博尔塔拉河上游河谷地区水化学特征及水质评价

丁启振， 雷 米， 周金龙， 张 杰， 徐东升

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆水文水资源工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830052；3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052；4.南宁师范大学地理科学与规划学院，广西南宁 530100；5.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

水是生命之源、生产之要、生态之基［1］。新疆位于我国西北干旱区，水已成为环境与发展最大的限制因子［2］。区域水质的优劣和水环境质量，直接受水中各化学组分的含量及赋存形态影响［3］。因此，开展地下水和地表水水化学特征研究及水质评价对区域水资源管理、生态环境保护和经济可持续发展具有重要意义。

针对干旱区，国内外学者在地下水和地表水的水化学特征研究及水质评价等方面已开展了大量研究工作，Ma等［4］对咸海盆地锡尔河上游及其支流进行分析，表明河流中离子组分主要来源碳酸盐的溶解，所取水样水质优良，灌溉适宜性较好；Malik等［5］研究得出印度Sardarshahar Tehsil地下水水化学主要受硅酸盐风化控制，其次是受蒸发盐溶解、碳酸盐溶解和阳离子交换过程的影响；所取水样中，不适合饮用的水样占比10%；学者们对我国西北干旱区水化学特征也进行了一定的研究，如：青海省柴达木盆地［6］、甘肃省疏勒河［7］、新疆艾比湖流域［8］和叶尔羌河流域［9］，研究表明水化学特征的主控因素包括水岩作用和蒸发结晶作用，其中水岩作用占主导地位。

博尔塔拉河（以下简称“博河”）上游河谷地区位于新疆温泉县境内，属博河流域。温泉县的饮用水源主要为地下水，农业灌溉水源多取自博河。博河水质直接关系居民生活饮用水安全、农业灌溉水安全和经济社会发展。此外，博河也是艾比湖重要的补给河流，艾比湖作为新疆乃至西北地区重要的生态屏障，目前面临诸多生态问题，已成为社会各界关注的焦点［10］。雷米等［11-12］通过运用同位素技术研究得出博河上游地段浅层地下水与河水转换频繁，因此，全面了解和掌握博河上游河谷地区地下水和地表水水化学特征及水质状况显得尤为重要。

以往针对温泉县水化学特征与水质评价的研究集中于地表水［11,13］，涉及地下水的相关研究较少，且研究区多为整个博河流域，尺度较大。本文基于36组水样数据运用Piper图、相关性分析、Gibbs图和离子比值等方法探究水化学特征及影响因素，采用当前应用较广泛的熵权-贝叶斯水质评价模型［14］、Wilcox图和USSL图［15］等方法评估水质状况，以期为温泉县地下水和地表水资源管理及水环境保护提供可靠支撑，为艾比湖生态环境的管理与维护提供一定参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

博河发源于别珍套山和阿拉套山汇合处的洪别林达坂，尾闾湖为艾比湖，流域面积约11367 km2，全长252.0 km，河网密度0.176，为东西流向，河道平均坡降10‰～8.3‰，多年平均径流量3.189×108m3（温泉水文站1960—2018 年资料）。博河上游河谷地处天山北麓西段，准噶尔盆地西缘，具有三面环山、一面开阔呈喇叭状的地形特点；地势西高东低，向东、北东倾斜。

选取博河上游温泉县平原区为研究区（图1），位于80°32′～81°45′E，44°50′～45°07′N 之间。该区属中温带大陆性干旱、半干旱气候区，具有冬暖夏凉、昼夜温差大等特点，多年平均气温3.5 ℃，多年平均蒸发量1554.9 mm，多年平均降水量225.6 mm［11］。区内河床两岸阶地多出露第四系全新统（Q4）冲洪积物，地层岩性主要为粗砂含砾；冲洪积平原中部主要出露上更新统（Q3）冲洪积物，地层岩性主要为砂卵砾石；南部近山前埋深＞70 m区域处露下-中更新统（Q1+2）冰水堆积物［16-17］。研究区多赋存单一结构孔隙潜水，补给来源主要为河道水入渗、山区洪水入渗、渠系水入渗和灌溉水入渗等；排泄方式以侧向径流、潜水埋深＜6 m 区域蒸腾蒸发、人工开采和泉水溢出为主。以温泉县城为界，县城以西地下水流向同博河流向基本一致，地下水埋深范围为20～100 m，埋深沿地下水流向逐渐减小；县城以东地下水由博河两岸山前向主河道汇聚，地下水埋深范围为0～100 m，自山前向主河道中心埋深逐渐减小。

