新疆克孜勒河流域喀什段水化學(xué)特征及成因

李文江++王文科段磊乃尉華

摘要：[JP2]在分析17組河水水樣的水化學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過Piper三線圖、主成分分析和因子分析方法對克孜勒河流域喀什段河水的水化學(xué)特征及成因進(jìn)行研究，結(jié)果表明克孜勒河上游與中下游的水化學(xué)類型差異反映出蒸發(fā)巖的風(fēng)化溶解是影響河流水化學(xué)組成的主導(dǎo)因素，而河水中含量較高的SO2-4主要來源于新近系地層中石膏巖類的風(fēng)化溶解?？俗卫蘸恿饔騼?nèi)蒸發(fā)巖風(fēng)化以石膏巖類的風(fēng)化為主，鹽巖類風(fēng)化次之，碳酸鹽巖風(fēng)化貢獻(xiàn)相對較少。區(qū)域內(nèi)巖石化學(xué)風(fēng)化的主要反應(yīng)形式是石膏、芒硝、鎂硫酸鹽巖和鹽巖的溶解，其次是方解石和白云石溶解，再次為鈉長石溶解。

關(guān)鍵詞：喀什；克孜勒河；水化學(xué)特征；主成分分析；因子分析；巖石風(fēng)化；蒸發(fā)巖

中圖分類號：P641文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2016）06015906

Study of hydrochemical characteristics and genesis in Kashi Reach of Kizil River Basin in Xinjiang

LI Wenjiang1，2，WANG Wenke2，3，DUAN Lei2，3，NAI Weihua4

（1.Xi′an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp，Xi′an 710077，China；

2.School of Environment Science and Engineering，Chang′an University，Xi′an 710054，China；

3.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education，Xi′an 710054，China；

4.No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Party of Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development，Changji，Xinjiang 831100，China）

Abstract：Based on analyzing water chemistry data of 17 river water samples，the hydrochemical characteristics and genesis in Kashi reach of Kizil River were studied by the means of Piper trilinear nomograph，principal component analysis and factor analysis.The results showed that the differences of hydrochemical types between the upstream and the middle or lower reaches reflected that the weathering dissolution of evaporates was the dominant influencing factor of the hydrochemical compositions of the river water，while the high quantity of SO24 in river originated from the weathering dissolution of the gypsum salt series in neogene stratigraphic.The evaporites weathering was dominated by gypsum salt weathering，while rock salt weathering took the second place，carbonate weathering contributed less，and the last was albite weathering.

Key words：Kashi；Kizil River；hydrochemical characteristics；principal component analysis；factor analysis；rock weathering；evaporites

河流的水化學(xué)特征受天然條件和人類活動影響的控制。天然條件如地質(zhì)巖性、氣候、降水及植被[HJ1.88mm]等，其中地質(zhì)因素在影響河流水化學(xué)特征中占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。高壇光對青藏高原納木錯流域河水水化學(xué)特征研究中認(rèn)為，納木錯流域河水主要受巖石風(fēng)化影響，降水和冰川融水只是起到一定作用[2]。張立成對中國東部河水化學(xué)地理特征的研究中認(rèn)為，地質(zhì)環(huán)境條件是決定性條件，降水影響只有助長或削弱作用[3]。Mekbeck總結(jié)認(rèn)為各種影響河水水化學(xué)組成中，地質(zhì)—化學(xué)是決定性因素，氣候、降水等其它天然條件的影響不及總和的10%[4]。另外，針對水化學(xué)形成作用機(jī)理方面，目前研究中廣泛認(rèn)可存在有溶濾作用、脫碳酸作用、脫硫酸作用、陽離子交替吸附作用、蒸發(fā)濃縮和混合作用[5]。Iggy等人認(rèn)為水動力條件是決定水文地球化學(xué)分帶性的重要因素[6]。Varol分析土耳其Tigris河流域后認(rèn)為流域中大量存在的碳酸鹽和碳酸鹽風(fēng)化控制了該區(qū)域水文地球化學(xué)特征[7]。因此，研究河水的水化學(xué)組成，可以反演流域內(nèi)地表巖石的風(fēng)化過程，進(jìn)而探究河流水化學(xué)組成和形成的來源。

