納麥提·托合提，張 峰

(1.喀什大學 生命與地理科學學院，新疆 喀什844006；2.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊830046)

0 引言

水是影響干旱與半干旱地區(qū)最重要的生態(tài)因子[1,2]，對社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展影響大[3]．河流水化學條件通過地表水和地下水的水質(zhì)來影響綠洲生態(tài)系統(tǒng)[4]．塔里木盆地四周分布著約54 923.9 km2的綠洲，占塔里木盆地總面積約10%[5]，自古就是人類文明繁衍和生息之地[6]，其河流水化學狀況及影響因素則是開發(fā)利用盆地水資源時需要特別重視的問題．Berner E K認為，地質(zhì)和氣候因素在流域水化學中起著決定性作用[7]；王雙合等學者認為河流的水化學特征對其所經(jīng)地區(qū)的巖石和氣候等有著指示意義[7,8]．Meybeck M研究了流域地貌、面積、徑流量以及人類活動等因素對水化學的影響[9]．

塔里木盆地受極端干旱氣候與地貌的影響[10]，盆地內(nèi)天然水表現(xiàn)出礦化度普遍較高的水化學特征[11,12]，克里雅河也不例外[13]．Hiroki Takamura[14]把克里雅河分為4個河段進行分析，并把水化學與支流的流入、盆地氣候、地下水補給等相結(jié)合；朱秉啟[11]、呂明強[13]、邵躍杰[15]等學者先后對包括克里雅河在內(nèi)的塔里木盆地的河流水化學進行了測定，但工作僅限于克里雅河的部分河段；缺少專門而系統(tǒng)的研究，對季節(jié)性變化涉及不多．

本文將克里雅河流域作為研究對象，以保護流域水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)為目的，在不同季節(jié)沿流域不同位置采集了地表水和地下水樣品進行測定，分析克里雅河流域的水化學特征及其成因，研究成果可為克里雅河水的地球化學研究、水資源保護以及水資源的合理開發(fā)利用提供有用數(shù)據(jù)．

圖1 克里雅河流域DEM及樣品采樣點位置示意圖Fig 1 DEM and distribution of sampling points in the Keriya River Basin

1 研究區(qū)概況

克里雅河發(fā)源于青藏高原北緣昆侖山烏什騰塔格山北坡，自南向北流，河流出山后中游形成于田綠洲，下游塔克拉瑪干沙漠腹地形成達里雅博依天然綠洲，最終消失于沙漠中．河流上游由庫拉甫河和喀什塔什河兩大支流組成，從兩大支流匯合點到于田綠洲為中游，于田綠洲以下為下游，上中下游海拔高度分別為2 600～6 100 m、1 400～2 600 m與1 100～1 400 m[16]．河流上游均為高山區(qū)，分布大量的巖漿巖和變質(zhì)巖；中游上部為洪積沖積扇礫石平原，中部為亞沙土、沙壤土的農(nóng)業(yè)平原，下部為鹽土平原；下游達里雅博依天然綠洲為復合型沙丘和植被相間分布的三角洲，植被主要以胡楊、蘆葦和檉柳為主[17]．在克里雅河上游海拔約4 800 m昆侖山，還分布著大氣降水和冰雪融水補給的封閉湖泊，如烏魯克庫勒湖[18](圖1)．

克里雅河總長約770 km，其中沙漠河段長420 km，流域總面積約7 358 km2，其中山區(qū)和沙漠占的比例極大[19]．克里雅河徑流量的71%來自冰川和積雪融水，20%來自地下水補給，降水補給占9%，降水主要集中在山區(qū)[20]．據(jù)克里雅河水文站資料(新疆維吾爾自治區(qū)和田水文水資源勘測局提供)，1957―2009年流域多年平均氣溫11.72℃，平均降水量50.17 mm，平均蒸發(fā)量2 423 mm，多年平均徑流量約7.31×108m3，最大、最小徑流量分別為10.76×108m3(1966年)和4.92×108m3(1993年)；冬春夏秋季徑流量分別占總徑流量的7.2%、11.9%、66.4%和14.5%，徑流量年際變化小，季節(jié)變化較大[21]．

