草原流域地下水化學時空特征及環境驅動因素——以內蒙古巴拉格爾河流域為例

房麗晶,高瑞忠*,賈德彬,于瑞宏,劉心宇,劉廷璽

草原流域地下水化學時空特征及環境驅動因素——以內蒙古巴拉格爾河流域為例

房麗晶1,高瑞忠1*,賈德彬1,于瑞宏2,3,劉心宇2,劉廷璽1

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,內蒙古 呼和浩特 010018；2.內蒙古大學生態與環境學院,內蒙古 呼和浩特 010021；3.蒙古高原生態學與資源利用教育部重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010021)

為查明內蒙古草原流域地下水水化學特征、成因及其環境意義,選擇巴拉格爾河流域為研究對象,以Piper三線圖、Gibbs圖、主成分分析法(PCA)和內梅羅指數法等對2018～2019年豐水期、枯水期46處92個淺層地下水水樣進行分析. 結果表明:研究區地下水呈現弱堿性環境,屬于淡水,枯水期多數離子含量高于豐水期,空間分布整體呈現出西高東低的特點;地下水水化學類型多樣,以HCO3–- Ca2+·Na+型占主導,HCO3–- Ca2+型、HCO3–-- Ca2+·Mg2+型、HCO3–- Na+型和HCO3–- Ca2+·Na+·Mg2+型等多種共存;不同河段枯水期水化學差異不顯著,但豐水期地下水離子具空間特征,地下水化學成分來源變化復雜;地下水化學離子主要受巖石風化作用控制,Ca2+、Mg2+主要來源于碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發巖的溶解,其中碳酸鹽占主導,Na+、K+來自巖鹽的溶解;地下水級別較好水居多,其次為較差和良好,極差、優良水占比最小,總體水質偏好;碳酸鹽巖石風化、水巖溶濾作用和人類活動是研究區地下水化學特征演化的主要驅動因素.研究成果可為區域草原生態環境保護與恢復、水資源開發利用及流域生態水文研究提供技術參考與依據.

水化學特征；主成分分析；質量評價；Piper；Gibbs；環境驅動

隨著草原社會經濟的發展,過渡放牧、盲目開發和氣候變化等引起草原草地不斷退化,進而影響草原生態系統,其中內蒙古草原流域作為我國內陸的重要生態屏障,水資源短缺、生態環境惡化等問題日益嚴重,地下水資源是維持當地社會經濟可持續發展和保持生態環境健康的重要因素,有效保護和合理利用地下水資源對于草原流域發展具有重要的意義[1].

近年來,國內外學者對于地下水的研究在不同流域陸續展開,如陜西黑河流域[2]、西南喀斯特流域[3]、甘肅梨園河流域[4]、新疆喀什噶爾河流域[5]雅魯藏布江流域[6]等,基于水化學特征分析的地下水形成演化研究,可以有效揭示地下水與環境的相互作用機制[7].水化學組成是水體在循環過程中與周圍環境長期相互作用的結果,能夠指示水體形成和運移的歷史[8].地下水水質評價有助于了解地下水的過去、現在和將來的水質狀況,有助于揭示地下水質量的環境成因[9-12].目前,對于內蒙古草原流域的研究多集中于氣溫、降水、徑流等氣候變化和人類活動影響下的河流水文研究[13-14],鮮有對區域地下水水化學演化特征分析,缺乏對地下水水質環境驅動演變的深入研究.

因此,開展巴拉格爾河流域地下水水化學時空特征和演化驅動的環境因素研究,旨在揭示內蒙古草原流域地下水環境變化特征及水化學演化規律和理解草原流域地下水與環境的互作機制,以期為草原流域地下水資源的開發利用和生態環境保護提供理論支撐參考[15-16].

1 材料與方法

1.1 研究區概況

巴拉格爾河流域(116°21￠～119°31￠E, 43°57￠～ 45°23￠N)位于內蒙古錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗境內(圖1),流域面積5350km2,海拔高度885～1876m,草地類型是以羊草和針茅為主的典型草原,為大陸型半干旱氣候,冬季嚴寒、夏季炎熱,年均降水量為334mm,蒸發量為1149mm,平均氣溫1.2℃,夏天最高氣溫可達37.5℃,冬天最低為-38.5℃,平均風速為15km/h,每年有28～148d的風速可達到125km/h.流域內主要經濟產業為畜牧業.