新疆喀什克孜勒河是喀什噶爾河水系最大的一條常年性河流，為喀什市生產(chǎn)生活用水來源。然而，較差的水質(zhì)極大地限制了水資源的開發(fā)利用。目前，國內(nèi)針對克孜勒河的研究多集中在河水污染物和水資源質(zhì)量評價等方面[810]，對河水的水化學(xué)變化及物質(zhì)來源等天然地質(zhì)因素的研究較少。本文通過水化學(xué)分析，主成分分析及因子分析等方法探討了河水中主要離子的來源，確定形成河水水化學(xué)的主導(dǎo)因素，為克孜勒河的水資源合理開發(fā)利用與保護(hù)措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

克孜勒河發(fā)源于吉爾吉斯共和國境內(nèi)的特拉普齊亞峰（海拔6 048 m），在我國境內(nèi)長約600 km。該河流經(jīng)西南天山流入后，自西向東經(jīng)烏恰縣、疏附縣、疏勒縣、喀什市、伽師市、巴楚縣，同葉爾羌河匯合后流入塔里木河流，在我國境內(nèi)流經(jīng)水域面積達(dá)15 000 km2。本文研究的克孜勒河喀什段以克孜勒河西部出山口分為界分為上游和中下游，在此河段內(nèi)主要支流有康蘇河、膘爾托闊依河及博谷孜河。[HJ]

克孜勒河是典型的內(nèi)陸河，以冰雪融水補給為主。最大年徑流量269億m3，最小年徑流量為156億m3，多年平均徑流量2138億m3。豐水期為6月-8月份，枯水期為12月至翌年1月-2月?？κ驳貐^(qū)氣候干燥，蒸發(fā)強烈，降雨量少，河水中硫酸鹽及硬度超標(biāo)，不適合用作飲用水，但對堿土的改良起到較好的中和作用，可作為農(nóng)業(yè)和生產(chǎn)用水。

[JP2]克孜勒河自喀什市以西段，地層以上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)沖洪積層為主，砂卵礫石層出露于地表或埋藏于亞黏土、亞砂土之下。在庫木塔格與博孜塔格出山口上游段出露有新近系泥巖，中上部為砂質(zhì)泥巖和砂巖互層，含有大量石膏等鹽類礦物。自喀什市以東段，地層主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層，巖性為土黃色、淺灰色細(xì)砂和中細(xì)砂。沿克孜勒河流域，巖土體多為亞硫酸鹽漬土和硫酸鹽漬土，摩爾比（Cl-/2SO2-4）在001%～091%之間，屬中鹽漬土。

2樣品采集與測試

[JP2]樣品采集時間為2012年10月-11月，在克孜勒河喀什段由上游山區(qū)至喀什市區(qū)東部，沿河水流向，大致均勻間隔采集河水樣共17組。采樣點分布圖見圖1。取樣前，將聚乙烯塑料瓶用所取河水水潤洗3次，取樣結(jié)束后，用透明膠帶封口并貼好標(biāo)簽。采樣現(xiàn)場測定濁度、pH、水溫、電導(dǎo)率、溶解氧等物理化學(xué)指標(biāo)，室內(nèi)測試指標(biāo)包括：Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO3-以及TDS。水質(zhì)簡分析中Na+用火焰原子吸收分光光度法測定；Ca2+、Mg2+用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定；SO2-4用硫酸鋇比濁法測定； HCO3-用酸堿滴定法測定；Cl-用硝酸銀容量法測定；總?cè)芙夤腆w（TDS）用105 ℃干燥—重量法檢測。水樣中電荷平衡歸一化指數(shù)（NICB=（TZ+- TZ-）/ TZ+）在±005之間，表明樣品測試誤差較小，測試精度在合理范圍以內(nèi)（表1）。

