1 引言(Introduction)

艾比湖流域是我国干旱区典型的生态脆弱区, 其水资源较为匮乏, 水量季节性变化明显, 面临着水位降低和水质污染等问题, 是当前新疆干旱区水资源综合规划、管理、保护和可持续利用中亟需解决的重点问题.由于流域内的水量变化具有季节性, 研究流域水体中阴阳离子的来源及其时空变化规律能为水环境的保护和治理提供有效的动态信息, 因此, 合理的水质时空变化评价已成为水环境管理决策的一个重要手段(Ouyang et al., 2006；Zhou et al., 2007).国外最早于20世纪中期开展了对地表水化学特征的系统性研究.1953年, Piper(1953)采用阴阳离子三角图分析水体的地球化学组成.1970年, Gibbs(1970)通过研究溶解性固体总量(TDS)与阴阳离子浓度比的关系, 发现全球各大流域的水化学特征受大气降水、岩石风化及蒸发-结晶过程的控制.国内自1956年在河流上设立固定站点进行长期水化学监测, 并于1963年由乐家祥等(1963)对中国河流水化学特征进行系统性的初步分析, 并对全国水化学类型及矿化度进行了粗略的分析, 但对西北干旱区的研究较少.近几年, 干旱半干旱地区水资源和环境问题引起国内外众多科学家的关注.Garizi等(2011)利用多元统计法对伊朗戈勒斯坦省Chehelchay河流地表水化学特征进行季节性研究, 这对研究河流地表水水质的季节性变化提供了帮助；曾海鳌等(2013)利用Piper三角图及空间分布图对与新疆相邻的中亚干旱-半干旱地区水体同位素和水化学特征进行了分析, 对我国新疆地区的研究有参考意义；王喆等(2014)、卢丽等(2015)利用R型因子分析对岩溶地区地下水进行了研究, 结果表明, 地下水NO₃^-主要来源于人类活动；董海标等(2015)运用对应分析方法, 分析了吉林西部地下水化学特征随时间、空间的变化, 研究表明, 地下水化学特征时空演化研究可为地下水污染的防治、生态环境的改善提供重要依据；吕婕梅等(2015)、Priyanka Patel等(2016)、曾妍妍等(2017)则通过相关性分析、Gibbs图解法、阴阳离子三角图法等对地表水水化学成因进行了分析.上述研究工作表明, 流域河流水化学性质变化受多方面因素的影响, 而河流水化学特征的改变会加大流域内土壤的盐渍化风险, 从而影响该地区的生态健康.

由于艾比湖流域地跨博尔塔拉州和塔城地区的乌苏县和托里县南部及伊犁州直属的奎屯市和克拉玛依市的独山子区(张飞等, 2009), 受农业、工业等人为因素影响大, 加之全球气候变暖等自然环境条件变化的影响, 艾比湖流域正面临着河流流量减少、土壤盐碱化(甄志磊等, 2014)和水体污染等一系列生态环境问题.基于此, 本研究以艾比湖流域为例, 利用多元统计法并结合Piper图、Gibbs图和空间分布图开展对艾比湖流域5月与10月农业用水河流地表水水化学特征及空间分布研究, 以期为该地区经济发展战略和宏观调控措施的制定及进行合理的城市规划提供支持, 实现该区域人地关系的协调发展.

2 研究区概况(Study area)

艾比湖流域地处新疆北部准格尔盆地西南缘(44°05'~45°08'N, 82°35'~83°16'E)(Wang et al., 2017), 海拔189~4190 m, 远离海洋, 高山环绕, 降水稀少、日照时间长, 长期的缺水条件使其形成极端干燥的大陆性气候, 流域平原区最大降水量出现在3—5月, 水位较高, 在7—10月降水量比较少, 水位较低(刘文军等, 2010).