2 樣品采集與數(shù)據(jù)處理

分別于2014年8月和2015年1月從克里雅河上游的烏魯克庫勒湖至下游海拔1 100 m的塔克拉瑪干沙漠腹地達里雅博依天然綠洲采集到高山湖水1個（2014年8月），河水21個（其中：2014年8月采集7個，2015年1月采集14個），地下水8個（2015年1月）（圖1）．河水樣品采自河流的上中下游，地下水則來自于田人工綠洲和達里雅博依天然綠洲．樣品用聚乙烯瓶密封，記錄坐標，在新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室測定．

圖2 陰離子標準曲線Fig 2 Standard curve of anions

圖3 陽離子標準曲線Fig 3 Standard curve of cations

p H值和可溶性固體總量（TDS）分別使用梅特勒托利多儀器有限公司FE20型pH計和FE30型電導率儀測定，測定前先用儀器所配的標樣進行儀器校正，每次測完5個樣品做標樣校正；CI、SO2-4和NO3等陰離子使用北京普析通用儀器有限責任公司生產(chǎn)的TU-1810型紫外分光光度計測定，先分別配置CI、SO2-4和NO3不同濃度的標準溶液(北京世紀奧科生物技術有限公司制)，分別測定標準溶液在特定波段光的吸光度（Abs），然后繪出標準溶液濃度與其吸光度之間的標準曲線（圖2），再測定樣品吸光度，根據(jù)樣品的吸光度計算出樣品中該離子的濃度；Na+、K+、Mg2+和Ca2+等陽離子使用北京普析通用儀器有限責任公司生產(chǎn)的TAS-990AFG型原子吸收分光光度計以火焰法測定，先配置標準溶液(北京世紀奧科生物技術有限公司制)，分別測定它們的吸光度，根據(jù)標準溶液濃度和其吸光度（Abs），然后繪制出標準曲線（圖3），最后測定待測水樣的吸光度，根據(jù)吸光度來推算樣品中該離子的含量；HCO3是根據(jù)陰陽離子含量以離子平衡法估算[22-24]；硬度采用德國度，以每10 mg/L CaO為1度[25]，根據(jù)Ca2+和Mg2+的含量，通過方程：硬度=(2.5×CCa+4.1×CMg)/17.8 mg/L得出[26]．

3 結(jié)果與分析

3.1 克里雅河流域水化學成分

表1 克里雅河流域天然水水化學成分（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值范圍在7.28～8.60，平均值為8.0；電導率、TDS值和硬度（德國度）范圍分別在403～5 390μS/cm、216～2 884 mg/L和6.1～51.5，平均值分別為1 757μS/cm、940 mg/L和21.1；河水中的Na+、K+、Mg2+和Ca2+等主要陽離子含量分別為15.2～463 mg/L、0.8～50.7 mg/L、8.7～181.3 mg/L和19.2～115.7 mg/L，平均值分別為133.9 mg/L、13.9 mg/L、59.3 mg/L和52.8 mg/L，各陽離子的相對標準差（RSD）分別為0.58%、0.61%、0.24%和0.60%；CI-、SO2-4、HCO-3和NO-3等陰離子含量范圍分別為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，平均值分別為318.7 mg/L、243.3 mg/L、228.3 mg/L和3.4 mg/L，各陰離子的相對標準差均低于1%（表1）．

克里雅河流域地下水pH值范圍7.26～7.87，平均值為7.67，稍低于河水pH值；電導率、TDS值和硬度（德國度）范圍分別2 080～7 260μS/cm、1 113～3 884 mg/L和30.2～66.4，平均值分別為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+等陽離子含量分別為127～570 mg/L、18.5～96.5 mg/L、93.2～238.8 mg/L和58.8～89.7 mg/L，平均值分別為289.6 mg/L、44.5 mg/L、154 mg/L和71.7 mg/L；CI-、SO2-4、HCO-3和NO-3等陰離子含量分別為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，平均值分別為889.5 mg/L、607.9 mg/L、627.1 mg/L和21.2 mg/L（表1）．

烏魯克庫勒高山湖水p H值、電導率和TDS分別為8.95、32 300μS/cm和17 281 mg/L，在所有樣品中值最高；硬度為58.9，第二高值．與河水和地下水相比，湖水中的SO2-4、HCO-3、Na+、K+和Mg2+等離子含量最高，分別為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+等離子含量卻最低，分別為0 mg/L、0.6 mg/L、0.3 mg/L，呈現(xiàn)出因水不能流出，鹽分長期溶解累積的全封閉性湖泊水化學特征（表1）．

