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标题 新疆克孜勒河流域喀什段水化学特征及成因
范文 李文江++王文科段磊乃尉华



摘要：[JP2]在分析17组河水水样的水化学数据基础上，通过Piper三线图、主成分分析和因子分析方法对克孜勒河流域喀什段河水的水化学特征及成因进行研究，结果表明克孜勒河上游与中下游的水化学类型差异反映出蒸发岩的风化溶解是影响河流水化学组成的主导因素，而河水中含量较高的SO2-4主要来源于新近系地层中石膏岩类的风化溶解。克孜勒河流域内蒸发岩风化以石膏岩类的风化为主，盐岩类风化次之，碳酸盐岩风化贡献相对较少。区域内岩石化学风化的主要反应形式是石膏、芒硝、镁硫酸盐岩和盐岩的溶解，其次是方解石和白云石溶解，再次为钠长石溶解。
关键词：喀什；克孜勒河；水化学特征；主成分分析；因子分析；岩石风化；蒸发岩
中图分类号：P641文献标志码：A文章编号：
16721683（2016）06015906
Study of hydrochemical characteristics and genesis in Kashi Reach of Kizil River Basin in Xinjiang
LI Wenjiang1，2，WANG Wenke2，3，DUAN Lei2，3，NAI Weihua4
（1.Xi′an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp，Xi′an 710077，China；
2.School of Environment Science and Engineering，Chang′an University，Xi′an 710054，China；
3.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education，Xi′an 710054，China；
4.No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Party of Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development，Changji，Xinjiang 831100，China）
Abstract：Based on analyzing water chemistry data of 17 river water samples，the hydrochemical characteristics and genesis in Kashi reach of Kizil River were studied by the means of Piper trilinear nomograph，principal component analysis and factor analysis.The results showed that the differences of hydrochemical types between the upstream and the middle or lower reaches reflected that the weathering dissolution of evaporates was the dominant influencing factor of the hydrochemical compositions of the river water，while the high quantity of SO24 in river originated from the weathering dissolution of the gypsum salt series in neogene stratigraphic.The evaporites weathering was dominated by gypsum salt weathering，while rock salt weathering took the second place，carbonate weathering contributed less，and the last was albite weathering.
