夏 夢, 馬 龍, 吉力力·阿不都外力
(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046;2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011)
?
瑪納斯河流域中下游平原地區(qū)水化學特征及其影響因素
夏 夢1, 馬 龍2, 吉力力·阿不都外力2
(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046;2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011)
通過Piper三線圖示法、系統(tǒng)聚類等方法對瑪納斯河中下游28個地表水樣品離子化學成分進行了分析,研究了瑪納斯河流域沖積平原的水化學分布特征及影響因素。結果表明:1) 研究區(qū)水體樣品pH值差異較小,但礦化度和各離子組成的差別明顯,從淡水到高鹽礦化度水均有分布。陽離子濃度Na+>Ca2+>Mg2+>K+;陰離子濃度SO42->Cl->HCO3-。水樣中K+和HCO3-的變異系數(shù)相對較小,Cl-和Na+變異系數(shù)最大。2) 瑪納斯河流域沖積平原地區(qū)水化學類型主要有Ca2+-HCO3-,Na+-SO42-,Ca2+-SO42-,Na+-Cl-四種。其中Ca2+-HCO3-型占總水樣的78.6%,其中僅有3個樣品為Na+-SO42-型,2個樣品為Ca2+-SO42-型,1個樣品為Na+-Cl-型。聚類分析的結果表明瑪納斯河流域地表水化學特征表現(xiàn)出較為明顯的空間分異性。總體來看,瑪納斯流域地表水中部分水樣的水化學類型改變,主要是由于水體蒸發(fā)強度的差異以及瑪納斯河流域土壤中鹽分離子被淋洗,增加了水體中的鹽分離子含量從而導致水化學類型呈現(xiàn)出差異性。
水文學; 水化學特征; 影響因素; 聚類分析; 瑪納斯河
瑪納斯河流域是新疆開墾最大最早的人工綠洲。近年來,由于瑪納斯河流域人口劇增,加之水土資源的不合理開發(fā)利用,流域內出現(xiàn)了水質惡化,土地鹽堿化等一系列環(huán)境問題,嚴重影響了流域生態(tài)與環(huán)境的保護,直接關系到流域的可持續(xù)發(fā)展。目前對瑪納斯河流域環(huán)境的研究,集中于對流域的氣候變化[1-3],水系的變遷[4]、水資源利用[5-8]、土地利用及覆被變化[9-10],以及土壤鹽堿地類型[11]、土壤鹽分[12]、養(yǎng)分的空間分布格局及影響因素[13]等方面。而水分作為流域地球化學循環(huán)的紐帶,在大氣圈、巖石圈、土壤圈的物質、能量、信息的交換過程中扮演著重要的角色。水體與周圍環(huán)境相互作用的結果導致水化學特征發(fā)生一系列的變化[14],水化學特征因此被認為是良好的“示蹤劑”,記錄著水體的形成、轉化和運移[15]。研究流域水化學特征的分布和差異不僅對揭示區(qū)域水巖相互作用的歷史,而且對評價當前水化學狀態(tài),合理利用和保護水資源都具有重要的意義。本文以瑪納斯河流域中下游平原地區(qū)水體為研究對象,運用水化學分析方法,系統(tǒng)分析流域內水化學特征及其影響因素,以其為瑪納斯河流域水資源的開發(fā)利用提供借鑒。
瑪納斯河流域地處天山北麓中段準噶爾盆地南緣,是北疆重要的糧棉基地,流域面積3.35萬km2[16]。自東向西包括塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河和巴音溝河等5條主要河流,其中瑪納斯河水量最大、流程最長,全長400 km,年平均徑流量12.8億m3,主要依靠冰川融水和地下潛流補給。行政區(qū)劃上包括瑪納斯縣、沙灣縣、石河子墾區(qū)以及克拉瑪依部分地區(qū)[9]。流域內地貌類型多樣,地勢由東南向西北傾斜,依次為沖積洪積扇、沖積平原和干三角洲。流域屬典型的大陸性干旱氣候,年平均氣溫6.6℃;降水量由南向北逐漸遞減,靠近沙漠邊緣降水量僅117 mm;流域蒸發(fā)量隨海拔的降低而增加,越靠近沙漠邊緣蒸發(fā)量越大[17]。
