柴達(dá)木盆地典型流域地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系及水化學(xué)特征

楊海嬌， 魏加華,2， 任倩慧

（1.青海大學(xué)三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室/水利部江河源區(qū)水生態(tài)治理與保護(hù)重點實驗室/水利電力學(xué)院/黃河上游生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展實驗室，青海 西寧 810016；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

柴達(dá)木盆是典型的高原干旱內(nèi)陸區(qū)，水資源相對匱乏，生活、生產(chǎn)和生態(tài)主要依賴地下水，生態(tài)環(huán)境極其脆弱［1］。受構(gòu)造、巖性、地形控制和水文氣象等條件影響，盆地內(nèi)形成了以內(nèi)陸河流域為單元的水資源和生態(tài)系統(tǒng)［2］。區(qū)內(nèi)河流-地下水水力聯(lián)系緊密，轉(zhuǎn)化關(guān)系復(fù)雜，尾閭咸淡水交錯，科學(xué)認(rèn)識盆地內(nèi)地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系、水化學(xué)特征、沿程變化規(guī)律及其差異性，對區(qū)域水資源管理、鹽湖產(chǎn)業(yè)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)等具有重要意義。

干旱內(nèi)陸河流域因其獨特的生態(tài)功能價值和典型的地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系，受到學(xué)者的高度關(guān)注。采用水文地球化學(xué)、同位素水文學(xué)、水動力學(xué)等方法［3-6］，從不同角度研究了典型河流-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系，揭示了流域水循環(huán)、鹽湖變化機(jī)理、鹽湖物質(zhì)來源等［7-10］。李文鵬等［11］對格爾木河等西北干旱流域的地下水流系統(tǒng)進(jìn)行研究，將平原區(qū)地下水劃分為四級地下水流系統(tǒng)，歸納和分析地下水變化模式和鹽分遷移特征；Tan 等［12］通過水化學(xué)和同位素方法，分析了柴達(dá)木盆地西部地下水補(bǔ)給來源；Zhao 等［13］利用環(huán)境示蹤研究了田格里河和諾木洪河流域地下水-地表水的相互作用；文廣超等［14］利用水化學(xué)和穩(wěn)定同位素定量評價了巴音河地表水-地下水的補(bǔ)給關(guān)系；Xiao 等［15］根據(jù)地下水停留時間、水文地球化學(xué)特征及地質(zhì)構(gòu)造分布，提出了受隆起構(gòu)造影響的地下水循環(huán)模式。上述研究，對認(rèn)識柴達(dá)木盆地河水-地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律、地下水開發(fā)利用和鹽湖水化學(xué)等有重要價值。

柴達(dá)木盆地水系呈四周出山河流向中心湖區(qū)匯聚的格局。河水主要來源于山區(qū)大氣降水補(bǔ)給，其次為地下水基流，大部分河水出山后沿程蒸發(fā)和下滲補(bǔ)給地下水，在山前很快消失，僅少數(shù)規(guī)模較大的河流在尾閭形成湖泊［16］。地表水、地下水水化學(xué)類型一般為HCO3·Cl-Ca·Na 型或Cl·HCO3-Na·Ca(Mg)型，湖水為Cl-Na·Mg型及Cl-Na型［17］?，F(xiàn)有研究多集中在格爾木、諾木洪等地區(qū)，對盆地不同流域地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系、水化學(xué)特征及沿程變化、差異性等對比研究較少。本文在現(xiàn)場調(diào)查、樣品采集和水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，采用水化學(xué)、統(tǒng)計分析等方法，研究典型流域地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系及水化學(xué)特征，探討地表水-地下水轉(zhuǎn)化對水化學(xué)空間變化的影響，分析水化學(xué)差異性及原因。

1 研究區(qū)概況

柴達(dá)木盆地南靠昆侖山，北依祁連山，西臨阿爾金山，東至日月山，面積約24×104km2（圖1）。盆地邊緣到中部有高山、戈壁、沙丘和丘陵、平原、沼澤、鹽沼、湖泊等地貌類型，平均海拔約3000 m。北部山區(qū)出露片巖、片麻巖、板巖、灰?guī)r及花崗巖［18］，南部山區(qū)主要為花崗巖、元古界和古生界基巖［19］，中部為新生代第四紀(jì)松散堆積物。

