黃河中下游豐水期水化學特征及影響因素

2020-04-27 08:05:32王殿武呂旭波楊麗標

水土保持研究 2020年1期

張旺, 王殿武, 雷坤, 呂旭波, 陳雨, 楊麗標

(1.河北農業大學資源與環境科學學院, 河北保定 071000; 2.中國環境科學研究院流域水環境污染綜合管理研究室, 北京 100012; 3.保定市環境保護研究所, 河北保定 071051)

水化學特征反映了氣候變化、巖石風化、土地利用及人類活動等對流域水環境的影響[1]。河水中化學組分的控制因素主要包括巖石風化以及人為輸入[2]，其中巖石風化主要指碳酸和硫酸等酸性介質對碳酸鹽巖和硅酸鹽巖礦物的溶解，蒸發巖鹽的溶解在一些地區也比較重要，人為輸入主要包括農業施肥、大氣沉降、工業和城鎮生活污水排放等[3]。

研究流域水化學特征并探討其控制機制，對于流域水土資源的可持續開發利用、生態環境保護與建設等意義重大。20世紀60年代以來，國內外學者開始關注各大洲主要河流的水化學特征，重點分析其離子來源、遷移轉化過程與輸送通量；并通過研究流域水化學特征的變化過程與機理，探討流域生態環境的保護策略和機制[4]。如Grasby等對加拿大弓河(BowRiver)進行了研究，發現離子主要來源于溶巖作用和大氣沉降[5]；Millot等分析了加拿大西北地區和格倫維爾省不同河流的河水樣品，研究結果表明河水溶質來源于硅酸鹽巖風化和大氣氣溶膠[6]；樂嘉祥等研究了1957—1960年近500條河流的水化學特征，標志著我國河流水化學研究的開始[7]。

黃河是我國第二大水系，同時也是世界上輸沙量最大的河流。一直以來，黃河流域水化學組成及流域風化過程和機理研究備受關注。過常齡等[8]根據將黃河流域1958—1979年的水化學資料進行分析，發現流域氣候條件、地形以及地質狀況是控制黃河水化學組分的根本原因。李晶瑩等[9]發現黃河流域碳酸鹽巖和蒸發鹽巖的風化對河水化學貢獻率達74.9%，硅酸鹽風化作用較為微弱。陳靜生等[10]對黃河流域1958—2000年100個站點水質數據進行了統計分析，結果也表明黃河離子化學主要控制因素為沉積巖的化學風化作用以及干旱氣候影響下溶解鹽蒸發濃縮和結晶作用。張龍軍等[11]計算出了流域硅酸鹽巖風化對河水水化學的貢獻以及對CO2消耗速率。

小浪底大壩是黃河入海前的最后一個大型水利樞紐，在發揮著防洪減淤、供水、灌溉和發電等作用的同時，也改變了自然狀態下的黃河水沙輸送規律[12]，并對黃河水化學特征產生了巨大的影響。本研究通過對小浪底庫區及其上下游水化學特征的對比研究，探討庫區上游、庫區及其下游主要離子組成的空間差異及其控制機制，以期為黃河和小浪底庫區流域開發與保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域包括小浪底庫區在內的西至陜西省華陰市，東至山東東營市的黃河中下游段；采樣河道長度1 306 km。研究區處于暖溫帶半濕潤大陸，季風氣候區，年平均氣溫12.4～14.3℃，多年平均降水量641.7～900 cm，降水多集中在6月到9月[13]，研究區上游土地利用類型多為草地和林地，下游多以耕地為主。研究區花園口以上段地貌屬黃土高原溝壑區，廣泛分布著第四紀的黃土和類黃土沉積物，這些黃土物質主要由石英、長石、方解石、云母以及一些蒸發巖(鹽巖、石膏和芒硝)等組成[14]。黃河周邊多為巖石裸露的石質山地和溝壑縱橫的黃土丘陵坡地，使得大量黃土隨地表徑流進入黃河[10]。花園口以下段巖石類型主要為第四紀碎屑巖帶和黏土等。

