石羊河中下游流域水環(huán)境化學(xué)特征研究

朱朝霞

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 73000)

河流是降水經(jīng)地表徑流匯集而成的，河水成分一方面取決于與水接觸的物質(zhì)成分及溶解度;另一方面取決于作用進(jìn)行的條件:化學(xué)及物理化學(xué)作用[1]。河流是地球水圈中最為活躍的部分，其水化學(xué)組成具有易變性和多樣性，這種易變性和多樣性是由環(huán)境條件在空間和時(shí)間上的差異和變化所造成的[2]。石羊河在甘肅省河西走廊經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要地位，筆者對石羊河中下游水環(huán)境地球化學(xué)特征，確定水質(zhì)類型及河流水體的主要組成離子的研究，將有利于掌握石羊河中下游流域的環(huán)境地質(zhì)條件、河流的自凈化能力和水體的水質(zhì)狀況，并為環(huán)境管理者制定相關(guān)政策提供參考。

1 研究區(qū)概況

石羊河古名為谷水，為甘肅省河西走廊三大內(nèi)陸河之一，全長約250 km。石羊河全水系自東而西，主要支流有古浪河、大景(靖)河、金塔河、黃羊河、西營河、東大河及西大河等，源頭均為祁連山東段，河系以雨水補(bǔ)給為主并兼有冰雪融水成分。上游流域祁連山區(qū)降水豐富，冰川和殘留林木有64.8 km2，是河流的水源補(bǔ)給地。中游流域流經(jīng)走廊平地，形成永昌和武威諸綠洲，灌溉農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)。下游流域?yàn)槊袂诰G洲。終端湖如青土湖及白亭海等近期均已消失。全流域共建成100萬 m3以上水庫15座，其中以大景峽、南營、黃羊河、紅崖山、西馬湖及金川峽等水庫較大[3]。

本研究主要采用石羊河中下游流域3個(gè)監(jiān)測站采樣數(shù)據(jù)，分別為石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站、石羊河中游的蔡旗水文監(jiān)測站以及石羊河下游的紅崖山水庫水文監(jiān)測站(圖1)，采樣時(shí)間為2013年1月至2013年12月份，各個(gè)月采樣一次，樣品分析方法為國家環(huán)保局的《水和廢水監(jiān)測分析方法》[4]。

2 研究結(jié)果及分析

2.1 石羊河中下游流域水中主要離子

根據(jù)石羊河中下游流域三個(gè)監(jiān)測站一年的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，目前石羊河中下游河水的主要水化學(xué)成分庫爾濃度為HCO-＞Ca2+＞SO2-＞Cl-＞K+＞ Mg2+＞Na+＞CO2-。

2.1.1 HCO3-離子

HCO3-是石羊河中下游水中主要陰離子。石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年HCO3-在141～368 mg/L，均值為287 mg/L;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年HCO3-在 132 ～ 320 mg/L，均值為 240.1 mg/L;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年HCO3-在105～188 mg/L，均值為142.3 mg/L(圖2(1))。天然水中的 H CO-23-HCO3--CO2一般處于平衡狀態(tài)，但當(dāng) pH值在 8.5左右時(shí)，河水中碳酸根離子主要是以 HCO3-的形式存在，其含量將直接影響總鹽量，并進(jìn)而影響水的化學(xué)穩(wěn)定性。

圖1 石羊河中下游3個(gè)水質(zhì)監(jiān)測站地理坐標(biāo)

2.1.2 Ca2+離子

Ca2+是石羊河中下游水中主要陽離子之一。石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年 Ca2+在 52.5～112 mg/L，均值為 99.1 mg/L;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年Ca2+在 49.7 ～ 112 mg/L，均值為 77.03 mg/L;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年 Ca2+在 42.1～66.4 mg/L，均值為 55.3 mg/L(圖 2(2))。

HCO3-及 Ca2+主要來源于泥灰?guī)r、石灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽類巖石的溶解，該溶解過程與水中的 CO2含量有關(guān)，石羊河中下游陰離子以HCO3-為主，陽離子以 Ca2+、Mg2+和K+為主，其原因是在石羊河上游流域分布有較多碳酸鹽礦物的巖石，并且水熱條件充分，這為碳酸鹽的溶解創(chuàng)造了良好條件，并導(dǎo)致了水中聚集了足夠的HCO3-及 Ca2+，其在水化學(xué)中占絕對優(yōu)勢，并且隨著時(shí)間的推移，河水中的 HCO3-和Ca2+含量比例逐漸增加。

2.1.3 K+離子

K+是石羊河中下游水中主要陽離子之一。石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年K+在8.45～68.7 mg/L，均值為34.55 mg/L;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年 K+在8.41 ～88.3 mg/L，均值為 26.81 mg/L;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年 K+在 17.4～59.8 mg/L，均值為 32.39 mg/L(圖 2(3))。

