青海湖沙柳河流域浅层地下水水化学组成空间分布特征

王有财,曹生奎,3,曹广超,3,康利刚

(1.青海师范大学 地理科学学院,西宁 810008; 2.青海师范大学 青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室,西宁 810008; 3.高原科学与可持续发展研究院,西宁 810008)

0 引 言

地下水具有稳定、质优和分布范围广的特点[1],是重要的水资源,也是影响社会经济发展、保障区域生态安全的重要因素[2]。近半个世纪以来,随着社会经济发展和人类活动加剧,地下水量减少和地下水环境脆弱等问题日趋严重[3],地下水资源可持续发展状况不容乐观[4]。青藏高原有“中华水塔”“第三极”之称,是中国乃至亚洲众多大江大河的发源地[5-7]。位于青藏高原东北部的青海湖是维系青藏高原东北部生态安全的重要安全屏障[8]。青海湖流域分布最广的自然水体以河水和地下水为主[9],但是高寒的气候特点导致河水结冰期较长,使地下水成为当地居民赖以生存的重要水源[10]。目前,已有学者对青海湖流域河水和地下水水化学特征进行了研究[11-13],为了解青海湖流域河水和地下水水化学过程提供了重要的理论依据。但前人对于水化学组成和离子来源的空间分布研究较少,因此本文以青海湖沙柳河中下游为研究区,对该研究区浅层地下水水化学组成空间分布特征进行探讨,揭示沙柳河流域地下水离子的空间分布变化,探讨离子来源的空间差异,可丰富青海湖沙柳河流域地下水水化学特征等基础研究,为地下水保护提供科学合理的依据。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

沙柳河位于青海湖北部,河流全长为106 km(图1),是青海湖流域第二大河[14]。沙柳河流域面积约为1 679 km2,流域气候受东亚季风和西风的交错控制,属于典型的温带大陆性气候,全年降水在300～600 mm之间,降水季节变化大主要集中在夏季[15-17]。流域内气温日较差大,年较差小,无明显的季节差异[18]。

图1 青海湖沙柳河流域位置及采样点分布

2020年沙柳河流域最低月均温出现在12月份和1月份,最高月均温出现在7月份。流域月均降水量在1月份与12月份出现全年最低值,流域最高月均降水量出现在8月份[19]。

研究区地层主要是晚古生代石灰岩砂岩、千枚岩、片麻岩、第四纪沉积层[10,12]。晚生代石灰岩砂岩分布最广,主要在研究区上游,分布着砂岩和碎屑岩,以基岩裂隙水为主,地下水埋深较深[16,18]。千枚岩片麻岩分布在流域中游地区,地下水埋藏形式多为山前和山间平原砂砾石层潜水,由于上游地下水及河水补给中游地下水,导致在此区域内形成地下水富集区[12,16,18]。第四纪沉积层分布在河口三角洲地区,流域中游至湖滨地区地下水分别以潜水和承压水为主[18,20]。

1.2 研究方法

1.2.1 地下水样品采集

地下水样品采集时间为2020年1月份、6月份、10月下旬。本文共选取42个采样点,其中井水39个、泉水3个(图1)。采样之前,使用手持电导率测量仪表AZ8306测定地下水温度、水中总溶解性固体(Total Dissolved Solids,TDS),并使用聚乙烯采样瓶进行采样。由于恶劣天气、道路损毁及机器故障等缘故,共采集126份地下水样品。

1.2.2 地下水样品测试

1.2.3 影像数据来源及处理

月气温和月降水量数据集来源于国家地球系统科学数据中心(http:∥www.geodata.cn/),空间分率为1 km×1 km[19]。数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/),空间分辨率为30 m[21]。

月气温和月降水量数据集利用ArcGIS软件工具箱中的提取分析工具进行裁剪,使用ArcGIS掩膜提取工具,剪裁出沙柳河流域2020年1—12月气温和降水量,运用统计值得出2020年1—12月月均气温和月均降水量。数据使用ArcGIS掩膜提取工具,剪裁出沙柳河流域数字高程数据(图1)。

1.2.4 地下水水化学数据分析

表1 地下水水化学组成反距离权重法空间插值精度评价

2 结 果

依据地下水水化学组成空间插值结果,发现青海湖沙柳河流域地下水水化学组成空间分布呈区域分布,将其主要划分为4块区域,即北部区(A)、中部区(B)、南部区(C)、河口三角洲地区(D)。

