程瑤, 魏寧遠, 馬建琴

(1.河北工程大學(xué) 河北省智慧水利重點實驗室,河北 邯鄲 056038; 2.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院,河北 邯鄲 056038;3.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046)

河流的水化學(xué)組成記錄了水的形成和遷移歷史,反映了流域內(nèi)河流水化學(xué)特征[1]。流域水化學(xué)特征可用于確定水中主要離子的來源、演化過程以及水體與下墊面之間的相互關(guān)系[2],是研究水體來源、組成和循環(huán)的重要指標[3-5]。

京津冀地區(qū)大多位于海河流域,是我國最重要的政治、經(jīng)濟、文化中心之一,同時也是我國自主創(chuàng)新戰(zhàn)略的重要承載地之一。然而,隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,海河的水資源短缺問題受到了廣泛關(guān)注[6]。漳衛(wèi)南運河是海河的重要水系之一,也是海河水資源量最為充沛的支流之一。漳河作為漳衛(wèi)南運河的重要支流,研究其水化學(xué)特征對于認識海河流域水循環(huán)過程、京津冀地區(qū)的社會發(fā)展和生態(tài)保護具有重要意義[3]。

河水的水化學(xué)研究[4,7-8]為評估水體類型的形成和演化以及水資源質(zhì)量的評價提供了定性和定量的研究方法。早在20世紀末就有研究人員對河流水化學(xué)特征進行研究評估,GAILLARDET J等[9]討論了世界60條主要河流中離子的來源發(fā)現(xiàn),所有河流都受到碳酸鹽巖和硅酸鹽巖風(fēng)化的影響。DEKOV V M等[10]分析了尼羅河地表徑流和地下水中沉積物和懸浮物的化學(xué)成分,表明阿斯旺大壩的修建、農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動是導(dǎo)致河水化學(xué)演變的主要原因。近年來,國內(nèi)水化學(xué)研究發(fā)展迅速,LI J Y等[11]討論了黃河水化學(xué)特征并估算了黃河的化學(xué)風(fēng)化速率,認為蒸發(fā)鹽巖的溶解是黃河流域CO2消耗速率低于世界平均水平的重要因素。ZHANG L等[12]討論了淮河水體的化學(xué)組成,證實了淮河作為中國南北分界線的重要依據(jù)。孫海龍等[13]討論了珠江流域水化學(xué)特征的時空分布并估算了其巖石風(fēng)化速率,明確了流量變化對于河流巖溶碳匯通量的影響。劉敏等[14]分析了長江源區(qū)主要河流的水化學(xué)特征并對河水適用性進行了評價,該分析指出了長江發(fā)源區(qū)的地表水化學(xué)特征主要受巖石風(fēng)化作用和蒸發(fā)結(jié)晶控制。

漳河作為海河流域重要的水源地,漳河的治理對于海河流域水資源管理具有重要意義。萬思成等[15]利用長系列徑流資料研究了漳河上游水資源的變化趨勢,表明漳河上游水資源量在1958—2012年呈下降趨勢。孫從建等[16]和房曉君等[17]分別利用穩(wěn)定同位素和數(shù)值方法等探討了漳河上游地區(qū)地下水和地表水的轉(zhuǎn)化過程,指出河水和大氣降水對地下水有明顯的補給作用。根據(jù)已有的研究結(jié)果,對漳河上游水資源演化和地表水與地下水轉(zhuǎn)換過程有了一定認識,但是對于人類活動影響下的漳河上游水巖交互作用以及水體溶質(zhì)來源并不明確。為此,本研究通過分析漳河上游河流主要離子類型,從水化學(xué)角度闡述該區(qū)域水循環(huán)過程,研究自然和人為等因素對漳河上游地區(qū)的河流水化學(xué)特征的綜合影響,揭示河流主要離子來源,識別水巖作用對于區(qū)域產(chǎn)匯流機制的重要作用,為漳河上游和海河流域水資源管理和水生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漳河屬于海河流域南源之一,是漳衛(wèi)南運河水系的重要支流之一。漳河發(fā)源自山西,流經(jīng)河北、河南后,經(jīng)岳城水庫流入衛(wèi)運河(北緯36°04′～37°33′、東經(jīng)112°37′～114°08′)。漳河上游流經(jīng)太行山區(qū),大地構(gòu)造位于太行山新華夏系第三隆起帶,巖性地層出露主要有泥巖、石英砂巖、頁巖以及石灰?guī)r等。漳河上游包括濁漳河和清漳河兩條支流,在河北省涉縣匯入漳河,如圖1所示。濁漳河流經(jīng)上黨盆地,周邊為高山,內(nèi)部多為丘陵和平原,流域內(nèi)土壤侵蝕嚴重,河流泥沙含量較高[16],河源分為南源、西源和北源。清漳河地形西北較高,東南較低,多石山,地勢險峻,河源分為東源和西源。

