渭干河—庫車河綠洲地表水水質(zhì)空間分布特征

木哈代思·艾日肯，買買提·沙吾提,2?，依克麗曼·阿布都米提，馬春玥

(1.新疆大學(xué),資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,830046,烏魯木齊; 2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,830046,烏魯木齊)

水資源已成為全球性問題[1],尤其是在干旱半干旱地區(qū),水資源嚴(yán)重匱乏,水質(zhì)惡化等問題日益突出,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境越來越脆弱[2]。許多國內(nèi)外學(xué)者對水質(zhì)狀況及其變異性方面進(jìn)行了大量研究。Syed等[3]使用Piper圖等鑒定主要的水化學(xué)參數(shù)，分析出大多數(shù)地下水是不適合灌溉的；Pu Junbing等[4]利用多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)評估水域物理化學(xué)參數(shù)的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)季風(fēng)變化對海岸水質(zhì)有影響;何錦等[5]運(yùn)用Gibbs圖、Piper圖和飽和指數(shù)等分析鮮水河斷裂帶內(nèi)水質(zhì)主要離子特征及地下水補(bǔ)給來源；張志強(qiáng)等[6]利用Gibbs圖、離子比值系數(shù)及多種統(tǒng)計(jì)分析方法,研究地下水水化學(xué)特征,并對其水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)。另外，也有不少學(xué)者針對一些典型干旱地區(qū)[7-9]進(jìn)行了大量研究，分析出河流水質(zhì)變化受多因素影響，會(huì)加大流域內(nèi)土壤的鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響區(qū)域生態(tài)健康，這對后人研究水質(zhì)變化提供了有效的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

渭干河—庫車河三角洲綠洲位于我國西北干旱地區(qū),自然災(zāi)害頻繁，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失狀況嚴(yán)重[10]。目前也有不少學(xué)者[10-11]對該綠洲水質(zhì)進(jìn)行了一定的研究，但針對綠洲地表水水質(zhì)空間分布的研究較少。鑒于此，筆者對渭干河—庫車河三角洲綠洲地表水水質(zhì)變化特征和空間分布特征進(jìn)行分析，探討區(qū)域地表水水質(zhì)狀況，依期為該綠洲水資源管理與評價(jià)提供有利依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渭干河—庫車河三角洲綠洲(即渭—庫綠洲)地理坐標(biāo)為E 81°26′ ～83°17′、N 41°06′ ～ 41°38′，是中國西北部地區(qū)新疆塔里木盆地中北部的天山南麓洪積、沖積平原帶，是一個(gè)完整的、典型的山前扇形沖洪積平原綠洲[12]，如圖1遙感影像圖所示。渭一庫綠洲氣候?qū)儆诖箨懶耘瘻貛Ц珊禋夂?風(fēng)沙頻繁，降水稀少主要受到了天山的地形梯度變化的影響,隨著高程的逐漸上升而增多，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大，夏季干熱，冬季干冷，造成該區(qū)域土壤鹽漬化。各縣歷年平均溫度都在10 ℃以上，綠洲全年平均氣溫為10.8 ℃，多年平均降雨量為65 mm,多年平均干旱指數(shù)高達(dá)20.2；構(gòu)成地表水徑流量的主要河流有渭干河、庫車河、塔里木河三條河流，各河流年徑流量分別為22.34億、3.575億、43.88億m3 [12]。

圖1 研究區(qū)位置示意圖(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)

2 材料與方法

圖2 采樣點(diǎn)分布示意Fig.2 Sampling point distribution

筆者運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、Gibbs圖及Pipper圖來了解研究區(qū)地表水化學(xué)類型和主要控制的因素；借助GS+軟件及ArcGIS 10.2軟件中緩沖區(qū)分析及Kriging法得到對水質(zhì)要素在主要河流范圍內(nèi)的空間插值結(jié)果，對該綠洲地表水水質(zhì)空間上的規(guī)律進(jìn)行綜合分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 水化學(xué)特征

表1 采樣點(diǎn)水化學(xué)參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Descriptive statistics of water chemical parameters sampling point

