遼陽市太子河干流地表水化學成分特征及變化趨勢分析

景麗彬

(遼寧省遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

0 前言

地表水是遼陽市最重要的自然資源,是遼陽市工業、農業生產及生活飲用水的最主要來源。而太子河干流又是遼陽市地表水環境的最集中體現,作為連接陸地和海洋的重要橋梁,它的水化學分析顯得至關重要。水的化學成分的變化趨勢直接影響著水環境的改變,對其進行合理分析能直接反映出地表水環境的變化及受到的人類活動影響指數[1]。研究區域的氣候狀況、巖石性質、地質構造以及人類活動都會對其組成成分產生作用,這不僅能揭示表層水風化的過程,而且還能看出其水化學元素的起源、組成和成分特點。在建立一個水化學空間和時間的完整模型基礎上,在本文中分析了太子河干流從始端到末端水化學成分的組成及變化趨勢,并詳細闡明了其水化學特征及形成原因,對遼陽地區的水污染防治、水環境治理、水資源利用等方面都會產生重要影響。

1 研究區域概況

1.1 自然地理概況

研究區域太子河,發源于撫順市新賓縣平頂山,經本溪縣入遼陽縣境內,在唐馬寨的黃坨子與穆家之間流入海城市,與渾河匯合。其干流貫穿遼陽市,上游位于東部山區地帶,下游位于遼河平原地帶,地勢從東到西,由高及低,境內河長143.0 km,流域面積2 683.04 km2。所處遼陽市屬溫帶季風氣候,多年平均降水量721 mm,多年地表水資源量8.842 8億 m3,多年地下水資源量9.527 5 m3,多年平均水資源量10.86億 m3,人均占有量593.8 m3。

1.2 監測站點布設

研究區域共涉及太子河干流上4個站點,分別為葠窩水庫站,代表河長為23 km;遼陽站,區間有湯河、新開河匯入,代表河長42 km;小林子站,區間有遼寧慶陽化工有限公司總排污口、遼陽市河東新城污水處理廠排污口以及北沙河匯入,代表河長46 km;唐馬寨站,區間有太子河左岸遼化長排污水管線排污口、柳豪河以及南沙河匯入,代表河長52 km。具體可參照圖1。

圖1 研究區域站點分布圖

1.3 水樣采集與監測項目

本次研究采集的水樣分別為2020年、2021年的四月份(平水期)、七月份(豐水期)及十一月份(枯水期)的數據,監測項目為pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3--N、TC(HCO3-+CO32-)、TDS、TM和TH十二項指標。

2 研究區域水化學成分分析及水期變化趨

勢分析

2.1 水化學成分分析

通過對太子河干流四個站點不同水期的監測指標進行測定,其pH值在7.7～8.7之間,均呈弱堿性,其中最大值8.7出現在2021年豐水期的葠窩水庫,最小值7.7出現在2021年平水期及枯水期的小林子站點;TDS平均值為351 mg/L,高于世界平均水平115 mg/L[2],說明其水質硬度較大。其中最大值出現在2020年平水期唐馬寨站,最小值出現在2020年豐水期葠窩水庫站;TH平均值為217,≤300 mg/L,為Ⅰ類水質,其中最大值出現在2020年平水期的小林子站,最小值出現在2021年豐水期的葠窩水庫。其他指標的極值及平均值詳見表1。

表1 各指標數據極值及平均值

2.2 水期變化趨勢分析

通過水期分析我們可以看出,在pH指標上分析,豐水期>枯水期>平水期,但差別不大,均呈弱堿性;從TDS指標上分析來看,平水期>豐水期>枯水期;從TH指標分析上來看,平水期>豐水期>枯水期,其他指標具體數值詳見表2。這種變化趨勢的主要原因在于:在豐水期,優于汛期大量降水,河流流量迅速增加,各種數據指標都得到稀釋,同時由于流速增加,河底的水的懸浮物也大量流失,所以數據指標會優于平水期,水質相對較好;而枯水期在通常情況下,由于河流流量減少,水質是最差的,但是研究區域受人類活動影響較多,根據太子河干流所處氣候條件,工農業生產也急劇減少,對河流的污染也相對變少,因此枯水期指標仍優于豐水期;相反,在平水期,不僅水流降低,懸浮物沉積于河流底部,而且工農業生產也逐步開展,因此水質是在三個水期中最差的。

