徑流與地下水水化學(xué)特征時(shí)空變化及控制因素

楊 春

(江蘇省水文水資源勘測局徐州分局,江蘇 徐州 221000)

0 引言

受人類影響的生態(tài)系統(tǒng)的地表水從點(diǎn)源和非點(diǎn)源接收溶質(zhì)(即營養(yǎng)物和污染物),其在不同的空間和時(shí)間尺度上影響著水質(zhì)并改變著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[1]。河流是重要的地表水資源,為城市提供公共用水,維持河岸和水生社區(qū)的生態(tài)健康[2]。在過去的幾十年里,越來越多的人類活動,包括上游引水、度假和娛樂活動、城市和農(nóng)業(yè)徑流、遺留采礦影響以及處理過的廢水排放,導(dǎo)致了河流水質(zhì)的壓力越來越大,對管理干預(yù)的需求也越來越大[3]。實(shí)現(xiàn)河流水質(zhì)可持續(xù)管理的關(guān)鍵第一步是通過河流監(jiān)測項(xiàng)目識別問題。大多數(shù)河流監(jiān)測項(xiàng)目通過測量化學(xué)物質(zhì)濃度(如硝酸鹽、硫酸鹽)來量化可能影響水質(zhì)的營養(yǎng)物質(zhì)或溶質(zhì)負(fù)荷,一些項(xiàng)目使用環(huán)境同位素來確定特定地區(qū)的來源[4]。河流中溶質(zhì)的來源可能是自然的,也可能是人為的。自然來源可能包括大氣輸入和硅酸鹽、碳酸鹽和蒸發(fā)鹽的化學(xué)風(fēng)化作用,而人為來源可能源于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和家庭部門的人類活動?？梢允褂脧V泛的采用定性和定量方法來確定這些來源。定性方法,如Piper圖、Gibbs圖和因子分析等,可以分別用于評估假定來源的水化學(xué)和巖石風(fēng)化。在定量上,化學(xué)濃度或環(huán)境同位素可以考慮在質(zhì)量平衡方程系統(tǒng)中,以量化不同來源的貢獻(xiàn)。使用化學(xué)濃度的正向建模可以隔離溶解溶質(zhì)的每個來源的貢獻(xiàn),有助于整體水化學(xué)的評估。基于環(huán)境同位素的來源分析考慮了溶解溶質(zhì)和假定來源之間的同位素值的接近性。環(huán)境同位素比簡單的化學(xué)濃度監(jiān)測更有用,因?yàn)榧词够瘜W(xué)濃度保持穩(wěn)定,同位素比率也會發(fā)生變化。因此,結(jié)合使用化學(xué)濃度和同位素為基礎(chǔ)的方法能夠可靠地評估和識別河流溶質(zhì)來源。某河是黃河支流。自20世紀(jì)80年代以來的快速工業(yè)化導(dǎo)致河流水質(zhì)逐漸下降,2004年降至歷史最低水平。自2008年以來,中國政府每年投入21.3億美元用于綜合治理。因此,2010-2014年,水質(zhì)從劣V級提升至劣IV級。然而,由于近年來河流流量大幅減少和人類活動的影響,河流和地下水的水質(zhì)繼續(xù)構(gòu)成環(huán)境健康問題。盡管最近有幾項(xiàng)研究分析了某些樣帶的水化學(xué)或水質(zhì),水化學(xué)的時(shí)間和空間變化及其控制因素很少得到解決。

本研究的目的是評價(jià)水流及地下水的水質(zhì)現(xiàn)狀,分析水質(zhì)的控制因素。本文分別在旱季和濕季對河流和地下水進(jìn)行了采樣,采用定性和定量建模方法評估和識別了溶質(zhì)來源,確定了控制水質(zhì)的過程和機(jī)制。結(jié)果為其他類似地區(qū)當(dāng)前和未來的水質(zhì)管理計(jì)劃提供信息。

1 研究區(qū)概況

某河?xùn)|西長818 km,面積為134 766 km2。大陸性季風(fēng)氣候,年平均降水量和潛在蒸散量分別為501.9和1015.0 mm。年降水量較低,潛在蒸散量較高,導(dǎo)致其嚴(yán)重缺水。流域所在平原為人口密集地區(qū)(480人/km2),是重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地,總灌溉面積達(dá)92萬 hm2。該地區(qū)的高人口密度和快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要大量的水。其社會壓力導(dǎo)致河流和地下水的過渡利用,可能會增加水污染。