3.1.2 水化學(xué)分布特征 Piper圖主要是以陽離子和陰離子的每毫升當(dāng)量比例(%)的形式來表示水化學(xué)類型[13]。將2016年4月及2017年5月采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)在Piper三線圖中可知地表水水化學(xué)類型在空間分布上具有相似性如圖3所示，按舒卡列夫分類方法[14]，可劃分為Cl-SO4-Na-Mg、Cl-SO4-Ca-Mg、HCO3-Cl-SO4-Na-Ca-Mg等類型。

圖3 水化學(xué)Piper圖Fig.3 Water chemistry Piper diagram

3.1.3 水化學(xué)控制因素 為確定水化學(xué)類型形成的控制因素，通過Gibbs圖來定性地判斷研究區(qū)域中巖石、大氣降水及蒸發(fā)-濃縮作用等對水化學(xué)類型影響。將2016年4月渭庫綠洲灌溉水、排堿渠水和地下水采樣水樣數(shù)據(jù)及2017年5月水樣描述在Gibbs模型中，如圖4所示。

3.2 地表水質(zhì)空間變異特征分析

圖4 2016、2017年渭庫綠洲水樣水化學(xué)Gibbs圖Fig.4 Gibbs distribution map of water chemistry in Ugan-Kuche river oasis in 2016 and 2017

類別Types變異函數(shù)模型Theory model塊金值 NuggetCo基臺(tái)值 SillCo+C塊金值/基臺(tái)值Nugget/Sill Co/Co+C/%變程Variation/km殘差平方和Residual square sum決定系數(shù)R2K+指數(shù)模型Exponential0.1390.94285.21.2060.1570.758Na+球狀模型Spherical0.624.59886.51.7861.860.757Ca2+線性模型Linear0.2510.65161.50.6770.1240.495Mg2+高斯模型Gaussian0.5222.94382.31.5950.3380.819Cl-高斯模型Gaussian0.5083.02683.21.2540.7120.827SO2-4高斯模型Gaussian0.4472.90484.61.4720.4820.808HCO-3指數(shù)模型Exponential0.0630.31880.35.9970.0140.322pH指數(shù)模型Exponential0.0140.12388.70.1133.80E-030.298TDS高斯模型Gaussian0.0080.01750.30.8991.81E-040.253EC高斯模型Gaussian0.3142.13285.31.4840.2240.827

Notes: TDS: Total dissolved solids. EC: Electrical conductivity. The same below

圖5 克里格插值結(jié)果圖Fig.5 Result graph by Kriging interpolation

4 結(jié)論與討論

4.1 地表水水質(zhì)變化特征

4.2 地表水質(zhì)空間分布特征

通過半方差函數(shù)和Kriging插值發(fā)現(xiàn)各水質(zhì)指標(biāo)總體特征在庫車河中下游表現(xiàn)較為顯著，該結(jié)果與張培楠[16]研究結(jié)論相一致，研究區(qū)地表水隨著海拔降低，農(nóng)業(yè)活動(dòng)等人為因素對水中離子濃度的貢獻(xiàn)增加；且渭-庫綠洲土壤質(zhì)地以輕壤和沙壤為主，地層黏粒含量高、顆粒細(xì)，地下水徑流不暢，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，大氣降雨沖刷地表物質(zhì)和土壤，使土壤顆粒和可溶物質(zhì)隨水流發(fā)生運(yùn)移，使渠水和淺層地下水各種離子濃度增加，將鹽分?jǐn)y至地表，極易產(chǎn)生積鹽[12]，加劇鹽漬化程度，使生態(tài)環(huán)境遭到破壞。

綜上所述，開展對渭干河—庫車河三角洲綠洲地表水水質(zhì)空間分布特征研究是非常必要的，后續(xù)的研究中應(yīng)該加強(qiáng)水質(zhì)季節(jié)性的特征研究，探討河流水質(zhì)季節(jié)性、時(shí)間尺度及其空間尺度上的特征變化，將有助于深入分析地表水水質(zhì)特征的研究。