柴达木盆地典型流域地表水-地下水转化关系及水化学特征

杨海娇， 魏加华,2， 任倩慧

（1.青海大学三江源生态与高原农牧业国家重点实验室/水利部江河源区水生态治理与保护重点实验室/水利电力学院/黄河上游生态保护与高质量发展实验室，青海 西宁 810016；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

柴达木盆是典型的高原干旱内陆区，水资源相对匮乏，生活、生产和生态主要依赖地下水，生态环境极其脆弱［1］。受构造、岩性、地形控制和水文气象等条件影响，盆地内形成了以内陆河流域为单元的水资源和生态系统［2］。区内河流-地下水水力联系紧密，转化关系复杂，尾闾咸淡水交错，科学认识盆地内地表水-地下水转化关系、水化学特征、沿程变化规律及其差异性，对区域水资源管理、盐湖产业发展、生态保护等具有重要意义。

干旱内陆河流域因其独特的生态功能价值和典型的地表水-地下水转化关系，受到学者的高度关注。采用水文地球化学、同位素水文学、水动力学等方法［3-6］，从不同角度研究了典型河流-地下水转化关系，揭示了流域水循环、盐湖变化机理、盐湖物质来源等［7-10］。李文鹏等［11］对格尔木河等西北干旱流域的地下水流系统进行研究，将平原区地下水划分为四级地下水流系统，归纳和分析地下水变化模式和盐分迁移特征；Tan 等［12］通过水化学和同位素方法，分析了柴达木盆地西部地下水补给来源；Zhao 等［13］利用环境示踪研究了田格里河和诺木洪河流域地下水-地表水的相互作用；文广超等［14］利用水化学和稳定同位素定量评价了巴音河地表水-地下水的补给关系；Xiao 等［15］根据地下水停留时间、水文地球化学特征及地质构造分布，提出了受隆起构造影响的地下水循环模式。上述研究，对认识柴达木盆地河水-地下水转化规律、地下水开发利用和盐湖水化学等有重要价值。

柴达木盆地水系呈四周出山河流向中心湖区汇聚的格局。河水主要来源于山区大气降水补给，其次为地下水基流，大部分河水出山后沿程蒸发和下渗补给地下水，在山前很快消失，仅少数规模较大的河流在尾闾形成湖泊［16］。地表水、地下水水化学类型一般为HCO3·Cl-Ca·Na 型或Cl·HCO3-Na·Ca(Mg)型，湖水为Cl-Na·Mg型及Cl-Na型［17］。现有研究多集中在格尔木、诺木洪等地区，对盆地不同流域地表水-地下水转化关系、水化学特征及沿程变化、差异性等对比研究较少。本文在现场调查、样品采集和水文地质条件分析的基础上，采用水化学、统计分析等方法，研究典型流域地表水-地下水转化关系及水化学特征，探讨地表水-地下水转化对水化学空间变化的影响，分析水化学差异性及原因。

1 研究区概况

柴达木盆地南靠昆仑山，北依祁连山，西临阿尔金山，东至日月山，面积约24×104km2（图1）。盆地边缘到中部有高山、戈壁、沙丘和丘陵、平原、沼泽、盐沼、湖泊等地貌类型，平均海拔约3000 m。北部山区出露片岩、片麻岩、板岩、灰岩及花岗岩［18］，南部山区主要为花岗岩、元古界和古生界基岩［19］，中部为新生代第四纪松散堆积物。

图1 柴达木盆地典型流域及采样点位置Fig.1 Typical watersheds and the location of sampling points in the Qaidam Basin

盆地四面环山、中部平原区低洼、地势西高东低，西南暖湿气流较难进入，气候干燥、寒冷，属典型高寒大陆型荒漠气候，年平均气温2 ℃左右，极端最低气温-30 ℃左右，极端最高气温可达30 ℃以上，常年日温差超过15 ℃，年均降水量123.9 mm，年均蒸发量2252.5 mm。降水及蒸发空间差异大，东南部降水100～300 mm，蒸发量900～1000 mm；西北部降水仅25 mm左右，蒸发量达1200～2500 mm［20］。

盆地内河流多，规模小、流程短，水量少且季节性变化大。盆地东南部河网较密，径流相对丰沛，西北部河流稀疏，中部大部为无径流区。径流量年内变化大，除地下水补给为主的河流较为稳定外，其余河流多呈季节变化。

