在西北干旱区，水资源是制约社会经济发展、影响生态安全的关键要素，对未来经济社会可持续发展起着至关重要的作用(陈亚宁等，2012).其中水化学研究是水资源质量评价的重要内容.吐鲁番市处于天山北麓农牧业发展带，葡萄棉花等享誉世界，自60年代以后起，开始大规模开发利用地表水，先后建立引水干渠、水库等以便于人民生活用水的使用和发展农业灌溉；70年代起大力发展煤炭实业，建立七泉湖煤矿、胜金乡煤矿等开采基地；90年代后期，吐哈油田成立，石油事业开始迅猛发展；20世纪伊始不断着重发展第三产业-旅游业，这都让水资源成为这座城市不可或缺的重要资源.所以研究吐鲁番市地表水资源的水化学特征和变化情况，不仅可以反映吐鲁番市地表水体的化学组成成分、地质岩性、大气降水、气候以及人类活动等因素对流域的影响，更对吐鲁番市的水质评价、利用方式、可持续发展、生态环境保护和建设都有重要的意义(温小虎等，2004；周嘉欣等，2014；王晓曦等，2014 ；Stumm and Morgan，1981).

吐鲁番市位于天山山脉博格达峰南麓，吐鲁番盆地中部，其坐标为东经88°29′28″～89°54′33″，北纬42°15′10″～43°35′00″，面积约1.5万km².属独特的温带干旱荒漠气候，最高气温为49.6 ℃，最低气温为-28 ℃.吐鲁番市北部为博格达峰，海拔在1000~1500 m之间；中部为火焰山，海拔500~600 m；南部为陆地最低点艾丁湖，-154 m，地势由北向南倾斜.北部天山山区降水量600～150 mm，蒸发量800～1200 mm，南区降水量小于5mm，蒸发量大于2000 mm.

吐鲁番市地表水系可分为天山水系和火焰山水系，北部山区是水资源的形成区，主要地质成分是变质砂岩夹薄层灰岩，结晶片麻岩和千枚岩等(陈墨香，1959)，辖属境内发育有4条河流，均呈由北向南走向，自西向东依次为大河沿河、塔尔朗河、煤窑沟、黑沟.北部山麓与火焰山间是一个向斜平原，多为洪积-冲积砾石和卵石.北部山区裂隙发育良好，山区地表水存储为裂隙水后转化为盆地地下水后，在地势因素影响下，沿着北部盆地由北向南流动，被不透水体的以砂砾岩和泥岩为主的火焰山所阻隔，由此沿着火焰山的北缘溢出地表形成泉.火焰山以南冲积扇也以洪积-冲积砾石和卵石为主，向南到平原处岩石颗粒变细逐渐过度为砂土.

分别于2013年3月、10月、2014年5月、11月4次对吐鲁番市地表水进行采集，共采集水样12处(大河沿河上、中、下游、塔尔郎河、煤窑沟、黑沟、桃儿沟、葡萄沟、雅尔乃子沟、七泉湖、胜金沟上、下游)，采集时用GPS记录采样点坐标(采样点见图 1).样品直接用蒸馏水清洗过的聚乙烯塑料瓶采集，流水经振荡清洗3次之后装样，并用pH计和电导计现场测定水样的pH和电导率，测定后立刻密封保存.样品直接送中国科学院新疆生态与地理研究所进行八大离子的测定分析(结果见表 1)，其中，Ca²⁺和Mg²⁺用EDTA滴定法；K⁺和Na⁺用差减法测定；HCO₃^-和CO₃²⁺用双指示剂滴定法；Cl^-用AgNO₃标准溶液滴定法；SO^2-₄用茜素红作指示剂，用氯化钡标准溶液滴定；总溶解性固体物质(TDS)利用各离子含量总和计算.实验过程中，每批样品均设置3个空白、标准样品，同时测定平行样.标准溶液为国家标准物质研究中心标准溶液，测试相对标准偏差在-5%到+5%之间，数据的精度和准确度均符合要求.

