季雨桐，曹生奎，曹廣超，李華非

(1.青海師范大學 地理科學學院，青海 西寧 810016；2.青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，青海 西寧 810008)

青藏高原是中亞地區(qū)的大型構造地貌區(qū)，平均海拔4000m，總面積約250萬km2[1]，被稱為地球“第三極”.青藏高原特殊的地理環(huán)境造就了該地區(qū)天然水的獨特水化學特征，并在很大程度上保持著自然狀態(tài)[2].青藏高原的水資源對中國和其他東南亞國家至關重要，為了有效地利用和保護寶貴的水資源，了解并掌握青藏高原地區(qū)河水和地下水的水化學特征及其在自然水循環(huán)過程中的演化規(guī)律是十分必要的.如王利杰等[3]對西藏山南地區(qū)沉錯湖泊與徑流水化學特征及主控因素進行了初探；趙陽[4]等研究了怒江源區(qū)那曲河水化學特征；孟俊倫等[5]研究了青藏高原尼洋河流域化學風化的季節(jié)變化特征和影響因素；仁增拉姆[6]等研究了西藏年楚河流域的水化學特征.學者們對于青藏高原湖水、河水和地下水水化學特征的研究充實了青藏高原的水化學資料，為認識青藏高原不同水體水化學特征提供了參考.

青海湖流域地處青藏高原東北部，該區(qū)域具有獨特的高原、水文、氣候等環(huán)境條件[7].因地處青藏高原高寒區(qū)、西北干旱區(qū)和東部季風區(qū)的交界處，青海湖流域是中國重要的水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)調節(jié)功能區(qū)，青海湖也是維系青藏高原東北部自然生態(tài)環(huán)境安全的重要水體[8，9].河水和地下水是青海湖流域分布最廣的自然水體，也是當地農牧發(fā)展以及生態(tài)用水必不可少的水源[10].針對青海湖流域的水化學研究雖已有一定基礎[8-15]，但以往研究多集中于青海湖流域多個小流域，采樣點空間分布較少[11-14]，不易掌握其水化學過程及影響因素.

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學特征，對于評估該流域水質和水環(huán)境可持續(xù)性具有至關重要的作用[17，18]，但針對該流域河水和地下水水化學特征及水質評價方面的研究報道較少[13].為此，本文以青海湖沙柳河流域為研究對象，基于夏季典型月份河水和地下水樣品的高密度采集和水化學陰陽離子含量等的測試數據，對該流域夏季河水和地下水的水化學特征進行了研究，其目的在于掌握該流域夏季河水和地下水的水化學特征，評判其水質狀況，以期為沙柳河流域河水和地下水水質監(jiān)測和水環(huán)境管理提供基礎數據和理論支撐.

1 研究區(qū)概況

沙柳河又稱伊烏克蘭河，位于青藏高原東北部，青海湖北部(圖1).沙柳河河長106km，其流域面積為1679.2km2[19]，其年徑流量占整個青海湖流域入湖流量的1/5[20-23].沙柳河流域春季升溫遲緩，夏季短，秋季降溫快，形成寒冷期長，暖期短的格局，沒有明顯的四季之分，通常將一年劃分為冬半年與夏半年[16，24，25].流域境內氣溫年較差較大，氣溫最低月在1月，氣溫最高月在7月[24，25].沙柳河流域北部山區(qū)地下水埋深較淺，中部地下水埋藏形式主要為山前、山間平原砂礫石層潛水[12，26，27]，下游至湖濱地區(qū)為潛水及承壓水[24，26，27].

圖1 青海湖沙柳河流域位置及采樣點分布

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2019年7月在沙柳河流域共采集97份河水和地下水樣品，其中，河水樣品55份，地下水樣品42份(包括井水39份、泉水3份)，采樣點分布見圖1.河水樣品采集于沙柳河干、支流水面10cm以下的流動水，地下水樣品采集于當地居民水井和泉水.在收集樣品之前，用采樣水體對高密度聚乙烯采樣瓶(HDPE)進行沖洗，所有水樣采集2份；采集后用Parafilm膜作密封處理并立即裝進自封袋內.用GPS記錄采樣點坐標.將采集的樣品運回青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室冷凍，用于水化學測試分析.水溫、電導率(EC)和可溶性固體含量(TDS)值利用電導率測定儀(Direct Soil EC Meter-2265F美國)在野外進行現場測定.

2.2 樣品測試

河水和地下水樣品的pH值使用pH儀器(雷磁PHS-3C，中國)測定，每次測試前都需要標定和校準pH計，在測量樣品前必須用蒸餾水清洗儀器電極.每個樣品均測試三次，最終結果取三次測試平均值

2.3 數據分析

(1)

(2)

式中，各離子濃度單位為meq·L-1.