图1 研究区及采样点分布示意图Fig.1 Distribution of sampling points in study area

1.2 地下水采样及测试

2021年4月在研究区共采集水样36组（机井水23组、泉水6组、河水7组），采样点分布见图1。pH由哈纳（HANNA）HI98121 笔式测定仪测定，仪器精度±0.02。取样前，聚乙烯瓶用所取水样润洗3 次，水样过滤采用0.45 μm 的醋酸纤维滤膜，加硝酸酸化至pH＜2 的水样用于阳离子分析，贴好标签密闭冷藏保存。

1.3 研究方法

1.3.1 数据分析 取样点分布图和水化学类型分区图（运用普通克里金插值方法）由ArcGIS 10.2绘制，运用Orign 2017 绘制剩余图件，运用SPSS 20.0 进行相关性分析，部分数据的统计与分析由Excel完成。

1.3.2 熵权-贝叶斯水质评价

（1）熵权法计算权重系数

熵权法考虑到不同指标的相对重要性，客观计算指标权重，尽量消除各因素权重主观性，更符合实际［18］。基本原理是通过指标变异性的大小来确定权重。一般认为，信息熵越大，表明变异程度越小，提供的信息量越少，其权重就越小；相反，信息熵越小，其权重越大［14］。计算步骤如下［18］：

①构造m个评价对象、n个评价指标的判断矩阵T=（tij）m×n(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)。

②判断矩阵归一化处理，得到归一化矩阵B=（bij）m×n(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)。其中，越小越优型的指标，公式如下：

越大越优型的指标，公式如下：

式中：tij表示第m个评价对象第n项指标实测值。

③指标熵（Hi）的计算，公式如下：

（2）贝叶斯水质模型

在贝叶斯原理的基础上，将传统贝叶斯水质模型引用至水质评价，并改写为公式（5）［19］。

式中：yji表示水质等级值；xj表示实测水质指标值；i表示水质分级；j表示指标选取个数。

（3）贝叶斯水质评价步骤

①计算水质等级的先验概率P(yji)。一般认为，所测水样属于任一等级的概率相等，即：P(yj1)=P(yj2)=P(yj3)=P(yj4)=P(yj5)=1/5。

②基于实测指标与标准指标间距离绝对值（Lji）的倒数，采用几何概率中距离法计算P(xj|yji)，公式如下：

式中：Lji=|xj-yji|（j=1,2,3;i=1,2,…,5）。

③计算综合后验概率，公式如下：

④根据最大概率原则确定水质所属类别，即Ph=maxPi，i=1～5，Ph表示最大综合后验概率。

1.3.3 灌溉水水质评价 在进行灌溉水质评价过程中，需要钠吸附比（SAR）和钠百分比（SSP）2个评价参数。SAR是反映灌溉水或土壤溶液中钠相对含量的1个重要参数，可用来衡量灌溉水所引起的土壤盐碱化程度［20］。土壤吸附Na+的能力可随SAR 值的增大而减弱，土壤结构团粒结构从而遭到破坏，降低土壤渗透性［21］。计算公式如下：

式中：离子单位均为meq·L-1。

钠百分比（SSP）也是反映灌溉水盐碱害的重要参数之一，SSP 升高，土壤渗透性变差，会减缓作物生长［22］。计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 水化学特征分析

2.1.1 水化学特征参数统计特征 由表1 可知，研究区机井水、泉水和河水整体表现出弱碱性，pH 介于7.31～8.68之间，均值7.88；3种水体的TDS均值均＜1000 mg·L-1，为淡水，其中河水的TDS 均值为156.52 mg·L-1，高于115 mg·L-1（世界河流平均值）［23］；相关研究表明，某一水体与可溶矿物接触时间越久，其TDS 值越大［24］，机井水、泉水和河水中TDS 均值依次减小，表明其更新速率可能依次增加；根据TH均值区分水体的软硬程度，机井水和泉水分别属于微硬水（150 mg·L-1＜TH＜300 mg·L-1）和软水（75 mg·L-1＜TH＜150 mg·L-1），河水属于软水（55 mg·L-1＜TH均值＜150 mg·L-1）。

