隴東黃土塬地區水環境中腐蝕介質分布規律及特征

魏晉平,邊浩林,邊義成,劉 濤

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,蘭州 730000)

隴東黃土塬是我國較為典型的干旱、半干旱地區，水資源匱乏已成為阻礙當地經濟發展的重要因素之一。隨著國家對干旱、半干旱地區經濟發展的重視，各種大型水利建設工程皆臻隴東。水利工程的建設是要濡養地方百年，甚至千年的，因而水利建筑物的耐蝕性就顯得尤為重要。水環境中電化學腐蝕對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價標準也相對完善[1-6]，然而關于典型地區(如隴東黃土塬)水環境中的腐蝕介質分布規律及特征等相關研究卻鮮見報道。劉心彪等[7-8]對涇河和馬蓮河的地表水、地下水進行了水化學分析，揭示了隴東盆地地下水的循環特征；甘肅省地質環境監測院對慶陽市重點區域地下水的變化情況進行了調查[9]；錢會等對慶陽市及周邊地區的地下水水質進行了評價[10]；馬金珠等揭示了馬蓮河地表水、地下水的水質特征與演化過程[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律；婁亮杰等[14-16]研究了油田污水對管道的腐蝕機理。國內諸多學者都系統研究了長慶油田油井集輸系統的水樣及其腐蝕行為[17-19]。

目前關于隴東黃土塬區水環境的研究，多集中于隴東地區的水質分析評價，而關于黃土塬地區水環境腐蝕性的研究卻相對較少。因此，本工作對隴東黃土塬地區整體水環境中的腐蝕介質分布規律和特征進行了研究，以期為今后隴東黃土塬地區建筑物的腐蝕與防護提供指導。

1 試驗

1.1 水文地質概況

隴東黃土塬區北鄰鄂爾多斯高原，南至涇河南岸，西接六盤山脈，東倚子午嶺(如圖1所示)。研究區風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。隴東黃土塬區屬中溫帶半干旱地區，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，但保水性較差。降雨部分通過地面匯集補給河水；部分垂直下滲補給孔隙水，再通過地下潛流沿基巖面補給溝水或河水[8]。流經研究區的河流主要有涇河、茹河、蒲河和馬蓮河等，多發源于六盤山脈和子午嶺。

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

1.2 采樣與測試

研究區近似為矩形區域，為了研究隴東黃土塬區水環境中腐蝕介質的分布規律和特征，沿矩形區域對角線布置了如圖1中紅色曲線所示水化學研究剖面，此剖面幾乎涵蓋隴東黃土塬區所有河流。對河谷階地及黃土塬梁峁地區的地表水和地下水進行采樣分析，共收集整理了82組水化學資料，其中地表水占42組，地下水占40組。樣品檢測由甘肅省水利水電勘測設計研究院土工實驗室完成，分析內容包括：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譜儀測定；pH用實驗室pH計測定；SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-的濃度由HC-800全自動離子分析儀測定，測試方法嚴格按照相關水質檢測規范。

1.3 評價標準

為了了解隴東黃土塬地區水環境中電化學腐蝕對建筑物的影響程度，根據GB50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》測得隴東黃土塬地區水環境中的腐蝕介質含量，見表1，判斷隴東黃土塬地區水環境中鋼結構、混凝土結構和鋼筋混凝土結構中鋼筋的電化學腐蝕程度。

2 腐蝕介質分布規律及特征

對82組水樣的化學成分進行統計，得到隴東黃土塬地區主要腐蝕介質分布圖及特征值，見表2和表3，表中包括腐蝕介質最大值(xmax)、最小值(xmin)、平均值(xav)、標準差(s)和變異系數(δ)。

2.1 地表水中腐蝕介質分布規律及特征

由表2可見：該地區地表水pH為7.53～8.96，屬弱堿性水。礦化度為0.31～3.66 g/L，變異系數為0.71，平均值為0.97 g/L，說明該地區礦化度含量極不均勻(見圖2),該地區大部分地表水按水質分類為淡水，只有個別地區的地表水礦化度超出1 g/L，為微咸水或咸水(茹河、環江和馬蓮河)。表中Mg2+、Cl-和SO42-含量的變異系數均較大，說明該地區腐蝕性離子含量分布差別較大(見圖3)，涇河、洪河、茹河、蒲河、馬蓮河、環江和柔遠河附近腐蝕性離子含量普遍較高。所有腐蝕介質中只有Cl-和SO42-含量超過標準要求，從圖3中可以看出大部分河流中Cl-質量濃度超過100 mg/L。

表1 黃土塬地區的水質分析結果Tab. 1 Analysis results of water quality in the Loess Plateau area

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

圖2 隴東黃土塬區地表水礦化度、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 地下水中腐蝕介質分布規律及特征

由表3可見：該地區地下水pH為7.51～8.94，屬弱堿性水。礦化為0.30～1.58 g/L，變異系數為0.39，平均值為0.75 g/L，說明該地區礦化度含量較均勻(見圖4)。該地區大部分地下水按水質分類為淡水，只有個別地區的地下水礦化度超出1 g/L，為微咸水。表中Mg2+、Cl-和SO42-含量的變異系數均較大，說明該地區腐蝕性離子含量分布極不均勻，洪河、茹河、蒲河、環江和柔遠河附近腐蝕性離子含量普遍較高(見圖5)。所有腐蝕介質中只有Cl-和SO42-含量超過規范標準，從圖5中可以看出，除涇河外大部分河流中Cl-含量超過了100 mg/L。

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

圖4 隴東黃土塬區地下水礦化度、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

對隴東黃土塬地區水環境中的腐蝕介質進行整理和分析，發現該地區水的pH均大于7.5，偏堿性。水中礦化度、HCO3-和Mg2+含量均未超過規范要求，Cl-和SO42-含量超過要求，并且在涇河、洪河、茹河、蒲河、馬蓮河、環江和柔遠河水中Cl-和SO42-含量較高。

圖6為隴東黃土塬區水環境中Cl-和SO42-含量垂向分布圖，可以看出當取樣深度在5 m內時，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：隴東黃土塬地區河溝地區的腐蝕介質含量普遍偏高，塬梁峁地區的腐蝕介質含量較低，沿取樣線路方向主要腐蝕介質含量有緩慢上升趨勢。

3 水環境中腐蝕介質對建筑材料的腐蝕影響

根據GB50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》可知，Cl-和SO42-對鋼筋混凝土結構中鋼筋、混凝土結構和鋼結構具有腐蝕性，由圖8可知：隴東黃土塬地區大多數水環境對鋼筋混凝土結構中鋼筋具有弱腐蝕性，85%的水環境對混凝土結構和鋼結構無腐蝕性；部分水環境對混凝土結構具有強腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋有中腐蝕性，對鋼結構有中腐蝕性。

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

圖7 隴東黃土塬地區環境水主要腐蝕介質含量分布情況Fig. 7 The corrosion medium content of water in the Loess Plateau area

(a) 混凝土腐蝕等級 (b) 鋼筋腐蝕等級 (c) 鋼結構腐蝕等級圖8 隴東黃土塬地區水環境腐蝕介質對建筑材料腐蝕程度Fig. 8 The water corrosion degree of mediums for building materials in the Loess Plateau area

4 結論

(1) 隴東黃土塬地區水環境中對混凝土、鋼筋混凝土結構中鋼筋和鋼結構有腐蝕性的主要介質是Cl-和SO42-。

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

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

(4) 隴東黃土塬地區85%的水環境對混凝土結構和鋼結構無腐蝕性；部分水環境對混凝土結構具有強腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋有中腐蝕性，對鋼結構有中腐蝕性。