3河水水化學(xué)特征

[JP2][HJ1.5mm]克孜勒河喀什段全程pH值為746～836，平均值為796，處于中性至弱堿環(huán)境?？?cè)芙夤腆w（TDS）受河流巖性、地勢、植被和機(jī)械剝蝕速率影響[11]，變化范圍為270～13578 mg/L，平均值7374 mg/L，大于世界河流平均值（100 mg/L）[12]。除樣品H8外，[HJ2.3mm]克孜勒河水中溶解總陽離子當(dāng)量濃度（TZ+=Na++K++2Ca2++2Mg2+）變化范圍較大，其值為912～2393 meq/L，平均值為1381 meq/L，高于世界河流[JP3]平均值（0725 meq/L）[13]?？傟庪x子當(dāng)量濃度（TZ-=Cl-+[HJ]2SO2-4+HCO3-）變化范圍為878～2268 meq/L，平均值1391 meq/L。

4河水主要離子來源及成因分析

4.1Piper三線圖分析

利用Piper三線圖（圖2）可以表明水體中主離子組成變化，體現(xiàn)不同水體化學(xué)組成特征[14]?？俗卫蘸雍铀蠸O2-4為主要陰離子，占離子總量約30%～70%，河水沿程逐漸趨于富集堿土金屬（Ca2+、Mg2+）。上游山區(qū)及其支流中，陰離子以SO2-4和Cl-或HCO3-為主，陽離子以Na+和Ca2+為主；河水水化學(xué)類型主要為SO4·Cl或SO4·HCO3型。從出山口至河水下游，河水中Ca2+含量逐漸增大，占離子總量40%～60%；Mg2+次之，占離子總量20%～40%；非碳酸鹽硬度普遍大于50%，水化學(xué)類型以SO4Ca·Mg型為主。

Piper三線圖除了可以反映河水水化學(xué)組成，還能夠區(qū)分不同風(fēng)化作用影響的物質(zhì)來源[15]。在陰離子三角圖上，蒸發(fā)巖風(fēng)化區(qū)域靠近SO2-4Cl-一端，而碳酸鹽巖風(fēng)化區(qū)域則靠近HCO3-組分一側(cè)；在陽離子三角圖中，蒸發(fā)巖風(fēng)化區(qū)域靠近Na++K+一側(cè)，碳酸鹽巖風(fēng)化區(qū)域靠近Ca2+Mg2+一端。從圖2中可以看出，克孜勒河流域中，蒸發(fā)巖風(fēng)化作用始終占主導(dǎo)地位，至中下游段碳酸鹽巖風(fēng)化作用影響加強，但仍舊以蒸發(fā)巖風(fēng)化為主。

4.2主成分分析（PCA）及因子分析

為了進(jìn)一步探討不同巖石風(fēng)化作用對克孜勒河[HJ2.5mm]河水主要離子化學(xué)作用的影響，對克孜勒河流域6大離子組成做主成分分析和因子分析。主成分分析通過線形變換，從眾多原始變量中導(dǎo)出少數(shù)互補相關(guān)的關(guān)鍵變量，來盡可能完整的反映原始信息，以達(dá)到簡化分析的目的。而因子分析將少數(shù)的隨機(jī)變量根據(jù)相關(guān)性大小綜合為不同的具有實際意義的公因子，從而更加直觀有效的描述內(nèi)容。影響克孜勒河水化學(xué)類型的因素眾多，利用主成分分析可以提取出對河水水化學(xué)形成起主導(dǎo)作用的主要離子，并通過因子分析確定出影響水化學(xué)類型形成的主要風(fēng)化過程。

采用Varimax最大正交旋轉(zhuǎn)，以令較大因子負(fù)載的變量個數(shù)減小至最低限度。旋轉(zhuǎn)前后各因子特征根及累計方差貢獻(xiàn)率見表2。旋轉(zhuǎn)后，前三個因子特征根均大于1，其方差貢獻(xiàn)率分別為3667%、3484%和2502%，三者累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到9654%。提取的三個因子可以代表原始數(shù)據(jù)所包含的綜合信息，認(rèn)為信息量無損失。對初始因子載荷矩陣做25次正交旋轉(zhuǎn)，使得因子載荷趨近于兩個極端，借此來明確各個因子的含義。由表3可以看出，第一因子與Ca2+、Mg2+及SO2-4相關(guān)性較大，代表以石膏及鎂硫酸鹽溶解為主的蒸發(fā)巖；第二因子與Na+和Cl-相關(guān)性較大，代表以石鹽、鉀鹽等巖鹽溶解為主的蒸發(fā)巖；第三因子與Mg2+和HCO3-相關(guān)性較大，代表碳酸鹽巖的溶解。