3.2 水化學類型分布特征

在夏季，克里雅河流域中上游河水陽離子中沒有絕對優(yōu)勢離子（含量超過50%），大部分樣品陽離子以Ca2+和Na+為主，陰離子以HCO-3和SO2-4為主，除了樣品R8-1和R8-2的水化學類型分別為SO2-4-CI--HCO-3-Mg2+-Ca2+與SO2-4-Ca2+-Na+型外，其他樣品的水化學類型均為HCO-3-SO2-4-Ca2+-Na+型；在冬季，中上游河水陽離子以Na+為主，陰離子以HCO-3為主，CI-和SO2-4的含量也較多，水化學類型為HCO-3-CI--SO2-4-Na+-Ca2+型，與前人研究[11]基本一致；冬季下游河水陽離子中Na+占絕對優(yōu)勢，含量均超過50%，陰離子中沒有出現(xiàn)優(yōu)勢離子，主要以CI-為主，其次為SO2-4，水化學類型為CI--SO2-4-Na+-Mg2+型（圖4）．

流域地下水陽離子以Na+和Mg2+為主，Na+占優(yōu)勢，陰離子含量均較高，以CI-為主，水化學類型為CI--SO2-4-HCO-3-Na+-Mg2+型，與下游河水接近，可能與冬季克里雅河河水接受地下水補給有關．烏魯克庫勒高山湖水陽、陰離子中Na+和HCO-3占絕對優(yōu)勢，分別占陽、陰離子含量的86.4%和77.8%，水化學類型為HCO-3-SO2-4-Na+型（圖4）．

圖4 克里雅河流域天然水的水化學組成三角圖Fig 4 Ternary diagram showing the water chemical types in the Keriya River Basin

4 討論

4.1 水化學成分沿流域變化的原因

由圖5可以看出，在夏季，中上游河水TDS值、硬度和各離子含量均較低，可能與夏季克里雅河徑流量大（占年總徑流量的66.4%），河水對化學離子的稀釋作用有關．與中上游河水相比，冬季下游河水的p H值、TDS值、硬度和各離子含量明顯增高，這可能與上下游地質(zhì)不同、下游巖石的溶解時間長、水量少、日照強烈等諸多因素有關．與河水相比，地下水TDS值、硬度及各離子含量普遍較高，尤其是沙漠腹地天然綠洲地下水；地下水中的各離子含量接近于冬季下游河水，但空間上的變化較大（圖5），與前人研究一致[14]，這可能與冬季地下水補給河水密切相關．隨著海拔高度的降低，河水TDS值、硬度和主要離子含量逐漸增高，水質(zhì)下降，冬季比夏季明顯；在河流出山口，由于河流兩條支流匯合水量增多，TDS值和其他離子含量出現(xiàn)有所降低，河水稀釋作用明顯．

圖5 克里雅河流域河水和地下水水化學成分的變化Fig 5 The variation of Water chemistry in river water and groundwater along the Keriya River

4.2 水化學離子的成因

Gibbs根據(jù)世界主要河流、湖泊及海洋水的TDS與Na+/(Na++Ca2+)、TDS與CI-/(CI-+HCO-3)的關系，將水化學成分的成因機制分為：降水控制型、巖石風化控制型和蒸發(fā)-結(jié)晶控制型等三類[27]．以該方法，克里雅河流域天然水遠離大氣降雨作用帶，而無論冬季還是夏季，中上游河水均受到巖石風化作用的影響，與夏季相比，冬季河水更接近于蒸發(fā)-結(jié)晶作用帶，這可能與冬季地下水補給河水有一定的關系；對下游河水和地下水而言，兩者的TDS值、Na+/(Na++Ca2+)和CI-/(CI-+HCO-3)比值都較高（圖6），說明下游河水和地下水受到蒸發(fā)-結(jié)晶作用的控制，表現(xiàn)出典型的干旱區(qū)河流的水化學特征[28]，可能與塔里木盆地的極端干旱氣候有關．

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

4.3 水化學成分的來源

受到風化作用的巖石根據(jù)其化學性質(zhì)分為蒸發(fā)巖、碳酸鹽巖和硅酸鹽巖[29]，它們對全球河流溶解物的貢獻率分別占17.2%、50%和11.6%[30]．天然水中的Na+和K+來源于蒸發(fā)巖或硅酸鹽的溶解，Mg2+和Ca2+則來源于碳酸鹽、蒸發(fā)巖或硅酸鹽巖，SO2-4和CI-來源于蒸發(fā)巖，而HCO-3來源于碳酸鹽礦物[31]．