图 1(Fig. 1)

图 1 采样点位置图 Fig. 1 Location of the sampling sites

表 1(Table 1)

表 1 吐鲁番市地表水化学参数 Table 1 Statistics of hydrochemical parameters of the Turpan water

表 1 吐鲁番市地表水化学参数 Table 1 Statistics of hydrochemical parameters of the Turpan water 标号 水样 采样时间 ES/ (dS·m-1) TDS/ (g·L-1) pH Ca2+/ (mg·L-1) Mg2+/ (mg·L-1) K++Na+/ (mg·L-1) HCO3-/ (mg·L-1) CO2-3/ (mg·L-1) SO2-4/ (mg·L-1) Cl-/ (mg·L-1) 1 大河沿河上游 2013年10月 0.52 0.44 7.99 7.50 56.10 43.22 124.65 0 148.64 63.52 2014年5月 0.65 0.40 8.00 65.00 15.00 34.00 113.00 0 105.00 66.00 11月 0.47 0.37 7.7 68.00 12.00 24.00 141.00 0 90.00 41.00 2 大河沿河中游 2013年10月 0.36 0.41 7.93 3.00 45.60 49.87 106.06 0 173.41 27.22 2014年5月 0.43 0.27 7.91 54.00 7.00 13.00 107.00 0 68.00 23.00 11月 0.34 0.28 7.57 53.00 9.00 12.00 116.00 0 76.00 12.00 3 大河沿河下游 2013年10月 0.33 0.42 7.87 5.00 50.70 43.98 106.58 0 198.18 18.15 2014年5月 0.43 0.28 7.84 49.00 12.00 14.00 102.00 0 85.00 18.00 11月 0.34 0.27 7.51 51.00 9.00 13.00 106.00 0 78.00 16.00 4 塔尔朗河 2013年10月 0.45 0.47 7.79 21.50 32.70 70.21 111.30 0 222.96 13.61 2014年5月 0.44 0.29 8.00 45.00 14.00 17.00 114.00 0 72.00 25.00 11月 0.47 0.33 7.74 54.00 16.00 18.00 120.00 0 99.00 27.00 5 煤窑沟 2013年10月 0.17 0.46 7.68 35.50 9.90 88.84 95.58 0 198.18 27.22 2014年5月 0.45 0.29 7.95 41.00 16.00 20.00 110.00 0 76.00 27.00 11月 0.30 0.23 7.54 40.00 8.00 14.00 108.00 0 42.00 21.00 6 黑沟 2013年10月 0.20 0.55 7.66 51.50 21.60 78.71 129.63 0 247.73 18.15 2014年5月 0.79 0.53 7.97 60.00 39.00 37.00 132.00 0 223.00 34.00 11月 0.58 0.40 7.42 50.00 23.00 28.00 176.00 0 81.00 37.00 7 七泉湖(泉) 2013年10月 0.20 0.74 7.57 59.50 13.50 149.68 96.89 0 371.59 45.37 2014年5月 0.57 0.35 7.91 55.00 10.00 34.00 104.00 0 98.00 44.00 11月 0.43 0.33 7.5 48.00 12.00 31.00 104.00 0 97.00 36.00 8 桃儿沟(泉) 2013年10月 0.20 0.58 7.78 9.50 42.90 102.03 108.68 0 297.27 18.15 2014年5月 0.43 0.28 8.00 42.00 15.00 16.00 111.00 0 77.00 21.00 9 葡萄沟(泉) 2013年3月 -- 3.91 7.48 610.00 204.00 2355.00 162.00 0 550.00 29.00 10月 0.20 0.30 7.81 16.50 26.10 33.82 89.04 0 101.57 31.76 2014年5月 0.59 0.36 7.89 49.00 17.00 34.00 123.00 0 85.00 53.00 11月 0.96 0.72 7.03 92.00 28.00 94.00 164.00 0 164.00 172.00 10 胜金口(泉) 2013年10月 2.60 2.48 7.62 7.00 233.40 450.55 205.57 0 1189.09 399.25 2014年5月 1.44 1.01 8.05 84.00 55.00 145.00 232.00 0 379.00 115.00 11月 0.76 0.53 7.57 64.00 16.00 78.00 143.00 0 144.00 87.00 11 胜金口下游(泉) 2013年10月 2.60 1.78 7.45 80.00 112.20 329.72 230.45 0 693.64 335.73 2014年5月 2.82 2.06 7.58 218.00 123.00 247.00 295.00 0 850.00 323.00 11月 1.34 1.10 7.44 110.00 73.00 123.00 249.00 0 363.00 183.00 12 雅尔乃孜沟(泉) 2013年10月 0.55 0.81 7.72 9.50 50.70 163.01 161.05 0 371.59 49.91 2014年5月 0.69 0.50 7.89 70.00 18.00 49.00 189.00 0 133.00 43.00 11月 0.56 0.48 7.72 66.00 18.00 47.00 175.00 0 136.00 37.00