表1 水化学特征参数统计Tab.1 Statistical results of water chemical characteristic parameters

2.1.2 水化学类型及空间分布特征 由图2 可知，研究区内机井水、泉水和河水的阳离子集中分布于三角图的左下方靠近Ca-Na 线附近，Ca2+是主要离子；阴离子集中分布于三角图左下方靠近HCO3-SO4线附近，为主要离子。大多数河水点被机井水点、泉水点包围，表明机井水、泉水和河水之间存在较为密切的水力联系。机井水、泉水的主要水化学类型均为HCO3-Ca 型，河水的水化学类型以HCO3-Ca 型和HCO3·SO4-Ca·Na 型为主。在阴、阳离子三角图中靠近HCO3一侧与靠近Ca-Mg 一端均表示为碳酸盐岩风化区［25］。由此推断，研究区内水化学主要受碳酸盐岩风化影响。

图2 水化学Piper三线图Fig.2 Piper trigram of hydrochemistry

由图3可知，整体上河水中除HCO3-和Ca2+沿程变化表现为连续增加外，其余组分均呈波动增加趋势，与玛尔胡拜·牙生等［13］研究得出的结论基本一致。S1-S2-S7-S3 段，除TDS 和HCO3-明显上升外，剩余离子变化均表现为相对平稳；S4-S6段，所有组分均表现为连续增加，其中TDS 表现为急剧增加。S4-S6 段河水TDS 均值为199.82 mg·L-1，机井水和泉水TDS均值分别为224.13 mg·L-1和218.15 mg·L-1，TDS急剧增加的原因可能是河水受到机井水或泉水的补给［26］。

图3 博河上游沿程取样点组分含量变化Fig.3 Composition changes at sampling points along Bortala River

由图4可知，呼哈托哈种畜场、安格里格镇和扎勒木特乡西部广泛分布HCO3型水；哈日布呼镇、塔秀乡、昆得仑牧场东部、查干屯格乡局部和温泉县城区及其北部主要分布HCO3·SO4型水。温泉县城以西，补给径流条件好，水化学类型主要为以溶滤作用为主的HCO3型；温泉县城以东博河两岸水化学类型差异明显，北岸水化学类型以HCO3·SO4型为主，南岸水化学类型主要为HCO3型水。

图4 地下水水化学类型分区Fig.4 Zoning map of groundwater hydrochemical types

2.2 水化学成因分析

表2 水体中主要水化学组分相关性Tab.2 Correlation statistics of main hydrochemical components in water body

2.2.2 Gibbs 图分析 由图5 可知，图中被划分为岩石风化、大气降水和蒸发-结晶3 个端元，大气降水端元附近无取样点分布，说明区内气候干旱，稀少的大气降水所能带来的可溶性离子可忽略不计［9］。大部分取样点均落入虚线内部，且分布在岩石风化端元附近，少量机井水和河水取样点分布在线外，表明研究区内水化学主要由岩石风化作用控制。总体来看，岩石的风化溶解为研究区内水化学特征的主控因素。

图5 研究区水体Gibbs图Fig.5 Gibbs diagram of water body in the study area

2.2.3 离子比值分析 离子比值可进一步确定不同岩石风化对水化学组分的影响［31］。从图6 可知，研究区机井水、泉水和河水的水化学径流组成介于碳酸盐岩流域与硅酸盐岩流域之间，且偏向碳酸盐岩流域。表明区内水体主要受碳酸盐岩石风化影响。

图6 水体离子比值端元图Fig.6 End-member diagram of water body

2.3 水质评价

由表3 可知，研究区适合饮用的（Ⅰ和Ⅱ类）机井水的水样点有9 个（占比39.1%）；基本适合饮用的（Ⅲ类）机井水的水样点有6 个（占比26.1%）；适当处理后适合饮用的（Ⅳ类）机井水的水样点有4个（占比17.4%）；不适合饮用的（Ⅴ类）机井水的水样点有4个（占比17.4%）。适合饮用的泉水的水样点有3 个（占比50.0%）；基本适合饮用的泉水的水样点有1 个（占比16.7%）；适当处理后适合饮用的泉水的水样点有2个（占比33.3%）。从研究区水质评价的总体结果来看，研究区内泉水相比机井水而言更适合饮用。