研究区包括东、南、西3个河区：东部为奎屯河区, 南部为精河区, 西部为博尔塔拉河区, 河流沿岸和艾比湖周边均分布有大大小小的耕地.近年来, 随着研究区经济的快速发展, 流域地下水水位不断下降, 人为因素影响流域水环境, 致使研究区生态环境遭到破坏, 生态系统的平衡受到严重影响(杨建军等, 2009; 谢霞等, 2013).故本文以流域内奎屯河、精河、艾比湖入湖口、博尔塔拉河及阿吉克苏河为研究对象, 布设了57个采样点(图 1), 于5月和10月共采集水样105份.

3 研究区方法(Study methods) 3.1 野外采样及数据处理

本研究基于2016年5月和10月完成的两次野外采样工作, 分别采集流域地表水样共57组(5月)和48组(10月), 具体采样位置分布见图 1, 其中, 阿其克苏河下游处的采样点选自废弃盐场的地表清澈水体, 奎屯河上游处及博尔塔拉河与精河靠近艾比湖地区的采样点附近存在灌溉区, 博尔塔拉河中游采样点A31附近为温泉县, A40附近为博乐市, 精河中游还存在精河县.采样时用便捷式GPS进行水样点坐标定位, 准确记录其经纬度, 并以500 mL的聚乙烯瓶为采样瓶, 采样前先用去离子水清洗3次, 再用待采水样润洗3次, 确保采集的水样充满采样瓶, 每个采样点采集3瓶样品, 水温、pH值、TDS等理化指标在现场测定, 采集的水样需及时冷藏保存, 送回实验室再对地表水中的阴阳离子进行测定.

样品送回实验室后, 用双指示剂中和法测定水样中HCO₃^-的含量, 用电位法测定pH, 用质量法测定矿化度, 用EDTA络合滴定法测定Ca²⁺和Mg²⁺的含量, 用AgNO₃滴定法测定Cl^-的含量, 用EDTA间接滴定法测定SO₄^2-的含量, 用焰火光度法测定Na⁺和K⁺的含量, 用电导率仪测定电导率(赵兴媛等, 2012；中国医学科学院卫生研究所, 1974；张廷川等, 1999).流域水体呈弱碱性, 由水中溶解CO₃^2-和HCO₃^-的平衡关系可知, CO₃^2-含量很小, 占二者总量的不到5%, 因此, 本研究中CO₃^2-忽略不计(陈静生等, 1987).测试相对标准偏差在-5%~+5%, 数据精度和准确度均符合国家水质检测方法标准要求(张于弛等, 2012).

4 结果与分析(Results and analysis) 4.1 水质指标季节特征分析

由于采样点A38、A21、B18、B19和B21(A表示10月采集水样的编号，B表示5月采集水样的编号)处的水质指标(EC、TDS、Cl^-、Ca²⁺、K⁺、Na⁺、SO₄^2-、HCO₃^-、Mg²⁺)含量均远远高于其余采样点, 故在此将这几个点设为异常点.由图 1可知, 这几处的水样源于精河入湖口及位于博乐市附近的河段, 其水质指标含量异常高可能与大量工业废水及城市生活污水的排入有关(白雪等, 1995).

在去除异常值采样点A38、A21、B18、B19和B21后仍有离群值存在, 故在做流域水质参数统计图(图 2)时将每个采样点均以点的形式表现于图中, 并以曲线表示其大致分布趋势, 结合数据与实地考察可知, 图中的离群点均来自于艾比湖入湖口及设有城镇的河流沿岸.作为水体基本化学指标, pH、EC、TDS是水化学组成的宏观体现.由图 2可知, 整个艾比湖流域5月和10月的pH值分别为7.96~9.25和7.62~8.46, 并无差异太大的值, 且异常点A21、A38(5月)及B18、B19、B21(10月)的pH值在7.9~9.1范围内(表 1), 也无太大的差异, 说明流域地表水的pH值变化并不大, 水体整体呈弱碱性.5月水样的EC(均值为1.27 mS·cm^-1)高于10月(均值为0.9 mS·cm^-1), 两次采样时间分别是雨季和旱季的末期, 降水量增加所导致的稀释作用致使EC值增加.整个流域5月和10月TDS的均值分别为930 mg·L^-1和685 mg·L^-1, 均远高于世界主要大河的均值(283 mg·L^-1).在干旱区的内陆湖泊, 湖泊TDS含量超过2000 mg·L^-1时, 则会出现碳酸钙自行沉降(周云凯等, 2008), 湖泊TDS含量超过5000 mg·L^-1时, 碳酸镁开始自行沉降, 异常点及图中的一些处于河流入湖口的离群点, 其TDS含量已远超过5000 mg·L^-1(表 1和图 2), 因此, 这几处水中的Ca²⁺、Mg²⁺因易与CO₃^2-结合生成难溶性的碳酸钙和碳酸镁沉降而减少, 而Cl^-和Na⁺则仍留存水中, 进而导致其含量较高.