2012年9月在瑪納斯河流域沖積平原地帶采集水樣28個,各采樣點地理信息見表1。分別對pH,Na+,K+,Mg2+,Ca2+,SO42-,HCO3-,CO32-,Cl-和礦化度(TDS)等主要離子和化學成分進行分析。pH值用PHS-2C型酸度計測定;Mg2+和Ca2+用EDTA絡合滴定法測定;Na+和K+用6410火焰光度計測定;HCO3-和CO32-用雙指示劑中和法測定;SO42-用EDTA間接滴定法測定;Cl-用AgNO3滴定法測定。測定的具體方法參照參考文獻[18]。樣品的分析測試工作在中國科學院生態(tài)與地理研究所分析測試中心完成。對水樣水化學類型分布特征采用水文水化學分析軟件AquaChem V.4.0繪制Piper三線圖進行概括性的總體分析。Piper三線圖是Piper[19]在1944年提出的,由兩個等邊三角形和一個等邊平行四邊形組成,左邊等邊三角形表示陽離子當量濃度百分含量,右邊等邊三角形表示陰離子當量濃度百分含量。在水化學類型總體分布的基礎上,采用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行聚類分析,更細致的探討相同水化學類型不同樣品間的離子組合特征差異性。聚類方法采用組內聯(lián)接法,以Pearson相關性作為度量標準。由于數(shù)據(jù)的量綱相同,數(shù)量級相差不大,所以未對數(shù)據(jù)進行標準化處理。聚類分析法使離子組合特征相近的水樣聚為一類,因此更好地展示了水樣水化學的分布特征。
表1 采樣點地理信息
注:全部水樣中除了Z07,Z08,Z09,Z10,Z11,Z19為位于下游的水樣外,其余均為位于中游的水樣。
3.1 主要水化學特征
研究區(qū)水樣的水化學參數(shù)統(tǒng)計特征見表2。研究區(qū)水樣pH值為7.19~7.92,平均值為7.66。礦化度為0.19~11.63 g/L,平均值為1.09 g/L。研究區(qū)水體樣品pH值差異較小,但礦化度差別明顯,從淡水到高鹽礦化度水均有分布。各樣品間離子濃度差異較大,陽離子Ca2+,Mg2+,Na+、K+質量濃度分別介于0.03~0.44 g/L,0.004~0.42 g/L,0.006~2.97 g/L和0.003~0.02 g/L,平均濃度分別為0.07,0.04,0.22,0.005 g/L;水體陰離子HCO3-,Cl-,SO42-質量濃度分別介于0.09~0.41 g/L,0.007~3.11 g/L和0.02~4.57 g/L,平均濃度為0.14,0.24和0.34 g/L。陽離子濃度Na+>Ca2+>Mg2+>K+;陰離子濃度SO42->Cl->HCO3-。各離子變異系數(shù)[20]差異較大。水體中K+和HCO3-的濃度變異系數(shù)相對較小,反映它們在水中含量相對穩(wěn)定。Cl-、Na+、Mg2+、SO42-和Ca2+的濃度變異系數(shù)相對較大,其中Cl-和Na+分別為陰離子和陽離子中變異系數(shù)最大的離子,表明其在水中含量離散程度較大。
表2 各水樣水化學指標值及統(tǒng)計特征
3.2 水化學離子組合特征及其影響因素
Piper三線圖用于分析水體的水化學類型及水化學成分的演化規(guī)律具有很強的優(yōu)勢[21]。故本文采用Piper三線圖對研究區(qū)水樣進行水化學類型分析(圖1)。研究區(qū)水化學類型主要有Ca2+-HCO3-,Na+-SO42-,Ca2+-SO42-,Na+-Cl-四種類型。大部分樣品都屬于Ca2+-HCO3-型,占總水樣的78.6%;3個樣品(Z04,Z07,Z13)屬于Na+-SO42-型,占總水樣的10.7%;2個樣品(Z20,Z05)屬于Ca2+-SO42-型,占總水樣的7.1%;1個樣品(Z19)屬于Na+-Cl-型,占總水樣的3.6%??傮w看來,研究區(qū)大部分水體樣品的水化學類型呈集中趨勢,屬于Ca2+-HCO3-型,少數(shù)樣品可能由于受到多種因素影響水化學類型產生差異。
圖1 研究區(qū)水化學類型Piper圖
