水资源已成为全球性问题^[1], 尤其是在干旱半干旱地区, 水资源严重匮乏, 水质恶化等问题日益突出, 导致生态环境越来越脆弱^[2]。许多国内外学者对水质状况及其变异性方面进行了大量研究。Syed等^[3]使用Piper图等鉴定主要的水化学参数，分析出大多数地下水是不适合灌溉的；Pu Junbing等^[4]利用多元统计技术评估水域物理化学参数的时空变化，发现季风变化对海岸水质有影响; 何锦等^[5]运用Gibbs图、Piper图和饱和指数等分析鲜水河断裂带内水质主要离子特征及地下水补给来源；张志强等^[6]利用Gibbs图、离子比值系数及多种统计分析方法, 研究地下水水化学特征, 并对其水质进行综合评价。另外，也有不少学者针对一些典型干旱地区^[7-9]进行了大量研究，分析出河流水质变化受多因素影响，会加大流域内土壤的盐渍化风险，进而影响区域生态健康，这对后人研究水质变化提供了有效的理论基础和实践经验。

渭干河—库车河三角洲绿洲位于我国西北干旱地区, 自然灾害频繁，生态环境脆弱，水土流失状况严重^[10]。目前也有不少学者^[10-11]对该绿洲水质进行了一定的研究，但针对绿洲地表水水质空间分布的研究较少。鉴于此，笔者对渭干河—库车河三角洲绿洲地表水水质变化特征和空间分布特征进行分析，探讨区域地表水水质状况，依期为该绿洲水资源管理与评价提供有利依据。

渭干河—库车河三角洲绿洲(即渭—库绿洲)地理坐标为E 81°26′ ~83°17′、N 41°06′~41°38′，是中国西北部地区新疆塔里木盆地中北部的天山南麓洪积、冲积平原带，是一个完整的、典型的山前扇形冲洪积平原绿洲^[12]，如图 1遥感影像图所示。渭一库绿洲气候属于大陆性暖温带干旱气候, 风沙频繁，降水稀少主要受到了天山的地形梯度变化的影响, 随着高程的逐渐上升而增多，蒸发量大，昼夜温差大，夏季干热，冬季干冷，造成该区域土壤盐渍化。各县历年平均温度都在10 ℃以上，绿洲全年平均气温为10.8 ℃，多年平均降雨量为65 mm, 多年平均干旱指数高达20.2；构成地表水径流量的主要河流有渭干河、库车河、塔里木河三条河流，各河流年径流量分别为22.34亿、3.575亿、43.88亿m^{3 [12]}。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置示意图(2017年5月Landsat 8 R:G:B=6:5:3) Fig. 1 Location of the study area (May 2017 Landsat8 image R:G:B=6:5:3)

在研究区渭干河—库车河三角洲绿洲于2016年4月5—20日对灌溉水、排碱渠水和地下水进行水样采集，共采样39组；2017年5月5—20日主要在渭干河、库车河、塔里木河及灌溉水进行采样，共采样66组，采样点分布情况如图 2所示。水样送于新疆博奇清新环境检测有限公司进行检测，电导率用DDS-11A型电导仪测定。CO₃^2-、HCO₃^-用硫酸滴定容量法测定; SO₄^2-用硫酸钡比浊法测定; Cl^-用硝酸银容量法测定; Ca²⁺、Mg²⁺用原子吸收分光光度法测定; K⁺、Na⁺用火焰光度法测定。pH值用pH计测定。

图 2(Fig. 2)

图 2 采样点分布示意 Fig. 2 Sampling point distribution

笔者运用统计分析、Gibbs图及Pipper图来了解研究区地表水化学类型和主要控制的因素；借助GS+软件及ArcGIS 10.2软件中缓冲区分析及Kriging法得到对水质要素在主要河流范围内的空间插值结果，对该绿洲地表水水质空间上的规律进行综合分析。

