青海湖沙柳河流域淺層地下水水化學(xué)組成空間分布特征

王有財(cái),曹生奎,3,曹廣超,3,康利剛

(1.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,西寧 810008; 2.青海師范大學(xué) 青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 810008; 3.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院,西寧 810008)

0 引 言

地下水具有穩(wěn)定、質(zhì)優(yōu)和分布范圍廣的特點(diǎn)[1],是重要的水資源,也是影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障區(qū)域生態(tài)安全的重要因素[2]。近半個(gè)世紀(jì)以來,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動(dòng)加劇,地下水量減少和地下水環(huán)境脆弱等問題日趨嚴(yán)重[3],地下水資源可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r不容樂觀[4]。青藏高原有“中華水塔”“第三極”之稱,是中國乃至亞洲眾多大江大河的發(fā)源地[5-7]。位于青藏高原東北部的青海湖是維系青藏高原東北部生態(tài)安全的重要安全屏障[8]。青海湖流域分布最廣的自然水體以河水和地下水為主[9],但是高寒的氣候特點(diǎn)導(dǎo)致河水結(jié)冰期較長,使地下水成為當(dāng)?shù)鼐用褓囈陨娴闹匾碵10]。目前,已有學(xué)者對(duì)青海湖流域河水和地下水水化學(xué)特征進(jìn)行了研究[11-13],為了解青海湖流域河水和地下水水化學(xué)過程提供了重要的理論依據(jù)。但前人對(duì)于水化學(xué)組成和離子來源的空間分布研究較少,因此本文以青海湖沙柳河中下游為研究區(qū),對(duì)該研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)組成空間分布特征進(jìn)行探討,揭示沙柳河流域地下水離子的空間分布變化,探討離子來源的空間差異,可豐富青海湖沙柳河流域地下水水化學(xué)特征等基礎(chǔ)研究,為地下水保護(hù)提供科學(xué)合理的依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

沙柳河位于青海湖北部,河流全長為106 km(圖1),是青海湖流域第二大河[14]。沙柳河流域面積約為1 679 km2,流域氣候受東亞季風(fēng)和西風(fēng)的交錯(cuò)控制,屬于典型的溫帶大陸性氣候,全年降水在300～600 mm之間,降水季節(jié)變化大主要集中在夏季[15-17]。流域內(nèi)氣溫日較差大,年較差小,無明顯的季節(jié)差異[18]。

圖1 青海湖沙柳河流域位置及采樣點(diǎn)分布

2020年沙柳河流域最低月均溫出現(xiàn)在12月份和1月份,最高月均溫出現(xiàn)在7月份。流域月均降水量在1月份與12月份出現(xiàn)全年最低值,流域最高月均降水量出現(xiàn)在8月份[19]。

研究區(qū)地層主要是晚古生代石灰?guī)r砂巖、千枚巖、片麻巖、第四紀(jì)沉積層[10,12]。晚生代石灰?guī)r砂巖分布最廣,主要在研究區(qū)上游,分布著砂巖和碎屑巖,以基巖裂隙水為主,地下水埋深較深[16,18]。千枚巖片麻巖分布在流域中游地區(qū),地下水埋藏形式多為山前和山間平原砂礫石層潛水,由于上游地下水及河水補(bǔ)給中游地下水,導(dǎo)致在此區(qū)域內(nèi)形成地下水富集區(qū)[12,16,18]。第四紀(jì)沉積層分布在河口三角洲地區(qū),流域中游至湖濱地區(qū)地下水分別以潛水和承壓水為主[18,20]。

1.2 研究方法

1.2.1 地下水樣品采集

地下水樣品采集時(shí)間為2020年1月份、6月份、10月下旬。本文共選取42個(gè)采樣點(diǎn),其中井水39個(gè)、泉水3個(gè)(圖1)。采樣之前,使用手持電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x表AZ8306測(cè)定地下水溫度、水中總?cè)芙庑怨腆w(Total Dissolved Solids,TDS),并使用聚乙烯采樣瓶進(jìn)行采樣。由于惡劣天氣、道路損毀及機(jī)器故障等緣故,共采集126份地下水樣品。