圖1 柴達(dá)木盆地典型流域及采樣點位置Fig.1 Typical watersheds and the location of sampling points in the Qaidam Basin

盆地四面環(huán)山、中部平原區(qū)低洼、地勢西高東低，西南暖濕氣流較難進(jìn)入，氣候干燥、寒冷，屬典型高寒大陸型荒漠氣候，年平均氣溫2 ℃左右，極端最低氣溫-30 ℃左右，極端最高氣溫可達(dá)30 ℃以上，常年日溫差超過15 ℃，年均降水量123.9 mm，年均蒸發(fā)量2252.5 mm。降水及蒸發(fā)空間差異大，東南部降水100～300 mm，蒸發(fā)量900～1000 mm；西北部降水僅25 mm左右，蒸發(fā)量達(dá)1200～2500 mm［20］。

盆地內(nèi)河流多，規(guī)模小、流程短，水量少且季節(jié)性變化大。盆地東南部河網(wǎng)較密，徑流相對豐沛，西北部河流稀疏，中部大部為無徑流區(qū)。徑流量年內(nèi)變化大，除地下水補(bǔ)給為主的河流較為穩(wěn)定外，其余河流多呈季節(jié)變化。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 研究方法

綜合流域規(guī)模（面積、河長、年徑流量等）、補(bǔ)給特征、下游用水類型等，采用層次聚類法［21］對河流進(jìn)行聚類分析。根據(jù)河流之間的接近程度分類，采用歐氏距離度量其相異度［21］，合并距離最近的2 類為1新類，類間距離采用類平均法，根據(jù)對各因素的分析選擇合適的類間距離，最終將集水面積＞200 km2的44 條河流分為5 大類，從各類中選擇盆地不同方位的代表性河流（表1）開展對比研究。

表1 柴達(dá)木盆地典型河流概況及樣品數(shù)Tab.1 Overview of the typical rivers and number of samples in the Qaidam Basin

魚卡河發(fā)源于土爾根大坂山南坡和達(dá)肯大坂山北坡，在山間河谷地表水-地下水發(fā)生多次轉(zhuǎn)化，河水在大柴旦鎮(zhèn)附近大量入滲，而后在馬海村溢出地表，最終匯入馬海湖（圖1a）。巴音河發(fā)源于宗務(wù)隆山北麓，出山后由東向西流，經(jīng)蓄集盆地地表水滲入地下，流入澤令溝后地下水補(bǔ)給地表水，經(jīng)黑石山水庫后轉(zhuǎn)向南流入德令哈市區(qū)，出山后地勢平坦，沖洪積頂部滲透能力強(qiáng)，地表水大量入滲；在下游一棵樹地下水再次出露轉(zhuǎn)向西流，最終匯入可魯克湖和托素湖［14］（圖1b）。格爾木河發(fā)源于巴顏喀拉山北坡，出山后入滲補(bǔ)給地下水，至格茫公路段以北地下水溢出地表，通過泉集河及蒸發(fā)蒸騰作用排泄，最終補(bǔ)給東達(dá)布遜湖（圖1c）。香日德河發(fā)源于昆侖山布爾汗布達(dá)山，出山后流至香日德農(nóng)場西北邊緣潛流，水量大時注入柴達(dá)木河（圖1d）。察汗烏蘇河發(fā)源于都龍山，自東南流向西北，流經(jīng)都蘭縣后潛流殆盡，洪水期可流入柴達(dá)木河（圖1e）。