巴拉格爾河流域地下水的賦存條件與分布規律直接受大氣降水、構造、地貌、巖性等因素的影響和控制,地下水類型包括基巖裂隙水、碎屑巖孔隙裂隙層間水、第四系孔隙水等類型.地下水埋深1～30m,含水層厚度10～130m.

圖1 研究區及采樣點位置

1.2 數據來源與處理

根據巴拉格爾河的水系特征及水文地質條件,于 2018～2019年豐水期(7～8月)和枯水期(10月)進行地下水采樣,樣品采集與處理遵循《地下水環境監測技術規范《HJ/T164-2004》[17],共采集46處地下水92個水樣,測定并分析14項關鍵指標:溶解性總固體(TDS)、pH值、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、NH4+、F–、Cl–、NO3–、NO2–、SO42–、HCO3–、CO32–,水樣裝于500mL聚乙烯瓶中,并用Parafilm封口膜密封,均送于內蒙古農牧漁業生物實驗研究中心,其中CO32–和 HCO3–采用酸堿滴定法測定,TDS采用105℃干燥-重量法,pH值通過PB-21酸度計(德國賽多利斯集團)測定,精度為0.01;其余指標均用瑞士萬通Metrohm-940高壓分析型離子色譜儀測定,陰、陽離子最小檢出濃度分別為0.002μg/L、1.7× 10-6μg/mL,采用離子平衡檢驗方法,認為陰陽離子平衡的相對誤差小于±5%的數據是可靠的[18-20].

1.3 數據分析與方法

數理統計分析、離子相關性分析、Gibbs 圖采用Microsoft Excel 2013和DPS15.1軟件完成,空間分布特征圖利用Arc GIS10.3進行數據處理,Piper三線圖應用Rock Ware Aq?QA軟件繪制.

參照《地下水質量標準》[21]利用內梅羅指數法對地下水水質進行綜合評價(表1).內梅羅指數法是考慮極大值的計權型多因子環境質量評價方法,是計算綜合污染最常用的方法之一[22],計算公式為:

式中:為測點的綜合污染指數;P為地下水化學指標評分值;PAve為測點所有參評地下水化學指標評分值的算術平均值;PMax為測點的地下水化學指標評分值P的最大值.通過值得分判斷地下水水質級別.

表1 內梅羅指數綜合評價分級表

2 結果與分析

2.1 地下水化學組分的時空特征

由巴拉格爾河流域地下水的主要離子濃度分析結果(表2)可知,地下水呈現弱堿性環境,豐水期pH值平均值為8.47,枯水期pH值平均值為8.24,枯水期比豐水期pH值略低,其變異系數在各項統計指標中最小,僅為0.04,說明地下水的pH值相對穩定.水體離子濃度和TDS標準偏差大于pH值,反映了較大的空間差異性.地下水陰離子濃度的高低順序為HCO3–>SO42–>Cl–>NO3–>CO32–>F–>NO2–,陽離子濃度的高低順序為 Na+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+,在離子中HCO3–濃度的均值最大,且變異系數相對較小,表明HCO3–在地下水離子組分中占據主導地位,穩定性高,空間分布整體呈現出西高東低的特點,枯水期HCO3–濃度高于豐水期,在巴拉嘎爾蘇木和柴達木蘇木周圍變化較為明顯.TDS平均值為128.43mg/L,最高達286.6mg/L(表2),地下水(TDS) 質量濃度平均值均低于1g/L,屬于淡水, TDS空間分布由西向東逐漸降低,最大值均集中出現在柴達木蘇木西部,豐水期相比于枯水期多數離子濃度與TDS有明顯下降,這主要與降水有關. Na+、F–、Cl–、SO42–、NO3–變異系數較大,說明不同區域離子濃度相差較大,易受自然和人類活動影響.

