格爾木河水化學特征及成因

汪生斌,祁澤學,王萬平,張國強

(1.青海省環(huán)境地質(zhì)重點實驗室,青海 西寧 810007； 2.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局,青海 西寧 810007)

研究流域地表水體離子組成特征及空間分布情況能夠揭示流域內(nèi)相關(guān)水文地質(zhì)特性和人類活動對水體的影響。國內(nèi)外已經(jīng)在這方面開展了大量研究，Martin等[1]對世界各大主要河流的離子輸送情況進行了匯總分析；依據(jù)影響河流中主要溶解物質(zhì)的化學組分的不同形式，Gibbs[2]將河流的天然溶質(zhì)分為風化控制、結(jié)晶控制以及降水控制3種類型；樂嘉詳?shù)萚3]分析了我國近500條河流水化學特征及其時空變化規(guī)律；陳靜生等[4-13]對我國長江、黃河、珠江以及西藏、蘇北等進行了較為長期的水化學研究。前人對格爾木河流域地下水水化學特征及演化、區(qū)域的地下水流系統(tǒng)及地下水形成的環(huán)境演化研究較多[14]。早期，譚紅兵等[15]對格爾木河水化學特征進行了研究，唐啟亮等[16-18]也進行了相關(guān)研究。在空間尺度上，研究包括針對格爾木河中上游[5,16]、中下游[17]及全河流段[19]的水化學分析，但分析的水化學組分尚不具有系統(tǒng)性。因此，本文對格爾木河2019年沿程水化學情況進行分析，探討其水化學沿程變化特征，以期為格爾木地區(qū)水資源的合理開發(fā)和利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

格爾木河位于柴達木盆地南緣,發(fā)源于柴達木盆地南部的昆侖山，流經(jīng)格爾木市，最終匯入中國最大的鉀鹽基地——察爾汗鹽湖。流域位于東經(jīng) 94°25′～95°19′，北緯36°09′～37°07′，自南向北延伸。作為柴達木盆地最大的河流之一，格爾木河既是格爾木市重要的供水水源地，又是鹽湖區(qū)成鹽物質(zhì)的重要補給源，同時也涵養(yǎng)著中下游的植被生態(tài)和農(nóng)業(yè)，兼具資源、經(jīng)濟和生態(tài)多重功能。雪水河和昆侖河是格爾木河兩條主要的補給河流，流經(jīng)沖洪積平原至溢出帶后以泉集河的形式溢出地表，主要的泉集河有格爾木東河、格爾木西河、紅旗河、金水河、巴水河、清水河等。格爾木河水系如圖1所示。流域內(nèi)氣候高寒干旱，少雨多風，日照時間長，晝夜溫差大，屬典型的高原內(nèi)陸盆地干旱氣候。多年平均氣溫4.88 ℃,多年平均降水量42.29 mm，多年平均蒸發(fā)量2 626.94 mm，相對濕度35%。

圖1 格爾木河水系與采樣點位置Fig.1 River system and location of collectedwater samples of the Golmud River

2 研究方法

為研究格爾木河整個河流的水化學特征以及主要離子來源，沿著西大灘的冰川融水途徑三岔口與納赤臺、昆侖河與雪水河的交界點，由此向北穿過格爾木市，直抵察爾汗鹽湖，取樣路徑全長約 187 km。采樣的時間段為2019年7—8月，共采集33組水樣(圖1)。嚴格按照取樣規(guī)范將采集的水樣密封保存后送青海省環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，檢測各主要陰陽離子的濃度。根據(jù)格爾木地區(qū)的水文地質(zhì)條件，結(jié)合水樣的測試結(jié)果，利用Piper三線圖解法和Gibbs圖解法分析格爾木河的水化學特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要離子的沿程變化特征

(a) 主要陽離子

(b) 主要陰離子圖2 格爾木河主要離子沿程變化Fig.2 Trend of main ions along the Golmud River

a. 主要陽離子沿程變化。①Na+質(zhì)量濃度：在河水源頭為6.88 mg/L、出山口為55.10 mg/L、山前沖洪積扇為62.96 mg/L、溢出帶前緣為91.64 mg/L，自溢出帶以北，Na+質(zhì)量濃度急劇增加，由鹽沼平原區(qū) 423.16 mg/L 至入湖口增加到996.32 mg/L；②Ca2+質(zhì)量濃度：在出山口為40.48 mg/L、山前沖洪積扇為37.47 mg/L、鹽沼平原區(qū)為82.55 mg/L、入湖口為75.04 mg/L；③Mg2+質(zhì)量濃度：沿程變幅小于Na+，但整體亦呈現(xiàn)上升趨勢。

3.2 水化學類型分析

自山區(qū)至達布遜湖，格爾木河水的水化學類型逐漸由單一變?yōu)閺碗s，為能較為準確地描述水化學類型的沿程變化情況，利用Piper三線圖解法，繪制Piper三線圖進行分析，結(jié)果見圖3。