對篩選的5 個典型流域進(jìn)行河道斷面測流，采集河水、地下水、湖水樣品，現(xiàn)場測定pH等參數(shù)，室內(nèi)進(jìn)行水化學(xué)組分測試。采用統(tǒng)計分析法對河水、地下水和湖水的化學(xué)特征進(jìn)行描述。利用Piper 三線圖［22］和Gibbs 模型［23］研究從山區(qū)到尾閭地表水、地下水的水化學(xué)類型、空間變化特征及影響機(jī)制，從而分析地表水-地下水轉(zhuǎn)化對水化學(xué)的影響。選擇主要的水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行主成分分析［24］，通過離子相關(guān)關(guān)系研究組分來源，揭示各流域地表水、地下水水化學(xué)特征的差異及原因。

2.2 樣品采集及測試

3 結(jié)果與分析

3.1 地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系

盆地內(nèi)含水層呈分帶性，山前為單一潛水含水層，到尾閭逐漸過渡為多層承壓-自流含水層，粒徑由粗到細(xì)、富水性由強(qiáng)到弱，徑流由強(qiáng)漸弱，甚至停滯［17］。綜合考慮地層巖性空間變化、基巖隆起等對水流的控制作用以及水力聯(lián)系等因素的影響，將地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系分為3種類型（圖2）。

第一類：基巖阻隔+巖性控制型。第四紀(jì)松散層與基巖非整合接觸，存在山前隆起或隔水構(gòu)造，地下水受基巖阻水出露地表［25］，地表水-地下水在山間河谷先完成2次（甚至3、4次）轉(zhuǎn)化，進(jìn)入主盆地后地表水大量補(bǔ)給地下，而后因地形趨緩、滲透系數(shù)減小，地下水在沖洪積扇前緣出露地表，最終以河水和地下水補(bǔ)給尾閭湖，如魚卡河和巴音河（圖2a）。

第二類：巖性控制型。第四紀(jì)松散層與基巖直接接觸，中間無隔水構(gòu)造，山區(qū)基巖裂隙地下水和河水可直接進(jìn)入山前平原，受上述巖性變化因素的控制，地下水會在沖洪積扇前緣出露地表，或匯入二級河流，或以地表水/地下水補(bǔ)給尾閭湖，如格爾木河（圖2b）。

圖2 柴達(dá)木盆地典型水文地質(zhì)剖面及地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系Fig.2 Typical hydrogeological profiles and the interaction between surface water(SW)and groundwater(GW)in the Qaidam Basin

第三類：巖性控制+水文氣象影響型。山間無基巖隆起等構(gòu)造，下游連接細(xì)土平原，因巖性顆粒粗滲透性好，大部分河流在沖洪積扇上部消失殆盡。這類河流受水文氣象條件影響較大，區(qū)域內(nèi)降水少、蒸發(fā)大、徑流量小，且多數(shù)是降水補(bǔ)給型，只有在洪水期才可能在下游溢出地表補(bǔ)給二級河流，如察汗烏蘇河和香日德河（圖2c）。

3.2 水化學(xué)特征

4 討論

4.1 水化學(xué)組分空間變化

表2 柴達(dá)木盆地典型流域河水、地下水和尾閭湖水化學(xué)特征參數(shù)Tab.2 Chemical characteristic parameter of river,GW and lake in the typical watersheds of the Qaidam Basin

圖3 柴達(dá)木盆地典型流域地表水和地下水Piper三線圖Fig.3 Piper ternary diagrams of SW and GW in the typical watersheds of the Qaidam Basin

4.2 水化學(xué)影響機(jī)制沿程變化

采用Gibbs 模型，表征大氣輸入、水-巖作用及蒸發(fā)-濃縮效應(yīng)等影響機(jī)制，分析不同轉(zhuǎn)化類型中地表水、地下水沿程變化的趨勢過程（圖4）。結(jié)果表明，盆地內(nèi)地表水和地下水水化學(xué)組分主要受蒸發(fā)-沉淀和水-巖作用控制，山區(qū)大氣降水、冰雪融水沖刷侵蝕攜帶各種離子進(jìn)入地下水，其影響機(jī)制以水-巖作用為主，沖洪積扇—尾閭湖河流流速低、潛水埋深淺等原因，受控于蒸發(fā)-濃縮作用。

圖4 柴達(dá)木盆地典型流域地表水和地下水Gibbs模型Fig.4 Gibbs models of SW and GW in the typical watersheds of the Qaidam Basin

