Na型[13].在沙柳河流域，已有研究结果显示其地下水主要类型为HCO3-Ca型，本文研究结果则为HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型(表6)，两者间稍有差异可能是本文采样点布设密集，水化学特征研究结果更加全面.在水化学控制因素方面，本文研究结果与已有研究结果一致，岩石风化作用均是控制青海湖流域主要河流和地下水水化学组分的主要因素(表5，6)，这与流域相近的地理位置及相似的水源构成有关.

表5 青海湖流域主要河流河水水化学特征和离子来源比较

表6 青海湖流域主要河流地下水水化学特征和离子来源比较

4.2 河水和地下水各离子比值及主要来源分析

水体中可溶组分的离子比值关系可以用来确定水体混合过程和物质来源[50-52].离子比值关系可进一步明确青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水中主要离子来源，以此验证Piper三线图、Gibbs图和Pearson相关性分析中得出的结果[53].

4.2.1 河水离子比值及主要来源分析

图4 青海湖沙柳河流域夏季河水离子关系

4.2.2 地下水离子比值及主要来源分析

图5 青海湖沙柳河流域夏季地下水离子关系

4.3 河水和地下水的阳离子交换作用

图6 青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水与(Na+-Cl-)的相关关系

4.4 灌溉用水适宜性评价

灌溉用水的适宜性取决于溶解盐的类型和浓度，其中Na+起着至关重要的作用[38].根据钠百分比(Na+%)值，灌溉用水可分为五类，分别为：优：Na+%<20%，好：Na+%介于20%～40%，允许：Na+%介于40%～60%，可疑：Na+%介于60%～80%，不合适：Na+%>80%[38].钠吸附比(SAR)可以反映河水和地下水中Na+与土壤中Ca2+和Mg2+发生离子交换作用，通常，灌溉水中高钠含量会导致Ca2+和Mg2+被Na+置换.Ca2+和Mg2+在土壤中的位移降低了其渗透性，会导致缺钙、反絮凝等现象从而影响植物生长[13].根据钠吸附比(SAR)，灌溉用水可分为四类，分别为：低：SAR<10，中：SAR介于10～18，高：SAR介于18～26，非常高：SAR>26[38].

青海湖沙柳河流域夏季河水的Na+%介于1.74%～41.86%之间，地下水的Na+%介于7.27%～42.32%之间，两者的平均值均为15%.河水的SAR范围在0.04～1.37之间，平均值为0.37；地下水的SAR范围在0.17～1.96之间，平均值为0.46.依据上述Na+%和SAR灌溉用水分类标准，青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水属于优和低SAR类型，灌溉适宜性很好.

5 结论

(1)青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水pH值分别介于7.23～8.53和6～8.2，TDS介于86.4～262mg·L-1和157～379mg·L-1，属于弱碱性水.夏季河水和地下水水化学类型均以HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca型为主.

(2)岩石风化作用是控制青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水水化学组分的主要因素.其夏季河水和地下水离子主要来源于碳酸盐风化，伴有少量的硅酸盐岩风化.

(3)青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水中的Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐的溶解；其夏季河水和地下水Na+受离子交换作用影响，部分Na+和K+还来自岩盐和硅酸岩的溶解.