從圖7(a)中可以看出，除了湖水和2個中上游河水以外，其他樣品都處在SO2-4+CI-與HCO-3的y=x（1∶1）線下方，且離y=x線較遠，說明河水和地下水化學成分中蒸發(fā)巖來源大于碳酸鹽，湖水則相反．由圖7(b)可以看到，除了湖水外，其他數(shù)據(jù)點都處于Ca2++Mg2+與HCO-3的y=x線下方，且離線較遠，說明碳酸鹽并不是水中所有Ca2++Mg2+的來源．圖7(c)顯示，除了湖水外，其他樣品處于Na++K+與CI-的y=x線上或離線很近，暗示蒸發(fā)巖中KCI和NaCI的溶解可能是河水和地下水中CI-與Na++K+的主要來源．由圖7(d)和7(e)可以看出，所有數(shù)據(jù)點都接近于Na+與SO2-4的y=x線和Na+與HCO-3的y=x線，說明硫酸鹽礦物的溶解也是水中Na+的重要來源，同時說明湖水中的Na+來源于硫酸鹽（圖7(e)）．圖7(f)顯示，大多數(shù)點接近于SO2-4與Ca2++Mg2+的y=x線，表明水中的部分Ca2+和Mg2+來源于硫酸鹽礦物的溶解．

圖7 克里雅河流域水主要離子比例關系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等離子的含量較高，意味著生物或人類活動對該水體的水化學有一定的影響[32]，受到農(nóng)業(yè)污染影響的水中NO-3的含量較高[33]．研究顯示，于田綠洲地下水中NO-3的含量很高，分別為109.2 mg/L和53.4 mg/L，遠遠超過河水中的NO-3含量最高值5.7 mg/L和達里雅博依天然綠洲地下水中的最高值3.0 mg/L，說明于田綠洲地下水受到人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的影響較大；同時，對河水而言，于田綠洲河水中的NO-3含量最高（樣品R1-8），很可能與受到農(nóng)業(yè)污染的地下水補給河水有關．

5 結(jié)論

（1）克里雅河流域水質(zhì)從上游至下游逐漸下降．在冬季和夏季，克里雅河流域中上游河水屬于硬度為軟水至中等硬水的淡水，水質(zhì)冬季比夏季差；冬季下游河水屬于硬度為中等硬水至硬水的微咸水；地下水均為硬水，其中于田綠洲地下水為微咸水，而沙漠腹地地下水則為咸水；湖水為過咸硬水．

（2）中上游河水中的陽離子，夏季和冬季分別為Ca2+＞Na++K+＞Mg2+與Na++K+＞Ca2+＞Mg2+，陰離子分別為HCO-3＞SO2-4＞CI-與HCO-3＞CI-＞SO2-4，水化學類型分別為HCO-3-SO2-4-Ca2+-Na+型和HCO-3-CI--SO2-4-Na+-Ca2+型；冬季下游河水中的陰離子和陽離子分別為CI-＞SO2-4＞HCO-3與Na++K+＞Mg2+＞Ca2+，水化學類型為CI--SO2-4-Na+-Mg2+型；地下水陰陽離子分別為CI-＞HCO-3＞SO2-4與Na++K+＞Mg2+＞Ca2+，水化學類型為CI--SO2-4-HCO-3-Na+-Mg2+型．可見，不同季節(jié)和河流不同部位的水化學成分差異顯著．河流越往下游，由于河水與巖石接觸的時間越長、河水流速越慢、流量越少以及日照越強烈的原因，克里雅河流域河水的TDS和主要離子含量逐漸增高．在冬季，除了p H值外，克里雅河流域河水的TDS值、硬度和主要離子含量均高于夏季．

（3）克里雅河流域水化學組成受到巖石風化作用和蒸發(fā)-結(jié)晶作用的控制，氣候、人類生產(chǎn)活動和季節(jié)變化的影響較大，其中中上游河水受到巖石風化作用的控制，而下游河水和地下水則受到塔里木盆地極端干旱氣候蒸發(fā)作用的影響．

（4）克里雅河流域于田人工綠洲地下水在一定程度上受到人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的污染，冬季地下水補給河水導致于田人工綠洲河水中NO-3增高．