格尔木河水化学特征及成因

汪生斌,祁泽学,王万平,张国强

(1.青海省环境地质重点实验室,青海 西宁 810007； 2.青海省环境地质勘查局,青海 西宁 810007)

研究流域地表水体离子组成特征及空间分布情况能够揭示流域内相关水文地质特性和人类活动对水体的影响。国内外已经在这方面开展了大量研究，Martin等[1]对世界各大主要河流的离子输送情况进行了汇总分析；依据影响河流中主要溶解物质的化学组分的不同形式，Gibbs[2]将河流的天然溶质分为风化控制、结晶控制以及降水控制3种类型；乐嘉详等[3]分析了我国近500条河流水化学特征及其时空变化规律；陈静生等[4-13]对我国长江、黄河、珠江以及西藏、苏北等进行了较为长期的水化学研究。前人对格尔木河流域地下水水化学特征及演化、区域的地下水流系统及地下水形成的环境演化研究较多[14]。早期，谭红兵等[15]对格尔木河水化学特征进行了研究，唐启亮等[16-18]也进行了相关研究。在空间尺度上，研究包括针对格尔木河中上游[5,16]、中下游[17]及全河流段[19]的水化学分析，但分析的水化学组分尚不具有系统性。因此，本文对格尔木河2019年沿程水化学情况进行分析，探讨其水化学沿程变化特征，以期为格尔木地区水资源的合理开发和利用提供参考。

1 研究区概况

格尔木河位于柴达木盆地南缘,发源于柴达木盆地南部的昆仑山，流经格尔木市，最终汇入中国最大的钾盐基地——察尔汗盐湖。流域位于东经 94°25′～95°19′，北纬36°09′～37°07′，自南向北延伸。作为柴达木盆地最大的河流之一，格尔木河既是格尔木市重要的供水水源地，又是盐湖区成盐物质的重要补给源，同时也涵养着中下游的植被生态和农业，兼具资源、经济和生态多重功能。雪水河和昆仑河是格尔木河两条主要的补给河流，流经冲洪积平原至溢出带后以泉集河的形式溢出地表，主要的泉集河有格尔木东河、格尔木西河、红旗河、金水河、巴水河、清水河等。格尔木河水系如图1所示。流域内气候高寒干旱，少雨多风，日照时间长，昼夜温差大，属典型的高原内陆盆地干旱气候。多年平均气温4.88 ℃,多年平均降水量42.29 mm，多年平均蒸发量2 626.94 mm，相对湿度35%。

图1 格尔木河水系与采样点位置Fig.1 River system and location of collectedwater samples of the Golmud River

2 研究方法

为研究格尔木河整个河流的水化学特征以及主要离子来源，沿着西大滩的冰川融水途径三岔口与纳赤台、昆仑河与雪水河的交界点，由此向北穿过格尔木市，直抵察尔汗盐湖，取样路径全长约 187 km。采样的时间段为2019年7—8月，共采集33组水样(图1)。严格按照取样规范将采集的水样密封保存后送青海省环境地质重点实验室，检测各主要阴阳离子的浓度。根据格尔木地区的水文地质条件，结合水样的测试结果，利用Piper三线图解法和Gibbs图解法分析格尔木河的水化学特征。

3 结果与分析

3.1 主要离子的沿程变化特征

(a) 主要阳离子

(b) 主要阴离子图2 格尔木河主要离子沿程变化Fig.2 Trend of main ions along the Golmud River

a. 主要阳离子沿程变化。①Na+质量浓度：在河水源头为6.88 mg/L、出山口为55.10 mg/L、山前冲洪积扇为62.96 mg/L、溢出带前缘为91.64 mg/L，自溢出带以北，Na+质量浓度急剧增加，由盐沼平原区 423.16 mg/L 至入湖口增加到996.32 mg/L；②Ca2+质量浓度：在出山口为40.48 mg/L、山前冲洪积扇为37.47 mg/L、盐沼平原区为82.55 mg/L、入湖口为75.04 mg/L；③Mg2+质量浓度：沿程变幅小于Na+，但整体亦呈现上升趋势。

3.2 水化学类型分析

自山区至达布逊湖，格尔木河水的水化学类型逐渐由单一变为复杂，为能较为准确地描述水化学类型的沿程变化情况，利用Piper三线图解法，绘制Piper三线图进行分析，结果见图3。