圖1 研究區(qū)采樣點分布圖

1.2 水樣采集與檢測

2 結(jié)果與討論

2.1 主要離子特征

表1 漳河上游流域地表水化學(xué)統(tǒng)計

2.2 水化學(xué)特征及主要控制因素

2.2.1 水化學(xué)類型分析

流域內(nèi)不同水體的離子組成和水化學(xué)特征受氣候背景、地形條件、地質(zhì)條件和水巖相互作用的影響。本文采用舒卡列夫分類法對水體水化學(xué)類型進行劃分,結(jié)合Piper圖2分析漳河地表水的化學(xué)組成和演化過程[20],進而研究地形條件、地質(zhì)條件和水巖相互作用對區(qū)域水循環(huán)過程的影響。

(a)2019年P(guān)iper三線圖

2.2.2 主要控制因素

巖石風(fēng)化、蒸發(fā)結(jié)晶、大氣降水和人類活動輸入的離子共同控制著河流水化學(xué)特征[7]。蒸發(fā)結(jié)晶、降雨和巖石作用是控制水化學(xué)的3個重要自然因素,通?？梢杂肎ibbs圖來識別它們的作用[23-24]。當(dāng)TDS值為10 mg/L,且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)大約是1時,水化學(xué)特征主要由大氣降水控制,其點分布在Gibbs圖的右下角;當(dāng)TDS值為70～300 mg/L,且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)值低于0.5時,水化學(xué)特征以巖石風(fēng)化為主,數(shù)據(jù)點分布在圖中左側(cè);當(dāng)TDS值較高,且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)值約為1時,水化學(xué)特征主要受蒸發(fā)巖溶解影響,數(shù)據(jù)點分布在圖中右上角。研究區(qū)的離子分布如圖3所示,漳河上游地區(qū)廣泛受到巖石風(fēng)化的影響,遠離大氣降雨控制帶,偏向蒸發(fā)結(jié)晶作用帶。此外,部分濁漳河水樣位于Gibbs圖的右中部區(qū)域,即Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)值大于0.5,這可能是由于該地區(qū)地表水化學(xué)特征受到來自其他因素的影響,如陽離子交換的影響。

此外,為了進一步闡明巖石風(fēng)化對區(qū)域水化學(xué)特征的影響,GAILLARDET J等[9]構(gòu)建了鈉標準化的離子比例關(guān)系圖。圖4為漳河上游鈉標準化的離子比例關(guān)系圖。由圖4可知:漳河干流和清漳河主要位于碳酸鹽巖和硅酸鹽巖之間,說明漳河干流和清漳河水體演化受流域碳酸鹽巖和硅酸鹽巖溶解的影響;濁漳河主要位于碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖之間,表明濁漳河受碳酸巖、硅酸巖和蒸發(fā)巖風(fēng)化和溶解的共同影響。

(a)Mg2+/Na+與 Ca2+/Na+關(guān)系圖與 Ca2+/Na+關(guān)系圖

上述分析表明,水巖交互過程在漳河上游水體演化過程中起著顯著作用,這意味著漳河流域徑流形成過程可能受山區(qū)水巖作用的影響。因此,以后的研究中應(yīng)該更加關(guān)注山區(qū)巖溶過程對于漳河流域產(chǎn)匯流的影響,而非簡單考慮地表徑流形成過程,這對于深入認識漳河上游地區(qū)降水產(chǎn)流機理以及精準評估流域水資源具有重要意義。

2.3 離子來源解析

(a)漳河上游Na+與 Cl-關(guān)系圖

此外,地表水的化學(xué)成分除了受當(dāng)?shù)貧夂?、水巖作用、地表水地下水交互作用等自然因素[8]的影響,還在很大程度上受到灌溉、廢水排放、跨流域調(diào)水等人為因素[29]的影響。

陽離子交換也可能是影響一個地區(qū)的水化學(xué)特征的重要因素[25,31],圖6為漳河上游水體氯堿指數(shù)及陽離子交換過程,圖6(a)表明了陽離子交換的可能性。

圖6 漳河上游水體氯堿指數(shù)及陽離子交換過程

Schoeller提出兩個氯堿指數(shù)(CAI-1和CAI-2)用于判斷陽離子交換的過程[32],可表示如下。其中所有離子濃度均以mmol/L表示。

(1)

(2)

2Na++CaX2=Ca2++2NaX,

(3)

Ca2++2NaX=2Na++CaX2。

(4)

兩個指數(shù)為正值,表明發(fā)生了正向的陽離子交換見式(3),而負值表示發(fā)生式(4)所示的反向陽離子交換[31]。大多數(shù)水樣都位于圖6(a)的左下區(qū)域,表明反向離子交換是研究區(qū)內(nèi)的重要過程。

3 結(jié)語

本研究對2019年和2020年漳河上游地表水樣本進行了水化學(xué)分析,以表征其水化學(xué)特征及成因。此外,研究還討論了地表水中主要離子的釋放過程,并識別離子來源,揭示了自然和人為因素對于漳河上游地區(qū)河流水化學(xué)特征的影響。

3)離子比例關(guān)系、Gibbs圖以及氯堿指數(shù)等綜合分析表明,水巖交互作用是漳河上游水體演化的重要過程,碳酸巖風(fēng)化和蒸發(fā)巖溶解過程控制了漳河上游的水化學(xué)特征,影響了漳河流域徑流形成。此外,河流離子構(gòu)成也受到了陽離子交換和人類活動的影響。