综上所述, 各水体指标变化具有明显的季节性, 除SO₄^2-、HCO₃^-、Mg²⁺外, 其余水化学参数均为5月高于10月, 其中, Na⁺减少的最多, 为52.3%.这是由于5月为丰水期末期, 流域内降水量降低而蒸发量增大, 致使水体中各离子浓度增加；同时, 沿岸设有城镇的地区各指标含量在5月出现异常, 这与5月灌溉、生活及工业用水量增加有关, 距城镇下游一定距离的水体指标有所恢复, 这可能与河流的自净能力有关.

由七大阴阳离子统计描述图中可以看出, 每个离子都有离群点, 其中以Cl^-和Na⁺的离群值差异最大, 为其均值的6~7倍；其次为SO₄^2-, 为其均值的4~6倍；而Ca²⁺、Mg²⁺和K⁺虽出现离群值, 但数据间差值并不是很大；结合数据可知, 这些离群值大都来自艾比湖周边, 原因将在下文进行介绍(结合图 4).而且除HCO₃^-外, 各离子在5月的值均大于其在10月的值, 其中又以Cl^-和Na⁺的离群值和异常点(艾比湖周边)的变化最大, 5月值为10月值的3倍左右, 这主要是由于5月为丰水期末期, 流域内温度升高, 降水减少, 蒸发量增加, 水分在蒸发掉的同时, 盐分则存留于水中, 在无充足淡水补给稀释的情况下, 水体矿化度极易升高；又因湖中盐分无法向外界输出, 只能溶于水中或沉降累积于湖底, 使得湖泊水体盐度逐年增大, 因此，湖水Cl^-与Na⁺含量较高.从整体上看, 流域地表水中七大阴阳离子在5月与10月按其均值由大到小分别排列为SO₄^2-＞Cl^-＞Na⁺＞HCO₃^-＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞K⁺和SO₄^2-＞HCO₃^-＞Cl^-＞Na⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺＞K⁺, 数值排序没有太大变动.

4.2 水体主要阴阳离子组成特征

以阴离子SO₄^2-+Cl^--(CO₃^2-+ HCO₃^-)和阳离子Ca²⁺+Mg²⁺-(Na⁺+ K⁺)组成的阴阳离子三角图可以直观地反映水体主要离子的相对含量和分布, 并依此划分水体的水化学类型(Piper, 1953；Zhu et al., 2014).当地表水水化学组成主要受碳酸盐岩风化影响时, 阴离子组分点多落在HCO₃^-一端, 而阳离子组分多落在Ca²⁺一端；主要受蒸发岩影响的河流, 阴离子多落在SO₄^2--Cl^-线上, 远离HCO₃^-一端, 阳离子组分则偏向(K⁺+ Na⁺)端元(赵胜男等, 2016).

由图 3可知, 5月与10月博尔塔拉河及精河的阴离子组分均多落在HCO₃^-一端, 而阳离子组分均多落在Ca²⁺一端, 河水中水化学组成主要受碳酸盐岩风化影响；HCO₃^-一般由消耗空气土壤中CO₂的硅酸盐等风化或者溶解在碳酸中的碳酸盐等风化提供, 这可能与博尔塔拉河西北面的阿拉套山含碳酸盐岩层的风化物随着雨水的冲刷和借助西北风沉积于河道中(朱秉启等, 2007)及河流沿岸存在城镇, 人为因素产生的CO₂随降水进入河道有关.而奎屯河上游绿洲地区及艾比湖周边地区的地表水阴阳离子组分分布则相反, 水化学组成主要受蒸发盐(硫酸盐)岩风化影响, 这与艾比湖的西北方正对阿拉山口, 常年受到大风的吹噬, 地表水分蒸发较快有关.