(a) 主要陽離子

(b) 主要陰離子圖3 格爾木河主要離子Piper三線圖Fig.3 Piper diagram of major ions in the Golmud River

由圖3可知，山區(qū)格爾木河源頭(冰川融水)的水化學類型為HCO3-Ca-Mg型，至山前格爾木河上游(昆侖河與雪水河的交界處)變?yōu)镠CO3-Cl-Na-Ca-Mg型，出山口處變?yōu)镠CO3-Cl-Na-Mg-Ca型，河流中下游溢出帶附近變?yōu)镃l-HCO3-Na-Mg型，溢出帶以北至鹽沼平原帶水變?yōu)镃l-SO4-Na-Mg型，再向北至鹽湖入湖口變?yōu)镃l-Na型，可見格爾木河水體沿程水化學類型呈現(xiàn)明顯的分帶性。

4 水化學成因分析

4.1 河水中主要離子的Gibbs圖

(a) ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)與ρ(TDS)關(guān)系

根據(jù)Gibbs圖的分析結(jié)果，可將格爾木河河水離子分為鹽分溶濾帶、鹽分堆積帶以及鹽分過渡帶。各帶特征分別為：①鹽分溶濾帶地面坡度大，河床沉積物礦物成分以方解石、白云石為主，因此河水與河床之間的溶蝕作用較大，加之溫度的變化急劇，生物作用、各種地質(zhì)營力的剝蝕作用和巖石的風化作用成為影響此帶水化學特征的主要因素；②鹽分堆積帶地形較為平坦(地面坡度小于3‰)，水動力條件較差，土壤顆粒較細，潛水埋深較淺(小于 2 m)，氣候干旱，蒸發(fā)作用強烈；③鹽分過渡帶水化學影響因素介于巖石風化與蒸發(fā)濃縮之間。山前戈壁區(qū)-沖洪積扇區(qū)-沖湖積平原區(qū)總體規(guī)律為：在山前戈壁礫石區(qū)以及沖洪積平原區(qū)，格爾木河河水的水化學過程主要為水巖反應(yīng)以及Ca2+的溶解，且隨著地面坡度的降低其過程逐漸減弱；至沖湖積平原區(qū)，河水的水化學特征主要為地下水位埋深變淺，蒸發(fā)作用加強，土壤鹽漬化增加，土壤中的Na+析出，蒸發(fā)濃縮作用強烈。

4.2 河水中主要離子的溯源分析

表1 河水中主要離子的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient of major ions in river

圖5 格爾木河河水中主要離子的相互關(guān)系

5 水化學對水文地質(zhì)條件的指示意義

水化學成分的形成是地表水與周圍環(huán)境長期作用的結(jié)果，影響因素眾多，主要分為溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用、陽離子膠體吸附作用以及地貌氣象等外界環(huán)境作用。由上述分析可知，格爾木河沖洪積扇區(qū)水化學成分主要為溶濾作用和蒸發(fā)濃縮作用共同影響的結(jié)果。

溶濾作用主要發(fā)生在高山區(qū)，地層以元古界為主，巖性多為灰?guī)r、砂巖、片巖、泥巖等，河水主要來源于南部降水和冰雪融水，該區(qū)域水力坡度大，巖水交替強烈，河水在徑流過程中與硅酸鹽巖、碳酸鹽巖以及硫酸鹽巖等相互溶解，故而水化學作用主要以溶濾作用為主，形成了大部分ρ(TDS)<500 mg/L的HCO3-Ca(Ca·Na)和HCO3·SO4-Ca(Ca·Na)型水。細土平原區(qū)地貌主要以第四紀沖湖積和湖積平原為主，巖性多為淤泥和黏土，垂向的水循環(huán)占主導，該地區(qū)主要成分為芒硝及鹽類等，可能發(fā)生的溶濾作用化學式見式(1)，作用后形成高礦化度的 Cl·SO4-Na·Mg 和Cl-Na型水。溶濾作用是山區(qū)地下水水化學成分形成的主要作用之一。

(1)

人類活動主要通過排放廢污水和改變地下水的形成條件來影響地下水的水化學成分。從本次取樣結(jié)果來看，格爾木地區(qū)地下水水質(zhì)總體良好，受人類活動干擾較小。研究時段格爾木河的水化學組分及水化學類型與譚紅兵[15]及杜仲謀等[18-19]的研究結(jié)果相比未發(fā)生明顯變化。

6 結(jié) 論

c. 格爾木河水水化學類型形成與巖石的溶濾作用和蒸發(fā)濃縮作用密不可分，且不同區(qū)域主次不同，河水源頭至出山口以溶濾作用為主，溢出帶以北以蒸發(fā)濃縮作用為主。人類活動對格爾木河水水化學組分產(chǎn)生的影響較小。