表2 地下水化學組分統計分析(mg/L)

2.2 地下水化學組分的源解析

Piper三線圖能夠體現水體的化學組成特征,進而可以辨別水體的一般化學特征及其控制單元[23-25].在自然地質條件、人類活動等因素的共同影響下,研究區地下水水化學類型(圖2)繁雜多樣,以HCO3–-Ca2+·Na+型占主導,HCO3–-Ca2+型、HCO3–-Ca2+·Mg2+型、HCO3–-Na+型和HCO3–-Ca2+·Na+·Mg2+型等多種共存.地下水主要受碳酸鹽巖風化影響,豐水期與枯水期離子濃度總體變化差異較小,在陽離子組成的三角圖中,水樣點主要落在中部偏下,陽離子以Na++K+和Ca2+為主,豐水期、枯水期陽離子總量的比例分別由43%、39%上升至49%、40%;在陰離子組成的三角圖中,水樣點主要集中在左下角,主導陰離子為HCO3–+ CO32-,由豐水期到枯水期,所占陰離子總量比例由66%增長至73%.水化學菱形域中研究區多數離子位于1區,堿土金屬離子大于堿金屬離子.

相關性分析可以揭示地下水水化學各指標的相似性和差異性,從而判斷地下水各組分來源的一致性和差異性[26],豐水期TDS與陽離子的相關系數大小依次為Mg2+>Na+>K+>Ca2+,枯水期Na+>Mg2+> Ca2+>K+,豐、枯水期TDS與陰離子HCO3–、SO42-相關系數均為最高,豐水期與Cl–、CO32–均相關,但枯水期與CO32–相關性較弱.TDS與多數主要離子均存在一定相關性,表明易溶成分是決定TDS的主要因素,且TDS與HCO3–呈高度相關,說明TDS主要受HCO3-控制(表3).

圖2 地下水piper三線圖

表3 地下水主要離子相關性

注:*和**分別表示在0.05和0.01的水平上具有顯著性(雙尾檢驗).

對研究區地下水離子進行不同時段空間主成分分析(圖3),豐、枯水期第一、第二主成分解釋了變量97.64%和96.41%的方差,其中,豐水期主成分1(PC1)和主成分2(PC2)分別解釋了58.53%、39.11%方差,上游水體離子對PC1的貢獻較大,下游水體離子對PC2的貢獻較大,表明不同地理位置是水體離子差異的主要控制因子.枯水期PC1和PC2分別解釋了63.23%、33.18%方差,上游、中游水體離子對PC1的貢獻較大,上游和下游水體離子對PC2的貢獻較大.不同河段枯水期水化學差異不顯著,但豐水期地下水離子具空間特征, 為進一步探討研究區地下水主要離子與地質背景之間的關系[6],對地下水各組分進行主成分分析(表4),經過相關矩陣計算、KMO及Bartlett球型度檢驗(豐水期: KMO=0.52,枯水期: KMO=0.6),數據適合做主成分分析,通過主成分提取和最大方差正交旋轉因子分析法對9個變量進行分析,得到了3個主因子:1、2、3,根據凱瑟標準,選擇累積貢獻率在75%以上的成分.豐水期1包括Na+、Cl–、SO42–,可能來源于人類活動及地下水蒸發濃縮作用的影響.2包括Ca2+、Mg2+、HCO3–、TDS,主要來源于地下水與碳酸鹽的水巖之間的溶濾作用,3包括K+、CO32–.K+可能來源于土壤肥料溶濾作用,研究區牧民主要養殖牛、羊、馬等牲畜,有動物排泄以及生活廢水的排放.枯水期1包括Cl–、Na+、SO42–、HCO3–、TDS、Ca2+、Mg2+,反應了天然地下水溶濾作用對地下水水化學成分的響,2包括CO32–、HCO3–、TDS,3包括K+.枯水期與豐水期的因子載荷所包含的離子有所差異,豐水期累積方差貢獻率(83.79%)高于枯水期(80.38%),說明豐水期主要離子來源的變化更復雜[27].