根据陈墨香(陈墨香，1959)在1958年对吐鲁番盆地进行的水文考察结果，1958年吐鲁番盆地河水TDS变化范围为0.11~0.29 g · L^-1.平均值是0.21 g · L^-1，泉水TDS变化范围是0.47~0.70 g · L^-1，平均值是0.58 g · L^-1，河水和泉水均为淡水.河水总硬度的变化范围为64.52~160.58 mg · L^-1，平均值是125.84 mg · L^-1，属于中等水或硬水；泉水总硬度的变化范围为191.20-306.57 mg · L^-1，平均值是235.41 mg · L^-1，属于极硬水.从表 1可以看出，2013年—2014年吐鲁番市河流和泉水整体呈弱碱性，pH值变化范围为7.03~8.05；电导率的变化范围为0.17~2.82 dS · m^-1；河水的TDS的变化范围为0.23~0.55 g · L^-1，平均值是0.37 g · L^-1，属于淡水.泉水的TDS变化范围为0.28~3.91 g · L^-1，平均值是1.02 g · L^-1，大部分属于淡水和稍咸水；3月份葡萄沟水属中度咸水，河水和泉水的TDS较1958年均有上升，且升幅接近1倍；河水总硬度的变化范围为132.82~310.42 mg · L^-1，平均值是195.33 mg · L^-1，泉水总硬度的变化范围为148.68~2363.24 mg · L^-1，平均值是478.73 mg · L^-1，属于硬水或极硬水(Maidment，1992)，其中葡萄沟和胜金沟的泉水高于世界卫生组织建议的用水总硬度500 mg · L^-1(孙瑞等，2012).河水和泉水较1958年的总硬度增大，尤其是泉水的总硬度增加幅超过一倍.1958年河流的水化学类型为HCO₃^- -Ca²⁺型，泉水的水化学类型SO^2-₄含量较大，为HCO₃^--Ca²⁺型或SO^2-₄-Na⁺型.2013—2014年吐鲁番市各河流泉水水化学类型在不同季节差异较大；根据两次采样相同的河流的数据表明，大河沿河现为HCO₃^--SO₄^2--Ca²⁺或HCO₃^--SO^2-₄-Mg²⁺或HCO₃^--SO^2-₄ -Cl^-型，HCO₃^-在阴离子中的离子浓度由1958年的78.89%下降到34.13%，而SO^2-₄在阴离子中的离子浓度由1958年的11.97%增长到39.39%；煤窑沟现为HCO₃^--SO^2-₄-Mg²⁺-Ca²⁺、HCO₃^- -SO^2-₄ -Na⁺ -Ca²⁺、SO^2-₄-Ca²⁺-Na⁺型，HCO₃^-在阴离子中的离子浓度由1958年的52.77%下降到37.10%，而SO^2-₄在阴离子中的离子浓度由1958年的34.42%增长到47.57%；桃儿沟现为SO^2-₄-Mg²⁺-Na⁺，HCO₃^--SO₄^2--Ca²⁺-Mg²⁺型，HCO₃^-在阴离子中的离子浓度由1958年的76.00%下降到28.79%，而SO^2-₄在阴离子中的离子浓度由1958年的12.51%增长到62.37%；葡萄沟现为SO^2-₄ -Na⁺-Ca²⁺、SO^2-₄ -Cl^--Ca²⁺型，HCO₃^-在阴离子中的离子浓度由1958年的33.48%下降到24.73%，而SO^2-₄在阴离子中的离子浓度由1958年的35.17%增长到52.64%.硫酸根浓度的增加很有可能受到吐鲁番市煤炭和石油开采的影响，塔尔朗沟煤矿、七泉湖煤矿、胜金乡煤矿、吐哈油田等化石能源的开采过程中的硫化物经氧化反应形成富含硫酸根的酸性水体等都会造成水中硫酸根离子不同程度的增加.

