徑流與地下水水化學特征時空變化及控制因素

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

受人類影響的生態系統的地表水從點源和非點源接收溶質(即營養物和污染物),其在不同的空間和時間尺度上影響著水質并改變著生態系統的結構和功能[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的生態健康[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、城市和農業徑流、遺留采礦影響以及處理過的廢水排放,導致了河流水質的壓力越來越大,對管理干預的需求也越來越大[3]。實現河流水質可持續管理的關鍵第一步是通過河流監測項目識別問題。大多數河流監測項目通過測量化學物質濃度(如硝酸鹽、硫酸鹽)來量化可能影響水質的營養物質或溶質負荷,一些項目使用環境同位素來確定特定地區的來源[4]。河流中溶質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、碳酸鹽和蒸發鹽的化學風化作用,而人為來源可能源于農業、工業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和巖石風化。在定量上,化學濃度或環境同位素可以考慮在質量平衡方程系統中,以量化不同來源的貢獻。使用化學濃度的正向建?？梢愿綦x溶解溶質的每個來源的貢獻,有助于整體水化學的評估?；诃h境同位素的來源分析考慮了溶解溶質和假定來源之間的同位素值的接近性。環境同位素比簡單的化學濃度監測更有用,因為即使化學濃度保持穩定,同位素比率也會發生變化。因此,結合使用化學濃度和同位素為基礎的方法能夠可靠地評估和識別河流溶質來源。某河是黃河支流。自20世紀80年代以來的快速工業化導致河流水質逐漸下降,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繼續構成環境健康問題。盡管最近有幾項研究分析了某些樣帶的水化學或水質,水化學的時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水流及地下水的水質現狀,分析水質的控制因素。本文分別在旱季和濕季對河流和地下水進行了采樣,采用定性和定量建模方法評估和識別了溶質來源,確定了控制水質的過程和機制。結果為其他類似地區當前和未來的水質管理計劃提供信息。

1 研究區概況

某河東西長818 km,面積為134 766 km2。大陸性季風氣候,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,導致其嚴重缺水。流域所在平原為人口密集地區(480人/km2),是重要的工農業生產基地,總灌溉面積達92萬 hm2。該地區的高人口密度和快速的經濟發展需要大量的水。其社會壓力導致河流和地下水的過渡利用,可能會增加水污染。

其北岸支流發源于黃土高原,黃土沉積物深達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

定量分析采用質量預算正演模型,計算大氣輸入、人類活動和巖石風化作用(如碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發巖)對溶質的貢獻。任意元素X的質量預算方程定義如下:

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、硅酸鹽風化、碳酸鹽風化、蒸發巖溶解。

利用穩定同位素的質量平衡計算各來源對水中硝酸鹽的貢獻如下:

(2)

(3)

(4)

其中I是指硝酸鹽來源的數量,fi是指特定硝酸鹽來源的比例。

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

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 結果分析

4.1 pH值和總溶解固體變化

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 水化學成分和水類型分析

圖1 水流和地下水化學成分的 Piper 圖

4.3 水化學和水質的時空變化

為研究水化學的空間格局,以經度為軸繪制了水流主要離子濃度分布圖(圖2)。在濕潤季節,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。特別是的濃度的數值顯著高于枯水期(標準差分別為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～III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,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,濕季整體水質較差,因為濕季屬于V類水樣較多。在空間上,本文計算了旱季和濕潤季不同類別的水樣占總水樣數的百分比。對于水流,上游I～III、IV、V類樣本分別占水流樣本總數的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～III類和V類樣品分別占地下水樣品總數的38%和12%,中游分別為13%和5%,下游分別為22%和10%。

圖2 干濕季河流水化學的時空變化

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的貢獻以其控制因素

為了確定控制溶解溶質的主要過程,采用了吉布斯圖和鈉歸一化摩爾比。大多數水樣的Na/(Na+Ca)和Cl/(Cl+HCO3)水平較低,但TDS中等,表明典型的巖石主導型溶質水。為了明確溶解溶質的主要巖性,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巖溶解、硅酸鹽巖石和碳酸鹽巖。通過Na+調整元素比例可以有效消除稀釋效應。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,說明溶質主要受碳酸鹽風化作用的影響。本文采用正演模型量化了大氣輸入、人類活動和巖石風化等不同因素對溶解溶質的貢獻?？傮w而言,硅酸鹽風化占水流和地下水溶質的33±4%,沒有明顯的季節差異。季節變化,前者占地下水溶質的51±21%,枯水期季節信號較強。后者占地下水溶質的46±5%,雨季季節信號較強。人類活動占河流溶解溶質的10±5%。大氣輸入和人類活動對其他水類型和季節的影響可忽略不計。人類活動總是導致水的化學成分和質量的變化。濕季徑流和地下水對蒸發巖溶解的貢獻分別為42±18%和49±28%,旱季徑流和地下水對蒸發巖溶解的貢獻分別為32±15%和9±2%。與旱季相比,濕季蒸發巖溶解對溶解溶質的貢獻更大。蒸發巖的溶解速率比花崗巖大40～80倍,比碳酸鹽大4～7倍。蒸發巖溶解雖然整體含量較低,但對水體化學成分的影響顯著。研究區雨季的高溫和降雨加速了蒸發巖的溶解。正演模型計算結果表明,旱季地下水主要受碳酸鹽風化作用的影響,而雨季則主要受蒸發巖溶解的影響。干濕季碳酸鹽風化作用的貢獻率分別為51±21%和8±6%。不同氣候條件下碳酸鹽巖風化浸出實驗表明,干燥和寒冷條件下碳酸鹽巖風化更為明顯。在大陸性季風氣候中,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性變化。

5 結語

缺水地區經常受到水質退化的威脅,這在干旱地區更令人擔憂。本文以某河為研究區,分析了河流和地下水中的水化學、水質和溶質來源。中下游主要離子濃度大于上游,且豐水期明顯高于枯水期。雖然水質退化主要是由巖石風化造成的,但溶解的溶質也來源于人類活動,特別是農業活動。盡管人為輸入對溶質的貢獻很小,但它們可以通過硝酸鹽的加載顯著惡化水質,特別是在雨季。本文研究結果表明,在干旱地區的雨季,由于強烈的暴雨和過量的化肥施用,非點源污染可能會更加嚴重。