為了進一步探討本研究區(qū)水體樣品中離子濃度組合特征差異,將28個樣品的7種離子作為變量進行系統(tǒng)聚類分析[22](圖2)。聚類分析的結果與Piper圖分類結果一致,在Piper圖中為Ca2+-HCO3-型的水樣具有相同的離子組合特征,但是聚類分析更能直觀的反映瑪納斯河流域水體中離子濃度更細微的差異。屬于Ca2+-HCO3-型的水樣中,位于瑪納斯河流域中游的大部分水樣(簇C1)具有不同于下游水樣(Z08,Z09,Z10,Z11)的水化學組合特征。將大多數(shù)位于中游的水樣(簇C1)和位于下游的水樣(Z08,Z09,Z10,Z11)7種離子濃度平均含量進行對比發(fā)現(xiàn)(表3),相對于簇C1而言,位于下游的水樣各個離子平均質量濃度都有所增加,其中Cl-和Na+的平均質量濃度相對增加較高,增加量均高于簇C1中相對應的離子平均質量濃度400%和300%,而其余離子的平均質量濃度相對增加較少。表明了水體從中游到下游Cl-和Na+的質量濃度有增高的趨勢,這一結果顯示由于水體蒸發(fā)等因素造成水化學組成的空間分異性。另外,從聚類圖中也可以看到,位于中游的水樣瑪納斯河水Z18和中部水庫水Z21具有與下游水樣(Z08,Z09,Z10,Z11)相同的離子組合特征(簇C2),表明了Z18和Z21中的Cl-和Na+質量濃度較其它中游樣品(簇C1)高,反映了可能受到中部種植灌溉洗鹽水的影響較大。
圖2 瑪納斯河流域地表水化學組成系統(tǒng)聚類樹狀圖
在Piper圖中水化學類型不同于Ca2+-HCO3-型的六個水樣(Z04,Z07,Z13,Z20,Z05,Z19),在系統(tǒng)聚類圖中也體現(xiàn)出了不同于其它瑪納斯河流域地表水樣品的顯著差異。其中,下游水渠水Z07和146團大橋渠水Z19的離子組合特征差異性最大(簇A),明顯不同于其余所有樣品。而Z04,Z13,Z20,Z05的離子組合特征也表現(xiàn)出了較Ca2+-HCO3-型水樣(簇C)的顯著不同。現(xiàn)將六個水樣(Z04,Z07,Z13,Z20,Z05,Z19)與Ca2+-HCO3-型水樣(簇C)的離子組合特征進行對比,并且將六個水樣中屬于中游的水樣(Z04,Z13,Z20,Z05)和屬于下游的水樣(Z07,Z19)的離子組合特征進行對比(表3)。由表3可知,簇C中的HCO3-和Ca2+為陰離子和陽離子中質量濃度最大的離子,分別占離子總量的47.2%和11.8%。相比于簇C,六個水樣(Z04,Z07,Z13,Z20,Z05,Z19)的各個離子平均質量濃度均有增加,其中Cl-,SO42-,Mg2+,Na+離子濃度相對增加較大,分別高出簇C相對應離子含量5 200%,2 760%,1 300%,4 750%。表明了相對于Ca2+-HCO3-型水樣(簇C)這六個水樣(Z04,Z07,Z13,Z20,Z05,Z19)的鹽分離子含量顯著增加。同時,將六個水樣中屬于中游的水樣(Z04,Z13,Z20,Z05)和屬于下游的水樣(Z07,Z19)進行對比發(fā)現(xiàn),下游的水樣各個離子質量濃度平均值均高于中游的水樣,Cl-,SO42-,Mg2+,Na+離子濃度相對增加較大,其中Cl-和Na+分別為陰離子和陽離子中質量濃度增加最大的離子,分別高出中游的水樣相對應離子質量濃度2 138.5%和1 778.6%。表明了鹽分離子在下游地區(qū)大量聚積的現(xiàn)象??偟膩碚f,造成這六個水樣(Z04,Z07,Z13,Z20,Z05,Z19)與其余水樣之間,以及這六個水樣中屬于中游水樣和屬于下游水樣之間的離子組合特征差異的原因,主要是由于瑪納斯河流域,常年受種植、灌溉等的影響,土壤中的一部分鹽分被淋洗掉,而淋洗掉的鹽分部分通過排水系統(tǒng)進入水體中,帶走了土壤中的部分可溶性離子,隨洗鹽水進入地表水體中,致使水化學組分產生差異。另外,瑪納斯河流域中下游地區(qū)的蒸發(fā)差異也是造成部分水樣水化學組分差異性的原因。
表3 各樣品組合離子含量特征 g/L
注:C1代表Ca2+-HCO3-型水樣中屬于中游的水樣,亦即簇C1;C2代表Ca2+-HCO3-型水樣中屬于下游的水樣(Z08,Z09,Z10,Z11);C代表Ca2+-HCO3-型水樣,亦即簇C;M代表六個水樣(Z04,Z07,Z13,Z20,Z05,Z19);M1代表(Z04,Z13,Z20,Z05);M2代表(Z07,Z19)