3 結果

3.1 河水和地下水水化學離子指標統計特征

表1 青海湖沙柳河流域夏季河水水化學指標統計特征

表2 青海湖沙柳河流域夏季地下水水化學指標統計特征

3.2 河水和地下水水化學類型

圖2 青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水Piper圖

3.3 河水和地下水主要離子來源及控制因素

圖3 青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水Gibbs圖

3.4 河水和地下水各離子相關性

表3 青海湖沙柳河流域夏季河水各水化學離子間的相關系數

表4 青海湖沙柳河流域夏季地下水各水化學離子間的相關系數

4 討論

4.1 青海湖流域其他河流水化學特征的比較

為了比較沙柳河流域與青海湖其他子流域河水和地下水化學特征的差異性，梳理了已有關于青海湖流域布哈河、哈爾蓋河、倒淌河等不同河流水化學的研究成果，通過與本文的對比發(fā)現，青海湖流域不同河流河水和地下水的pH值與本文研究結果類似(表5)，均為弱堿性.各流域河水水化學類型為HCO3-Ca型或HCO3-Ca·Mg型(表5)，本文研究結果中則為兩種水型都有.地下水水化學類型有所差異，布哈河、倒淌河地下水受到部分蒸發(fā)巖影響含有部分Cl-Na型[13].在沙柳河流域，已有研究結果顯示其地下水主要類型為HCO3-Ca型，本文研究結果則為HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca型(表6)，兩者間稍有差異可能是本文采樣點布設密集，水化學特征研究結果更加全面.在水化學控制因素方面，本文研究結果與已有研究結果一致，巖石風化作用均是控制青海湖流域主要河流和地下水水化學組分的主要因素(表5，6)，這與流域相近的地理位置及相似的水源構成有關.

表5 青海湖流域主要河流河水水化學特征和離子來源比較

表6 青海湖流域主要河流地下水水化學特征和離子來源比較

4.2 河水和地下水各離子比值及主要來源分析

水體中可溶組分的離子比值關系可以用來確定水體混合過程和物質來源[50-52].離子比值關系可進一步明確青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水中主要離子來源，以此驗證Piper三線圖、Gibbs圖和Pearson相關性分析中得出的結果[53].

4.2.1 河水離子比值及主要來源分析

圖4 青海湖沙柳河流域夏季河水離子關系

4.2.2 地下水離子比值及主要來源分析

圖5 青海湖沙柳河流域夏季地下水離子關系

4.3 河水和地下水的陽離子交換作用

圖6 青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水與(Na+-Cl-)的相關關系

4.4 灌溉用水適宜性評價

灌溉用水的適宜性取決于溶解鹽的類型和濃度，其中Na+起著至關重要的作用[38].根據鈉百分比(Na+%)值，灌溉用水可分為五類，分別為：優(yōu)：Na+%<20%，好：Na+%介于20%～40%，允許：Na+%介于40%～60%，可疑：Na+%介于60%～80%，不合適：Na+%>80%[38].鈉吸附比(SAR)可以反映河水和地下水中Na+與土壤中Ca2+和Mg2+發(fā)生離子交換作用，通常，灌溉水中高鈉含量會導致Ca2+和Mg2+被Na+置換.Ca2+和Mg2+在土壤中的位移降低了其滲透性，會導致缺鈣、反絮凝等現象從而影響植物生長[13].根據鈉吸附比(SAR)，灌溉用水可分為四類，分別為：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%之間，地下水的Na+%介于7.27%～42.32%之間，兩者的平均值均為15%.河水的SAR范圍在0.04～1.37之間，平均值為0.37；地下水的SAR范圍在0.17～1.96之間，平均值為0.46.依據上述Na+%和SAR灌溉用水分類標準，青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水屬于優(yōu)和低SAR類型，灌溉適宜性很好.

5 結論

(1)青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水pH值分別介于7.23～8.53和6～8.2，TDS介于86.4～262mg·L-1和157～379mg·L-1，屬于弱堿性水.夏季河水和地下水水化學類型均以HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca型為主.

(2)巖石風化作用是控制青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水水化學組分的主要因素.其夏季河水和地下水離子主要來源于碳酸鹽風化，伴有少量的硅酸鹽巖風化.

(3)青海湖沙柳河流域夏季河水和地下水中的Ca2+和Mg2+主要來源于碳酸鹽的溶解；其夏季河水和地下水Na+受離子交換作用影響，部分Na+和K+還來自巖鹽和硅酸巖的溶解.