Key words：Kashi；Kizil River；hydrochemical characteristics；principal component analysis；factor analysis；rock weathering；evaporites
河流的水化学特征受天然条件和人类活动影响的控制。天然条件如地质岩性、气候、降水及植被[HJ1.88mm]等，其中地质因素在影响河流水化学特征中占据主导地位[1]。高坛光对青藏高原纳木错流域河水水化学特征研究中认为，纳木错流域河水主要受岩石风化影响，降水和冰川融水只是起到一定作用[2]。张立成对中国东部河水化学地理特征的研究中认为，地质环境条件是决定性条件，降水影响只有助长或削弱作用[3]。Mekbeck总结认为各种影响河水水化学组成中，地质—化学是决定性因素，气候、降水等其它天然条件的影响不及总和的10%[4]。另外，针对水化学形成作用机理方面，目前研究中广泛认可存在有溶滤作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用、蒸发浓缩和混合作用[5]。Iggy等人认为水动力条件是决定水文地球化学分带性的重要因素[6]。Varol分析土耳其Tigris河流域后认为流域中大量存在的碳酸盐和碳酸盐风化控制了该区域水文地球化学特征[7]。因此，研究河水的水化学组成，可以反演流域内地表岩石的风化过程，进而探究河流水化学组成和形成的来源。
新疆喀什克孜勒河是喀什噶尔河水系最大的一条常年性河流，为喀什市生产生活用水来源。然而，较差的水质极大地限制了水资源的开发利用。目前，国内针对克孜勒河的研究多集中在河水污染物和水资源质量评价等方面[810]，对河水的水化学变化及物质来源等天然地质因素的研究较少。本文通过水化学分析，主成分分析及因子分析等方法探讨了河水中主要离子的来源，确定形成河水水化学的主导因素，为克孜勒河的水资源合理开发利用与保护措施的制定提供科学依据。
1研究区概况
克孜勒河发源于吉尔吉斯共和国境内的特拉普齐亚峰（海拔6 048 m），在我国境内长约600 km。该河流经西南天山流入后，自西向东经乌恰县、疏附县、疏勒县、喀什市、伽师市、巴楚县，同叶尔羌河汇合后流入塔里木河流，在我国境内流经水域面积达15 000 km2。本文研究的克孜勒河喀什段以克孜勒河西部出山口分为界分为上游和中下游，在此河段内主要支流有康苏河、膘尔托阔依河及博谷孜河。[HJ]
克孜勒河是典型的内陆河，以冰雪融水补给为主。最大年径流量269亿m3，最小年径流量为156亿m3，多年平均径流量2138亿m3。丰水期为6月-8月份，枯水期为12月至翌年1月-2月。喀什地区气候干燥，蒸发强烈，降雨量少，河水中硫酸盐及硬度超标，不适合用作饮用水，但对碱土的改良起到较好的中和作用，可作为农业和生产用水。
[JP2]克孜勒河自喀什市以西段，地层以上更新统—全新统冲洪积层为主，砂卵砾石层出露于地表或埋藏于亚黏土、亚砂土之下。在库木塔格与博孜塔格出山口上游段出露有新近系泥岩，中上部为砂质泥岩和砂岩互层，含有大量石膏等盐类矿物。自喀什市以东段，地层主要为第四系全新统风积层，岩性为土黄色、浅灰色细砂和中细砂。沿克孜勒河流域，岩土体多为亚硫酸盐渍土和硫酸盐渍土，摩尔比（Cl-/2SO2-4）在001%～091%之间，属中盐渍土。
2样品采集与测试
[JP2]样品采集时间为2012年10月-11月，在克孜勒河喀什段由上游山区至喀什市区东部，沿河水流向，大致均匀间隔采集河水样共17组。采样点分布图见图1。取样前，将聚乙烯塑料瓶用所取河水水润洗3次，取样结束后，用透明胶带封口并贴好标签。采样现场测定浊度、pH、水温、电导率、溶解氧等物理化学指标，室内测试指标包括：Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO3-以及TDS。水质简分析中Na+用火焰原子吸收分光光度法测定；Ca2+、Mg2+用乙二胺四乙酸二钠滴定法测定；SO2-4用硫酸钡比浊法测定； HCO3-用酸碱滴定法测定；Cl-用硝酸银容量法测定；总溶解固体（TDS）用105 ℃干燥—重量法检测。水样中电荷平衡归一化指数（NICB=（TZ+- TZ-）/ TZ+）在±005之间，表明样品测试误差较小，测试精度在合理范围以内（表1）。
