陇东黄土塬地区水环境中腐蚀介质分布规律及特征

魏晋平,边浩林,边义成,刘 涛

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,兰州 730000)

陇东黄土塬是我国较为典型的干旱、半干旱地区，水资源匮乏已成为阻碍当地经济发展的重要因素之一。随着国家对干旱、半干旱地区经济发展的重视，各种大型水利建设工程皆臻陇东。水利工程的建设是要濡养地方百年，甚至千年的，因而水利建筑物的耐蚀性就显得尤为重要。水环境中电化学腐蚀对建筑物的影响早已引起了人们的注意，并且理论研究及腐蚀评价标准也相对完善[1-6]，然而关于典型地区(如陇东黄土塬)水环境中的腐蚀介质分布规律及特征等相关研究却鲜见报道。刘心彪等[7-8]对泾河和马莲河的地表水、地下水进行了水化学分析，揭示了陇东盆地地下水的循环特征；甘肃省地质环境监测院对庆阳市重点区域地下水的变化情况进行了调查[9]；钱会等对庆阳市及周边地区的地下水水质进行了评价[10]；马金珠等揭示了马莲河地表水、地下水的水质特征与演化过程[11]；潘峰等[12-13]研究了石油类污染物在土壤中的纵向迁移规律；娄亮杰等[14-16]研究了油田污水对管道的腐蚀机理。国内诸多学者都系统研究了长庆油田油井集输系统的水样及其腐蚀行为[17-19]。

目前关于陇东黄土塬区水环境的研究，多集中于陇东地区的水质分析评价，而关于黄土塬地区水环境腐蚀性的研究却相对较少。因此，本工作对陇东黄土塬地区整体水环境中的腐蚀介质分布规律和特征进行了研究，以期为今后陇东黄土塬地区建筑物的腐蚀与防护提供指导。

1 试验

1.1 水文地质概况

陇东黄土塬区北邻鄂尔多斯高原，南至泾河南岸，西接六盘山脉，东倚子午岭(如图1所示)。研究区风积形成厚百余米的黄土高原，后被河流、洪水剥蚀切割，形成现存的兼有高原、沟壑、梁峁、河谷、平川、山峦、斜坡等的地形地貌。陇东黄土塬区属中温带半干旱地区，春冬季降水较少，夏秋季降雨较多，年平均降水量550 mm。黄土的垂直下渗较强，但保水性较差。降雨部分通过地面汇集补给河水；部分垂直下渗补给孔隙水，再通过地下潜流沿基岩面补给沟水或河水[8]。流经研究区的河流主要有泾河、茹河、蒲河和马莲河等，多发源于六盘山脉和子午岭。

图1 陇东黄土塬及水化取样点分布图Fig. 1 The distribution map of hydration sampling points in the Loess Plateau area

1.2 采样与测试

研究区近似为矩形区域，为了研究陇东黄土塬区水环境中腐蚀介质的分布规律和特征，沿矩形区域对角线布置了如图1中红色曲线所示水化学研究剖面，此剖面几乎涵盖陇东黄土塬区所有河流。对河谷阶地及黄土塬梁峁地区的地表水和地下水进行采样分析，共收集整理了82组水化学资料，其中地表水占42组，地下水占40组。样品检测由甘肃省水利水电勘测设计研究院土工实验室完成，分析内容包括：Na++K+、Mg2+、Ca2+、SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-、矿化度、侵蚀CO2和pH等。其中Na++K+、Mg2+、Ca2+的浓度由电感耦合等离子体质谱仪测定；pH用实验室pH计测定；SO42-、HCO3-、Cl-、CO32-的浓度由HC-800全自动离子分析仪测定，测试方法严格按照相关水质检测规范。

1.3 评价标准

为了了解陇东黄土塬地区水环境中电化学腐蚀对建筑物的影响程度，根据GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》测得陇东黄土塬地区水环境中的腐蚀介质含量，见表1，判断陇东黄土塬地区水环境中钢结构、混凝土结构和钢筋混凝土结构中钢筋的电化学腐蚀程度。

2 腐蚀介质分布规律及特征

对82组水样的化学成分进行统计，得到陇东黄土塬地区主要腐蚀介质分布图及特征值，见表2和表3，表中包括腐蚀介质最大值(xmax)、最小值(xmin)、平均值(xav)、标准差(s)和变异系数(δ)。

2.1 地表水中腐蚀介质分布规律及特征

由表2可见：该地区地表水pH为7.53～8.96，属弱碱性水。矿化度为0.31～3.66 g/L，变异系数为0.71，平均值为0.97 g/L，说明该地区矿化度含量极不均匀(见图2),该地区大部分地表水按水质分类为淡水，只有个别地区的地表水矿化度超出1 g/L，为微咸水或咸水(茹河、环江和马莲河)。表中Mg2+、Cl-和SO42-含量的变异系数均较大，说明该地区腐蚀性离子含量分布差别较大(见图3)，泾河、洪河、茹河、蒲河、马莲河、环江和柔远河附近腐蚀性离子含量普遍较高。所有腐蚀介质中只有Cl-和SO42-含量超过标准要求，从图3中可以看出大部分河流中Cl-质量浓度超过100 mg/L。