圖3 豐、枯水期地下水離子空間分布主成分分析

表4 地下水主要離子主成分分析

2.3 地下水質時空特征

選取(Na+)、(NH4+)、(F–)、(Cl–)、(NO2–)、(SO42–)、(TDS)、pH值等8項指標進行地下水質量評價(圖4).地下水內梅羅綜合污染指數范圍在0 ～7.46之間,平均值為3.2,地下水級別復雜多樣,大部分地區水質主要集中在良好和較好水平.豐水期水質級別整體高于枯水期.上游水質優于下游,靠近河流附近水質較差,主要原因為研究區內牲畜排泄及生活廢水排放對河水水質影響較大,靠近河流地下水埋深較淺,易受河水影響.枯水期相比豐水期水質在敖包紹仍南部有明顯降低趨勢,水質較好的地區主要集中在流域南部、柴達木蘇木附近及巴彥胡舒蘇木東南部分地區,其中達青寶力格東北部內梅羅指數為0～0.8,水質級別為優良.水質較差地區呈片狀分布在柴達木蘇木西部,極差水質以點狀零星分布于柴達木蘇木西部,其余地區水質級別均為較好,豐水期、枯水期分別有27、20個地下水采樣點的內梅羅綜合污染指數在0～4.25之間,水質較好,約占樣品總數的50%.總體來看,研究區地下水質量為較好水居多,其次為較差,良好,優良和極差水占比最小,流域水質較好.

圖4 地下水水質的時空分布

2.4 討論

Gibbs[28]通過對世界雨水、河水和湖泊等地表水體的水化學組分分析,將天然水化學成分的來源主要區別為3個,即蒸發濃縮型、巖石風化型和降水控制型.眾多學者將Gibbs圖應用在地下水化學組分的研究中[29-30],宏觀地反映水中主要離子的控制因素,定性判斷水化學組成來源[10].由研究區地下水的水化學Gibbs圖(圖5)可知,豐水期與枯水期變化趨勢和范圍一致,TDS范圍在46～287mg/L,Cl–/(Cl–+HCO3–)質量濃度比值處于0～0.4<0.5,Na+/(Na++Ca2+)質量濃度比值范圍在0.2～0.9之間,說明巖石風化作用對地下水主要離子影響較大,蒸發濃縮型和降水控制對研究區地下水離子影響較弱,地下水主要離子的控制類型為巖石風化型,這與Piper三線圖分析所得離子主要受碳酸鹽巖風化結果相一致.各離子均未落在降水控制區,原因為巴拉格爾河流域深處西北內陸,遠離海洋,降水少,蒸發大.研究區水體基本落在Gibbs內部,部分落在模型外部,說明部分水體受到人類活動影響[31-32].少數點有向蒸發濃縮型轉變的趨勢,原因是潛水埋深較淺,局部地區蒸發較大.

圖5 地下水水質Gibbs分析圖

圖6 地下水離子比值圖

由于Gibbs主要受巖石風化影響,但是水化學的來源和形成過程不可知,故用離子比值法來判斷地下水的成因[18].地下水中的Ca2+、Mg2+主要來自碳酸鹽、硅酸鹽或蒸發巖的溶解,當(Ca2++Mg2+)與(SO42–+HCO3–)>1(毫克當量比值關系)時,地下水中的Ca2+、Mg2+主要來自碳酸鹽的溶解,<1時,主要來源于硅酸鹽和蒸發巖的溶解.研究區地下取樣點分布在(Ca2++Mg2+)/(SO42–+HCO3–)=1的兩側,說明研究區地下水中的Ca2+、Mg2+同時來源于碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發巖的溶解.Na++K+與Cl–的比值可以反映Na+和K+的來源,當(Na++K+)/(Cl–)>1時,表示發生巖鹽的溶解,<1表示發生硅酸鹽的溶解,研究區采樣點大多數位于(Na++ K+)/(Cl–)=1的上方,說明研究區地下水Na+、K+來自巖鹽的溶解.SO42–+Cl–與HCO3–反映地下水中化學成分的主要來源,當(SO42–+Cl–)/(HCO3–)>1時,地下水中化學成分主要來自蒸發巖的溶解,<1主要來自碳酸鹽的溶解.研究區地下水采樣點主要位于(SO42+Cl–)/(HCO3–)=1下方,說明碳酸鹽溶解占主導作用.(Na+- Cl–)/(Ca2++Mg2+)-(SO42–+HCO3–)反映陽離子交換作用.若陽離子發生交換作用,則二者關系出現負相關,即在礦物的溶解過程中隨著Na+含量的增加,Ca2++ Mg2+含量減少,從圖中可以看出淺層地下水發生陽離子交換作用(圖6).