1.2 斷面設置與采樣方法

本研究于2017年6月對黃河小浪底庫區及其上下游進行了采樣，從庫區上游風陵渡斷面至下游東營斷面，共布設24個監測斷面；其中庫區9個斷面，庫區上游5個斷面，庫區下游10個斷面。采樣點位設置見圖1。

小浪底庫區內每個監測斷面分別采集表層、中層和底層水樣。斷面水深由日本AlecElectronics公司生產的多參數水質監測儀(CLOROTEC Model AAQ 1183)現場測定，并根據水質躍變情況劃分采樣水層深度。庫區上下游干流河道則只采集表層水樣。為保證數據的準確性，每個水層采集3個平行樣品進行分析測試。

1.3 室內分析

1.4 數據處理

本次試驗數據通過顯著性檢驗分析了河水主要離子的空間分布特征，采用Gibbs圖法判斷水體離子的主要控制類型，采用陰陽離子三角圖和離子比值法確定水體組分主要受何種巖石風化影響，并通過多元統計分析方法綜合分析主要控制因素的貢獻率。本文中數據處理及分析使用Excel 2016，SPSS 22.0和OriginPro 2018軟件完成。

圖1 小浪底庫區及其上下游豐水期采樣點示意圖

2 結果與分析

2.1 水化學指標總體分析

表1 小浪底庫區及其上下游豐水期水化學數據

2.2 水化學指標的垂向變化特征

圖2 不同水層pH和TDS濃度對比以及各主要離子濃度對比

2.3 水化學指標的沿程變化特征

研究以小浪底庫區為界，對小浪底區域及其上下游的水化學指標進行了對比分析(圖3—4)。結果顯示，庫區上游、庫區和庫區下游水體TDS平均濃度分別為686.25 mg/L，714.83 mg/L和735.79 mg/L，總體上表現出從庫區上游到庫區下游顯著增加的趨勢，而庫區上游、庫區和庫區下游水體pH分別為8.24，8.34，8.42，并沒有表現出顯著的空間變化趨勢。

圖3 小浪底庫區及其上下游TDS及pH比較

圖4 小浪底庫區及其上下游主要陽離子與陰離子濃度比較

3 討論

3.1 主要水化學組分控制因素分析

3.1.1 巖石風化作用影響在全球范圍內，碳酸鹽巖對河流溶解物的貢獻約占50%，蒸發巖鹽的風化溶解和硅酸鹽巖的風化大約占全球河流溶解物的17.2%和11.6%[2]。

研究表明，黃河流域河水水化學特征主要受碳酸鹽巖礦物化學風化以及蒸發巖類礦物化學風化作用控制，硅酸鹽巖礦物化學風化作用貢獻較為微弱，因此黃河流域河水pH呈弱堿性，顯示碳酸鹽巖化學風化作用對河水pH值的影響[3]。

圖5 小浪底庫區及其上下游河水Gibbs

圖6 小浪底庫區及其上下游河水陰陽離子三角圖

不同巖性端元間的對比可以判別流域不同巖石風化對河水溶質的影響。一般來說，碳酸鹽巖、硅酸鹽巖以及蒸發鹽巖風化產生的2Mg2+/Na+和2Ca2+/Na+摩爾比值分別為20，50，0.24，0.35以及0.02，0.17[22]。本研究中小浪底庫區及其上下游河水主要組分更靠近蒸發鹽巖風化區域(圖7A)，進一步證明了蒸發巖鹽對河水主要組分的影響大于碳酸鹽巖的風化；同時在Na+/Cl-關系圖中所有點位均靠近蒸發鹽(氯化鈉)Na+/Cl-比值線(y：x=1∶1)且在其之上(圖7B)，說明蒸發鹽巖風化貢獻比例很大，且除蒸發鹽巖溶解外黃土中的含Na礦物或者硅酸鹽巖礦物溶解也對河水組分有一定貢獻[14]。而在2 Mg2+/Na+和2Ca2+/Na+比例圖中，庫區下游比起庫區及庫區上游同樣表現出了更靠近碳酸鹽巖風化控制區域，進一步印證了庫區下游比庫區及其上游區域受碳酸鹽巖風化作用影響更大。