根據(jù)表2中因子累積貢獻(xiàn)率可以看出，代表蒸發(fā)巖溶解的第一因子和第二因子方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)7152%，表明蒸發(fā)巖溶解是控制克孜勒河河水水化學(xué)組成的主要影響因素，碳酸鹽巖溶解次之；而其中石膏巖類的溶解又是蒸發(fā)巖風(fēng)化中的主要因素。

根據(jù)主成分因子得分繪制克孜勒河流域水樣主成分因子得分圖，如圖3所示。得分劃分為四個區(qū)域（以圖3（a）為例）：右上角表示河水主要離子含量同時受第一因子和第三因子影響；右下角表示河水主要離子含量主要受第一因子影響；左上角表示河水主要離子含量主要受第三因子影響；左下角表示河水主要離子含量既不受第一因子影響也不受第三因子影響，而受其他因素影響。

由圖3可知，在克孜勒河流域，出山口以上及各支流主要離子主要受碳酸鹽巖和巖鹽溶解控制，在博古孜河還受硫酸鹽巖溶解控制；出山口至下游河流主要離子主要受硫酸鹽巖和碳酸鹽巖溶解控制。進(jìn)一步說明蒸發(fā)巖風(fēng)化是控制克孜勒河河水水化學(xué)組成的主要因素，碳酸鹽巖風(fēng)化次之。

4.3主要風(fēng)化過程

克孜勒河流域河水中（Na++K+）和Cl-相關(guān)分析結(jié)果顯示其相關(guān)系數(shù)為0.99，Na+與SO2-4的相關(guān)系數(shù)為064，表明河水中巖鹽的溶解對其貢獻(xiàn)最大，其次為芒硝溶解。另外，Na+與HCO3-也具有較弱的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為044，說明存在少量鈉長石溶解來源的Na+。水體中，蒸發(fā)巖占據(jù)主體地位時，（Na++K+）和Cl-的比值應(yīng)該為1。克孜勒河河水中（Na++K+）和Cl-的比值均大于1，說明Cl-主要來源為巖鹽的溶解[16]。

克孜勒河流域河水中，陰離子以SO2-4最多。通過對SO2-4和Ca2+的相關(guān)性分析為正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為088。SO2-4和Na+、Mg2+的相關(guān)系數(shù)分別為064和072。表明石膏的溶解貢獻(xiàn)最大，其次為芒硝及鎂硫酸鹽。另外，（HCO-3+ SO2-4）與（Ca2++Mg2+）的相關(guān)系數(shù)最大，其值為096，表明鎂硫酸鹽的水解促使Ca2+的碳酸鹽在H2SO4作用下發(fā)生反應(yīng)[17]。

HCO3-與Ca2+不具有明顯的相關(guān)性，而HCO3-與Mg2+、（Ca2++Mg2+）相關(guān)系數(shù)分別為054和089。在克孜勒河流域中，除蒸發(fā)巖風(fēng)化溶解的主導(dǎo)地位外，碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解也是重要影響因素。HCO3-與Mg2+、Ca2+應(yīng)該具有相同的物質(zhì)來源，即HCO3-與Ca2+應(yīng)該呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。但由于蒸發(fā)巖風(fēng)化過程中，石膏溶解度遠(yuǎn)大于碳酸鹽溶解度，石膏溶解的Ca2+將促使形成CaCO3沉淀，從而干擾HCO3-與Ca2+的相關(guān)性，卻并不會影響HCO3-與Mg2+的相關(guān)性[18]。