圖8 Ca2+與埋深關系

豐水期各離子濃度及TDS低于枯水期,與林云等[33]結果一致,可能是與降水及水巖相互作用有關.地下水的pH值越大,F–離子濃度越高,這與丁丹等[34]得出淮北平原淺層地下水影響因素結果相同, 且F-隨氫氧同位素的富集而升高,Ca2+隨埋深的加深, 濃度呈上升趨勢(圖7、圖8).后期將結合氫氧同位素進行內蒙古草原流域地下水化學特征及成因的進一步分析,并且陰陽離子交替作用除用(Na+-Cl–)/(Ca2++Mg2+)-(SO42–+HCO3–)表示,還將進一步結合氯堿指數對陽離子交換進行定量計算.

3 結論

3.1 以巴拉格爾河流域為代表的內蒙古草原流域地下水呈現弱堿性環境,大部分屬于微咸水,豐水期多數濃度低于枯水期,HCO3–在地下水離子組分中占據主導地位,空間分布整體呈現出西高東低的特點.

3.2 在自然地質條件、人類活動等因素的共同影響下,巴拉格爾河流域地下水水化學類型以HCO3–-Ca2+·Na+型占主導,HCO3–-Ca2+·Mg2+型、HCO3–-Ca2+型、HCO3–-Ca2+·Na+·Mg2+型和HCO3–-Na+型等多種共存,豐水期、枯水期地下水化學類型差異較小.

3.3 巴拉格爾河流域地下水級別多樣,較好水居多,其次為較差,良好,優良和極差水占比最小,總體地下水水質偏好.

3.4 巴拉格爾河流域地下水化學離子主要受巖石風化作用控制,Ca2+、Mg2+同時來源于碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發巖的溶解,Na+、K+來自巖鹽的溶解,其中碳酸鹽溶解占主導作用,淺層地下水存在陽離子交換作用.

3.5 巴拉格爾河流域地下水水化學演化的驅動因素主要為碳酸鹽巖風化、水巖溶濾作用和人類活動.

[1] 高瑞忠,白 勇,劉廷璽.內蒙古高原典型草原內陸河流域徑流的時序演變特征[J]. 南水北調與水利科技, 2018,16(3):10-17. Gao R Z , Bai Y, Liu T X. Evolution characteristics of runoff in the typical grassland inland river basin of Inner Mongolia Plateau [J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2018,16(3):10-17.

[2] 王曉艷.陜西黑河流域地下水水化學特征[J]. 中國沙漠, 2019, 39(4):168-176. Wang X Y. Hydrochemical characteristics of groundwater in Heihe River Basin, Shaanxi [J]. ChinaJournal of desert research, 2019, 39(4):168-176.

[3] 張樂辰,陳 喜,張志才.西南喀斯特流域水化學空間變異性分析[J]. 地球與環境, 2019,47(5):594-600. Zhang L C, Chen X, Zhang Z C. Spatial variability analysis of hydrochemistry in a Southwest Karst Basin [J]. Earth and environment, 2019,47(5):594-600.

[4] 黨慧慧,董 軍,董 陽,等.甘肅梨園河流域地下水水化學演化規律[J]. 蘭州大學學報(自然科學版), 2015,51(4):454-461. Dang H H, Dong J, Dong Y, et al. Evolution of the groundwater hydro-geochemistry of Liyuan River Ba-sin in Gansu [J]. Province Journal of Lanzhou University (Natural Sciences), 2015,51(4):454- 461.

[5] 曾妍妍,周金龍,乃尉華,等.新疆喀什噶爾河流域地下水形成的水文地球化學過程[J]. 干旱區研究, 2020,37(3):541-550. Zeng Y Y, Zhou J L, Nai Y H, et al. Hydrogeochemical processes of groundwater formation in the Kashgar River Basin, Xinjiang [J]. Arid Zone Research, 2020,37(3):541-550.

[6] 劉佳駒,趙雨順,黃 香,等.雅魯藏布江流域水化學時空變化及其控制因素[J]. 中國環境科學, 2018,38(11):4289-4297. Liu J J, Zhao Y S, Huang X, et al. Spatiotemporal variations of hydrochemistry and its controlling factors in the Y arlung Tsangpo River [J]. China Environmental Science, 2018,38(11):4289-4297.

