隴東黃土塬地區(qū)水環(huán)境中腐蝕介質(zhì)分布規(guī)律及特征

魏晉平,邊浩林,邊義成,劉 濤

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,蘭州 730000)

隴東黃土塬是我國(guó)較為典型的干旱、半干旱地區(qū)，水資源匱乏已成為阻礙當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。隨著國(guó)家對(duì)干旱、半干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重視，各種大型水利建設(shè)工程皆臻隴東。水利工程的建設(shè)是要濡養(yǎng)地方百年，甚至千年的，因而水利建筑物的耐蝕性就顯得尤為重要。水環(huán)境中電化學(xué)腐蝕對(duì)建筑物的影響早已引起了人們的注意，并且理論研究及腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也相對(duì)完善[1-6]，然而關(guān)于典型地區(qū)(如隴東黃土塬)水環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)分布規(guī)律及特征等相關(guān)研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。劉心彪等[7-8]對(duì)涇河和馬蓮河的地表水、地下水進(jìn)行了水化學(xué)分析，揭示了隴東盆地地下水的循環(huán)特征；甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院對(duì)慶陽(yáng)市重點(diǎn)區(qū)域地下水的變化情況進(jìn)行了調(diào)查[9]；錢會(huì)等對(duì)慶陽(yáng)市及周邊地區(qū)的地下水水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)[10]；馬金珠等揭示了馬蓮河地表水、地下水的水質(zhì)特征與演化過(guò)程[11]；潘峰等[12-13]研究了石油類污染物在土壤中的縱向遷移規(guī)律；婁亮杰等[14-16]研究了油田污水對(duì)管道的腐蝕機(jī)理。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者都系統(tǒng)研究了長(zhǎng)慶油田油井集輸系統(tǒng)的水樣及其腐蝕行為[17-19]。

目前關(guān)于隴東黃土塬區(qū)水環(huán)境的研究，多集中于隴東地區(qū)的水質(zhì)分析評(píng)價(jià)，而關(guān)于黃土塬地區(qū)水環(huán)境腐蝕性的研究卻相對(duì)較少。因此，本工作對(duì)隴東黃土塬地區(qū)整體水環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)分布規(guī)律和特征進(jìn)行了研究，以期為今后隴東黃土塬地區(qū)建筑物的腐蝕與防護(hù)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 水文地質(zhì)概況

隴東黃土塬區(qū)北鄰鄂爾多斯高原，南至涇河南岸，西接六盤山脈，東倚子午嶺(如圖1所示)。研究區(qū)風(fēng)積形成厚百余米的黃土高原，后被河流、洪水剝蝕切割，形成現(xiàn)存的兼有高原、溝壑、梁峁、河谷、平川、山巒、斜坡等的地形地貌。隴東黃土塬區(qū)屬中溫帶半干旱地區(qū)，春冬季降水較少，夏秋季降雨較多，年平均降水量550 mm。黃土的垂直下滲較強(qiáng)，但保水性較差。降雨部分通過(guò)地面匯集補(bǔ)給河水；部分垂直下滲補(bǔ)給孔隙水，再通過(guò)地下潛流沿基巖面補(bǔ)給溝水或河水[8]。流經(jīng)研究區(qū)的河流主要有涇河、茹河、蒲河和馬蓮河等，多發(fā)源于六盤山脈和子午嶺。

圖1 隴東黃土塬及水化取樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 The distribution map of hydration sampling points in the Loess Plateau area