通過對瑪納斯河流域中下游平原地區(qū)的水化學特征分析得出以下幾點認識:
1) 研究區(qū)水樣礦化度變化范圍在0.19~11.63 g/L之間,平均值為1.09 g/L。陽離子濃度Na+>Ca2+>Mg2+>K+;陰離子濃度SO42->Cl->HCO3-。水樣中K+和HCO3-的變異系數(shù)相對較小,反映它們在水中含量相對穩(wěn)定。Cl-和Na+分別為水體陰離子和陽離子中變異系數(shù)最大的離子,表明其在水中含量離散程度較大。
2) 瑪納斯河流域中下游平原地區(qū)水化學類型主要有Ca2+-HCO3-,Na+-SO42-,Ca2+-SO42-,Na+-Cl-四種類型。大部分水樣都屬于Ca2+-HCO3-型,占總水樣的78.6%;Na+-SO42-型占總水樣的10.7%;Ca2+-SO42-型占總水樣的7.1%;Na+-Cl-型占總水樣的3.6%。
3) 聚類分析的結果表明瑪納斯河流域地表水特征具有明顯的空間分異性。同屬Ca2+-HCO3-型的水樣,從中游到下游Cl-和Na+有增加的趨勢,顯示出由于水體蒸發(fā)等因素造成水化學組成的空間分異性。另外同屬Ca2+-HCO3-型水樣中,部分屬于中游的水樣與屬于下游的水樣具有相同的離子組合特征,表明這部分中游水樣受到灌溉洗鹽水的影響較大。而其他類型水樣具有明顯不同于Ca2+-HCO3-型水樣的離子組合特征,究其原因主要是由于瑪納斯河流域部分地區(qū)受到種植灌溉等因素的影響,使得土壤中的部分鹽分離子被淋洗掉而進入水體中,從而增加了水體中的鹽分離子含量,再加之瑪納斯河流域中下游地區(qū)的蒸發(fā)差異,最終導致部分水樣水化學組成的差異。
[1] 凌紅波,徐海量,張青青,等.1956—2007年新疆瑪納斯河流域氣候變化趨勢分析[J].冰川凍土,2011,33(1):64-71.
[2] 唐湘玲,魏文壽.瑪納斯河流域氣候變化對徑流變化的影響[J].石河子大學學報:自然科學版,2006,23(6):730-734.
[3] 南峰,李有利,史興民.新疆瑪納斯河水量波動與氣候變化之間的關系[J].水土保持研究,2003,10(3):59-61.
[4] Yuan Y, Shao X, Wei W, et al. The potential to reconstruct Manasi River streamflow in the northern Tien Shan Mountains (NW China)[J]. Tree-Ring Research,2007,63(2):81-93.
[5] 劉志明,劉少玉,陳德華,等.新疆瑪納斯河流域平原區(qū)水資源組成和水循環(huán)[J].水利學報,2006,37(9):1102-1107.
[6] 何新林,郭生練.氣候變化對新疆瑪納斯河流域水文水資源的影響[J].水科學進展,1998,9(1):77-83.
[7] 范文波,周宏飛,李俊峰.瑪納斯河流域生態(tài)需水量估算[J].水土保持研究,2010,17(6):242-245.
[8] 李志忠,韓洪凌.天山北麓的水資源利用與綠洲穩(wěn)定性:以瑪納斯河流域為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2004,18(8):1392142.
[9] Li Y L, Qao M, Yang X L, et al. Analysis on land use/cover change and landscape fragmentation in typical watershed of arid zone in last 30 years: a case of Manasi river watershed, xinjiang[J]. Journal of Desert Research,2008,28(6):1050-1057.
[10] 程維明,周成虎,劉海江,等.瑪納斯河流域50年綠洲擴張及生態(tài)環(huán)境演變研究[J].中國科學:D輯,2006,35(11):1074-1086.
[11] 阿不都外力·吉力力·買買提阿依古麗,唐楊.瑪納斯河流域綠洲土壤春季鹽漬化研究[J].干旱區(qū)研究,2013,30(2):189-195.
