无定河流域地表水地下水水化学特征及控制因素

分类：论文范文 发表时间：2021-07-22 10:38

　　摘要：以无定河流域为研究区，分析地下水和地表水水化学特征，讨论溶质来源及其控制因素，为水质管理提供参考依据。考虑季节效应，在枯水期和汛期分别进行水样采集，综合运用图解法、相关性分析和正向推演模型分析水化学时空演化特征，探讨水化学形成机制并定量不同来源对溶质的贡献率。结果表明，无定河流域水体整体呈弱碱性，主要的阴、阳离子分别HCO3?和Na+，水化学类型多数地区呈现HCO3·SO4-Na·Ca型。水质自西向东沿河道逐渐变差，超III类水集中分布在枯水期支流和汛期下游。阳离子交换作用导致水中Na+和K+浓度增多，不同时期水体的NO3?和HCO3?浓度差异性显著，可能受季节降水淋溶土壤与土地利用类型的影响。蒸发岩风化和硅酸岩风化对无定河流域水体溶质贡献较大，枯水期分别为35.0%和45.5%，汛期分别为46.7%和42.3%。

　　关键词：无定河；水化学；时空差异；离子来源；控制因素

　　水资源不仅是维持生命的必要因素，更是维系人类社会正常发展的重要资源[1]。受自然和人为因素影响，自然水的循环模式和溶质来源也趋于复杂化[2]。近年来，频繁的人为活动（例如人口增长、水资源过度开发和农业集约化扩张等）引起水量减少和水质恶化，对水环境造成诸多负效益，这些问题在半干旱和干旱地区则显得更为严重[3,4]。例如在陕北的无定河流域，水资源短缺状态等问题制约着经济发展与生产生活等[5]。加之人为污染和水资源管理不善导致水质逐步下降，使原本稀缺的水源变得更少，从而加剧了旱区缺水状况[6]。因此，要想综合治理流域水质和有效指导水资源分配，研究水化学特征及其控制因素则必不可少。

　　1材料与方法

　　1.1研究区概况

　　无定河位于陕西北部，属于黄河一级支流，气候为半干旱大陆季风性，流域大多位于内陆地区，水流自西北向东南汇入黄河[图1(a)]。发源于榆林—延安交界处的白于山[25]。河流干流全长491.2km，平均比降1.79‰，流域面积约3×104km2[26]。支流多且分散，整体呈现树状。根据地貌形态景观，流域可分为西北风沙区和东南黄土区（覆盖50~100m黄土）[27]，是陕西输出粗砂最多河流。风沙区支流稀少且短小，黄土区支流多且长。降水集中在汛期且多为暴雨，年均降水量为409.1mm[28]。土地利用类型以农地（28.6%）、林地（5.6%）、草地（44.0%）、水域（0.8%）、居民区（0.5%）和荒地（20.6%）为主。未利用土地占比大，水域面积小，且城市农田沿河修建，提高了潜在污染风险高[图1(b)]。

　　1.2样品采集与分析

　　考虑季节效应，于2013年4月采集枯水期水样30个（地表水19个，地下水11个），2019年8月采集汛期水样35个（地表水23个，地下水12个），探究水化学的时间差异。虽然两次取样的年份间隔6a，但仍可很好代表枯水期和汛期两个季节，因为年内季节变化对溶质的影响远大于年际变化的影响。例如，黄河流域在1958~1984年间主要离子的年际变化系数小于0.23，但年内变化系数在0.64左右[29]。

　　2结果与分析

　　2.1主要离子特征

　　无定河流域地表水和地下水的pH平均值均在8以上（表1），整体呈弱碱性。图2显示不同时期各离子浓度的变化范围。在枯水期，地表水ρ（TDS）介于424~4503mg·L?1，均值为1186mg·L?1，高于渭河[17]、泾河[20]和汾河[35]等其他黄河支流，与同为旱区的喀什噶尔河[36]、Tigris[37]和Euphrates[37]等河流的TDS值相近，且Na+都占据较高的比重。枯水期地下水ρ（TDS）为419~2826mg·L?1，均值为1200mg·L?1，远高于汛期地下水ρ（TDS）的平均值802mg·L?1。汛期地表水ρ（TDS）为230~1020mg·L?1，平均479mg·L?1，在4组样品中最低，但依旧高于NileRiver[38]和世界其他河流的平均水平[10]。除枯水期地表水外，其他各个时期地下水、地表水阴阳离子浓度均值大小呈：HCO3?>SO42?>Cl?>NO3?和Na+>Ca2+>Mg2+>K+。枯水期地表水的Mg2+高于Na+。