表1 黄土塬地区的水质分析结果Tab. 1 Analysis results of water quality in the Loess Plateau area

表2 陇东黄土塬地区地表水腐蚀介质特征值(样本数n=42)Tab. 2 The eigenvalue of surface water corrosion mediums in the Loess Plateau area

图2 陇东黄土塬区地表水矿化度、HCO3-含量和pH分布情况Fig. 2 The degree of mineralization, HCO3- content and pH of surface water in the Loess Plateau area

图3 陇东黄土塬区地表水Mg2+、Cl-和SO42-含量分布情况Fig. 3 The Mg2+, Cl-, SO42- content of surface water in the Loess Plateau area

2.2 地下水中腐蚀介质分布规律及特征

由表3可见：该地区地下水pH为7.51～8.94，属弱碱性水。矿化为0.30～1.58 g/L，变异系数为0.39，平均值为0.75 g/L，说明该地区矿化度含量较均匀(见图4)。该地区大部分地下水按水质分类为淡水，只有个别地区的地下水矿化度超出1 g/L，为微咸水。表中Mg2+、Cl-和SO42-含量的变异系数均较大，说明该地区腐蚀性离子含量分布极不均匀，洪河、茹河、蒲河、环江和柔远河附近腐蚀性离子含量普遍较高(见图5)。所有腐蚀介质中只有Cl-和SO42-含量超过规范标准，从图5中可以看出，除泾河外大部分河流中Cl-含量超过了100 mg/L。

表3 陇东黄土塬地区地下水腐蚀介质特征值(样本数n=40)Tab. 3 The eigenvalue of ground water corrosion mediums in the Loess Plateau area

图4 陇东黄土塬区地下水矿化度、HCO3-含量和pH值分布图Fig. 4 The degree of mineralization, HCO3-, content and pH of ground water in the Loess Plateau area

图5 陇东黄土塬区地下水Mg2+、Cl-和SO42-含量分布图Fig. 5 The Mg2+, Cl- and SO42- content of ground water in the Loess Plateau area

2.3 讨论

对陇东黄土塬地区水环境中的腐蚀介质进行整理和分析，发现该地区水的pH均大于7.5，偏碱性。水中矿化度、HCO3-和Mg2+含量均未超过规范要求，Cl-和SO42-含量超过要求，并且在泾河、洪河、茹河、蒲河、马莲河、环江和柔远河水中Cl-和SO42-含量较高。

图6为陇东黄土塬区水环境中Cl-和SO42-含量垂向分布图，可以看出当取样深度在5 m内时，Cl-含量变化紊乱，但随着取样深度的增加Cl-含量降低，SO42-含量随着取样深度的增加而降低。由图7可见：陇东黄土塬地区河沟地区的腐蚀介质含量普遍偏高，塬梁峁地区的腐蚀介质含量较低，沿取样线路方向主要腐蚀介质含量有缓慢上升趋势。

3 水环境中腐蚀介质对建筑材料的腐蚀影响

根据GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》可知，Cl-和SO42-对钢筋混凝土结构中钢筋、混凝土结构和钢结构具有腐蚀性，由图8可知：陇东黄土塬地区大多数水环境对钢筋混凝土结构中钢筋具有弱腐蚀性，85%的水环境对混凝土结构和钢结构无腐蚀性；部分水环境对混凝土结构具有强腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋有中腐蚀性，对钢结构有中腐蚀性。

(a) Cl-含量 (b) SO42-含量图6 陇东黄土塬地区水环境主要腐蚀介质含量垂向分布情况Fig. 6 The vertical distribution map of water corrosion mediums in the Loess Plateau area

图7 陇东黄土塬地区环境水主要腐蚀介质含量分布情况Fig. 7 The corrosion medium content of water in the Loess Plateau area

(a) 混凝土腐蚀等级 (b) 钢筋腐蚀等级 (c) 钢结构腐蚀等级图8 陇东黄土塬地区水环境腐蚀介质对建筑材料腐蚀程度Fig. 8 The water corrosion degree of mediums for building materials in the Loess Plateau area

4 结论

(1) 陇东黄土塬地区水环境中对混凝土、钢筋混凝土结构中钢筋和钢结构有腐蚀性的主要介质是Cl-和SO42-。

(2) 陇东黄土塬区水环境中Cl-和SO42-含量随着取样深度的增加而降低。

(3) 陇东黄土塬地区泾河、洪河、茹河、蒲河、马莲河、环江和柔远河中Cl-和SO42-含量普遍偏高。

(4) 陇东黄土塬地区85%的水环境对混凝土结构和钢结构无腐蚀性；部分水环境对混凝土结构具有强腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋有中腐蚀性，对钢结构有中腐蚀性。