分别对2016年4月灌溉水、排碱渠水和地下水水样及2017年5月灌溉水水样参数进行统计分析，由于CO₃^2-低于检出限，所以其含量忽略不计，得出统计结果如表 1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 采样点水化学参数描述性统计 Tab. 1 Descriptive statistics of water chemical parameters sampling point 年份 Year 分类 Type 项目 Item pH 电导率 Electrical conductivity/(ms·cm-1) 矿化度 Total dissolved solids/(g·L-1) 钾离子 K+/(g·L-1) 钠离子 Na+/(g·L-1) 钙离子 Ca2+/(g·L-1) 镁离子 Mg2+/(g·L-1) 硫酸根 SO42-/(g·L-1) 碳酸氢根离子 HCO3-/(g·L-1) 氯离子 Cl-/(g·L-1) 2016 灌溉水Irrigation water 最小值Min 6.66 0.983 1.138 0.008 0.06 0.065 0.052 0.178 0.048 0.087 最大值Max 8.16 9.92 11.06 0.058 1.391 0.287 0.247 0.546 0.14 2.195 平均Mean 7.723 2.963 3.344 0.023 0.354 0.119 0.109 0.366 0.083 0.52 标准差Sd 0.378 2.967 3.286 0.015 0.428 0.072 0.07 0.116 0.026 0.661 变异系数Cv 0.049 1.001 0.983 0.648 1.209 0.605 0.641 0.317 0.311 1.272 排碱渠水Alkaline channel water 最小值Min 7.33 1.036 1.155 0.012 0.06 0.068 0.054 0.023 0.075 0.124 最大值Max 8.03 27.3 30.4 0.101 3.439 0.576 0.301 0.515 0.226 6.808 平均Mean 7.691 12.972 14.452 0.06 1.923 0.367 0.225 0.242 0.149 3.076 标准差Sd 0.243 10.673 11.887 0.032 1.374 0.207 0.091 0.156 0.057 2.395 变异系Cv 0.032 0.823 0.823 0.533 0.714 0.563 0.404 0.644 0.385 0.779 地下水Groundwater 最小值Min 7.28 0.799 0.89 0.007 0.084 0.024 0.018 0.112 0.032 0.087 最大值Max 8.12 12.1 13.5 0.054 1.71 0.364 0.253 0.454 0.136 2.245 平均Mean 7.611 3.09 3.446 0.018 0.395 0.117 0.095 0.289 0.064 0.539 标准差Sd 0.325 4.109 4.585 0.017 0.593 0.115 0.082 0.134 0.034 0.795 变异系数Cv 0.043 1.33 1.33 0.902 1.502 0.985 0.861 0.464 0.538 1.476 2017 灌溉水Irrigation water 最小值Min 7.42 0.37 -29.33 0.002 0.001 0.013 0.004 0.094 0.053 0.062 最大值Max 8.23 20 29.434 0.181 8.26 0.514 0.913 9.461 0.401 11.683 平均Mean 7.683 2.655 2.621 0.026 0.512 0.073 0.074 0.953 0.179 0.872 标准差Sd 0.198 3.936 6.948 0.031 1.254 0.096 0.143 1.777 0.063 1.91 变异系数Cv 0.026 1.482 2.651 1.192 2.449 1.315 1.932 1.865 0.352 2.19

表 1 采样点水化学参数描述性统计 Tab. 1 Descriptive statistics of water chemical parameters sampling point

由表 1可知，研究区2016年数据：pH值在灌溉水、排碱渠水及地下水中整体呈弱碱性，其中灌溉水pH值最大，其均值为7.723。EC在排碱渠水的变化范围为1.04~27.3 ms/cm，其平均值相对于灌溉水和地下水要高, 为12.972 ms/cm。水质TDS平均值在灌溉水、排碱渠水及地下水中明显高于EC及其他离子参数平均值，其中排碱渠水TDS平均值最大为14.452 g/L。灌溉水、排碱渠水及地下水阳离子含量总体呈现Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>k⁺；阴离子含量呈现为Cl^->SO₄^2->HCO₃^-；研究区2017年数据：pH值呈弱碱性为7.683，相对2016年灌区水pH值降低；EC变幅较大，在范围为0.37~20 ms/cm之间；TDS变幅相对于同年pH值和EC变化幅度最大，平均值为2.621 g/L，且其变异系数相对2016年灌溉水、排碱渠水及地下水中其他水质参数变异系数值都大，说明该研究区2017年水质内部结构相对不稳定。阳离子平均值中，Na⁺含量占主要优势，是Mg²⁺的6.91倍；阴离子平均值中SO₄^2-占优势，分别为Cl^-和HCO₃^-的1.09倍和5.32倍。阳离子含量总体呈现为Na⁺>Mg²⁺>Ca²⁺>K⁺, 阴离子含量总体呈现为SO₄^2->Cl^->HCO₃^-。