[7] 孫厚云,毛啟貴,衛曉鋒,等.哈密盆地地下水系統水化學特征及形成演化[J]. 中國地質, 2018,45(6):1128-1141. Sun H Y, Mao Q G, Wei X F, et al. Hydrogeochemical characteristics and formation evolutionary mechanism of the groundwater system in the Hami basin [J]. Geology in China, 2018,45(6):1128-1141.

[8] Gat J R. Oxygen and hydrogen isotopes in the hydrologic cycle [J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 1996,24(1):225-262.

[9] 侯佳均,李 曉,胡 偉,等.平谷地下水水質評價與主要污染物篩選[J]. 甘肅水利水電技術, 2019,55(12):1-6,12.Hou J J, Li X, Hu W, et al. Evaluation of groundwater quality and screening of main pollutants in Pinggu [J]. Gansu Wrterresources And Hydropower Technology, 2019,55(12):1-6,12.

[10] 高文琪,丁文廣,吳守霞,等.天水市2013—2017年飲用水源水質分析及健康風險評價[J]. 環境化學, 2020,39(7):1821-1831.Gao W Q, Ding W G, Wu S X, et al.Municipal water quality analysis and healthrisk assessment of Tianshui from 2013 to 2017 [J]. Environmental Chemistry, 2020,39(7):1821-1831.

[11] 周巾枚,蔣忠誠,徐光黎,等.崇左響水地區地下水水質分析及健康風險評價[J]. 環境科學, 2019,40(6):2675-2685. Zhou J M, Jiang Z C, Xu G L, et al. Water quality analysis and health risk assessment for groundwater at Xiangshui, Chongzuo [J]. Environmental Science, 2019,40(6):2675-2685.

[12] 仇茂龍,劉玲花,鄒曉雯,等.國內外水源地水質評價標準與評價方法的比較[J]. 中國水利水電科學研究院學報, 2013,11(3):176-182.Qiu M L, Liu L H, Zhou X W, et al.Comparison of source water quality standards and evaluation methods between China and some developed countries [J]. Journal of China Instituteof Water Resources and Hydropower Research, 2013,11(3):176-182.

[13] 張阿龍,高瑞忠,劉廷璽,等.高原內陸河流域氣候水文突變與生態演變規律—以內蒙古錫林河和巴拉格爾河流域為例[J]. 中國環境科學, 2019,39(12):5254-5263. Zhang A L, Gao R Z, Liu T X, et al. Identificationon hydrometeorology mutation characteristics and ecological evolution pattern of the plateau inland river basin —taken Xilin river and Balager river of Inner Mongolia for instance [J]. China Environmental Science, 2019,39(12):5254-5263.

[14] 白 勇,高瑞忠,王喜喜,等.內蒙古巴拉格爾河徑流變化的驅動因素[J]. 干旱區研究, 2018,35(2):296-305. Bai Y, Gao R Z, Wang X X, et al. Driving Factors Causing the Change of Runoff Volume of the Balager River in Inner Mongolia [J]. Arid Zone Research, 2018,35(2):296-305.

[15] 魏 興,周金龍,梁 杏,等.新疆喀什三角洲地下水流系統的水化學和同位素標記[J]. 地球科學, 2020,45(5):1807-1817.Wei X, Zhou J L, Liang X, et al.Hydrochemical and isotopic markers of groundwater flow systems in the Kashgar Delta Area in Xinjiang [J]. Earth Science, 2020,45(5):1807-1817.

[16] 張景濤,史浙明,王廣才,等.柴達木盆地大柴旦地區地下水水化學特征及演化規律[J/OL]. 地學前緣:1-13[2020-09-15]. https://doi.org/ 10.13745/j.esf.sf.2020.6.40. ZhangJ T, Shi Z M, Wang G C, et al. Ministry of education key laboratory of groundwater circulation and environmental evolution, China university of geosciences (Beijing) xian geological survey center. [J/OL]. EarthScience Frontiers:1-13[2020-09-15]. https: //doi.org/10.13745/j.esf.sf.2020.6.40.

[17] HJ/T164-2004 地下水環境監測技術規范[S]. HJ/T164-2004 Technical specifications for groundwater environ- mental monitoring [S].