[12] 唐楊,吉力力,劉東偉,等.基于微地形和土地覆被的土壤水分空間變異性:以瑪納斯河流域綠洲為例[J].干旱區(qū)研究,2011,28(2):222-228.
[13] 買買提阿依古麗,阿不都外力吉力力,葛擁曉.瑪納斯河流域綠洲土壤養(yǎng)分空間變異特征與格局[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2013,27(9):153-159.
[14] Markich S J, Brown P L. Relative importance of natural and anthropogenic influences on the fresh surface water chemistry of the Hawkesbury-Nepean River, south-eastern Australia[J]. Science of the Total Environment,1998,217(3):201-230.
[15] Winter T C. Recent advances in understanding the interaction of groundwater and surface water[J]. Reviews of Geophysics,1995,33(S2):985-994.
[16] 禹樸家,徐海量,喬木,等.瑪納斯河流域土壤類型空間分布格局分析[J].土壤學報,2010,47(6):1050-1059.
[17] 吉力力.阿不都外力.干旱區(qū)湖泊與鹽塵暴[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,2012.
[18] 中華人民共和國衛(wèi)生部,中國國家標準化管理委員會.生活飲用水標準檢驗方法[S].GB/T 5750.1—2006.
[19] Piper A M. A graphic procedure in the geochemical interpretation of water-analyses[J]. Eos, Transactions American Geophysical Union,1944,25(6):914-928.
[20] 王文森.變異系數(shù):一個衡量離散程度簡單而有用的統(tǒng)計指標[J].中國統(tǒng)計,2007(6):41-42.
[21] Karmegam U, Chidambaram S, Prasanna M V, et al. A study on the mixing proportion in groundwater samples by using Piper diagram and Phreeqc model[J]. Chinese Journal of Geochemistry,2011,30(4):490-495.
[22] 吳喜之.統(tǒng)計學:從數(shù)據(jù)到結論[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2004.
The Water Chemical Characteristics and Its Influence Factors in Middle and Lower Reaches of Manasi River Basin
XIA Meng1, MA Long2, JILILI·Abuduwaili2
(1.CollegeofResourceandEnvironmentSciences,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 2.StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)
Hydrochemical investigations of 28 surface water samples were conducted in middle and lower reaches of Manas River Basin. In this study, hierarchical clustering method and PIPER diagram were used to anayze the hydrochemical characteristics and its influence factors. The result shows that: 1) the pH of water samples in the study area has little difference, but the differences in total dissolved solids (TDS) and major-ion (Mg2+, Ca2+, Na+, K+, SO42-, HCO3-and Cl-) composition were obviously signifcant. In this study area, the fresh water and high salinity water distribute here. The order of the average concentrations of major cations in Manas River Basin is Na+>Ca2+>Mg2+>K+, and the sequence of concentrations for major anions is SO42->Cl->HCO3-. The coefficients of variation of K+and HCO3-are relative small in water samples, otherwise, the ions (Cl-and Na+) have the biggest values among the seven major ions; 2) the surface water of the Manas River Basin belongs to four hydrochemical types (Ca2+-HCO3-, Na+-SO42-, Ca2+-SO42-, Na+-Cl-). The Ca2+-HCO3-type accounts for 78.6% of the total samples, however, there are three water samples with Na+-SO42-type, two samples with Ca2+-SO42-type, and only one sample with Na+-Cl-type in this area. The result of hierarchical clustering analysis showed that chemical characteristics in surface water had obvious spatial variability. Overall, the changes of hydrochemical characteristics of Manas River Basin are mainly due to spatial differences of water evaporation and soil salinity leaching into surface water bodies, which induced the differences in hydrochemical types of surface waters.
hydrology; hydrochemical characteristics; influencing factors; hierarchical cluster analysis; Manas River
2014-06-08
2014-07-24
中國科學院西部之光(XBBS201106);國家自然科學基金(41471173)
夏夢(1990—),女(回族),新疆烏魯木齊人,碩士研究生,從事干旱區(qū)湖泊資源與環(huán)境研究。E-mail:xiamgyh@sina.com
吉力力·阿不都外力(1964—),男(維吾爾族),新疆拜城縣人,研究員,博士,主要從事地理生態(tài)學方面的研究。E-mail:jilil@ms.xjb.ac.cn
X142
1005-3409(2015)02-0136-05