1.2.2 地下水樣品測(cè)試

1.2.3 影像數(shù)據(jù)來源及處理

月氣溫和月降水量數(shù)據(jù)集來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.geodata.cn/),空間分率為1 km×1 km[19]。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/),空間分辨率為30 m[21]。

月氣溫和月降水量數(shù)據(jù)集利用ArcGIS軟件工具箱中的提取分析工具進(jìn)行裁剪,使用ArcGIS掩膜提取工具,剪裁出沙柳河流域2020年1—12月氣溫和降水量,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)值得出2020年1—12月月均氣溫和月均降水量。數(shù)據(jù)使用ArcGIS掩膜提取工具,剪裁出沙柳河流域數(shù)字高程數(shù)據(jù)(圖1)。

1.2.4 地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)分析

表1 地下水水化學(xué)組成反距離權(quán)重法空間插值精度評(píng)價(jià)

2 結(jié) 果

依據(jù)地下水水化學(xué)組成空間插值結(jié)果,發(fā)現(xiàn)青海湖沙柳河流域地下水水化學(xué)組成空間分布呈區(qū)域分布,將其主要?jiǎng)澐譃?塊區(qū)域,即北部區(qū)(A)、中部區(qū)(B)、南部區(qū)(C)、河口三角洲地區(qū)(D)。

2.1 1月份地下水陰陽離子空間分布

圖2 1月份青海湖沙柳河流域地下水陰陽離子濃度空間分布

2.2 6月份地下水陰陽離子空間分布

圖3 6月份青海湖沙柳河流域地下水陰陽離子濃度空間分布

2.3 10月份地下水陰陽離子空間分布

圖4 10月份青海湖沙柳河流域地下水陰陽離子濃度空間分布

2.4 地下水pH值和TDS濃度空間分布

研究期內(nèi)青海湖沙柳河流域地下水pH值和TDS濃度空間分布結(jié)果顯示(圖5),地下水pH值在6.99～8.75間變化,1、6、10月份地下水pH平均值分別為7.82、7.59、7.57,為弱堿性水。TDS濃度變化范圍為167～379 mg/L,1、6、10月份地下水TDS平均濃度分別為279、277、276 mg/L。在空間分布上,1、6、10月份地下水pH值高值區(qū)在逐漸減小,其空間變化主要由南部區(qū)向中部區(qū)逐漸增大,北部和河口三角洲地區(qū)無明顯變化(圖5中的(a)、(b)、(c));各月間地下水TDS濃度空間變化主要集中在中部區(qū),其他地區(qū)無明顯變化。6月份中部區(qū)地下水TDS濃度高值區(qū)分布范圍明顯擴(kuò)大(圖5(d)),1月份和10月份基本保持不變(圖5(e)、圖5(f))?？傮w上,青海湖沙柳河流域地下水pH值和TDS濃度空間分布表現(xiàn)為自流域北部向河口增大,由河口向河口三角洲遞減的特點(diǎn)。

圖5 典型月份青海湖沙柳河流域pH值與TDS濃度空間分布

3 討 論

3.1 青海湖沙柳河流域地下水化學(xué)組成空間分布的異同比較

表2 青海湖流域與沙柳河流域地下水主要水化學(xué)組分濃度

3.2 巖石分化和人類活動(dòng)對(duì)流域地下水水化學(xué)的影響

地下水化學(xué)組分空間分布主要受大氣降水、氣溫、離子交換、巖石風(fēng)化和人類活動(dòng)的影響[12-13,22]。根據(jù)已有研究,青海湖流域地下水水化學(xué)組成主要受巖石風(fēng)化[12-13,23]影響。

