径流与地下水水化学特征时空变化及控制因素

杨 春

(江苏省水文水资源勘测局徐州分局,江苏 徐州 221000)

0 引言

受人类影响的生态系统的地表水从点源和非点源接收溶质(即营养物和污染物),其在不同的空间和时间尺度上影响着水质并改变着生态系统的结构和功能[1]。河流是重要的地表水资源,为城市提供公共用水,维持河岸和水生社区的生态健康[2]。在过去的几十年里,越来越多的人类活动,包括上游引水、度假和娱乐活动、城市和农业径流、遗留采矿影响以及处理过的废水排放,导致了河流水质的压力越来越大,对管理干预的需求也越来越大[3]。实现河流水质可持续管理的关键第一步是通过河流监测项目识别问题。大多数河流监测项目通过测量化学物质浓度(如硝酸盐、硫酸盐)来量化可能影响水质的营养物质或溶质负荷,一些项目使用环境同位素来确定特定地区的来源[4]。河流中溶质的来源可能是自然的,也可能是人为的。自然来源可能包括大气输入和硅酸盐、碳酸盐和蒸发盐的化学风化作用,而人为来源可能源于农业、工业和家庭部门的人类活动。可以使用广泛的采用定性和定量方法来确定这些来源。定性方法,如Piper图、Gibbs图和因子分析等,可以分别用于评估假定来源的水化学和岩石风化。在定量上,化学浓度或环境同位素可以考虑在质量平衡方程系统中,以量化不同来源的贡献。使用化学浓度的正向建模可以隔离溶解溶质的每个来源的贡献,有助于整体水化学的评估。基于环境同位素的来源分析考虑了溶解溶质和假定来源之间的同位素值的接近性。环境同位素比简单的化学浓度监测更有用,因为即使化学浓度保持稳定,同位素比率也会发生变化。因此,结合使用化学浓度和同位素为基础的方法能够可靠地评估和识别河流溶质来源。某河是黄河支流。自20世纪80年代以来的快速工业化导致河流水质逐渐下降,2004年降至历史最低水平。自2008年以来,中国政府每年投入21.3亿美元用于综合治理。因此,2010-2014年,水质从劣V级提升至劣IV级。然而,由于近年来河流流量大幅减少和人类活动的影响,河流和地下水的水质继续构成环境健康问题。尽管最近有几项研究分析了某些样带的水化学或水质,水化学的时间和空间变化及其控制因素很少得到解决。

本研究的目的是评价水流及地下水的水质现状,分析水质的控制因素。本文分别在旱季和湿季对河流和地下水进行了采样,采用定性和定量建模方法评估和识别了溶质来源,确定了控制水质的过程和机制。结果为其他类似地区当前和未来的水质管理计划提供信息。

1 研究区概况

某河东西长818 km,面积为134 766 km2。大陆性季风气候,年平均降水量和潜在蒸散量分别为501.9和1015.0 mm。年降水量较低,潜在蒸散量较高,导致其严重缺水。流域所在平原为人口密集地区(480人/km2),是重要的工农业生产基地,总灌溉面积达92万 hm2。该地区的高人口密度和快速的经济发展需要大量的水。其社会压力导致河流和地下水的过渡利用,可能会增加水污染。

其北岸支流发源于黄土高原,黄土沉积物深达350 m,河道长,泥沙含量高。相比之下,源自秦岭的南岸支流水流清澈迅速。流域海拔由西向东递减,在336～3 929 m之间。含水层主要由长石、铝硅酸盐和碳酸盐(方解石、白云石)矿物组成。石英相对比例为34.8e40%,长石相对比例为5e20%,方解石相对比例为11.7 e15%,粘土矿物相对比例为10e15%。地貌有山地、黄土丘陵、黄土塬、冲积河谷平原等。景观以农田、草地和林地为主,分别占总面积的47%、31%和21%。

2 样本采集与分析方法

3 研究方法

定量分析采用质量预算正演模型,计算大气输入、人类活动和岩石风化作用(如碳酸盐、硅酸盐和蒸发岩)对溶质的贡献。任意元素X的质量预算方程定义如下:

Xwater=Xatm+Xeva+Xsil+Xcarb+Xanth

(1)

式中:water代表地表水或地下水,atm、anth、sil、carb、eva分别代表大气输入、人为输入、硅酸盐风化、碳酸盐风化、蒸发岩溶解。

利用稳定同位素的质量平衡计算各来源对水中硝酸盐的贡献如下:

(2)

(3)

(4)

其中I是指硝酸盐来源的数量,fi是指特定硝酸盐来源的比例。

为了解释地表水-地下水流道对溶质的潜在影响,本文采用氯质平衡法分析地表水-地下水关系如下:

Qs·Cls=Qu·Clu+(Qs-Qu)·Clv

(5)

