城鄉周邊水庫水化學特征及灌溉水質評價

袁政蓮 馬杰 顏曉龍 張玉潔 劉家樂 白秀秀

摘 要：為查明城鄉周邊-皖北夾溝地區水庫水的水化學特征及其灌溉性，系統采集了研究區內11座水庫21個水樣品，采用描述性統計、Piper三線圖法、Gibbs圖法、離子比例系數法和主成分分析等方法，對研究區地表水進行了水化學分析，同時利用灌溉指標對研究區地表水進行了灌溉性評價。結果表明：研究區地表水水化學類型以Ca-Mg-HCO3和Ca-HCO3-SO4為主;水化學組分變化受巖石風化作用較明顯，主要受碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、巖鹽風化溶濾等天然地質作用影響。灌溉指標顯示，研究區水庫水的鹽害和堿害程度較小，適宜做灌溉水。

關鍵詞：夾溝地區;水化學特征;水庫;灌溉性評價

中圖分類號 TV697.2;X143 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）21-0138-04

Abstract： To ascertain the water chemistry characteristics and irrigating properties of reservoir water in the Jiagou area around urban and rural areas， 21 water samples from 11 reservoirs in the study area were collected systematically. The hydrochemical characteristics of reservoir samples were analyzed by the methods of descriptive statistics， Piper diagram， Gibbs diagram， ion ratios， and principal component analysis. At the same time， the irrigation index was used to evaluate the irrigation performance of the surface water in the study area. The results show that the hydrochemical types of surface water in the study area were mainly Ca-Mg-HCO3 and Ca-HCO3-SO4， which are affected by rock weathering， especially by natural factors such as carbonate minerals， silicate minerals， sulfate minerals， and rock salt weathering leaching. Irrigation indicators show that the degree of salt damage and alkali damage of the reservoir water in the study area is relatively small， and it is suitable for irrigation water.

Key words： Jia-gou area; Hydrochemical characteristics; Reservoir; Irrigation water quality evaluation

地表水作為地球化學循環必不可少的組成部分，是海陸間物質和能量循環的重要途徑，同時也是人類生活用水、工業用水的主要來源[1]。地表水的水化學特征既可指示水循環過程，也可反映區域內的水巖相互作用過程[2]。區域內氣候條件、地質條件以及徑流和排泄等諸多自然及人為因素均可影響地表水的化學組成、特征及水質狀況[3-4]。由于河流徑流量呈季節性變化，加之河流水質惡化問題，使得河流越來越不能滿足用水需要;相比而言，水庫因其水量均衡且其水質較好，逐漸成為很多地方重要的灌溉水源。作為調節區域氣候變化與生態系統平衡的樞紐，地表水的水化學特征及水質好壞正受到越來越廣泛的關注[2]。而水庫水作為灌溉水源的重要來源之一，其水環境質量直接關系到區域的生態環境及供水安全等問題[5]。

目前，針對皖北城鄉及周邊區域，地表水的水文地球化學的研究成果頗多[6-8]。作為傳統農業經濟基地，皖北鄉鎮地區現已形成了以農業、養殖業和種植業為主的產業鏈，該區域內的經濟發展及資源開發使得水環境質量有所變化。而針對皖北城鄉區域水庫水水化學研究則鮮見報道，尤其是水庫水的水文地球演化規律及水質變化研究相對較少。基于以上分析，本研究選取皖北傳統農業城鄉區-夾溝地區為研究區，以水文地球化學理論和灌溉水質評價為基礎，對夾溝地區的11座水庫系統采集21個水樣，聯合水化學圖示法、多元統計分析及灌溉水水質評價指標等方法，研究區域地表水水化學特征及水質狀況[9]，為研究區地表水水環境保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 夾溝地區位于安徽省宿州市埇橋區北部，地理坐標為東經117°01′30″～117°05′30″，北緯33°53′0″～33°54′30″之間。屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年均降水量在900mm以上，降水期主要集中在6—9月，季風明顯、氣候溫和。大地構造上屬于中朝準地臺區的淮北盆地-穹隆分區，處于徐州-宿州弧形構造帶。