Piper图主要是以阳离子和阴离子的每毫升当量比例(%)的形式来表示水化学类型^[13]。将2016年4月及2017年5月采样点数据在Piper三线图中可知地表水水化学类型在空间分布上具有相似性如图 3所示，按舒卡列夫分类方法^[14]，可划分为Cl-SO₄-Na-Mg、Cl-SO₄-Ca-Mg、HCO₃-Cl-SO₄-Na-Ca-Mg等类型。

图 3(Fig. 3)

图 3 水化学Piper图 Fig. 3 Water chemistry Piper diagram

其中由表 1及图 3(a)可以看出：Na⁺+K⁺含量相对较高，Ca²⁺和Mg²⁺相对含量接近，阴离子主要靠近Cl^-和SO₄^2-端，分布较分散；排碱渠水阳离子Ca²⁺和Mg²⁺相对含量相似，阴离子主要靠近于Cl^-和SO₄^2-端，分布较为集中；地下水阳离子主要靠近Ca²⁺端，阴离子主要靠近SO₄^2-端，分布较为集中。

为确定水化学类型形成的控制因素，通过Gibbs图来定性地判断研究区域中岩石、大气降水及蒸发-浓缩作用等对水化学类型影响。将2016年4月渭库绿洲灌溉水、排碱渠水和地下水采样水样数据及2017年5月水样描述在Gibbs模型中，如图 4所示。

图 4(Fig. 4)

图 4 2016、2017年渭库绿洲水样水化学Gibbs图 Fig. 4 Gibbs distribution map of water chemistry in Ugan-Kuche river oasis in 2016 and 2017

由于2017年数据量多，随机性强，数据分布更为广泛，均匀，能更好地描述出该研究区空间特征，故选此数据进行半方差函数及插值分析。首先对原始数据进行特异值处理，使数据呈正态分布或对数正态分布，观察分析表 3最优半方差函数参数。K⁺、HCO₃^-、pH值拟合得到的最有理论模型为指数模型；Na⁺拟合得到的最有理论模型为球状模型；Ca²⁺拟合得到的最有理论模型为线性模型；Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-、TDS、EC拟合得到的最有理论模型为高斯模型。地表水水质中Ca²⁺和TDS的块金值/基台值存在于25%~75%之间，表明空间相关性程度一般，即在研究区内其地表水质受到结构性因素(气候环境、水质类型等自然因素)和随机性因素(人为活动等)的共同影响。其余参数块金值/基台值＞75%，说明人为活动影响较大，削弱了结构性因素造成的强的空间自相关作用。

表 3(Tab. 3)

表 3 渭库绿洲地表水质最优半方差函数及参数 Tab. 3 Optimal semi-variance function and parameters of surface water quality in Ugan-Kuche river oasis 类别 Types 变异函数模型 Theory model 块金值 NuggetCo 基台值 SillCo+C 块金值/基台值 Nugget/Sill Co/Co+C/% 变程 Variation/km 残差平方和 Residual square sum 决定系数R2 K+ 指数模型Exponential 0.139 0.942 85.2 1.206 0.157 0.758 Na+ 球状模型Spherical 0.62 4.598 86.5 1.786 1.86 0.757 Ca2+ 线性模型Linear 0.251 0.651 61.5 0.677 0.124 0.495 Mg2+ 高斯模型Gaussian 0.522 2.943 82.3 1.595 0.338 0.819 Cl- 高斯模型Gaussian 0.508 3.026 83.2 1.254 0.712 0.827 SO42- 高斯模型Gaussian 0.447 2.904 84.6 1.472 0.482 0.808 HCO3- 指数模型Exponential 0.063 0.318 80.3 5.997 0.014 0.322 pH 指数模型Exponential 0.014 0.123 88.7 0.113 3.80E-03 0.298 TDS 高斯模型Gaussian 0.008 0.017 50.3 0.899 1.81E-04 0.253 EC 高斯模型Gaussian 0.314 2.132 85.3 1.484 0.224 0.827 Notes: TDS: Total dissolved solids. EC: Electrical conductivity. The same below

