“十三五”库车河流域地表天然水化学特征及水质变化趋势探究

赵文斌

(新疆阿克苏水文勘测局水环境监测分中心,新疆 阿克苏 843000)

1 流域概况

1.1 库车河流域地理位置

库车河流域位于中天山南麓,东与迪那河毗邻,西与黑孜河接壤,南与塔里木盆地北缘相连,北与开都河以天山为界,地理座标介于东经82°40′～83°51′,北纬41°2′～42°38′之间,流域总面积为5 070 km2。兰干水文站处修建库车河引水枢纽,河水依西哈拉龙口,几乎全部引进输水总干渠,用于农田灌溉。依西哈拉龙口以下是一个20余千米长的卵砾石锥形洪积扇,库车河通过洪积扇呈漫流状态,已无明显河道。库车河的退洪河道是喀让古沟,安全泄洪量约400 m3/s,它向东南消失于荒漠戈壁[1]。本文选取库车河流域代表性水质站点兰干水质断面地理坐标东经83°03′53″北纬41°53′59″评价河长122 km,辅助水质站点依西哈 拉站断面地理坐标东经83°04′09″北纬42°26′01″,该断面评价河长99.6 km。详见表1。

表1 库车河流域水质站基本信息一览表

1.2 库车河流域地形、地貌

库车河流域总的地形态势为北高南低,中部稍有隆起。流域以却勒塔格山为界,划分为山地和平原两大基本地貌单元。却勒塔格山以北为山区,以南为库车河冲积平原区,山区面积约2 946 km2,平原区面积约2 124 km2。库车河山区地貌形态较复杂。库如力以上中、高山区,海拔高程在2 000 m以上,基岩裸露,山体高大、陡峭,顶峰长年积雪;最高峰位于天山山脉中段科克铁克山主山脊,海拔高程4 505 m;此外,数座山峰在4 300 m以上,部分山谷阴坡有成片云杉林;河谷狭窄,多弯道。库如力以下低山区,河谷宽敞,阶地发有,间有山间洼地,荒山秃岭,谷地覆盖深厚的第四纪松散沉积,山间盆地最低点海拔1 800 m左右。库车河冲积平原区西北向东南倾斜,末端与塔里木盆地北缘相连,平原区最低点海拔约为938 m。

1.3 库车河流域河流洪水特性

库车河,又名苏巴什河,史书称东川水,发源于天山山脉中段的科克铁克山莫斯塔冰川。上游干流称为乌什开伯西河。阿恰沟及大小龙池池水在库尔干汇入乌什开伯西河后始称库车河。从源头至库尔干河流呈西北-东南走向;库尔干至库如力河流基本呈南北向;至库如力河流接纳东岸大支流科格纳克河后,转向南偏西,在库台克力克(阿艾)与西岸大支流卡尔塔西河交汇,连续两次转弯后南下经康村,穿过却勒塔格山,抵达库车县平原区。该河为冰雪融水型和暴雨混合型河流,洪水一般发生在7-8月初,根据多年实测流量数据对比分析得出,实测系列洪峰峰值在300 m3/s以上的较大洪水,其主峰段由暴雨形成,强降雨是导致库车河大洪水的主要原因,暴雨洪水具有陡涨陡落、峰值高、洪水历程短、以及洪水过程呈现单峰的特点,根据统计分析洪峰峰值超过300 m3/s的暴雨洪水,峰值为起涨量的7～30倍,洪水历时最长者约48 h,最短者仅仅11.5 h,多数在1 d左右。

1.4 流域气温及大气压强状况

多年年平均气温11.4℃,平均气温最高值出现在7月温度为25.7℃,平均气温最低值出现在1月温度为-7.9℃;多年平均最高气温出现在7月温度为37.3℃,最高气温年平均温度为23.4℃;多年平均值25.7℃;多年平均最低气温出现在1月温度为-16.5℃,最低气温年平均温度为-2.5℃;历年极端最高气温达41.5℃(1956年7月25日);历年极端最低气温-27.4℃(1955年1月3日)。兰干站气象要素详见表1。

1.5 流域降雨及蒸发情况

据库车市兰干水文站资料统计,该站多年年平均降水量69.4 mm,持续最大四个月(6-9月)降雨量占终年总的降雨量62.7%,最大降水量出现在6月,占终年降雨量的20.9%,最小降雨量出现在12月,仅占终年降雨量的1.9%;多年年平均蒸发量1 598.2 mm,持续最大四个月(5-8月)蒸发量占终年总的降雨量60.2%,最大蒸发量出现在7月,占终年蒸发量的16.2%,最小蒸发量出现在1月,仅占终年蒸发量的0.97% 。详见表2。

表2 兰干站年、月平均气温及大气压强一览表

表3 兰干站年、月平均降雨量及平均蒸发量一览表 mm

1.6 流域水文气象

库车河流域地处中天山南麓,远离海洋,属于大陆性暖温带干早气候。两大基本地貌单元的气候具有明显的差异。总体上讲,气候特征为:北部山区气候温凉,热量不足,空气湿度相对较大,降水相对充沛,无霜期较短;南部平原热量丰富,无霜期长,光照充足,降水稀少,空气干燥。

2 库车河流域地表水化学类型特征分析

对库车河中游兰干水质监测断面和库车河下游伊西哈拉水质监测断面“十三五”期间(2016-2020年)地表水水质监测数据进行水化学特征分析。本次水化学类型评价采用阿列金分类法作为标准。总硬度和矿化度的评价依据《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007)作为标准[2]。