总的来看, 流域大部分地表水的SO₄^2-、Cl^-和HCO₃^-浓度并无明显的绝对优势, 处于水化学类型易变的区域, 这与我国新疆地区乌伦古湖的水化学特征相似(吴敬禄, 2013).5月地表水中Na⁺和SO₄^2-是占绝对优势的离子, 分别占阳离子和阴离子总量的51.29%和53.22%；在10月, Na⁺和SO₄^2-仍是占绝对优势的离子, 分别占阳离子和阴离子总量的37.8%和66.5%.结合Piper图进而可以判断出艾比湖周边的水化学类型为SO₄^2--Na⁺型, 精河及博尔塔拉河为HCO₃^--SO₄^2--Ca²⁺-Na⁺型, 奎屯河为SO₄^2--Cl^--Na⁺型.

4.3 水体中主要阴阳离子的控制因子分析

天然水体的主要离子主要来源于大气沉降、岩石矿物风化和人为活动的输入.为摸清艾比湖流域5月与10月地表水的离子特征及成因, 利用水化学吉布斯图分布模式进行控制因素分析.纵坐标以对数值表示水体中溶解性固体总量(TDS), 横坐标以算数值表示Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)或Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)的比值.Gibbs图可以直观地反映出流域水体主要组分趋于"降水控制类型"、"岩石风化类型"或"蒸发-浓缩类型" (Gibbs, 1970; 1972).

由图 4可以看出, 艾比湖、阿吉克苏河和奎屯河入湖口处地表水的水化学组成均落在Gibbs模型的右上端, 具有较高的TDS含量, Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)的比值接近于1, Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)的比值在0.6~1.0之间, 说明湖泊在蒸发作用较强的干旱区域, 地表水水化学组成受湖水蒸发、结晶作用的影响大.博河、精河及部分奎屯河的水化学组成则落在Gibbs模型的中部, TDS含量相对湖水周边低, 处于中等, 且Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)的比值处于0~0.6之间, Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)的比值较低, 处于0.2~0.6之间, 分布在虚线中部, 反映了河流的水化学离子主要来自于岩石风化, 这与我国黄河、塔里木河流域等西北干旱地区河流的研究相一致(陈静生等, 2006；赵品, 2014).综上分析, 艾比湖流域水中离子自然起源优势机制受自身蒸发-结晶作用与岩石风化作用的共同影响, 大气降水的输入作用十分微弱.就人为因素而言, 根据数据并结合相关研究可知, 流域10月水化学组成主要受人口数量及地区生产总值增加的影响.由图 4所示, 流域5月水化学离子Na⁺/ (Na⁺+Ca²⁺)或Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)的比值均落在虚线外, 结合上文可知, 由于采样点B18、B19、B21属精河入湖口, 该处为大片盐碱地, 采集水样来自于盐渍地清澈的表层水, 因而pH较小, 而矿化度、电导率和含盐量在这几个点的数值较高, 其原始水化学组成结构被打破.

4.4 水质指标的空间分布格局

选取艾比湖流域内沿线布置采样点较多的河流——博尔塔拉河与精河, 对其5月与10月的指标值进行空间分布格局的对比分析, 实线指标(TDS、HCO₃^-、Cl^-、SO₄^2-、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺)的指标值由左侧纵坐标表示, 虚线指标(pH、EC、K⁺)的指标值由右侧纵坐标表示(图 5).

如图 5所示, 除pH在各采样点值变化较为平缓外, 艾比湖流域干流河水(博尔塔拉河和精河)中其余水化学参数在空间分布上均具有相似性, 各参数值整体呈从上游至下游增加趋势, 且在艾比湖入湖口出现高值；由于艾比湖属于盐水湖, 湖水的减少方式为地下渗透和湖面蒸发, 且其北部山区的含盐岩层的风化物随着雨水的冲刷及借助西北风沉积于低洼处(梁匡一, 1987), 因此, 湖水中的各化学指标会日积月累的增加, 从而导致各监测指标在湖区含量较高.