1.2 樣品采集及測定 為了對夾溝地區水庫水進行水化學分析及水質評價，于夾溝地區11座水庫共采集21個水樣品，采樣時間為2020年12月，采樣點位置如圖1所示。采樣前，先用擬取樣的水庫水清洗聚乙烯瓶（550ml）3～5次后，采集水樣至滿瓶并密封，每個采樣點采集2瓶。采樣步驟參照《地表水和污水監測技術規范》。現場使用便攜式測試儀，測定pH、TDS和EC等指標。樣品送至實驗室后，用0.45μm醋酸纖維濾膜過濾后0～4℃低溫保存，隨后進行常規離子測試。常規水化學陽離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）和陰離子（Cl-、SO42-）使用美國賽默飛公司離子色譜儀（ICS-600和ICS-900）分析，HCO3-和CO32-采用酸堿滴定。測試均在安徽省礦井水資源化利用重點實驗室完成。

2 結果與分析

2.1 水化學組分含量 研究區水庫水水樣測試結果如表 1所示，研究區水庫水中陽離子主要以Ca2+為主，平均值為70.52mg/L，其余陽離子濃度排序為Mg2+（14.51mg/L）>Na+（8.04mg/L）>K+（2.09mg/L）;陰離子主要以HCO3-為主，平均值為231.20mg/L，其余陰離子濃度排序為SO42-（44.52 mg/L）>Cl-（18.20mg/L）。研究區水庫水水樣的pH值范圍在8.57～9.48，平均值為8.96，整體呈堿性。TDS含量范圍在167.00～392.00mg/L，平均值為229.86mg/L，水庫水屬于淡水類型。電導率（EC）在345.00～810.00μs/cm，平均值為478.86μs/cm。其中，pH變異系數較小為2.79%，其在水庫水中相對較穩定[9]。

2.2 水化學類型及特征

2.2.1 水化學類型 研究區水庫水Piper三線圖（圖2）顯示，大部分水樣點位于1區、3區和5區，說明研究區水庫水中陽離子以Ca2+和Mg2+為主，陰離子以HCO3-和SO42-為主，且碳酸鹽硬度超過50%。根據piper三線圖，水化學類型基于最大陰陽離子毫克當量濃度可分為Ca-Mg-HCO3型和Ca-HCO3-SO4型2種，并且Ca-Mg-HCO3型水樣較多。陰離子（Ca2+-Mg2+-Na++K+）三角圖2（a）中，水樣點落在Ca2+-Mg2+線上，水樣點靠近Ca2+端元;陰離子（HCO3--SO42--Cl-）三角圖2（b）中，水樣點落在HCO3-端元，由此可推斷出夾溝地區水庫水水化學成分的形成受碳酸鹽巖溶濾作用影響較大[3]。

2.2.2 水巖作用 水庫水的水文地球化學行為可通過Gibbs圖來識別，Gibbs圖將控制水庫水形成的機制分為蒸發濃縮、巖石風化、大氣降水3種類型[9]。研究區水庫水TDS濃度分布在167～392mg/L，大部分水樣集中在230mg/L左右;γ（Na++K+）/γ（Na++K++Ca2+）集中在0.05～0.18，γ（Cl-）/γ（Cl-+HCO3-）集中在0.02～0.33。由圖3可知，夾溝地區所有水庫水樣品都基本位于Gibbs圖中的巖石風化控制端元，反映了巖石風化是控制研究區水庫水水化學類型的主要因素，揭示了夾溝地區水庫水常規離子來源受巖石風化溶濾作用控制[9]。

2.3 離子來源

2.3.1 相關性分析和主成分分析 選用Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-等7個水化學參數作為水化學分析指標，通過SPSS26獲得各參數間的相關系數矩陣（表2）。2個參數之間的相關性越強，說明這2個參數聯系越密切[9]。由表2可知，Na+與Ca2+、Cl-、SO42-的相關性較強，Ca2+與Cl-、SO42-的相關性較強，Mg2+與HCO3-的相關性較強，說明它們兩兩之間可能有相同的溶質來源[2]。