式中:Qs为总水量;Qu和q-Qu是两个端元的通量;Cs、Cu、Cv为不同类型水中氯离子的浓度。

4 结果分析

4.1 pH值和总溶解固体变化

pH值范围为7.26～9.27,平均值为8.10。TDS范围为194.3～2136.8 M,平均值为666.4 M,为弱碱性、高盐度。此外,该值随季节而变化,对于河流和地下水有明显的不同。在雨季,河流和地下水的pH值(平均值±1 SD)分别为8.16±0.31和7.63±0.21,TDS值分别为551.9±283.2和812.1±405.7 M。枯水期河流和地下水pH值分别为8.38±0.36和7.87±0.27,TDS值分别为667.6±337.8和748.2±581.7 M。

4.2 水化学成分和水类型分析

图1 水流和地下水化学成分的 Piper 图

4.3 水化学和水质的时空变化

为研究水化学的空间格局,以经度为轴绘制了水流主要离子浓度分布图(图2)。在湿润季节,中下游主要离子浓度大于上游。与中下游相比,上游在枯水期和丰水期的浓度变化较小。但枯季的空间变异性小于丰季。特别是的浓度的数值显著高于枯水期(标准差分别为95.63和2.32)。其表明枯水期的水流受人类活动的影响较小。在时间流方面,在雨季,29%的样本属于V类,而在旱季,97%的样本属于I～III类(I类占总样本的30%,II类占37%,III类占30%)。对于地下水,在湿润季节,36%的样品属于V类。在旱季,I类、II类和V类水样分别占25%、50%和25%。由此可见,与旱季相比,湿季整体水质较差,因为湿季属于V类水样较多。在空间上,本文计算了旱季和湿润季不同类别的水样占总水样数的百分比。对于水流,上游I～III、IV、V类样本分别占水流样本总数的24%、0%、3%,中游分别为24%、1%、18%,下游分别为28%、1%、0%。对于地下水,上游I～III类和V类样品分别占地下水样品总数的38%和12%,中游分别为13%和5%,下游分别为22%和10%。

图2 干湿季河流水化学的时空变化

其中阴离子主要含量在湿季(a)和旱季(b),阳离子主要含量在湿季(c)和旱季(d)

4.4 不同来源对溶解溶质的贡献以其控制因素

为了确定控制溶解溶质的主要过程,采用了吉布斯图和钠归一化摩尔比。大多数水样的Na/(Na+Ca)和Cl/(Cl+HCO3)水平较低,但TDS中等,表明典型的岩石主导型溶质水。为了明确溶解溶质的主要岩性,采用了Na归一化摩尔比法。该方法将离子的主要来源分为蒸发岩溶解、硅酸盐岩石和碳酸盐岩。通过Na+调整元素比例可以有效消除稀释效应。湿季样品均受三种岩盐的影响。相反,枯水期地下水样品大多落在右上剖面,说明溶质主要受碳酸盐风化作用的影响。本文采用正演模型量化了大气输入、人类活动和岩石风化等不同因素对溶解溶质的贡献。总体而言,硅酸盐风化占水流和地下水溶质的33±4%,没有明显的季节差异。季节变化,前者占地下水溶质的51±21%,枯水期季节信号较强。后者占地下水溶质的46±5%,雨季季节信号较强。人类活动占河流溶解溶质的10±5%。大气输入和人类活动对其他水类型和季节的影响可忽略不计。人类活动总是导致水的化学成分和质量的变化。湿季径流和地下水对蒸发岩溶解的贡献分别为42±18%和49±28%,旱季径流和地下水对蒸发岩溶解的贡献分别为32±15%和9±2%。与旱季相比,湿季蒸发岩溶解对溶解溶质的贡献更大。蒸发岩的溶解速率比花岗岩大40～80倍,比碳酸盐大4～7倍。蒸发岩溶解虽然整体含量较低,但对水体化学成分的影响显著。研究区雨季的高温和降雨加速了蒸发岩的溶解。正演模型计算结果表明,旱季地下水主要受碳酸盐风化作用的影响,而雨季则主要受蒸发岩溶解的影响。干湿季碳酸盐风化作用的贡献率分别为51±21%和8±6%。不同气候条件下碳酸盐岩风化浸出实验表明,干燥和寒冷条件下碳酸盐岩风化更为明显。在大陆性季风气候中,旱季温度低,雨季温度高。因此,地下水碳酸盐的溶解存在季节性变化。

5 结语

缺水地区经常受到水质退化的威胁,这在干旱地区更令人担忧。本文以某河为研究区,分析了河流和地下水中的水化学、水质和溶质来源。中下游主要离子浓度大于上游,且丰水期明显高于枯水期。虽然水质退化主要是由岩石风化造成的,但溶解的溶质也来源于人类活动,特别是农业活动。尽管人为输入对溶质的贡献很小,但它们可以通过硝酸盐的加载显著恶化水质,特别是在雨季。本文研究结果表明,在干旱地区的雨季,由于强烈的暴雨和过量的化肥施用,非点源污染可能会更加严重。