除此之外, 河流水化学指标(TDS、Ca²⁺、SO₄^2-和HCO₃^-)在河流沿岸设有温泉县、博乐市及精河县等城镇地区的值较高, 而其下游的值有所降低, 说明水体的自净作用使得人类活动对流域水化学的影响降低, 水质有所改善, 可见人类活动会影响艾比湖流域干流河流的水化学特征.但设有城镇地区的河流地表水pH值均低于其上下游值, 这主要是由于城镇附近存在大量耕地, 地表盐随灌溉水沉积至土壤底层导致地表水的pH值降低.结合艾比湖流域实际情况, 将有特殊变化的点A38、B21、B19、B18等逐个分析, A38点周边为废弃盐场, 水样采集于盐场表层清澈的水体, 因而pH虽大于其余河流, 但其变化较小, 仍属于弱碱性水；而矿化度、电导率和阴阳离子含量在该点的值较高.B21、B18、B19的水样采集于精河入湖口, 在采集水样时可能混杂了湖水, 使得其各水化学指标均出现异常高值.

5 讨论(Discussion)

近年来, 已有许多国内学者对艾比湖流域进行了相关研究, 如李艳红等(2007)从气候、土壤、植被及水环境等方面综合分析艾比湖流域生态环境空间分异规律, 但缺乏对水环境进行更加详细的分析；李晓航(2016)分析各土地利用类型与水化学特征指标之间的关系, 从而判断出水化学特征对景观的影响, 并探讨出景观指数与水化学特征之间的具体联系, 但未对二者之间的原理进行研究；王小平等(2017)基于Landsat OLI数据, 从水体指数出发, 利用遥感技术对干旱区内陆湖泊艾比湖流域的水质指标进行研究并通过回归分析建立估算模型, 但并未探讨水化学参数的基本特征；郭苗等(2017)利用因子分析法、聚类分析法及空间变异特征的方法对艾比湖流域地表水水化学参数进行了基本的分析, 但并未对流域地表水的水化学类型和主要阴阳离子来源进行研究.

而本文选择箱式图分析流域水化学特征, 可相对直观地看出流域内地表水水化学指标的分布特点；并增加Piper图和Gibbs图, 对流域地表水水体的水化学类型及其主要阴阳离子来源进行详细的分析.在空间分布分析上, 对博尔塔拉河和精河地表水的水化学指标沿程变化进行详细分析, 与上述研究有显著不同.本研究在一定程度上实现了艾比湖流域地表水的水化学指标的详细分析, 有望为艾比湖流域水文管理政策的提出提供基本参考.

6 结论(Conclusions)

1) 艾比湖流域地表水整体呈弱碱性, 各水体指标变化具有明显的季节性特征, 除SO₄^2-、HCO₃^-、Mg²⁺外, 其余水化学参数均为5月值高于10月, 而5月和10月分别为丰水期和枯水期, 说明流域的水化学指标(EC、TDS、Cl^-、Ca²⁺、K⁺、Na⁺、SO₄^2-、HCO₃^-、Mg²⁺)在丰水期的值较高.

2) 结合Piper三角图及Gibbs图, 得出艾比湖周边主要的水化学类型为SO₄^2--Na⁺型, 精河及博尔塔拉河为HCO₃^--SO₄^2--Ca²⁺-Na⁺型, 奎屯河为SO₄^2--Cl^--Na⁺型, 流域水化学组成整体的自然起源主要受自身蒸发-结晶作用与以碳酸盐岩为主的风化溶解作用的共同影响, 大气降水的输入作用十分微弱.10月河流部分地区受农业、工业等人类活动影响, 说明人为因素对流域内的水化学组成造成影响.

3) 通过分析流域水质指标的空间分布格局, 可知各水化学参数值整体呈从上游至下游增加的趋势, 在设有城镇的河流沿岸和艾比湖入湖口处出现高值, 这与艾比湖附近及设有城镇的河流沿岸存在一定面积的耕地有关.