2.1 1月份地下水阴阳离子空间分布

图2 1月份青海湖沙柳河流域地下水阴阳离子浓度空间分布

2.2 6月份地下水阴阳离子空间分布

图3 6月份青海湖沙柳河流域地下水阴阳离子浓度空间分布

2.3 10月份地下水阴阳离子空间分布

图4 10月份青海湖沙柳河流域地下水阴阳离子浓度空间分布

2.4 地下水pH值和TDS浓度空间分布

研究期内青海湖沙柳河流域地下水pH值和TDS浓度空间分布结果显示(图5),地下水pH值在6.99～8.75间变化,1、6、10月份地下水pH平均值分别为7.82、7.59、7.57,为弱碱性水。TDS浓度变化范围为167～379 mg/L,1、6、10月份地下水TDS平均浓度分别为279、277、276 mg/L。在空间分布上,1、6、10月份地下水pH值高值区在逐渐减小,其空间变化主要由南部区向中部区逐渐增大,北部和河口三角洲地区无明显变化(图5中的(a)、(b)、(c));各月间地下水TDS浓度空间变化主要集中在中部区,其他地区无明显变化。6月份中部区地下水TDS浓度高值区分布范围明显扩大(图5(d)),1月份和10月份基本保持不变(图5(e)、图5(f))。总体上,青海湖沙柳河流域地下水pH值和TDS浓度空间分布表现为自流域北部向河口增大,由河口向河口三角洲递减的特点。

图5 典型月份青海湖沙柳河流域pH值与TDS浓度空间分布

3 讨 论

3.1 青海湖沙柳河流域地下水化学组成空间分布的异同比较

表2 青海湖流域与沙柳河流域地下水主要水化学组分浓度

3.2 岩石分化和人类活动对流域地下水水化学的影响

地下水化学组分空间分布主要受大气降水、气温、离子交换、岩石风化和人类活动的影响[12-13,22]。根据已有研究,青海湖流域地下水水化学组成主要受岩石风化[12-13,23]影响。

3.2.1 岩石分化的空间异同对地下水离子组分的影响

图6 1、6、10月份青海湖沙柳河流域地下水离子浓度比空间分布

综上,研究期内地下水Na+和K+来源以盐岩溶解和硅酸盐矿物共同作用为主,1月份与6月份南部区和河口三角洲地下水Na+和K+由岩盐溶解独立控制其来源;Ca2+和Mg2+仅在1月份来源于硫酸盐矿物的风化溶解较多,其余两月均以碳酸盐和硅酸盐矿物风化溶解为主,研究区Ca2+和Mg2+来源受碳酸盐和硅酸盐矿物风化控制的区域扩大,并且在河口三角洲受碳酸盐矿物风化独立控制的区域呈“先大后小”的特点;(Ca2++Mg2+)与(Na++K+)的浓度比值大致呈现由北向南递减,由北向南碳酸盐风化作用减弱,硅酸盐风化控制作用增强,并且在10月份研究区内风化强度要高于其他2个月。

3.2.2 人类活动对地下水水化学组分的影响

图7 青海湖沙柳河流域地下水NO3-与Na+浓度比和Cl-与Na+浓度比之间关系

3.2.3 气温和降水对于地下水水化学组成的影响

本研究结果表明,Ca2+、HCO3-月均浓度及(Na++K+)与Cl-、(Ca2++Mg2+)与(Na++K+)月均浓度比表现出基本一致的变化趋势,总体表现为Ca2+、HCO3-月均浓度以及(Na++K+)与Cl-、(Ca2++Mg2+)与(Na++K+)月均浓度比波动增加;月均pH值、月均TDS浓度、(Ca2++Mg2+)与(HCO3-+SO42-)月均浓度比表现出基本一致的变化趋势,总体表现为随气温升高、降水量增加,月均pH值、月均TDS浓度、(Ca2++Mg2+)与(HCO3-+SO42-)月均浓度比呈现平稳减少的态势。这主要是受沙柳河流域气温和降水影响,气温与降水对岩石风化等作用影响地下水离子浓度的效应不明显,之后地下水在消融期和多雨期得到充分补给[10,17],Ca2+、HCO3-月均浓度在10月份明显增加。月均pH值与月均TDS浓度平稳减少则是由于温度的升高导致冰雪融化和降水增多带来的稀释作用[33]。

4 结 论

本文利用青海湖沙柳河流域地下水水化学指标数据,揭示了青海湖沙柳河流域地下水离子浓度的空间分布及离子来源的空间变化,得出如下结论:

(1)青海湖沙柳河流域地下水多数离子浓度、pH值和TDS浓度呈现出由北向南逐渐汇聚的空间分布特征。

(2)青海湖沙柳河流域地下水阳离子主要来源于岩石风化的作用。流域中上游地下水水化学组成主要受碳酸盐岩风化控制,并存在一定的硅酸盐风化作用,下游地下水水化学组成受硅酸盐岩风化影响明显。

(3)人类生活排放对青海湖沙柳河流域南部区地下水存在轻微的影响,其影响可忽略不计。