　　2.2水化学相

　　如Piper三线图所示(图3)，阳离子三角图中，多数样点远离Mg2+端而集中于（Na++K+）端，且主离子为Na+。虽然Ca2+占比大于50%的样点仅10个，仅占样点数的15.4%，但有以Ca2+为主导阳离子的样品存在，例如G8和G22。阴离子三角图中，样点主要集中（CO32?+HCO3?）端元处，除G22以外，Cl?和SO42?占阴离子的比重均低于50%。

　　3讨论

　　3.1时空差异分析

　　流域内的水化学类型存在12种（表2），说明各地区的水化学类型存在着一定的差异。造成水化学类型空间差异的原因有多种，包括河水流经基岩的成分、地下水滞留时间等自然因素，以及周边农业、工业等人为因素影响。如位于河道下游的G22（SO4·Cl-Ca型地下水），水位位于地下102m，有较高的TDS和NO3?浓度，水化学主要受地质背景影响。

　　3.2水化学控制因素

　　利用Gibbs关系图可以判断河水离子的主要控制类型，而干旱-半干旱区域集中性降水较少不宜补给，且蒸发量较大，对于一些浅水位地下水而言Gibbs图仍具有一定的适用性[39]。如图6（a），水化学组成的因素分区主要为大气降水、岩石风化和蒸发溶解，无定河流域样点主要分布在岩石风化区和蒸发溶解区，受大气沉降的影响较小。通过Na标准化的端元摩尔比值混合图进一步识别岩石风化主导类型。在以硅酸盐为主要地质特征的河流中，Ca2+比Na+的溶解性要低，因而水体中Ca/Na比值会更低，硅酸盐端元被赋予的化学组分为Ca/Na=0.35±0.15，HCO3/Na=2±1。由图6（b）可知，无定河流域枯水期及汛期，大部分样点落在硅酸盐区域，但个别地区也受到不同程度碳酸盐岩及蒸发盐岩的影响。

　　4结论

　　无定河流域水体均呈弱碱性，水化学类型季节差异不明显，以HCO3·SO4-Na·Ca型为主。中上游干流水质较好，枯水期的支流和汛期的矿化度较高，不宜人类饮用。枯、汛期水体的NO3?和HCO3?浓度差异显著。受季节降水的稀释作用，汛期TDS低于枯水期；而NO3?情况不同，受季节降水淋溶、土地利用类型等因素的综合作用，使得汛期的NO3?浓度高于枯水期。蒸发岩风化和硅酸岩风化对无定河流域水体溶质的贡献较大，在枯水期分别为35%和45.5%，在汛期分别为46.7%和42.3%。人为输入和大气降水对流域溶质的贡献比重较小，但依旧存在季节差异。因此，对于流域河水和地下水的管理而言，应注重季节差异和地理位置因素，严格把控河道两岸的农田施肥和城市排污状况。

　　参考文献：

　　[1]LiPY,QianH.WaterresourcesresearchtosupportasustainableChina[J].InternationalJournalofWaterResourcesDevelopment,2018,34(3):327-336.

　　[2]张艺武,苏小四,王骞迎,等.伊犁河谷西部平原区地表水与地下水转化关系研究[J].北京师范大学学报(自然科学版),2020,56(5):664-674.ZhangYW,SuXS,WangQY,etal.Surfacewater-groundwaterinteractionsinthewesternplainoftheIliValley[J].JournalofBeijingNormalUniversity(NaturalScience),2020,56(5):664-674.

　　李书鉴，韩晓，王文辉，李志*

上一篇：华南前汛期一次连续性暴雨的诊断分析 下一篇：河南促进国内国际双循环的思路和对策研究