表 3 渭库绿洲地表水质最优半方差函数及参数 Tab. 3 Optimal semi-variance function and parameters of surface water quality in Ugan-Kuche river oasis

图 5(Fig. 5)

图 5 克里格插值结果图 Fig. 5 Result graph by Kriging interpolation

对河流3缓冲区进行克里格插值如图6，pH值以新和县和渭干河上游附近为中心向周围逐渐升高呈现岛状分布；TDS则以渭干河中下游为中心逐渐向四周含量增加，并在库车河下游达到峰值；EC、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-含量分布格局相似，呈条带状分布，在空间尺度上，从西北部克孜尔水库及西南部塔里木河往东部含量逐渐升高；K⁺分布没有明显的规律，大体从西北往南含量逐渐减小，从东北库车河方向含量逐渐增加，而塔里木河西南部以某点为中心两端含量逐渐减低，又向东南方向增加含量；HCO₃^-最大值大致位于渭干河及库车河中游，含量逐渐向四周降低。其中库车河中下游各水质含量达到峰值，造成这种现象的主要因素是研究区地势呈现北高南低式倾斜，河流流向，还有人为因素造成对水质的影响。

1) 地表水整体呈弱碱性，2016年灌溉水pH、EC、TDS、Cl^-、Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺比2017年的高，但SO₄^2-、HCO₃^-、Na⁺的浓度值的比2016年的高，说明自然因素和人为因素对其水化学参数产生影响，该结果与王雪梅^[15]研究结论相一致，渭—库绿洲由于水土资源的匮乏加之人类对水土资源的不合理利用，盐碱胁迫已成为影响区域农业生产和土地生产力的主要胁迫因子。

2) 结合Piper图和Gibbs图可知，地表水水化学类型在空间分布上具有相似性，主要表现为Cl-SO₄-Na-Mg、Cl-SO₄-Ca-Mg、HCO₃-Cl-SO₄-Na-Ca-Mg, 2016年及2017年各离子中Na⁺+K⁺、Ca²⁺和Cl^-、SO₄^2-占优势。何锦等^[5]认为如果地下水中Na⁺和Cl^-均由盐岩溶解提供，那么其离子比值应该在1:1等量线附近，这与本研究实际情况相符，渭干河和库车河流至的径流散失区的山麓戈壁及山前平原地带，其区域分布有岩盐、石膏，可以判断出Na⁺和Cl^-是由盐岩溶解提供，主要的水化学来源的自然控制因素优势机制是蒸发浓缩类型，同时也受到岩石风化作用，而远离大气降水的控制。

通过半方差函数和Kriging插值发现各水质指标总体特征在库车河中下游表现较为显著，该结果与张培楠^[16]研究结论相一致，研究区地表水随着海拔降低，农业活动等人为因素对水中离子浓度的贡献增加；且渭-库绿洲土壤质地以轻壤和沙壤为主，地层黏粒含量高、颗粒细，地下水径流不畅，蒸发作用强烈，大气降雨冲刷地表物质和土壤，使土壤颗粒和可溶物质随水流发生运移，使渠水和浅层地下水各种离子浓度增加，将盐分携至地表，极易产生积盐^[12]，加剧盐渍化程度，使生态环境遭到破坏。

综上所述，开展对渭干河—库车河三角洲绿洲地表水水质空间分布特征研究是非常必要的，后续的研究中应该加强水质季节性的特征研究，探讨河流水质季节性、时间尺度及其空间尺度上的特征变化，将有助于深入分析地表水水质特征的研究。