根據(jù)以上分析，克孜勒河流域發(fā)生的主要風(fēng)化反應(yīng)分別為

CaSO4·2H2O（石膏）+H2O→Ca2++SO2-4+3H2O

NaCl（巖鹽）→Na++Cl-

MgSO4·2H2O+H2O→Mg2++SO2-4+3H2O

Na2SO4· 10H2O（芒硝）+H2O→2Na++SO2-4+11H2O

CaCO3（方解石）+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-

CaMg（CO3）2（白云巖）+2H2O+2CO2→Ca2++Mg2++4HCO3-

2NaAlSi3O8（鈉長石）+2CO2+11H2O→4H4SiO4+2HCO3-+4Na++Al2Si2（OH）4

在克孜勒河流域，蒸發(fā)巖風(fēng)化影響大于碳酸鹽巖的風(fēng)化。其中石膏等蒸發(fā)巖的風(fēng)化是造成河水中高濃度SO2-4的主要原因。克孜勒河上游丘陵山區(qū)中出露有新近系地層，其中大量發(fā)育的石膏鹽類礦物為河水中的SO2-4提供了來源。

5結(jié)論

（1） 克孜勒河水上游與中下游的水化學(xué)類型不[JP2]同。上游以SO4·ClNa·Ca或SO4·HCO3Ca·Na型為主；中下游以SO4Ca·Mg型為主。蒸發(fā)巖的風(fēng)化溶解是影響河流水化學(xué)組成的主導(dǎo)因素，至中下游碳酸鹽風(fēng)化影響稍有增強。

（2） 主成分分析和因子分析表明，克孜勒河流域內(nèi)巖石風(fēng)化以石膏等蒸發(fā)巖風(fēng)化為主，巖鹽類蒸發(fā)巖風(fēng)化次之，最后是碳酸鹽風(fēng)化。三者方差貢獻(xiàn)率分別為3667%、3484%和2502%。

（3） 克孜勒河主要風(fēng)化反應(yīng)以石膏、芒硝、鎂硫酸鹽巖和鹽巖的風(fēng)化為主，其次是方解石和白云石的風(fēng)化，另有少量的鈉長石風(fēng)化溶解反應(yīng)?？俗卫蘸又蠸O42-含量較高，其主要來源為河流流經(jīng)的新近系地層中石膏巖類的風(fēng)化溶解。

[HS2]參考文獻(xiàn)（References）：

[1]王亞平，王嵐，許春雪，等.長江水系水文地球化學(xué)特征及主要離子的化學(xué)成因[J].地質(zhì)通報，2010，29（2/3）：446456.（WANG Yaping，WANG Lan，XU Chunxue，et al.Hydrogeochemistry and Genesis of Major Ions in the Yangtze River，China[J].Geological Bulletin of China，2010，29（2/3）：446456.（in Chinese） ）

[2]高壇光，康世昌，張強弓，等.青藏高原納木錯流域河水主要離子化學(xué)特征及來源[J].環(huán)境科學(xué)，2008，29（11）：30093016.（GAO Tanguang，KANG Shichang，ZHANG Qianggong，et al.Major Ionic featrues and their sources in the Nam Co Basin over the Tibetan Plateau[J].Environmental Science，2008，29（11）：30093016.（in Chinese））

[3]張立成，董文江.我國東部河水的化學(xué)地理特征[J].地理研究，1990，9（2）：6775.（ZHANG Licheng，DONG Wenjiang.Geochemical characteristics of the river system in East China[J].Geographical Research，1990，9（2）：6775.（in Chinese））

[4]Meybeck M.Global chemical weathering of surficial rocks estimated from river dissolved loads[J].American Journal of Science，1987，287：401428.

[5]王大純.水文地球化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社，2006.（WANG Dachun.Basic Hydrogeology[M].Beijing，Geological Publishing House，2006（in Chinese））

[6]Iggy L.M.，Brielmann H.，Reichma O.Hydrochemical Analysis of Groundwater Using at Reebased[J].Journal of Hydrology，2010，387：273282.

