興隆山山系地表主干流水化學特征及影響機制

王 鵬

（蘭州大學 地質科學與礦產資源學院，蘭州 730000）

興隆山山系地表主干流是附近居民區和農業生產區的主要供水水源，其水質的優劣直接影響到當地居民的身體健康。由于地表主干流受到流經區域的基巖成分、人類活動等多種因素的影響，不同區域會具有不同化學特征[1]。對興隆山山系地表主干流化學性質開展研究有助于判斷巖石性質及流經區域與地下水成分之間的關系，并為水源的開發利用提供可靠資料。本次研究在先期項目的基礎上，以興隆山山系地表主干流流經區域為研究對象，通過對各樣點所取得的水樣進行常量離子濃度、總溶解固體量、pH等化學性質進行測試分析，并利用Suffer繪制研究區域內地下水總硬度的平面分布圖。結合該區域不同采樣點的地質背景及巖性特點，推斷出地表主干流的影響機理。

對興隆山山系地表主干流進行水質取樣并進行相關取樣點周邊環境和巖性特點的考察。利用儀器及化學試劑測定相關水樣的總溶解固體質量及相關主量元素含量。在實驗數據的基礎上利用Suffer繪制區域總硬度的平面分布圖，結合研究區域地質構造背景、巖性特點以及人類影響因素，建立研究區域總硬度、總溶解固體量以及主量元素的分布規律并推斷出研究區域水系水化學的影響機理，從而為相關區域地下水資源合理開發和利用提供理論依據。

1 研究區概述

興隆山在黃土高原西部，坐落在甘肅省會蘭州市向南50 km。整個山體長度大約為37km，寬度近于15km，走向呈北西西—南東東向。地理位置大致位于北緯35°38'～35°58'，東經103°43'～104°10'。主峰海拔為3 671 m，是甘肅省榆中縣與臨洮縣的界山，也是黃土高原范圍內僅有的海拔大于3 600 m的高山，整個山體呈南高北低之勢，西邊與祁連山相接，向東延伸消失于漫漫的黃土丘陵中。興隆山氣溫變化幅度較大，年平均氣溫為4.1℃，降雨量比較大，年均降水量一般大于600 mm。每年從興隆山流出的地表水徑流量可達到5 349萬m3，另外，區內還藏有豐富的地下水資源[2]。

馬啣山位于蘭州河谷盆地南部約50 km的地方，是榆中縣與臨挑縣的分水嶺，山體坐落在興隆山南側，呈西北、東南走向。主峰海拔高度3 670 m，相對高度大約2 100 m，山頂地勢平坦，寬度在8～10 km，長度大約為40～50 km，是蘭州附近地區的最高山地[3]。其高聳的地勢以及嚴寒的氣候條件，導致馬啣山擁有與周圍地區截然不同的地貌景物。與成為世界三極之一的青藏高原類似。具有降水較少，蒸發較強，晝夜溫差大，日照時間長等特點，為典型的大陸性氣候。

2 樣品采集

2.1 水樣品采集

本項目在以甘肅省蘭州市興隆山與馬啣山為主的研究區域內，共采集地表主干流水樣品共計11份。2條水系的取樣點的起點均位于水源附近，沿水道向下游延伸至每次人為活動大或者下伏基巖有明顯變化處采集樣品，在興隆山主干流共采集樣品6個（圖1），馬啣山采集樣品5個（圖2），依次編號。并用GPS記錄水樣品采集點的經緯度及海拔信息。采集樣品統一使用干燥的礦泉水瓶，并在采樣點用地表水洗滌干凈后，進行樣品儲存。采樣時，盡可能地將水瓶裝滿，以排除瓶中殘留的空氣對樣品的影響，并且為了防止漏氣干擾的發生，每個點采集2份樣品。同時，在野外用pH試紙測試水樣品的pH。