其北岸支流發(fā)源于黃土高原,黃土沉積物深達(dá)350 m,河道長,泥沙含量高。相比之下,源自秦嶺的南岸支流水流清澈迅速。流域海拔由西向東遞減,在336～3 929 m之間。含水層主要由長石、鋁硅酸鹽和碳酸鹽(方解石、白云石)礦物組成。石英相對比例為34.8e40%,長石相對比例為5e20%,方解石相對比例為11.7 e15%,粘土礦物相對比例為10e15%。地貌有山地、黃土丘陵、黃土塬、沖積河谷平原等。景觀以農(nóng)田、草地和林地為主,分別占總面積的47%、31%和21%。

2 樣本采集與分析方法

3 研究方法

定量分析采用質(zhì)量預(yù)算正演模型,計(jì)算大氣輸入、人類活動和巖石風(fēng)化作用(如碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發(fā)巖)對溶質(zhì)的貢獻(xiàn)。任意元素X的質(zhì)量預(yù)算方程定義如下:

Xwater=Xatm+Xeva+Xsil+Xcarb+Xanth

(1)

式中:water代表地表水或地下水,atm、anth、sil、carb、eva分別代表大氣輸入、人為輸入、硅酸鹽風(fēng)化、碳酸鹽風(fēng)化、蒸發(fā)巖溶解。

利用穩(wěn)定同位素的質(zhì)量平衡計(jì)算各來源對水中硝酸鹽的貢獻(xiàn)如下:

(2)

(3)

(4)

其中I是指硝酸鹽來源的數(shù)量,fi是指特定硝酸鹽來源的比例。

為了解釋地表水-地下水流道對溶質(zhì)的潛在影響,本文采用氯質(zhì)平衡法分析地表水-地下水關(guān)系如下:

Qs·Cls=Qu·Clu+(Qs-Qu)·Clv

(5)

式中:Qs為總水量;Qu和q-Qu是兩個端元的通量;Cs、Cu、Cv為不同類型水中氯離子的濃度。

4 結(jié)果分析

4.1 pH值和總?cè)芙夤腆w變化

pH值范圍為7.26～9.27,平均值為8.10。TDS范圍為194.3～2136.8 M,平均值為666.4 M,為弱堿性、高鹽度。此外,該值隨季節(jié)而變化,對于河流和地下水有明顯的不同。在雨季,河流和地下水的pH值(平均值±1 SD)分別為8.16±0.31和7.63±0.21,TDS值分別為551.9±283.2和812.1±405.7 M?？菟诤恿骱偷叵滤畃H值分別為8.38±0.36和7.87±0.27,TDS值分別為667.6±337.8和748.2±581.7 M。

4.2 水化學(xué)成分和水類型分析

圖1 水流和地下水化學(xué)成分的 Piper 圖

4.3 水化學(xué)和水質(zhì)的時(shí)空變化

為研究水化學(xué)的空間格局,以經(jīng)度為軸繪制了水流主要離子濃度分布圖(圖2)。在濕潤季節(jié),中下游主要離子濃度大于上游。與中下游相比,上游在枯水期和豐水期的濃度變化較小。但枯季的空間變異性小于豐季。特別是的濃度的數(shù)值顯著高于枯水期(標(biāo)準(zhǔn)差分別為95.63和2.32)。其表明枯水期的水流受人類活動的影響較小。在時(shí)間流方面,在雨季,29%的樣本屬于V類,而在旱季,97%的樣本屬于I～I(xiàn)II類(I類占總樣本的30%,II類占37%,III類占30%)。對于地下水,在濕潤季節(jié),36%的樣品屬于V類。在旱季,I類、II類和V類水樣分別占25%、50%和25%。由此可見,與旱季相比,濕季整體水質(zhì)較差,因?yàn)闈窦緦儆赩類水樣較多。在空間上,本文計(jì)算了旱季和濕潤季不同類別的水樣占總水樣數(shù)的百分比。對于水流,上游I～I(xiàn)II、IV、V類樣本分別占水流樣本總數(shù)的24%、0%、3%,中游分別為24%、1%、18%,下游分別為28%、1%、0%。對于地下水,上游I～I(xiàn)II類和V類樣品分別占地下水樣品總數(shù)的38%和12%,中游分別為13%和5%,下游分別為22%和10%。