表2 按水期分析各指標數據值 mg/L

3 研究區域水化學類型分析及成因分析

3.1 水化學類型分析

在本研究所涉區域,水化學特征分析使用的是阿列金分類法,該方法首先根據較高陰離子含量將地表水分為三類:重碳酸鹽水、硫酸鹽誰、氯化物水[3]。三類水的TDS指標依次增加,所代表的地表水水質也越來越差。在這三類中,每一類又根據其較高陽離子含量分為鈣、鎂和鈉三組水。又根據陰陽兩種離子的當量含量將每組劃分為4個類型水。Ⅰ型水:重碳酸鹽離子當量>鈣鎂離子當量;Ⅱ型水:重碳酸鹽離子當量<鈣鎂離子當量<重碳酸+硫酸鹽離子當量;Ⅲ型水:<重碳酸+硫酸鹽離子當量< 鈣鎂離子當量或者氯離子當量>鈉離子當量;Ⅳ型水:重碳酸鹽離子當量為零。

研究采用的2020-2021年間四個站點三個水期共24組數據,經過計算分類后,主要分為重碳酸鹽水和硫酸鹽水兩大類,其中CⅡCa類型水占比最大,為54.2%,SⅢCa水類型水最少,只有一組數據為2022年平水期的唐馬寨水文站,占比為4.17%,研究區域水化學類型分布比重圖見圖2。

圖2 太子河干流水化學類型分布圖

3.2 水化學類型成因分析

研究表明,影響地表水水化學離子濃度分布的主要因素主要為蒸發濃縮、巖石風化和大氣降水三個方面。通過Gibbs圖分析,我們可以看出,如圖3所示,幾乎所有的數據指標點都在虛線所圍繞的區域之中,并且分布在巖石風化和蒸發結晶的區域之間.這表明,本研究區域流域地表水的主要離子控制因素為巖石風化蒸發結晶,幾乎不受大氣降水因素影響。研究區域地表水氯離子含量和鈉離子含量的平局值比值為1.09,略低于全球的降水平均值1.15[4],研究區域處于北方,屬于溫帶季風性氣候,降雨處于中游偏少區域,注意到大氣中的降雨量較少造成太河流域地表水的組成部分。太子河干流包括水庫和河流兩大部分,河流兩岸基本都是巖石,數據指標點靠近風化端,因此巖石風化作用對河流的影響較大;而葠窩水庫數據指標點靠近蒸發單元,其又是遼寧省管水庫,庫容量較大,流域面積廣闊,明顯受到蒸發結晶的作用較大。

圖3 研究地區Gibbs圖

4 研究區域水質變化趨勢分析

本次研究區域的四個站點從上游到下游,水質變化特征明顯。各數據指標變化趨勢可參看圖4。

圖4 研究區域站點各指標數據比較圖

從圖4中我們可以看出,各項指標數據值從上游到下游都是依次變大,特別是葠窩水庫到遼陽站,指標變化較明顯。過多的人類活動參與,不僅對水質類別的影響較大,也同樣對水化學的變化趨勢產生很大的促進作用[5]。隨著廢氣、污水的排放,同時伴有打量垃圾、糞便等都會帶來大量的硫酸鹽、硝酸鹽、硝酸鹽等離子,這些都會造成地表水水化學成分及特征的變化。由圖1我們可以看出,本次研究區域共控制河長163 km,遼陽位于葠窩水庫下游42 km處,區域之間有湯河和新開河兩條河流匯入,湯河是遼陽市飲用水源地供應河流,水質較好,對太子河的影響較小;而新開河整條河流基本處于遼陽市宏偉區化工園區,河流水質長年為劣五類,對太子河的各項指標都影響較大。小林子站位于遼陽站下游46 km處,區域之間不僅有因沈陽市蘇家屯區及燈塔市工業農業污水匯入而水污染嚴重的北沙河匯入,還有遼寧慶陽化工有限公司總排污口、遼陽市河東新城污水處理廠排污口匯入。唐馬寨站位于小林子下游52 km處,中間有南沙河、柳壕河及遼化長排污水管線排污口匯入。南沙河的上游是鞍山工業區,而柳濠河的主要污染來源是遼陽市污水處理廠及遼陽縣的工農業污染。由圖4我們看出,除個別數據指標外,其余各項監測指標都是隨著人類活動影響和匯入河流的的增加而逐步增大,地表水水化學成分和特征也相對產生變化,水質越來越差。

5 結語

(1)從水化學成分分析上看:太子河流域四個站點的pH值均在7.7～8.6之間,均值為8.1,屬于弱堿性水質;四個站點兩年TDS指標均值為351.17 mg/L,高于世界平均水平115 mg/L,水質硬度較大。從水期分析上來看,絕大多數指標均為平水期>豐水期>枯水期。

(2)通過阿列金分析法可知,四個站點的兩年監測數據平均值的水化學特征均為CⅡCa型,礦化度表現良好,其中重碳酸鹽水占比為83.33%,硫酸鹽水占比為16.67%。通過Gibbs圖分析可知,本研究區域的水化學類型控制因素主要為巖石風化和蒸發結晶,受大氣降水影響較小。

(3)受匯入河流及人類活動影響,研究區域水化學成分及特征變化明顯,從上游到下游各個數據指標均逐步增高,水質越來越差。