2 方法与数据

2.1 研究方法

综合流域规模（面积、河长、年径流量等）、补给特征、下游用水类型等，采用层次聚类法［21］对河流进行聚类分析。根据河流之间的接近程度分类，采用欧氏距离度量其相异度［21］，合并距离最近的2 类为1新类，类间距离采用类平均法，根据对各因素的分析选择合适的类间距离，最终将集水面积＞200 km2的44 条河流分为5 大类，从各类中选择盆地不同方位的代表性河流（表1）开展对比研究。

表1 柴达木盆地典型河流概况及样品数Tab.1 Overview of the typical rivers and number of samples in the Qaidam Basin

鱼卡河发源于土尔根大坂山南坡和达肯大坂山北坡，在山间河谷地表水-地下水发生多次转化，河水在大柴旦镇附近大量入渗，而后在马海村溢出地表，最终汇入马海湖（图1a）。巴音河发源于宗务隆山北麓，出山后由东向西流，经蓄集盆地地表水渗入地下，流入泽令沟后地下水补给地表水，经黑石山水库后转向南流入德令哈市区，出山后地势平坦，冲洪积顶部渗透能力强，地表水大量入渗；在下游一棵树地下水再次出露转向西流，最终汇入可鲁克湖和托素湖［14］（图1b）。格尔木河发源于巴颜喀拉山北坡，出山后入渗补给地下水，至格茫公路段以北地下水溢出地表，通过泉集河及蒸发蒸腾作用排泄，最终补给东达布逊湖（图1c）。香日德河发源于昆仑山布尔汗布达山，出山后流至香日德农场西北边缘潜流，水量大时注入柴达木河（图1d）。察汗乌苏河发源于都龙山，自东南流向西北，流经都兰县后潜流殆尽，洪水期可流入柴达木河（图1e）。

对筛选的5 个典型流域进行河道断面测流，采集河水、地下水、湖水样品，现场测定pH等参数，室内进行水化学组分测试。采用统计分析法对河水、地下水和湖水的化学特征进行描述。利用Piper 三线图［22］和Gibbs 模型［23］研究从山区到尾闾地表水、地下水的水化学类型、空间变化特征及影响机制，从而分析地表水-地下水转化对水化学的影响。选择主要的水化学参数进行主成分分析［24］，通过离子相关关系研究组分来源，揭示各流域地表水、地下水水化学特征的差异及原因。

2.2 样品采集及测试

3 结果与分析

3.1 地表水-地下水转化关系

盆地内含水层呈分带性，山前为单一潜水含水层，到尾闾逐渐过渡为多层承压-自流含水层，粒径由粗到细、富水性由强到弱，径流由强渐弱，甚至停滞［17］。综合考虑地层岩性空间变化、基岩隆起等对水流的控制作用以及水力联系等因素的影响，将地表水-地下水转化关系分为3种类型（图2）。

第一类：基岩阻隔+岩性控制型。第四纪松散层与基岩非整合接触，存在山前隆起或隔水构造，地下水受基岩阻水出露地表［25］，地表水-地下水在山间河谷先完成2次（甚至3、4次）转化，进入主盆地后地表水大量补给地下，而后因地形趋缓、渗透系数减小，地下水在冲洪积扇前缘出露地表，最终以河水和地下水补给尾闾湖，如鱼卡河和巴音河（图2a）。

第二类：岩性控制型。第四纪松散层与基岩直接接触，中间无隔水构造，山区基岩裂隙地下水和河水可直接进入山前平原，受上述岩性变化因素的控制，地下水会在冲洪积扇前缘出露地表，或汇入二级河流，或以地表水/地下水补给尾闾湖，如格尔木河（图2b）。

图2 柴达木盆地典型水文地质剖面及地表水-地下水转化关系Fig.2 Typical hydrogeological profiles and the interaction between surface water(SW)and groundwater(GW)in the Qaidam Basin

第三类：岩性控制+水文气象影响型。山间无基岩隆起等构造，下游连接细土平原，因岩性颗粒粗渗透性好，大部分河流在冲洪积扇上部消失殆尽。这类河流受水文气象条件影响较大，区域内降水少、蒸发大、径流量小，且多数是降水补给型，只有在洪水期才可能在下游溢出地表补给二级河流，如察汗乌苏河和香日德河（图2c）。