2.1 水化学类型

库车河流域天然水质主要受气候、径流补给、地质等因素的影响。新疆阿克苏地区库车市由于特定的地理位置和地形条件,形成了降水、径流的不同分布规律,因此区域内河流天然水质随气候、区域、径流、地质、环境条件以及人类活动等因素影响,呈明显的地带性分布规律和季节性变化特点。

评价以钾、钠、钙、镁、重碳酸盐、碳酸盐、氯化物、硫酸盐等项目的含量,采用阿列金分类法划分水化学类型,并调查分析矿化度及总硬度的变化规律。通常以水体中溶解的离子总量、pH值和水化学类型描述水体的水化学特征。通过对库车河流域兰干水文站和伊西哈拉两个水质断面“十三五”期间(2016-2020年)五年水质资料进行系统分析,库车河流域天然水化学类型状况较好,库车河兰干站水质水化学类型属于硫酸盐类钙组Ⅱ型。水阴离子以硫酸根为主,阳离子以钙离子为主,依西哈拉站水化学类型硫酸盐类钙组Ⅲ型,水阴离子以硫酸根为主,阳离子以钙离子为主。水质类型随着兰干河水分流,沿程矿化度及总硬度明显增加,从硫类钙组Ⅱ类变为硫类钙组Ⅲ类。详见表4、表5。

表4 库车河兰干站水质监测站水化学参数及类型统计 mg/L

2.2 总硬度与矿化度

水的硬度主要是指水中钙离子和镁离子的总和,以碳酸钙表示。参照《技术规程》,按照地表水中总硬度含量的大小,将总硬度划分为极软水、软水、适度硬水、硬水和极硬水五个级别,总硬度等值线值为:25 mg/L、55 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、300 mg/L、450 mg/L。

矿化度是水中所含无机矿物成分的总量。参照《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007)(以下简称“技术规程”),根据水体中矿化度的多少,按下列标准划分为低矿化度、较低矿化度、中等矿化度、较高矿化度及高矿化度五级。矿化度等值线值为:50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、500 mg/L、1 000 mg/L。

库车河流域地表水河流矿化度含量均在650 mg/L左右,矿化度四级,总硬度含量均在300 mg/L左右,总硬度四级,属于较高矿化度硬水。阿克苏地区库车市地表水的矿化度及总硬度较高,天然水化学成分含量较高,这与该地区的气候环境是分不开的,该地区属于干旱的内陆沙漠性气候,夏季炎热,冬季寒冷,四季分明,降水稀少,蒸发剧烈,空气干燥,导致该地区天然水化学成分含量较高。

表5 库车河依西哈拉站水质监测站水化学参数及类型统计

3 库车河地表天然水趋势分析

Mann-Kendall趋势检测方法是一种非参数统计检验法,也被称为无分布检验法。对流域河流流量一年又一年的重复监测,发现河流流量具有周期性变化,同时河流水质组分及含量受到流量的周期性变化的影响。所以,季节性肯达尔趋势检测定义为水质资料在历年相同月份间的比较,充分避免了河流水质受到流量季节性变化的影响,所得检验结果更具可比性;因为数据比较只考虑数据相对排列而不考虑其大小,所以能避免水质资料中常见的漏测值问题,也使奇异值对水质趋势分析影响降到最低限度。因此,Mann-Kendall检验方法更适合于流域河流水质数据的特征,Mann-Kendall检测方法广泛应用于水文时间序列趋势和突变分析[3]。根据兰干水文断面的水质特点,能考虑到反映流域内自然环境因素及人为影响,选择溶解氧、五日生化需氧量、总硬度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、镉和挥发酚8项参数进行趋势检验。

采用Mann-Kendall趋势分析法对兰干水质断面五年监测数据进行水质趋势分析,溶解氧、五日生化需氧量、总硬度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、镉和挥发酚8项参数中,溶解氧呈现出高度显著上升趋势,氨氮和高锰酸盐指数呈现出明显上升趋势,其余项目无明显升降趋势。

表6 库车河水文断面水质趋势检验成果表

4 结语

库车河流域兰干站水质水化学类型属于硫酸盐类钙组Ⅱ型,下游依西哈拉站水化学类型硫酸盐类钙组Ⅲ型。库车河流域地表水河流矿化度含量均在650 mg/L左右,矿化度四级,总硬度含量均在300 mg/L左右,总硬度四级,属于较高矿化度硬水。通过Mann-Kendall趋势检测方法可以得出氨氮及溶解氧均有上升的趋势,水中溶解氧呈现出上升趋势表明水中溶解氧含量增加了,水体自净能力强。氨氮及高锰酸盐指数呈现出明显上升的趋势,主要原因是沿程村庄生活污水排入引起氨氮污染的趋势氨氮含量由2016年的0.140 mg/L、到2017年的0.227 mg/L、到2018年的0.167 mg/L、到2019年的0.151 mg/L,氨氮虽然有明显上升趋势,但是含量并没有超出地表水评价标准Ⅱ类水标准。同时造成高锰酸盐指数有明显上升的趋势,高锰酸盐指数由2016年的1.2 mg/L、到2018年的1.9 mg/L、到2019年的1.4 mg/L、到2020年的1.6 mg/L,高锰酸盐指数虽然有明显上升趋势,但是含量并没有超出地表水评价标准Ⅰ类水标准。总体来说库车河流域天然水化学类型状况较好,可以作为农田灌溉用水、一般工业用水的水源。