3河水水化学特征
[JP2][HJ1.5mm]克孜勒河喀什段全程pH值为746～836，平均值为796，处于中性至弱碱环境。总溶解固体（TDS）受河流岩性、地势、植被和机械剥蚀速率影响[11]，变化范围为270～13578 mg/L，平均值7374 mg/L，大于世界河流平均值（100 mg/L）[12]。除样品H8外，[HJ2.3mm]克孜勒河水中溶解总阳离子当量浓度（TZ+=Na++K++2Ca2++2Mg2+）变化范围较大，其值为912～2393 meq/L，平均值为1381 meq/L，高于世界河流[JP3]平均值（0725 meq/L）[13]。总阴离子当量浓度（TZ-=Cl-+[HJ]2SO2-4+HCO3-）变化范围为878～2268 meq/L，平均值1391 meq/L。
4河水主要离子来源及成因分析
4.1Piper三线图分析
利用Piper三线图（图2）可以表明水体中主离子组成变化，体现不同水体化学组成特征[14]。克孜勒河河水中SO2-4为主要阴离子，占离子总量约30%～70%，河水沿程逐渐趋于富集碱土金属（Ca2+、Mg2+）。上游山区及其支流中，阴离子以SO2-4和Cl-或HCO3-为主，阳离子以Na+和Ca2+为主；河水水化学类型主要为SO4·Cl或SO4·HCO3型。从出山口至河水下游，河水中Ca2+含量逐渐增大，占离子总量40%～60%；Mg2+次之，占离子总量20%～40%；非碳酸盐硬度普遍大于50%，水化学类型以SO4Ca·Mg型为主。
Piper三线图除了可以反映河水水化学组成，还能够区分不同风化作用影响的物质来源[15]。在阴离子三角图上，蒸发岩风化区域靠近SO2-4Cl-一端，而碳酸盐岩风化区域则靠近HCO3-组分一侧；在阳离子三角图中，蒸发岩风化区域靠近Na++K+一侧，碳酸盐岩风化区域靠近Ca2+Mg2+一端。从图2中可以看出，克孜勒河流域中，蒸发岩风化作用始终占主导地位，至中下游段碳酸盐岩风化作用影响加强，但仍旧以蒸发岩风化为主。
4.2主成分分析（PCA）及因子分析
为了进一步探讨不同岩石风化作用对克孜勒河[HJ2.5mm]河水主要离子化学作用的影响，对克孜勒河流域6大离子组成做主成分分析和因子分析。主成分分析通过线形变换，从众多原始变量中导出少数互补相关的关键变量，来尽可能完整的反映原始信息，以达到简化分析的目的。而因子分析将少数的随机变量根据相关性大小综合为不同的具有实际意义的公因子，从而更加直观有效的描述内容。影响克孜勒河水化学类型的因素众多，利用主成分分析可以提取出对河水水化学形成起主导作用的主要离子，并通过因子分析确定出影响水化学类型形成的主要风化过程。
采用Varimax最大正交旋转，以令较大因子负载的变量个数减小至最低限度。旋转前后各因子特征根及累计方差贡献率见表2。旋转后，前三个因子特征根均大于1，其方差贡献率分别为3667%、3484%和2502%，三者累积方差贡献率达到9654%。提取的三个因子可以代表原始数据所包含的综合信息，认为信息量无损失。对初始因子载荷矩阵做25次正交旋转，使得因子载荷趋近于两个极端，借此来明确各个因子的含义。由表3可以看出，第一因子与Ca2+、Mg2+及SO2-4相关性较大，代表以石膏及镁硫酸盐溶解为主的蒸发岩；第二因子与Na+和Cl-相关性较大，代表以石盐、钾盐等岩盐溶解为主的蒸发岩；第三因子与Mg2+和HCO3-相关性较大，代表碳酸盐岩的溶解。
根据表2中因子累积贡献率可以看出，代表蒸发岩溶解的第一因子和第二因子方差累积贡献率达7152%，表明蒸发岩溶解是控制克孜勒河河水水化学组成的主要影响因素，碳酸盐岩溶解次之；而其中石膏岩类的溶解又是蒸发岩风化中的主要因素。