圖1 興隆山采樣點分布圖

圖2 馬啣山采樣點分布圖

2.2 巖石樣品采集

巖石樣品的采集主要是在地表主干流的源頭部位以及流經區域中下伏基巖發生改變的地方采集，共計采集巖石樣品7個，其中興隆山地表主干流3個，馬啣山地表主干流4個，將巖石樣品標號保存，用于下伏基巖成分的確定。

2.3 實驗方法

2.3.1 水樣品的處理

本次研究主要需要測定樣品中的Na+、K+、Mg2+、Ca2+的離子濃度以及水樣品的TDS（總溶解固體量）的值。水樣品的pH已經在野外完成測試；水樣品的離子成分在蘭州大學西部環境與氣候變化學院西部環境教育部重點實驗室完成，Na+、K+、Mg2+、Ca2+陽離子使用ICS-2500型離子色譜儀測定；TDS值用干燥重量法測定；水樣品總硬度用鹽酸滴定，結果以CaCO3表示。

2.3.2 巖石樣品的處理

巖石樣品進行手標本鑒定，并查閱文獻得到其大致的元素含量，為之后地表主干流的化學特征的影響因素的研究提供根據。

3 結果展示

3.1 前期調查中研究區的研究現狀

3.1.1 興隆山地區土壤的研究

先前的研究表明，興隆山地區的土壤形成與分布情況明顯地受到氣候、植被與海拔的控制。在海拔從2 300～3 500 m的變化過程中，該地區的溫度也是從溫暖漸漸趨向寒冷，氣候也從干燥到濕潤，植被也同時由落葉闊葉林（海拔2 300～2 600 m）過渡到以闊葉林為主的針闊混交林（海拔2 600～3 000 m），最后過渡到亞高山（海拔3 000～3 500 m）和高山（海拔高于3 500 m）灌叢草甸，土體的淋溶也逐漸變強，在海拔3 000 m以上土壤風化變為以寒凍風化為主的風化作用，土層厚度變薄，土壤的隱粘化特征消失，土體中殘留有很多角狀礫石:如馬啣山海拔3 600 m地方凍脹草丘和遍布的泥石流遺跡這些凍融現象導致的地表形態變化。降水量隨著海拔的升高而明顯增加，比山前地帶的降水多達150 mm，并伴隨著海拔的升高而增加，這對土壤的形成過程具有顯著的影響，使土壤的淋溶作用增強，碳酸鹽得到淋洗，土壤剖面表現出無石灰反應[4]。

3.1.2 興隆山地區植被研究

通過對興隆山和馬啣山地區的原始青杄（Picea wilsonii）純林、天然青杄-白樺（Betula platyphylla）針闊混交林、天然次生山楊（Populus davidiana）-白樺闊葉混交林、天然次生灌叢林、油松（Pinus tabulaeformis）人工純種林和華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）人工純種林這6種類型的森林60 cm以上的土壤層的研究以分析該地區森林水源涵養功能[5]。

土壤是森林水文調節的主要場所，同時，土壤水文物理性質是決定森林生態水文功能的基礎。其中，滲透性是土壤的水文物理性質的關鍵參數，是土壤水文物理性質的主要參考。土壤入滲是大氣降水、地表水[6]以及地下水相互轉化的關鍵環節，入滲過程以及滲透能力又決定了降雨過程再分配中地表徑流和土壤水分的儲存以及地下流水的產生于發展[7-8]。所以，土壤滲透能力是影響土壤侵蝕的重要因素，是反映森林土壤水源涵養的重要指標[9-10]。

在森林不斷的正向演替進行中，天然森林的土壤發育時期不斷增長，理化性質得到不斷的改善，因此，滲入能力不斷增強。人工林均為純林，生物多樣性大大降低，凋落的植物物種單一、分解速度慢，這就使得大量的植物碎屑鋪滿地面從而影響到土壤生物的活動，森林改善土壤結構的功能也被大大限制，土壤滲透性差[11]。

3.2 水樣品分析結果展示

地表水的總硬度指水中的Ca2+和Mg2+的含量，通常這個折合成氧化物含量。即每升水中含（CaO+MgO）的含量為10 mg的水規定為1度。飲用水的標準硬度為8度。