表3 饮用水水质评价结果Tab.3 Assessment results of drinking water quality

图7 水体中主要离子比例关系Fig.7 Proportion relationship of main ions in water body

另外，不适合饮用的水样点分布在呼和托哈种畜场、昆得仑牧场和查干屯格乡。其中，呼和托哈种畜场机井水主要受超标严重的影响，昆得仑牧场和查干屯格乡机井水主要受Fe、F-和超标严重的影响。温泉县经济以农牧业为主，NO-3超标可能主要来源于动物粪便、农药化肥过量施用和生活污水排放［37］。冯翠娥等［38］研究得出，当发育有漫滩相沉积物或在地势低洼和地下水的排泄地带，地下水中Fe、F-离子易发生富集。昆得仑牧场和查干屯格乡地下水埋深较浅，且超标点主要位于博河沿岸滩地，由此推断F-、Fe 的超标可能与自然地质环境有关。

2.3.2 灌溉水水质评价 为综合表征灌溉水的盐害和碱害，采用USSL 图和Wilcox 图对灌溉水水质进行图解分类（图8）。USSL 图的横、纵坐标分别为25 ℃时EC值（盐害）和SAR（碱害），被划分为4×4个区域，水质从下至上、从左至右逐渐变差。Wilcox图的横、纵坐标分别为25 ℃时EC 值（盐害）和SSP（碱害），图8b 被划分为5 个区域，即水质优秀区、水质良好区、水质可接受区、水质保留区和水质不适宜区，水质依次变差。

图8 灌溉水质分类的USSL图（a）和Wilcox图（b）Fig.8 USSL diagram(a)and Wilcox Diagram(b)of irrigation water quality classification

由图8a 可知，5 个机井水、2 个泉水和5 个河水取样点均落入C1-S1区域，17个机井水、4个泉水和2个河水取样点均落入C2-S1区域，只有1个机井水取样点落入C3-S1区域，表明综合SAR 和EC 考虑，区内水样碱度危害低，盐度危害以低、中为主，可用于农业灌溉。由图8b可知，除1个机井水取样点落入水质良好区外，其余取样点均位于水质优秀区，表明综合SAR 和EC 值考虑，区内所有水样水质较好，均可直接进行灌溉。

另外，唯一落入C3-S1 区域的机井水取样点编号为G11，其TDS 值为所取水样中最大，达708.48 mg·L-1（表1），位于哈日布呼镇且远离地表水水源，灌溉多采用地下水。刘宗潇等［39］研究得出，随灌水矿化度增加，土壤总EC值变大，由此推断EC值过高的原因可能是地下水受到灌溉水的渗入补给。

3 结论

以博河上游河谷地区地下水（机井水、泉水）和地表水为研究对象，运用水化学的相关理论和方法对水化学特征进行分析，并采用熵权-贝叶斯水质评价模型对区域水质进行评价，得出如下结论：

（1）研究区机井水、泉水和河水整体为弱碱性淡水，TH、TDS、NO-3和F-含量均值均表现为：机井水＞泉水＞河水，机井水属于微硬水，泉水和河水属于软水。博河上游水中各组分含量沿程呈增加趋势，TDS均值为156.52 mg·L-1，高于115 mg·L-（1世界河流平均值）。

（3）饮用水水质评价结果显示，区内82.6%的机井水和100%的泉水适合饮用或基本适合饮用或适当处理后适合饮用，泉水相比机井水而言更适合饮用。灌溉水的水质评价结果发现，区内河水、机井水和泉水的水质优，灌溉适宜性较好。

（4）区内地表水、地下水联系密切，水化学特征的形成主要受控于岩石风化作用，水化学组分主要来源于碳酸盐岩风化，且存在蒸发盐岩溶解，阳离子交换作用和人类活动对其也有一定影响。饮用水水质主要受Fe、F-和超标严重的影响，与人类活动和自然地质环境有关；个别地下水的水样点EC 值偏高的原因可能是地下水受到灌溉水的渗入补给。