金沟河枢纽处水化学特征演变及影响因素分析

刘婷婷

（新疆金沟河流域管理局水利管理中心，新疆 沙湾 832100）

1 研究区概况

金沟河发源于依连哈比尔尕山北侧科尔达拉河源头的31 号冰川，河流水网发育，呈树状水系，为典型的冰川融雪型补给河流，地势由南向北倾斜，最高海拔5256 m，最低仅300 m 左右。流域地处新疆维吾尔自治区中西部的沙湾县境内，西临八音沟河，南界天山分水岭，北到玛纳斯河，流域总面积2626 km2，其中金沟河出山口以上面积为1688 km2，金沟河引水枢纽位于金沟河出山口处，闸址位于原红山头站下游300 m。从河源至出山口（海拔820 m）主河道长约94 km，平均纵坡46‰。红山头水文站多年平均流量为11.25 m3/s，多年平均径流量为3.55×108m3。

2 研究内容及方法

2.1 研究内容

1964年～2013年金沟河枢纽处7 种离子浓度数据主要来自红山头站和八家户水文站水化学资料，金沟河枢纽两个水文测站总溶解性固体（TDS）通过下式近似计算：

式中：c 为各物理量含量，mg/L。

流域其余测站的总溶解性固体（TDS）直接采用文献值。

2.2 研究方法

阿列金法主要基于离子浓度及比例关系进行天然水体水化学特征的分类与分析。通常情况下，矿化度主要按照［C]＜［S]＜［Cl]，Ca2+＜Mg2+＜Na+，Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ的趋势逐渐增大，其中Ca2++Mg2+代表总硬度，代表总碱度，总硬度与总碱度之比是衡量水体是否因受人类活动影响而发生酸化的参考性指标，若比值≤1，说明石灰岩溶解过程仅受水体中碳酸的影响；若比值＞1，说明石灰岩溶解过程还受到人为酸的影响［1]。本文采用阿列金法进行金沟河枢纽处1964年～2013年水化学类型分类与分析。

Gibbs 图解法将地表水体分为风化控制型、降水控制型和蒸发控制型，若流域水体Na+/ （Na++1/2Ca2+） 值与Cl-/值均不大于0.5，且总溶解性固体（TDS）含量适中，则岩石风化作用是其离子浓度与比例的主要影响因素；而当流域水体Na+/（Na++1/2Ca2+）值与Cl-/（Cl-+值接近1.0，且总溶解性固体（TDS）含量较高时，蒸发作用是其离子浓度与比例的主要影响因素；当流域水体Na+/ (Na++1/2Ca2+) 值与Cl-/（Cl-+值更趋近于1.0，且总溶解性固体（TDS）含量较低时，大气降水补给作用是其离子浓度与比例的主要影响因素［2]。大量研究表明，该方法是了解天然河流离子变化特征趋势及成因的最有效方法之一，故本文运用Gibbs 图解法进行金沟河流域枢纽处水化学特征及自然影响因素的分析。考虑到1964年～2013年金沟河枢纽处主要水文测站离子数据不全，金沟河流域周边产业建设及快速发展主要开始于20 世纪末期，所以在进行总溶解性固体（TDS）含量、离子比例、水化学特征分析时，只分析2000年～2013年的数据。

相关分析法主要探讨有依存关系现象之间的相关程度与相关方向，通常用于随机变量之间相关关系研究，本文应用SPSS 17.0 进行2000年～2013年金沟河枢纽处7 种主要离子浓度与区域内10 项社会经济发展指标的Pearson 相关分析。

3 分析与讨论

3.1 水质、水化学

本次收集到红山头站1964年及1982年水样分析成果和八家户水文站2007年～2008年、2013年水质数据。据分析，金沟河水体比较洁净，现状水质良好，在八家户站断面以上全年各时段水质均可达到Ⅰ类，河流枯水期流量平稳，呈澄清状态，汛期水体呈浑浊状。天然水化学成分在年内有着季节性变化规律。汛期河流水量大，径流主要以融雪、降水补给，水体中各种离子含量较低；枯水期，径流主要靠地下水补给，河流水量小，矿化度增大。根据水样分析成果，金沟河枢纽处八种主要离子中以Ca2+和为主，最少。金沟河水质化学特征见表1。