1.2 采樣與測(cè)試

研究區(qū)近似為矩形區(qū)域，為了研究隴東黃土塬區(qū)水環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的分布規(guī)律和特征，沿矩形區(qū)域?qū)蔷€布置了如圖1中紅色曲線所示水化學(xué)研究剖面，此剖面幾乎涵蓋隴東黃土塬區(qū)所有河流。對(duì)河谷階地及黃土塬梁峁地區(qū)的地表水和地下水進(jìn)行采樣分析，共收集整理了82組水化學(xué)資料，其中地表水占42組，地下水占40組。樣品檢測(cè)由甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院土工實(shí)驗(yàn)室完成，分析內(nèi)容包括：Na++K+、Mg2+、Ca2+、SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-、礦化度、侵蝕CO2和pH等。其中Na++K+、Mg2+、Ca2+的濃度由電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定；pH用實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)測(cè)定；SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-的濃度由HC-800全自動(dòng)離子分析儀測(cè)定，測(cè)試方法嚴(yán)格按照相關(guān)水質(zhì)檢測(cè)規(guī)范。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了了解隴東黃土塬地區(qū)水環(huán)境中電化學(xué)腐蝕對(duì)建筑物的影響程度，根據(jù)GB50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》測(cè)得隴東黃土塬地區(qū)水環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)含量，見(jiàn)表1，判斷隴東黃土塬地區(qū)水環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的電化學(xué)腐蝕程度。

2 腐蝕介質(zhì)分布規(guī)律及特征

對(duì)82組水樣的化學(xué)成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到隴東黃土塬地區(qū)主要腐蝕介質(zhì)分布圖及特征值，見(jiàn)表2和表3，表中包括腐蝕介質(zhì)最大值(xmax)、最小值(xmin)、平均值(xav)、標(biāo)準(zhǔn)差(s)和變異系數(shù)(δ)。

2.1 地表水中腐蝕介質(zhì)分布規(guī)律及特征

由表2可見(jiàn)：該地區(qū)地表水pH為7.53～8.96，屬弱堿性水。礦化度為0.31～3.66 g/L，變異系數(shù)為0.71，平均值為0.97 g/L，說(shuō)明該地區(qū)礦化度含量極不均勻(見(jiàn)圖2),該地區(qū)大部分地表水按水質(zhì)分類為淡水，只有個(gè)別地區(qū)的地表水礦化度超出1 g/L，為微咸水或咸水(茹河、環(huán)江和馬蓮河)。表中Mg2+、Cl-和SO42-含量的變異系數(shù)均較大，說(shuō)明該地區(qū)腐蝕性離子含量分布差別較大(見(jiàn)圖3)，涇河、洪河、茹河、蒲河、馬蓮河、環(huán)江和柔遠(yuǎn)河附近腐蝕性離子含量普遍較高。所有腐蝕介質(zhì)中只有Cl-和SO42-含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，從圖3中可以看出大部分河流中Cl-質(zhì)量濃度超過(guò)100 mg/L。

表1 黃土塬地區(qū)的水質(zhì)分析結(jié)果Tab. 1 Analysis results of water quality in the Loess Plateau area

表2 隴東黃土塬地區(qū)地表水腐蝕介質(zhì)特征值(樣本數(shù)n=42)Tab. 2 The eigenvalue of surface water corrosion mediums in the Loess Plateau area

圖2 隴東黃土塬區(qū)地表水礦化度、HCO3-含量和pH分布情況Fig. 2 The degree of mineralization, HCO3- content and pH of surface water in the Loess Plateau area

圖3 隴東黃土塬區(qū)地表水Mg2+、Cl-和SO42-含量分布情況Fig. 3 The Mg2+, Cl-, SO42- content of surface water in the Loess Plateau area

2.2 地下水中腐蝕介質(zhì)分布規(guī)律及特征

由表3可見(jiàn)：該地區(qū)地下水pH為7.51～8.94，屬弱堿性水。礦化為0.30～1.58 g/L，變異系數(shù)為0.39，平均值為0.75 g/L，說(shuō)明該地區(qū)礦化度含量較均勻(見(jiàn)圖4)。該地區(qū)大部分地下水按水質(zhì)分類為淡水，只有個(gè)別地區(qū)的地下水礦化度超出1 g/L，為微咸水。表中Mg2+、Cl-和SO42-含量的變異系數(shù)均較大，說(shuō)明該地區(qū)腐蝕性離子含量分布極不均勻，洪河、茹河、蒲河、環(huán)江和柔遠(yuǎn)河附近腐蝕性離子含量普遍較高(見(jiàn)圖5)。所有腐蝕介質(zhì)中只有Cl-和SO42-含量超過(guò)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，從圖5中可以看出，除涇河外大部分河流中Cl-含量超過(guò)了100 mg/L。