運用SPSS.26進行主成分分析，進一步解釋自然背景以及人類相關活動對水庫水化學成分的控制情況[10]。由圖4可知，控制研究區水庫水水化學特征的成分以下有3個：第一主成分與Na+、Ca2+、Cl-、SO42-相關，可能與硫酸鹽礦物、巖鹽的風化溶濾有關;第二主成分與Mg2+、HCO3-相關，可能與碳酸鹽礦物的風化溶濾有關;第三主成分與K+相關，又因K+含量較低，K+來源可能與硅酸鹽礦物風化有關。綜上所述，夾溝地區水庫水的化學成分主要與自然因素（碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、硅酸鹽巖、巖鹽的風化溶濾）有關。

2.3.2 離子比例系數 通過離子比例系數差異性能夠進一步判斷水庫水化學組分的來源及其水化學演化過程[9]。圖5（a）表明，研究區水庫水主要分布在γ（Cl-）/γ（Na+）=1直線附近，有少量水樣分布在γ（Cl-）/γ（Na+）=1直線上方，即研究區除發生了巖鹽的溶解外，同時發生了離子交替吸附作用[11];圖5（b）表明，研究區水庫水主要分布在γ（Ca2+）/γ（SO42-）=1直線上方，即研究區硫酸鹽風化溶解作用不是Ca2+的唯一來源，Ca2+可能有其他來源[11]，如硅酸鹽礦物風化;圖5（c）表明，研究區水庫水主要分布在γ（SO42-+HCO3-）/γ（Ca2++Mg2+）=1直線附近，即研究區發生碳酸鹽巖、硫酸鹽巖的風化溶解[2];圖5（d）表明，研究區水庫水主要分布在γ（Ca2+）/γ（Mg2+）=2直線上方，即研究區發生硅酸鹽巖或硫酸鹽巖的風化溶解[2]。因此，夾溝地區水庫水離子來源主要有硅酸鹽巖、硫酸鹽巖、碳酸鹽巖等蒸發巖的風化溶解作用。

2.4 灌溉水水質 當水庫水作灌溉水使用時可能會使土壤發生鹽化或者堿化作用，進而可能影響農作物的生長[12]。對夾溝地區水庫水灌溉水質進行單指標分析（圖6），分析的指標有鈉吸附比（SAR）、殘余碳酸鈉（RSC）、鈉百分比（%Na）、滲透指數（PI）、鎂系數（KMg）。由圖6可知，殘余碳酸鈉（RSC）<1.25，說明灌溉水質適宜灌溉[12];鈉吸附比（SAR）<10，說明灌溉水水質很適宜灌溉[12];25%<滲透指數（PI）<75%，說明灌溉水水質很適宜灌溉[12];鈉百分比（%Na）<30%，說明水庫水水質適宜灌溉[12];鎂系數（KMg）<50%，說明灌溉水在土壤中發生鎂堿化作用的可能性較小，不會對農作物產生毒害[13]，可用于灌溉。綜上所述，從單指標分析結果看，夾溝地區水庫水適宜做灌溉水。

3 結論

（1）夾溝地區水庫水屬于淡水，整體呈堿性，水化學類型為Ca-Mg-HCO3和Ca-HCO3-SO4型;陽離子質量濃度平均值由大到小為Ca2+>Mg2+>Na+、K+，陰離子質量濃度平均值由大到小為HCO3->SO42->Cl-。水巖作用分析揭示，水庫水受巖石風化溶濾作用影響。

（2）主成分分析和離子比例分析揭示了夾溝地區水庫水主要受碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、巖鹽風化溶濾的自然要素影響。

（3）采用5個評價堿害的指標（RSC、SAR、PI、%Na、KMg），對夾溝地區水庫水進行水質評價，綜合分析表明，夾溝地區水庫水較適宜灌溉。

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（責編：張宏民）