表1 金沟河地表水水水质分析成果表

3.2 自然因素对金沟河水化学特征的影响

将金沟河流域枢纽工程处红山头站和八家户水文站2000年～2013年水化学特征数据绘制在Gibbs 图中（图1），可以看出流域枢纽工程处水化学离子特征和北运河土门楼站较为接近，其Na+/（Na++1/2Ca2+）的取值在0.4～0.6 之间，总溶解性固体（TDS）含量在545.9 mg/L～436.6 mg/L 之间，表明岩石和蒸发因素是离子浓度与比例变化的主要影响因素。通常情况下，岩石因素为主的天然河流随径流量和降水量的增加其离子浓度降低，悬浮物浓度增加。2000年～2006年间，金沟河流域枢纽工程处降水相对充沛，流域年均流量与降水量正相关且呈上升趋势。2007年～2010年间，金沟河流域枢纽区降水稀少，流域年均流量大幅回落，并与降水量呈负相关关系，径流量中雨洪占比有所下降，但农田涝水比例增加。分析金沟河流域枢纽工程处离子浓度与径流量、降水量的关系发现，2000年～2013年间，随流域径流量的变化Na+、Mg2+、等离子含量浓度下降，、Ca2+浓度上升，K+、Cl-离子含量并无明显变化。可见，降水及岩石风化等因素对金沟河流域枢纽处水化学特征演变的影响并不显著。

图1 2000年～2013年水化学特征数据Gibbs 图

3.3 人类活动对金沟河水化学特征的影响

随着金沟河流域产业发展速度的加快，污水生产量增加，而当前污水处理仅针对耗氧有机物的去除，对包括磷、氮等在内的无机营养离子处理效果并不理想，在污水处理过程中因添加硫酸铝、二氧化氯、聚合氯化铝、氯气等絮凝剂和消毒剂导致流域水体中相应离子浓度不断升高。2000年～2013年金沟河流域主要离子浓度与区域社会经济发展变量的Pearson 相关系数（表2）表明，该流域枢纽处主要离子浓度变化和区域社会经济发展变量之间有显著的相关性，其中K+和Cl-离子浓度变化与发展变量相关性最高，K+和地区人口密度、人均GDP、化肥施用量呈显著正相关关系，并与灌溉面积、农业用水显著负相关；而Mg2+、Na+、和主要社会经济发展变量相关性并不高。通过分析可以认为，随着金沟河流域范围内人口密度、人均GDP、城市化率等的增加，耕地面积、灌溉面积及农业用水量逐渐减少，流域枢纽处K+、Ca2+、Cl-、等离子浓度持续升高。

表2 2000年～2013年金沟河流域主要离子浓度与区域社会经济发展变量的Pearson 相关系数

2000年～2013年金沟河流域社会经济获得了较快发展，常住人口由2000年的12.99 万人增加至2013年的21.47 万人，地方GDP 从25.95 亿元增加至2013年的64.73 万元，城镇化率从32.07%提升至65.7%。随着人口增长、产业结构的调整，土地资源和水资源使用方式发生较大改变，耕地面积和灌溉面积下降20.42%，单位耕地面积化肥施用量增加了1.5 倍左右，上述人类社会经济活动的变化对金沟河流域枢纽处水化学特征演变影响较大。

上述分析也表明，金沟河流域枢纽处水体盐渍化较为严重，但其盐渍化成因与北运河土门楼站略有不同。北运河土门楼站河水盐渍化主要原因在于地表水大量人为拦蓄及井泉水过渡开采，导致径流量降低后，灌溉回水将大量盐分倾斜入河流。而金沟河流域枢纽处补给水源主要为雨洪水和农田涝水，径流量并未出现明显减少趋势，其水体盐渍化主要由人口增长、产业结构的调整，土地资源和水资源使用方式发生较大改变，耕地面积和灌溉面积下降等人为因素影响所致。

4 结论

本文分析结果表明，2000年～2013年金沟河枢纽处Cl-、Na+、等离子浓度及总溶解性固体（TDS）含量显著上升，而浓度并无明显变化，水化学特征数据Gibbs 图分析结果表明，金沟河流域河水呈盐渍化趋势，其总溶解性固体（TDS）含量及离子特征变化趋势与北运河土门楼站变动趋势一致。金沟河流域水化学类型主要表现为CⅡCa 型，矿化度不断增加，自然因素方面影响较大的有岩石风化作用及蒸发作用。Pearson相关系数分析结果显示，与自然因素相比，产业结构调整及灌溉方式转变等人为因素对金沟河流域2000年～2013年水化学特征演变的影响更为显著。

基于上述结论，应加强金沟河流域（尤其是金沟河枢纽处）非点源污染治理及流域生态治理，加强对化肥施用、人类活动、农业灌溉等影响流域水化学特征程度的控制，并进一步加强对金沟河流域其余区域水化学特征演变与区域社会经济发展内在机理的深入研究。