(a) 主要阳离子

(b) 主要阴离子图3 格尔木河主要离子Piper三线图Fig.3 Piper diagram of major ions in the Golmud River

由图3可知，山区格尔木河源头(冰川融水)的水化学类型为HCO3-Ca-Mg型，至山前格尔木河上游(昆仑河与雪水河的交界处)变为HCO3-Cl-Na-Ca-Mg型，出山口处变为HCO3-Cl-Na-Mg-Ca型，河流中下游溢出带附近变为Cl-HCO3-Na-Mg型，溢出带以北至盐沼平原带水变为Cl-SO4-Na-Mg型，再向北至盐湖入湖口变为Cl-Na型，可见格尔木河水体沿程水化学类型呈现明显的分带性。

4 水化学成因分析

4.1 河水中主要离子的Gibbs图

(a) ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)与ρ(TDS)关系

根据Gibbs图的分析结果，可将格尔木河河水离子分为盐分溶滤带、盐分堆积带以及盐分过渡带。各带特征分别为：①盐分溶滤带地面坡度大，河床沉积物矿物成分以方解石、白云石为主，因此河水与河床之间的溶蚀作用较大，加之温度的变化急剧，生物作用、各种地质营力的剥蚀作用和岩石的风化作用成为影响此带水化学特征的主要因素；②盐分堆积带地形较为平坦(地面坡度小于3‰)，水动力条件较差，土壤颗粒较细，潜水埋深较浅(小于 2 m)，气候干旱，蒸发作用强烈；③盐分过渡带水化学影响因素介于岩石风化与蒸发浓缩之间。山前戈壁区-冲洪积扇区-冲湖积平原区总体规律为：在山前戈壁砾石区以及冲洪积平原区，格尔木河河水的水化学过程主要为水岩反应以及Ca2+的溶解，且随着地面坡度的降低其过程逐渐减弱；至冲湖积平原区，河水的水化学特征主要为地下水位埋深变浅，蒸发作用加强，土壤盐渍化增加，土壤中的Na+析出，蒸发浓缩作用强烈。

4.2 河水中主要离子的溯源分析

表1 河水中主要离子的相关系数Table 1 Correlation coefficient of major ions in river

图5 格尔木河河水中主要离子的相互关系

5 水化学对水文地质条件的指示意义

水化学成分的形成是地表水与周围环境长期作用的结果，影响因素众多，主要分为溶滤作用、蒸发浓缩作用、阳离子胶体吸附作用以及地貌气象等外界环境作用。由上述分析可知，格尔木河冲洪积扇区水化学成分主要为溶滤作用和蒸发浓缩作用共同影响的结果。

溶滤作用主要发生在高山区，地层以元古界为主，岩性多为灰岩、砂岩、片岩、泥岩等，河水主要来源于南部降水和冰雪融水，该区域水力坡度大，岩水交替强烈，河水在径流过程中与硅酸盐岩、碳酸盐岩以及硫酸盐岩等相互溶解，故而水化学作用主要以溶滤作用为主，形成了大部分ρ(TDS)<500 mg/L的HCO3-Ca(Ca·Na)和HCO3·SO4-Ca(Ca·Na)型水。细土平原区地貌主要以第四纪冲湖积和湖积平原为主，岩性多为淤泥和黏土，垂向的水循环占主导，该地区主要成分为芒硝及盐类等，可能发生的溶滤作用化学式见式(1)，作用后形成高矿化度的 Cl·SO4-Na·Mg 和Cl-Na型水。溶滤作用是山区地下水水化学成分形成的主要作用之一。

(1)

人类活动主要通过排放废污水和改变地下水的形成条件来影响地下水的水化学成分。从本次取样结果来看，格尔木地区地下水水质总体良好，受人类活动干扰较小。研究时段格尔木河的水化学组分及水化学类型与谭红兵[15]及杜仲谋等[18-19]的研究结果相比未发生明显变化。

6 结 论

c. 格尔木河水水化学类型形成与岩石的溶滤作用和蒸发浓缩作用密不可分，且不同区域主次不同，河水源头至出山口以溶滤作用为主，溢出带以北以蒸发浓缩作用为主。人类活动对格尔木河水水化学组分产生的影响较小。