通過對采得的水樣品的前期處理以及試驗后，得到水樣品的主要參數：pH、總溶解固體量、硬度以及主要的離子含量。其中馬啣山的結果見表1、表2、圖3。

表1 馬啣山地區水樣品pH、TDS、硬度

表2 馬啣山地區水樣品主要離子含量 mg·L-1

（1）根據表1發現馬啣山地區的水樣的總溶解固體量整體上小于200 mg/L，屬于淡水；水的總硬度為5.154度，所以馬啣山的水質為軟水，經過處理后就完全符合飲用的標準；地表水系的平均pH為7.6，最大pH為8，說明該條水系基本呈弱堿性水。

（2）根據表2可以看出馬啣山地表水系的主要陽離子是Ca2+離子，并且遠遠大于其他3種離子的總和，這是由于下伏基巖的性質造成的；同時，各種離子的含量在從源頭的采樣點到最終的采樣點的區間內基本不發生明顯的變化。

（3）根據圖3可以看出馬啣山山系地表主干流的陽離子含量大小依次為Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+，其中Ca2+含量為32.6 mg/L、Mg2+為3.7 mg/L、Na+為3.0 mg/L、K+為1.8 mg/L，因此馬啣山的地表主干流的優勢陽離子為Ca2+，其次為Mg2+。Ca2+含量遠遠高于其他離子含量，主要是由于源區的碳酸鹽，即源區主要基巖白云巖中的主要成分白云石CaMg（CO3）2及源區的灰石的主要成分方解石CaCO3這些巖石的風化；Mg2+來源與其相似，主要是由白云石的風化CaMg（CO3）2而成；Na+和K+則主要來源于蒸發巖和硅酸鹽的風化產物[12-13]。

圖3 馬啣山地區水樣品主要離子含量

表3、表4、圖4展示興隆山地表主干流的主要參數：pH、總溶解固體量、硬度以及主要的離子含量。

表3 興隆山地區水樣品pH、TDS、硬度

（1）根據表3發現興隆山地區的水樣的總溶解固體量整體上稍大于200 mg/L；水的總硬度為8.101度，所以興隆山的水質為硬水，但是該水系的水的總硬度僅比飲用水的標準硬度高1.2%，所以經過處理后仍可飲用；興隆山地表水系的平均pH為7.4，最大pH為8，說明該條水系基本呈弱堿性水。

（2）根據表4以及圖4，可以看出興隆山地表水系的主要陽離子是Ca2+離子，并且遠遠大于其他3種離子的總和，這是由于下伏基巖的性質造成的；同時，各種離子的含量在從源頭的采樣點到最終的采樣點的區間內基本不發生明顯的變化。

表4 興隆山地區水樣品主要離子含量 mg·L-1

圖4 興隆山地區水樣品主要離子含量

（3）根據圖4可以看出興隆山山系地表主干流的陽離子含量大小依次為Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+，其中Ca2+含量為49.8 mg/L、Mg2+為6.7 mg/L、Na+為3.6 mg/L、K+為1.6 mg/L，因此興隆山的地表主干流的優勢陽離子為Ca2+，其次為Mg2+。由于Ca2+含量遠遠高于其他離子含量，主要是由于源區的碳酸鹽，即源區主要基巖白云巖中的主要成分白云石CaMg（CO3）2及源區的灰石的主要成分方解石CaCO3這些巖石的風化；Mg2+來源與其相似，主要是由白云石的風化CaMg（CO3）2而成；Na+和K+則主要來源于蒸發巖和硅酸鹽的風化產物。

3.3 數據分析

在Gibbs圖中，橫坐標為普通直線坐標，代表地下水中陽離子的比值（Na+/（Na++Ca2+））；縱坐標為對數坐標，代表地下水中TDS值。Gibbs圖可以通過對比水樣與天然水的離子和總溶解固體量，從而反映出水樣的主要成分與蒸發沉淀作用、巖石控制和大氣降水控制的關系。即可以通過Gibbs圖將地表水的化學組分分為3種類型：降水控制型、巖石風化型、蒸發-結晶型[14]。