3.2.1 巖石分化的空間異同對(duì)地下水離子組分的影響

圖6 1、6、10月份青海湖沙柳河流域地下水離子濃度比空間分布

綜上,研究期內(nèi)地下水Na+和K+來源以鹽巖溶解和硅酸鹽礦物共同作用為主,1月份與6月份南部區(qū)和河口三角洲地下水Na+和K+由巖鹽溶解獨(dú)立控制其來源;Ca2+和Mg2+僅在1月份來源于硫酸鹽礦物的風(fēng)化溶解較多,其余兩月均以碳酸鹽和硅酸鹽礦物風(fēng)化溶解為主,研究區(qū)Ca2+和Mg2+來源受碳酸鹽和硅酸鹽礦物風(fēng)化控制的區(qū)域擴(kuò)大,并且在河口三角洲受碳酸鹽礦物風(fēng)化獨(dú)立控制的區(qū)域呈“先大后小”的特點(diǎn);(Ca2++Mg2+)與(Na++K+)的濃度比值大致呈現(xiàn)由北向南遞減,由北向南碳酸鹽風(fēng)化作用減弱,硅酸鹽風(fēng)化控制作用增強(qiáng),并且在10月份研究區(qū)內(nèi)風(fēng)化強(qiáng)度要高于其他2個(gè)月。

3.2.2 人類活動(dòng)對(duì)地下水水化學(xué)組分的影響

圖7 青海湖沙柳河流域地下水NO3-與Na+濃度比和Cl-與Na+濃度比之間關(guān)系

3.2.3 氣溫和降水對(duì)于地下水水化學(xué)組成的影響

本研究結(jié)果表明,Ca2+、HCO3-月均濃度及(Na++K+)與Cl-、(Ca2++Mg2+)與(Na++K+)月均濃度比表現(xiàn)出基本一致的變化趨勢(shì),總體表現(xiàn)為Ca2+、HCO3-月均濃度以及(Na++K+)與Cl-、(Ca2++Mg2+)與(Na++K+)月均濃度比波動(dòng)增加;月均pH值、月均TDS濃度、(Ca2++Mg2+)與(HCO3-+SO42-)月均濃度比表現(xiàn)出基本一致的變化趨勢(shì),總體表現(xiàn)為隨氣溫升高、降水量增加,月均pH值、月均TDS濃度、(Ca2++Mg2+)與(HCO3-+SO42-)月均濃度比呈現(xiàn)平穩(wěn)減少的態(tài)勢(shì)。這主要是受沙柳河流域氣溫和降水影響,氣溫與降水對(duì)巖石風(fēng)化等作用影響地下水離子濃度的效應(yīng)不明顯,之后地下水在消融期和多雨期得到充分補(bǔ)給[10,17],Ca2+、HCO3-月均濃度在10月份明顯增加。月均pH值與月均TDS濃度平穩(wěn)減少則是由于溫度的升高導(dǎo)致冰雪融化和降水增多帶來的稀釋作用[33]。

4 結(jié) 論

本文利用青海湖沙柳河流域地下水水化學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù),揭示了青海湖沙柳河流域地下水離子濃度的空間分布及離子來源的空間變化,得出如下結(jié)論:

(1)青海湖沙柳河流域地下水多數(shù)離子濃度、pH值和TDS濃度呈現(xiàn)出由北向南逐漸匯聚的空間分布特征。

(2)青海湖沙柳河流域地下水陽離子主要來源于巖石風(fēng)化的作用。流域中上游地下水水化學(xué)組成主要受碳酸鹽巖風(fēng)化控制,并存在一定的硅酸鹽風(fēng)化作用,下游地下水水化學(xué)組成受硅酸鹽巖風(fēng)化影響明顯。

(3)人類生活排放對(duì)青海湖沙柳河流域南部區(qū)地下水存在輕微的影響,其影響可忽略不計(jì)。