表3 隴東黃土塬地區(qū)地下水腐蝕介質(zhì)特征值(樣本數(shù)n=40)Tab. 3 The eigenvalue of ground water corrosion mediums in the Loess Plateau area

圖4 隴東黃土塬區(qū)地下水礦化度、HCO3-含量和pH值分布圖Fig. 4 The degree of mineralization, HCO3-, content and pH of ground water in the Loess Plateau area

圖5 隴東黃土塬區(qū)地下水Mg2+、Cl-和SO42-含量分布圖Fig. 5 The Mg2+, Cl- and SO42- content of ground water in the Loess Plateau area

2.3 討論

對(duì)隴東黃土塬地區(qū)水環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)進(jìn)行整理和分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)水的pH均大于7.5，偏堿性。水中礦化度、HCO3-和Mg2+含量均未超過(guò)規(guī)范要求，Cl-和SO42-含量超過(guò)要求，并且在涇河、洪河、茹河、蒲河、馬蓮河、環(huán)江和柔遠(yuǎn)河水中Cl-和SO42-含量較高。

圖6為隴東黃土塬區(qū)水環(huán)境中Cl-和SO42-含量垂向分布圖，可以看出當(dāng)取樣深度在5 m內(nèi)時(shí)，Cl-含量變化紊亂，但隨著取樣深度的增加Cl-含量降低，SO42-含量隨著取樣深度的增加而降低。由圖7可見(jiàn)：隴東黃土塬地區(qū)河溝地區(qū)的腐蝕介質(zhì)含量普遍偏高，塬梁峁地區(qū)的腐蝕介質(zhì)含量較低，沿取樣線路方向主要腐蝕介質(zhì)含量有緩慢上升趨勢(shì)。

3 水環(huán)境中腐蝕介質(zhì)對(duì)建筑材料的腐蝕影響

根據(jù)GB50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》可知，Cl-和SO42-對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)具有腐蝕性，由圖8可知：隴東黃土塬地區(qū)大多數(shù)水環(huán)境對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有弱腐蝕性，85%的水環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性；部分水環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋有中腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有中腐蝕性。

(a) Cl-含量 (b) SO42-含量圖6 隴東黃土塬地區(qū)水環(huán)境主要腐蝕介質(zhì)含量垂向分布情況Fig. 6 The vertical distribution map of water corrosion mediums in the Loess Plateau area

圖7 隴東黃土塬地區(qū)環(huán)境水主要腐蝕介質(zhì)含量分布情況Fig. 7 The corrosion medium content of water in the Loess Plateau area

(a) 混凝土腐蝕等級(jí) (b) 鋼筋腐蝕等級(jí) (c) 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕等級(jí)圖8 隴東黃土塬地區(qū)水環(huán)境腐蝕介質(zhì)對(duì)建筑材料腐蝕程度Fig. 8 The water corrosion degree of mediums for building materials in the Loess Plateau area

4 結(jié)論

(1) 隴東黃土塬地區(qū)水環(huán)境中對(duì)混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)有腐蝕性的主要介質(zhì)是Cl-和SO42-。

(2) 隴東黃土塬區(qū)水環(huán)境中Cl-和SO42-含量隨著取樣深度的增加而降低。

(3) 隴東黃土塬地區(qū)涇河、洪河、茹河、蒲河、馬蓮河、環(huán)江和柔遠(yuǎn)河中Cl-和SO42-含量普遍偏高。

(4) 隴東黃土塬地區(qū)85%的水環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性；部分水環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋有中腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有中腐蝕性。