4.3 水化學(xué)特征差異及原因

圖5 柴達(dá)木盆地典型流域地表水和地下水離子關(guān)系Fig.5 Ion correlation of SW and GW in the typical watersheds of the Qaidam Basin

各流域第一主因子都表征了地表水和地下水較為充分的水-巖相互作用，第二主因子表征了部分水-巖作用或人類活動影響。3種轉(zhuǎn)化關(guān)系中，第二類水化學(xué)主導(dǎo)因子較少，第三類水化學(xué)主導(dǎo)因子較多，而主導(dǎo)因子中出現(xiàn)較高濃度的離子個數(shù)與主導(dǎo)因子個數(shù)呈負(fù)相關(guān)，這可能與水-巖作用下各離

子的累積作用有關(guān)。水化學(xué)組分差異性主要是含水層巖性不同所致［17］，魚卡河流域主要分布沖洪積亞黏土、亞砂土、細(xì)砂、中粗砂、砂礫石和砂礫卵石（Qhal-pl）以及沼澤堆積的淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、亞砂土和黏土（Qhfl）。巴音河流域主要分布沖洪積黏土、砂、砂礫石和砂礫卵石（Qp3al-pl）、風(fēng)積中細(xì)砂、粉細(xì)砂和黃土（Qheol）（圖2a）。格爾木河流域上游分布有洪積礫石、粗砂、亞砂土（Qp3pl），而下游分布較廣泛的化學(xué)堆積粉砂質(zhì)石鹽、含砂礫巖殼、含砂石膏，局部有白色石鹽層（Qhch）以及湖積淤泥、亞黏土、粉砂和砂礫石（Qhl）（圖2b）。香日德河流域主要分布沖積粉砂、砂礫石（Qhal）以及Qheol；察汗烏蘇流域分布有淺海相沉積（T3）以及Qp3al-pl（圖2c）。

表3 柴達(dá)木盆地典型流域地表水和地下水水化學(xué)因子載荷矩陣Tab.3 Rotated component matrix and extraction sums of hydrochemical factor loadings of SW and GW in the typical watersheds of the Qaidam Basin

5 結(jié)論

基于現(xiàn)場調(diào)查及取樣測試，總結(jié)了柴達(dá)木盆地地表水-地下水轉(zhuǎn)化類型，分析了典型流域地表水、地下水水化學(xué)特征，探討了水化學(xué)組分空間分布特征、影響機(jī)制、差異性及主要原因。主要結(jié)論如下：

（1）柴達(dá)木盆地地表水-地下水轉(zhuǎn)化主要受構(gòu)造、巖性、地形和水力條件等因素的綜合影響，可劃分為基巖阻隔+巖性控制型、巖性控制型和巖性控制+水文氣象影響型3類?；鶐r阻隔+巖性控制型受基巖阻隔控制，山間河谷地表水-地下水可能發(fā)生多次轉(zhuǎn)化，河流出山后大量下滲轉(zhuǎn)化為地下徑流，而后在沖洪積扇前緣溢出，最終以河水和地下水補(bǔ)給尾閭湖（如魚卡河、巴音河）；巖性控制型主要受地形和巖性制約，地下水在沖洪積扇前緣溢出，最終補(bǔ)給尾閭湖（如格爾木河）；巖性控制+水文氣象影響型受水文氣象條件影響，規(guī)模小的河流在山前入滲消失（如香日德河、察汗烏蘇河）。

（3）沿程地表水、地下水水化學(xué)影響機(jī)制變化趨勢相似，山區(qū)以水-巖作用為主，平原區(qū)以蒸發(fā)-沉淀作用占主導(dǎo)。受基巖阻隔（第一類）和巖性變化（第二類）的影響，山間河谷和沖洪積扇前緣影響機(jī)制局部發(fā)生逆轉(zhuǎn)，從蒸發(fā)-沉淀占主導(dǎo)轉(zhuǎn)向水-巖作用為主。第三類水化學(xué)影響機(jī)制變化不明顯。