根据吐鲁番市1958年(陈墨香，1959)和2013—2014年地表水各水样化学参数的均值计算相关系数(见表 2).可知，大部分变量相关系数较高，但1958年和2013—2014年不同离子相关性差异明显.在1958年的河水中，Ca²⁺、HCO₃^-、TDS三者之间相关性显著，Cl^-、K⁺+Na⁺、TDS三者间相关性显著，且Ca²⁺、HCO₃^-与TDS相关系数大于0.9，说明矿化度大小主要由Ca²⁺、HCO₃^-浓度决定；1958年的泉水中Mg²⁺、K⁺+Na⁺、TDS三者间相关性显著； Cl^-、K⁺+Na⁺、TDS三者间相关性显著，Cl^-和Mg²⁺，Ca²⁺和TDS之间，SO^2-₄与K⁺+Na⁺之间也有较为显著的相关性.2013—2014年河水中SO^2-₄、K⁺+Na⁺、和TDS之间具有显著相关性，且SO^2-₄、K⁺+Na⁺与TDS相关系数大于0.9，说明矿化度大小主要由SO^2-₄、K⁺+Na⁺浓度决定；2013—2014年泉水中Ca²⁺和K⁺+Na⁺，Mg²⁺和TDS，K⁺+Na⁺和TDS，Cl^-和SO^2-₄之间相关性显著，其他离子相关性良好或较差.

表 2(Table 2)

表 2 水化学参数相关系数矩阵 Table 2 Correlation matrices of hydrochemical parameters

表 2 水化学参数相关系数矩阵 Table 2 Correlation matrices of hydrochemical parameters 地表水 Ca2+ Mg2+ K++Na+ HCO3- SO2-4 Cl- TDS 注：*和**分别表示显著和极显著水平p<0.05和p<0.01. 1958年河水 Ca2+ 1.000 Mg2+ 0.170 1.000 K++Na+ 0.350 0.483* 1.000 HCO3- 0.918** 0.451* 0.525** 1.000 SO2-4 0.229 0.335 0.783** 0.227 1.000 Cl- 0.620** 0.389 0.912** 0.724** 0.636** 1.000 TDS 0.905** 0.210 0.643** 0.911** 0.387 0.823** 1.000 1958年泉水 Ca2+ 1.000 Mg2+ 0.780** 1.000 K++Na+ 0.687** 0.867** 1.000 HCO3- 0.716** 0.594** 0.176 1.000 SO2-4 0.445* 0.557** 0.896** -0.240 1.000 Cl- 0.784** 0.923** 0.987** 0.332 0.823** 1.000 TDS 0.843** 0.940** 0.964** 0.426* 0.769** 0.994** 1.000 2013—2014年河水 Ca2+ 1.000 Mg2+ -0.743** 1.000 K++Na+ -0.400* 0.387 1.000 HCO3- 0.304 0.127 -0.071 1.000 SO2-4 -0.398 0.611** 0.871** -0.034 1.000 Cl- 0.068 0.281 0.026 0.322 -0.047 1.000 TDS -0.216 0.597** 0.829** 0.293 0.918** 0.256 1.000 2013—2014年泉水 Ca2+ 1.000 Mg2+ 0.542** 1.000 K++Na+ 0.924** 0.695** 1.000 HCO3- 0.240 0.518** 0.120 1.000 SO2-4 0.241 0.890** 0.372 0.629** 1.000 Cl- -0.014 0.656** 0.021 0.733** 0.837** 1.000 TDS 0.787** 0.934** 0.868** 0.493* 0.768** 0.494* 1.000