[18] 孫岐發,孫茁桉,賈林剛,等.長春新區地下水水質特征及其對生態健康的評價[J]. 中國地質, 2020,16(11):1-19.Sun Q F, Sun Z A, Jia L G, et al.Characteristics of groundwater quality in Changchun New District and its evaluation on ecological health [J]. Geology inChina, 2020,16(11):1-19.

[19] 武亞遵,潘春芳,林 云,等.典型華北型煤礦區主要充水含水層水文地球化學特征及控制因素[J]. 地質科技情報, 2018,37(5):191-199.Wu Y Z, Pan C F, Lin Y, et al. Hydrogeochemical characteristics and controllingfactors of main water filled aquifrs in the typical North China Coalfield [J]. Geological science and technology information, 2018,37(5):191-199.

[20] Ramaroson V, Randriantsivery J R, Rajaobelison J, et al.Nitrate contamination of groundwater in Ambohidrapeto–Antananarivo- Madagascar using hydrochemistry and multivariate analysis [J]. Applied Water Science, 2020,10(7):1-9.

[21] GB/T 14848-2017 地下水質量標準[S]. GB/T 14848-2017 Groundwater quality standard [S].

[22] 谷朝君,潘 穎,潘明杰.內梅羅指數法在地下水水質評價中的應用及存在問題[J]. 環境保護科學, 2002,28(1):45-47.Gu C J, Pan Y, Pan Y M. The Application and existed problems of nemero index in groundwater quality evaluation [J]. Environmental Protection Science, 2002,28(1):45-47.

[23] Li Q, Wu J, Shen B, et al. Water chemistry and stable isotopes of different water types in Tajikistan [J]. Environmental Processes, 2018, 5(1):127-137.

[24] 曾海鰲,吳敬祿,劉 文,等.哈薩克斯坦東部水體氫、氧同位素和水化學特征[J]. 干旱區地理, 2013,36(4):662- 668.Zeng H A, Wu J L, Liu W, et al. Characteristics of hydrochemistry and hydrogen, oxygen isotopes of waters in Kazakhstan [J]. Arid Land Geography, 2013,36(4):662-668.

[25] Piper A M. A graphic procedure in the geochemical interpretation of water-analyses [J]. Neurochemistry International, 1984,6(1):27-39.

[26] 胡春華,周文斌,夏思奇.鄱陽湖流域水化學主離子特征及其來源分析[J]. 環境化學, 2011,30(9):1620-1626.Hu C H, Zhou W B, Xia S Q. Characteristics of major ions and the influence factors in PoYang Lake catchment [J]. Environmental Chemistry, 2011,30(9):1620-1626.

[27] 朱藝文.西安黑河流域匯水區不同水體穩定同位素和水化學特征研究 [D]. 西安:陜西師范大學, 2017. Zhu Y W.Study onstable isotopes and hydro-chemical characteristics of different water bodies in the catchment area of Xi'an Heihe River basin [D]. Xi'an: Shaanxi Normal University, 2017.

[28] Gibbs R J. Mechanisms controlling world water chemistry [J]. Science, 1970,170(3962):1088-1090.

[29] Marandi A, Shand P. Groundwater chemistry and thegibbs diagram [J]. Applied Geochemistry, 2018,97:209-212.

[30] Wu Y H, Gibson C E. Mechanisms controllingthe water chemistry of small lakes in Northern Ire-land [J]. Water Research, 1996,30(1):178? 182.

[31] 曹晏風,張明軍,瞿德業,等.祁連山東端地表及地下水水化學時空變化特征[J]. 中國環境科學, 2020,40(4):1667-1676. Cao Y F, Zhang M J, Zhai D Y, et al.Temporal-spatial variation of surface and undergroundwater chemistry in the eastern part of Qilian Mountains [J]. China Environmental Science, 2020,40(4):1667-1676.

[32] 韓知明.呼倫湖流域水體氫氧同位素與水化學特征研究[D].呼和浩特:內蒙古農業大學, 2018. Han Z M.Study on hydrogen and oxygen isotope and hydrochemistry characteristics of Hulun Lake Basin [D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2018.

[33] 林 云,曹飛龍,武亞遵,等.北方典型巖溶泉域地下水水文地球化學特征分析——以鶴壁許家溝泉域為例[J]. 地球與環境, 2020, 48(3):294-306. Lin Y, Cao F L, Wu Yazun, et al.Hydrogeochemical characteristics of groundwater in typical Karst Spring Areas of North China－A case study in the Xujiagou Spring Area, Hebi [J]. Earth and environment, 2020,48(3):294-306.