根据主成分因子得分绘制克孜勒河流域水样主成分因子得分图，如图3所示。得分划分为四个区域（以图3（a）为例）：右上角表示河水主要离子含量同时受第一因子和第三因子影响；右下角表示河水主要离子含量主要受第一因子影响；左上角表示河水主要离子含量主要受第三因子影响；左下角表示河水主要离子含量既不受第一因子影响也不受第三因子影响，而受其他因素影响。
由图3可知，在克孜勒河流域，出山口以上及各支流主要离子主要受碳酸盐岩和岩盐溶解控制，在博古孜河还受硫酸盐岩溶解控制；出山口至下游河流主要离子主要受硫酸盐岩和碳酸盐岩溶解控制。进一步说明蒸发岩风化是控制克孜勒河河水水化学组成的主要因素，碳酸盐岩风化次之。
4.3主要风化过程
克孜勒河流域河水中（Na++K+）和Cl-相关分析结果显示其相关系数为0.99，Na+与SO2-4的相关系数为064，表明河水中岩盐的溶解对其贡献最大，其次为芒硝溶解。另外，Na+与HCO3-也具有较弱的相关性，其相关系数为044，说明存在少量钠长石溶解来源的Na+。水体中，蒸发岩占据主体地位时，（Na++K+）和Cl-的比值应该为1。克孜勒河河水中（Na++K+）和Cl-的比值均大于1，说明Cl-主要来源为岩盐的溶解[16]。
克孜勒河流域河水中，阴离子以SO2-4最多。通过对SO2-4和Ca2+的相关性分析为正相关，其相关系数为088。SO2-4和Na+、Mg2+的相关系数分别为064和072。表明石膏的溶解贡献最大，其次为芒硝及镁硫酸盐。另外，（HCO-3+ SO2-4）与（Ca2++Mg2+）的相关系数最大，其值为096，表明镁硫酸盐的水解促使Ca2+的碳酸盐在H2SO4作用下发生反应[17]。
HCO3-与Ca2+不具有明显的相关性，而HCO3-与Mg2+、（Ca2++Mg2+）相关系数分别为054和089。在克孜勒河流域中，除蒸发岩风化溶解的主导地位外，碳酸盐岩的风化溶解也是重要影响因素。HCO3-与Mg2+、Ca2+应该具有相同的物质来源，即HCO3-与Ca2+应该呈现较好的相关性。但由于蒸发岩风化过程中，石膏溶解度远大于碳酸盐溶解度，石膏溶解的Ca2+将促使形成CaCO3沉淀，从而干扰HCO3-与Ca2+的相关性，却并不会影响HCO3-与Mg2+的相关性[18]。
根据以上分析，克孜勒河流域发生的主要风化反应分别为
CaSO4·2H2O（石膏）+H2O→Ca2++SO2-4+3H2O
NaCl（岩盐）→Na++Cl-
MgSO4·2H2O+H2O→Mg2++SO2-4+3H2O
Na2SO4· 10H2O（芒硝）+H2O→2Na++SO2-4+11H2O
CaCO3（方解石）+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-
CaMg（CO3）2（白云岩）+2H2O+2CO2→Ca2++Mg2++4HCO3-
2NaAlSi3O8（钠长石）+2CO2+11H2O→4H4SiO4+2HCO3-+4Na++Al2Si2（OH）4
在克孜勒河流域，蒸发岩风化影响大于碳酸盐岩的风化。其中石膏等蒸发岩的风化是造成河水中高浓度SO2-4的主要原因。克孜勒河上游丘陵山区中出露有新近系地层，其中大量发育的石膏盐类矿物为河水中的SO2-4提供了来源。
5结论
（1） 克孜勒河水上游与中下游的水化学类型不[JP2]同。上游以SO4·ClNa·Ca或SO4·HCO3Ca·Na型为主；中下游以SO4Ca·Mg型为主。蒸发岩的风化溶解是影响河流水化学组成的主导因素，至中下游碳酸盐风化影响稍有增强。
（2） 主成分分析和因子分析表明，克孜勒河流域内岩石风化以石膏等蒸发岩风化为主，岩盐类蒸发岩风化次之，最后是碳酸盐风化。三者方差贡献率分别为3667%、3484%和2502%。
（3） 克孜勒河主要风化反应以石膏、芒硝、镁硫酸盐岩和盐岩的风化为主，其次是方解石和白云石的风化，另有少量的钠长石风化溶解反应。克孜勒河中SO42-含量较高，其主要来源为河流流经的新近系地层中石膏岩类的风化溶解。
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更新时间：2025/3/24 3:48:13