利用阴离子SO^2-₄ 、Cl^- 、HCO₃^-+CO^2-₃组成的三角图和阳离子Ca²⁺ 、Mg²⁺、K⁺+Na⁺组成的三角图可以表明不同水体的化学组成特征，从而辨别其控制端元(王晓曦等，2014).2013—2014年吐鲁番市水体各月份离子均值与1958年吐鲁番市水体的主要阴阳离子组成见图 2.从阴离子来看，1958年地表水基本靠近HCO₃^-一端，控制较明显，2013—2014年则更加接近SO^2-₄一端，Cl^-基本变化不大，尤其以大河沿河和桃儿沟SO^2-₄变化显著；从阳离子来看，1958年地表水靠近Ca²⁺一端，为明显的Ca²⁺控制，2013—2014年控制端元不显著，Ca²⁺下降Mg²⁺和K⁺、Na⁺含量上升.

图 2(Fig. 2)

图 2 主要离子三角组分图 Fig. 2 Ternary graphs of major ions in the Turpan river

Gibbs图可以较为直观的反映出河水主要组分趋于“降水控制型”、“岩石风化型”或“蒸发-浓缩型”，是定性地判断区域岩石、大气降水、蒸发-浓缩作用等对河流水化学影响的一种重要手段(唐玺雯等，2014；朱秉启和杨小平，2007).将本研究所述的吐鲁番市主要水资源的水化学数据投绘于Gibbs图中，如图 3所示，研究区大部分水样处于岩石风化作用带，1958年水样全部处于岩石风化作用带，2013—2014年部分水样显现出受岩石风化和蒸发结晶共同作用影响，胜金沟、葡萄沟、雅尔乃子沟受蒸发结晶作用明显；研究区大部分水样组成位于Gibbs分布模型内，反映大部分水样受人类活动较轻，但2013—2014年水样的Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)或Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)明显较1958年水样更接近1，说明河水受人为干扰普遍上升，部分水样接近模型边界，人为影响较大.可能的原因有以下两个方面，一方面与全球温度不断上升有关，吐鲁番市在上世纪50年代年均温度14 ℃，现在年均温可达16.1 ℃(王永兴，2000；吐鲁番地区统计局，2012).温度的上升致使蒸发愈加强烈，使得河水中HCO₃^-和Ca²⁺析出并沉积到河底，从而造成SO^2-₄、Na⁺、Mg²⁺比例相对升高；另一方面人工渠道的修建，也使得河流自出山口截流，减少了与岩石的相互作用，下渗减少，蒸发作用增强，从而降低了岩石风化的控制作用.

图 3(Fig. 3)

图 3 吐鲁番市地表水化学的Gibbs分布 Fig. 3 Hydrochemical Gibbs figures of the Turpan river

1)2013—2014年吐鲁番市地表水较1958年相比，TDS均有上升，且升幅接近1倍，河水硬度增幅较小，泉水硬度增幅超过1倍.河水水化学类型由1958年的HCO₃^-型转变为HCO₃^--SO^2-₄型，泉水水化学类型复杂，且季节浮动大.

2)2013—2014年较1958年水化学相关性差异明显，1958年的河水中，Ca²⁺、HCO₃^-、TDS三者之间相关性显著；Cl^-、K⁺+Na⁺、TDS三者间相关性显著，而2013—2014年河水中SO^2-₄、K⁺+Na⁺、和TDS之间具有显著相关性；1958年的泉水中Mg²⁺、K⁺+Na⁺、TDS三者间相关性显著； Cl^-、K⁺+Na⁺、TDS三者间相关性显著.

3)2013—2014年吐鲁番市地表水较1958年而言，SO^2-₄、Mg²⁺、Na⁺均上升，HCO₃^-、Ca²⁺下降.1958年地表水全部受岩石风化作用控制，2013—2014年大部分地表水仍受岩石风化作用影响，但蒸发结晶作用更加显著，且人为影响明显增强.