[34] 丁 丹,許光泉,何曉文,等.淮北平原淺層地下水氟的水化學特征及影響因素分析[J]. 水資源保護, 2009,25(2):64-68. Ding D, Xu G Q, He X W, et al.Che-mical characteristics and influential factors of fluorineions in shallow groundwater of Huaibei Plain [J]. Water Resources Protection, 2009,25(2):64-68.

[35] 范廣群,張德忠,張建明,等.銀川平原水體氫氧同位素及主要水化學參數特征[J]. 干旱區研究, 2018,35(5):1040-1049.Fan G Q, Zhang D Z, Zhang J M, et al.Hydrogen and oxygen isotopes and hydrochemical parameters of water samples from the Yinchuan Plain [J]. Arid Zone Research, 2018,35(5):1040-1049.

[36] 黨慧慧,董 軍,岳 寧,等.賀蘭山以北烏蘭布和沙漠地下水水化學特征演化規律研究 [J]. 冰川凍土, 2015,37(3):793-802. Dang H H, Dong J, Dong Y, et al. Study of the evolution of hydrochemical properties of groundwater in Ulan Buh Desert in the north of the Helan Mountains [J]. Journal Of Glaciology and Geocryology, 2015,37(3):793-802.

Spatial-temporal characteristics of groundwater quality and its environmental driving factors of Steppe Basin—taken Balaguer river basin of Inner Mongolia for instance.

FANG Li-jing1, GAO Rui-zhong1*, JIA De-bin1, YU Rui-hong2,3, LIU Xin-yu2, LIU Ting-xi1

(1.Institute of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China；2.School of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China；3.Key Laboratory of Ecology and Resources Use of the Mongolian Plateau, Ministry of Education, Hohhot 010021, China)., 2021,41(5)：2161～2169

In order to find out the hydro-chemical characteristics, formation and environmental significance of groundwater in Inner Mongolia steppe basin, Balaguer River basin was selected as the typical study area, in which 92 groundwater samples of 46 wells were sampled in the wet and dry seasons of 2018～2019. The Piper trigram, Gibbs graph, principal component analysis (PCA), Nemerow index were adopted to analyze groundwater water quality and the results showed that the groundwater were weakly alkaline, most of which were brackish water and a few were fresh water. Overall, the ion concentrations were higher in wet seasons than dry seasons, and higher in the west area than the east area. Groundwater hydro-chemical types were complex and diverse, including HCO3–- Ca2+·Na+, HCO3–- Ca2+, HCO3–- Ca2+·Mg2+, HCO3–- Na2+and HCO3–- Ca2+·Na+·Mg2+. There were no significant hydro-chemical distinctions in different river sections during the dry seasons, while the ion concentrations possessed spatial characteristics and the sources were complicated during the wet seasons. The ions in groundwater were mainly controlled by rock weathering, and Ca2+、Mg2+mainly came from the dissolution of carbonate, silicate and evaporation, while Na+、K+came from the dissolution of salt rock. The groundwater quality was better in the whole basin, and the proportion of extremely poor and excellent water was relatively small. The main driving factors of the evolution of groundwater hydro-chemical characteristics were carbonate rock weathering, water karst filtration and human activities. The research results could be taken as a technical reference for protection and restoration of regional grassland ecological environment, exploitation and utilization of water resources and study of watershed eco-hydrology.

hydro-chemical characteristics；principal component analysis；quality assessment；Piper；Gibbs；environment driving force

X143;P641.12

A

1000-6923(2021)05-2161-09

房麗晶(1996-),女,內蒙古呼倫貝爾市人,內蒙古農業大學碩士研究生.主要從事干旱半干旱地區生態水文及水化學特征研究.發表論文4篇.

2020-09-22

內蒙古重大研發項目(2019ZD001);國家自然科學基金資助項目(51969022);教育部重點實驗室開放課題(KF2020006);內蒙古自然科學基金資助項目(2018MS05006);內蒙古自治區科技計劃項目(2019GG141)

* 責任作者, 教授, ruizhonggao@imau.edu.cn