[7]Varol M.，Gokot B.，Bekleyen A.，et al.Geochemistry of the Tigris River basin，Turkey：Spatial and seasonal variations of major ion compositions and their controlling factors[J].Quatenary International，2013，304：2232.

[8]張濤，白金鳳.新疆克孜勒蘇河喀什市段入河污染物估算及特[JP+2]征分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2015，31（1）：8589.（ZHANG Tao，BAI Jinfeng.Estimation and characteristic analysis of pollutants in the Xinjiang Kezilesu River in Kashi City[J].Environmental Monitoring in China，2015，31（1）：8589.（in Chinese））

[9]隗經(jīng)斌，李云華，古麗巴哈，等.新疆喀什噶爾河流域水資源質(zhì)量保護(hù)及對策[J].冰川凍土，2004，26（5）：645649.（WEI Jingbin，LI Yunhua，Bahar Gul，et al.Protection and countermeasure of the water resources quality in the KaxKar River Basin，Xinjiang[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2004，26（5）：645649.（in Chinese））[ZK）]

[10][ZK（#]李新賢，李紅，宋宏娟.新疆地表水資源質(zhì)量及變化趨勢分析[J].干旱區(qū)地理，2003，26（3）：254259.（LI Xinxian，LI Hong，SONG Hongjuan.Analysis of quality and trend of surface water resources in Xinjiang[J].Arid Land Geography，2003，26（3）：254259.（in Chinese））

[11]Dalai T K，Krishnaswami S，Sarin M M，Major Ion Chemistry in the Headwaters of the Yamuna River System：Chemical Weathering.It′s Temperature Dependence and CO2 Consumption in the Himalaya[J].Geochim.Cosmochm.Acta，2002，66：33973416.

[12]Gaillardet J，Dupre B，Louvat P，et al.Global silicate Weathering and CO2 Consump Rates Deduced from the Chemistry of Large River[J].chem.Geol.1999，159：330.

[13]Han G L，Liu C Q.Water geochemistry controlled by carbonate dissolution：a study of the river waters draining KarstDominated terrain，Guizhou Province，China[J].Chem.Geol.，2004，204（1）：121.

[14]王曉曦，王文科，王周鋒，等.灤河下游河水及沿岸地下水水化學(xué)特征及其形成作用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2014，41（1）：2533.（WANG Xiaoxi，WANG Wenke，WANG Zhoufeng，et al.Hydrochemical characteristics and formation mechanism of river water and groundwater along the downstream Luanhe River，Northeastern China[J].Hydrogeology & Engineering Geology，2014，41（1）：2533.（in Chinese））

[15]Edmond J M，Paler M R，Measures C I，et al.Fluvial geochemistry of the eastern slope of the northeastern Andes and its foredeep in the drainage of the Orinoco in Colombia and Venezuela[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，1996，60：29492976.

[16]張春潮，魏哲，孫一博，等.關(guān)中盆地潛水水文地球化學(xué)演化機(jī)理[J].南水北調(diào)與水利科技，2013，11（5）：4852.（ZHANG Chunchao，WEI Zhe，SUN Yibo，et al.Hydrogeochemical evolution of groundwater in Guanzhong Basin[J].2013，11（5）：4852.（in Chinese））

[17]孫媛媛，季宏兵，羅建美.贛南小流域的水文地球化學(xué)特征和主要風(fēng)化過程[J].環(huán)境化學(xué)，2006，25（5）：550557.（SUN Yuanyuan，JI Hongbing，LUO Jianmei.Hydrogeochemistry and chemical weathering processes of small water sheds in the Southern Jiangxi Province[J].Environmental Chemistry，2006，25（5）：550557.（in Chinese））

[18][JP2]耿金，陳建生，張時音.赤水河上游流域水化學(xué)變化與離子成因分析[J].水文.2013，33（1）：4450.（GENG Jin，CHEN Jiansheng，ZHANG Shiyin.Analysis of hydrochemical changes and genesis of major ions in upper reach of Chishui River[J].Journal of China Hydrology，2013，33（1）：4450.（in Chinese））