現將研究區域地下水水樣品的離子含量繪制于Gibbs圖中（圖5）。可見地表水的主要離子處在蒸發和沉淀作用范圍內，同時也有部分受到巖石的控制。總的來說，Gibbs圖顯示蒸發與沉淀作用對興隆山山系地表主干流水化學離子組成的影響顯著，其次基底巖石的成分對巖石性質也有著影響[15]。

圖5 水樣品Gibbs圖

4 總結

4.1 地表水影響機制討論

通過對以上數據的分析以及查閱資料，對興隆山山系地表主干流的影響機制歸結為以下幾點。

（1）天然水中的離子含量順序為Ca2+＞Na+＞Mg2+[4]，而馬啣山地區的水中離子含量順序為Ca2+＞Mg2+＞Na+，興隆山的地表水中的離子含量順序也是Ca2+＞Mg2+＞Na+。可見這2條地表流水的離子含量順序和天然水的并不相同，這主要是因為這2個地區的下伏基巖都是白云巖的緣故。白云巖中的白云石（CaMg（CO3）2）是造成這個的重要原因。

（2）此外，興隆山地區的地表水中鎂離子的含量遠高于馬啣山地區。結合興隆山地表水的采樣地點在人類活動頻繁的景區中，推測興隆山地區的地表水中的鎂離子含量會受到人類活動的影響。同時在馬啣山地區的最后一個點是在烈士陵園采樣，在此處的鎂離子含量比起之前的點也有所升高，也說明水中鎂離子的含量會受到人類活動的影響。

（3）隨著地表主干流流經區域的植被的不斷變化，可以發現水樣品中的離子含量沒有呈現明顯的起伏變化，所以推測植被的變化對地表水中離子含量的影響不大。

（4）興隆山地區的地表水中的鈣離子含量總體來看比馬啣山的地表水中的鈣離子含量高，推測這是因為在興隆山地表水系的采樣的海拔整體高于馬啣山地區，根據之前的資料表明，興隆山地表水系采樣點的土壤由于海拔升高發生淋溶作用，導致土壤發生無石灰反應，從而有較高的碳酸鹽含量，主要體現在鈣離子含量的差異上。

4.2 地表水流影響機制和保護方案

通過本次研究可以發現，地表水的影響機制主要是下伏巖石的性質，還有人為活動的影響。在采樣中可以發現在每條河的下游都有生活垃圾，所以人類活動對水質的影響是很大的。

研究發現，長期飲用硬度較大的水會導致結石，所以要經過處理后才能飲用。一般情況下，像馬啣山的水為軟水，經過煮沸后水中的鈣鎂離子的含量就會降低，可以起到降低水的硬度的效果；而興隆山水系的水為硬水，雖然鈣鎂離子含量不是特別高，但是仍然不能直接飲用，可以先用例如石灰——純堿法之類的進行處理，然后飲用。但是，只是在飲用前的處理是不夠的，要在生活中注意對水源的保護。

因此，提出對水源保護的措施。

（1）應該設置水源保護區，用強制的手段保護飲用水資源，禁止一切破壞水環境生態平衡的活動以及破壞水源林、護岸林、與水源保護相關植被的活動；禁止向水域傾倒工業廢渣、城市垃圾、糞便及其他廢棄物；禁止使用劇毒和高殘留農藥，不得濫用化肥。

（2）各級水利、環保部門要會同有關部門，切實加強農村飲用水安全、水源保護等相關知識及工作的宣傳力度，增強居民水源保護意識。按照本級政府要求，逐步公布水源水和出廠水水質狀況，搭建公眾參與平臺，強化社會監督，切實提升飲水安全保障水平。

（3）在飲用水運輸過程中要注意防止運輸過程中的污染，使用清潔衛生的管道，定期消毒。