3.2 水化学特征

4 讨论

4.1 水化学组分空间变化

表2 柴达木盆地典型流域河水、地下水和尾闾湖水化学特征参数Tab.2 Chemical characteristic parameter of river,GW and lake in the typical watersheds of the Qaidam Basin

图3 柴达木盆地典型流域地表水和地下水Piper三线图Fig.3 Piper ternary diagrams of SW and GW in the typical watersheds of the Qaidam Basin

4.2 水化学影响机制沿程变化

采用Gibbs 模型，表征大气输入、水-岩作用及蒸发-浓缩效应等影响机制，分析不同转化类型中地表水、地下水沿程变化的趋势过程（图4）。结果表明，盆地内地表水和地下水水化学组分主要受蒸发-沉淀和水-岩作用控制，山区大气降水、冰雪融水冲刷侵蚀携带各种离子进入地下水，其影响机制以水-岩作用为主，冲洪积扇—尾闾湖河流流速低、潜水埋深浅等原因，受控于蒸发-浓缩作用。

图4 柴达木盆地典型流域地表水和地下水Gibbs模型Fig.4 Gibbs models of SW and GW in the typical watersheds of the Qaidam Basin

4.3 水化学特征差异及原因

图5 柴达木盆地典型流域地表水和地下水离子关系Fig.5 Ion correlation of SW and GW in the typical watersheds of the Qaidam Basin

各流域第一主因子都表征了地表水和地下水较为充分的水-岩相互作用，第二主因子表征了部分水-岩作用或人类活动影响。3种转化关系中，第二类水化学主导因子较少，第三类水化学主导因子较多，而主导因子中出现较高浓度的离子个数与主导因子个数呈负相关，这可能与水-岩作用下各离

子的累积作用有关。水化学组分差异性主要是含水层岩性不同所致［17］，鱼卡河流域主要分布冲洪积亚黏土、亚砂土、细砂、中粗砂、砂砾石和砂砾卵石（Qhal-pl）以及沼泽堆积的淤泥质粉细砂、亚砂土和黏土（Qhfl）。巴音河流域主要分布冲洪积黏土、砂、砂砾石和砂砾卵石（Qp3al-pl）、风积中细砂、粉细砂和黄土（Qheol）（图2a）。格尔木河流域上游分布有洪积砾石、粗砂、亚砂土（Qp3pl），而下游分布较广泛的化学堆积粉砂质石盐、含砂砾岩壳、含砂石膏，局部有白色石盐层（Qhch）以及湖积淤泥、亚黏土、粉砂和砂砾石（Qhl）（图2b）。香日德河流域主要分布冲积粉砂、砂砾石（Qhal）以及Qheol；察汗乌苏流域分布有浅海相沉积（T3）以及Qp3al-pl（图2c）。

表3 柴达木盆地典型流域地表水和地下水水化学因子载荷矩阵Tab.3 Rotated component matrix and extraction sums of hydrochemical factor loadings of SW and GW in the typical watersheds of the Qaidam Basin

5 结论

基于现场调查及取样测试，总结了柴达木盆地地表水-地下水转化类型，分析了典型流域地表水、地下水水化学特征，探讨了水化学组分空间分布特征、影响机制、差异性及主要原因。主要结论如下：

（1）柴达木盆地地表水-地下水转化主要受构造、岩性、地形和水力条件等因素的综合影响，可划分为基岩阻隔+岩性控制型、岩性控制型和岩性控制+水文气象影响型3类。基岩阻隔+岩性控制型受基岩阻隔控制，山间河谷地表水-地下水可能发生多次转化，河流出山后大量下渗转化为地下径流，而后在冲洪积扇前缘溢出，最终以河水和地下水补给尾闾湖（如鱼卡河、巴音河）；岩性控制型主要受地形和岩性制约，地下水在冲洪积扇前缘溢出，最终补给尾闾湖（如格尔木河）；岩性控制+水文气象影响型受水文气象条件影响，规模小的河流在山前入渗消失（如香日德河、察汗乌苏河）。

（3）沿程地表水、地下水水化学影响机制变化趋势相似，山区以水-岩作用为主，平原区以蒸发-沉淀作用占主导。受基岩阻隔（第一类）和岩性变化（第二类）的影响，山间河谷和冲洪积扇前缘影响机制局部发生逆转，从蒸发-沉淀占主导转向水-岩作用为主。第三类水化学影响机制变化不明显。