圖2 干濕季河流水化學(xué)的時(shí)空變化

其中陰離子主要含量在濕季(a)和旱季(b),陽離子主要含量在濕季(c)和旱季(d)

4.4 不同來源對溶解溶質(zhì)的貢獻(xiàn)以其控制因素

為了確定控制溶解溶質(zhì)的主要過程,采用了吉布斯圖和鈉歸一化摩爾比。大多數(shù)水樣的Na/(Na+Ca)和Cl/(Cl+HCO3)水平較低,但TDS中等,表明典型的巖石主導(dǎo)型溶質(zhì)水。為了明確溶解溶質(zhì)的主要巖性,采用了Na歸一化摩爾比法。該方法將離子的主要來源分為蒸發(fā)巖溶解、硅酸鹽巖石和碳酸鹽巖。通過Na+調(diào)整元素比例可以有效消除稀釋效應(yīng)。濕季樣品均受三種巖鹽的影響。相反,枯水期地下水樣品大多落在右上剖面,說明溶質(zhì)主要受碳酸鹽風(fēng)化作用的影響。本文采用正演模型量化了大氣輸入、人類活動和巖石風(fēng)化等不同因素對溶解溶質(zhì)的貢獻(xiàn)?？傮w而言,硅酸鹽風(fēng)化占水流和地下水溶質(zhì)的33±4%,沒有明顯的季節(jié)差異。季節(jié)變化,前者占地下水溶質(zhì)的51±21%,枯水期季節(jié)信號較強(qiáng)。后者占地下水溶質(zhì)的46±5%,雨季季節(jié)信號較強(qiáng)。人類活動占河流溶解溶質(zhì)的10±5%。大氣輸入和人類活動對其他水類型和季節(jié)的影響可忽略不計(jì)。人類活動總是導(dǎo)致水的化學(xué)成分和質(zhì)量的變化。濕季徑流和地下水對蒸發(fā)巖溶解的貢獻(xiàn)分別為42±18%和49±28%,旱季徑流和地下水對蒸發(fā)巖溶解的貢獻(xiàn)分別為32±15%和9±2%。與旱季相比,濕季蒸發(fā)巖溶解對溶解溶質(zhì)的貢獻(xiàn)更大。蒸發(fā)巖的溶解速率比花崗巖大40～80倍,比碳酸鹽大4～7倍。蒸發(fā)巖溶解雖然整體含量較低,但對水體化學(xué)成分的影響顯著。研究區(qū)雨季的高溫和降雨加速了蒸發(fā)巖的溶解。正演模型計(jì)算結(jié)果表明,旱季地下水主要受碳酸鹽風(fēng)化作用的影響,而雨季則主要受蒸發(fā)巖溶解的影響。干濕季碳酸鹽風(fēng)化作用的貢獻(xiàn)率分別為51±21%和8±6%。不同氣候條件下碳酸鹽巖風(fēng)化浸出實(shí)驗(yàn)表明,干燥和寒冷條件下碳酸鹽巖風(fēng)化更為明顯。在大陸性季風(fēng)氣候中,旱季溫度低,雨季溫度高。因此,地下水碳酸鹽的溶解存在季節(jié)性變化。

5 結(jié)語

缺水地區(qū)經(jīng)常受到水質(zhì)退化的威脅,這在干旱地區(qū)更令人擔(dān)憂。本文以某河為研究區(qū),分析了河流和地下水中的水化學(xué)、水質(zhì)和溶質(zhì)來源。中下游主要離子濃度大于上游,且豐水期明顯高于枯水期。雖然水質(zhì)退化主要是由巖石風(fēng)化造成的,但溶解的溶質(zhì)也來源于人類活動,特別是農(nóng)業(yè)活動。盡管人為輸入對溶質(zhì)的貢獻(xiàn)很小,但它們可以通過硝酸鹽的加載顯著惡化水質(zhì),特別是在雨季。本文研究結(jié)果表明,在干旱地區(qū)的雨季,由于強(qiáng)烈的暴雨和過量的化肥施用,非點(diǎn)源污染可能會更加嚴(yán)重。