2.1.4 Mg2+離子

石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年Mg2+在10.6～35 mg/L，均值為 27.18 mg/L;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年 Mg2+在 10.5 ～ 62.4 mg/L，均值為 30.29 mg/L;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年 Mg2+在12.9～38.8 mg/L，均值為 23.28 mg/L(圖 2(4))。

2.1.5 Cl-離子

石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年Cl-在20.1 ～63.5 mg/L，均值為 47.48 mg/L;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年 Cl-在 5.5 ～ 56.0 mg/L，均值為 33.59 mg/L;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年 Cl-在19.2～50 mg/L，均值為34.65 mg/L(圖2(5))。與石羊河中游相比，下游Cl-含量較低，這與紅崖山水庫蓄水量大小正相關(guān)。

2.1.6 SO42-離子石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年SO42-在56～152 mg/L，均值為121.1 mg/L;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年SO42-在 58 ～177 mg/L，均值為 116.9 mg/L;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年SO42-在73～147 mg/L，均值為 115.8 mg/L(圖 2(6))。

2.1.7 Na+、MnO42+、CO32+離子

通過監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，這些離子在河水中所占比例較低，且全年變化幅度較小，但總體趨勢都是石羊河中游值比下游高。

圖2 石羊河中下游三個(gè)測站水中主要離子含量

2.2 河水的理化性狀

2.2.1 pH 值

石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年pH值在7.8～8.0，均值為7.91;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年 pH值在8.0～8.3，均值為8.21;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年 pH值在8.1～8.4，均值為8.35;三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的pH值在枯水期都比豐水期為大(圖3(1))。石羊河中下游水質(zhì)偏堿性，主要是石羊河上游分布廣泛的碳酸鹽巖的溶蝕作用，導(dǎo)致水中形成碳酸氫鹽緩沖體系所造成。同時(shí)，由于石羊河下游流域廣泛的堿性土壤對水中的pH值的影響，造成石羊河流域下游的pH值整體都比中游的pH值為大。

2.2.2 礦化度

石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年礦化度在306～755 mg/L，均值為640.8 mg/L;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年礦化度在 286～765 mg/L，均值為 546.6 mg/L;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年礦化度在316～530 mg/L，均值為428.3 mg/L(圖 3(2))。與石羊河流域下游相比，中游礦化度偏高。

根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)程》SL395-2007的礦化度分級標(biāo)準(zhǔn)，即礦化度小于300 mg/L的水屬于較低礦化度水，但是在36個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)中礦化度值就有34個(gè)高于300 mg/L，說明此段河水屬于中等礦化度水和適度硬水[5-6]，這與該段 HCO3-含量偏高情況是一致的。礦化度表明了水體中總鹽量水平，其值大小直接影響元素的水遷移系數(shù)，并且是反映水質(zhì)理化性狀的重要指標(biāo)[7]。同樣，依據(jù)礦化度大于500 mg/L即能認(rèn)為地表水的天然本底水質(zhì)有變差趨勢或已變差[8]，而石羊河中游24個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)中水質(zhì)礦化度值大于500 mg/L的有18個(gè)，表明石羊河中游的天然本底水質(zhì)受到一定程度的污染。但在下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站12個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)中水質(zhì)礦化度值高于500 mg/L的有2個(gè)，表明石羊河下游的天然本底水質(zhì)受污染的影響較中游為小。

圖3 石羊河中下游三個(gè)測站的河水理化性狀

2.2.3 電導(dǎo)率

石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年電導(dǎo)率在396 ～1 120 μs/cm，均值為 905.4 μs/cm;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年電導(dǎo)率在 354～1 130 μs/cm，均值為 754.3 μs/cm;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年電導(dǎo)率在 436～770 μs/cm，均值為 608.1 μs/cm。從時(shí)間上研究發(fā)現(xiàn)，石羊河中游的四壩橋和蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站在1月～2月和11月 ～12月2個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電導(dǎo)率相對比7月 ～9月豐水期大;但是，位于石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站電導(dǎo)率最大值出現(xiàn)在3月 ～5月，這可能跟春耕用水量較大有關(guān)，導(dǎo)致水庫中蓄水較少的原因所造成。同時(shí)，與石羊河流域中游相比，下游電導(dǎo)率偏低，表明下游水質(zhì)比中游水質(zhì)好(圖3(3))。

2.2.4 溶解氧

石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年溶解氧在5.2 ～ 10.4 mg/L，均值為 7.84 mg/L;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年溶解氧在 6.5 ～11.4 mg/L，均值為 9.1 mg/L;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年溶解氧在5.9～13.3 mg/L，均值為 10.2 mg/L(圖 3(4))。與石羊河下游相比，中游溶解氧偏低。

2.2.5 總硬度(以 CaCO3計(jì))

石羊河中游的四壩橋水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年總硬度飽和率在175～403 mg/L，均值為359.5 mg/L;蔡旗水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年總硬度飽和率在172～461 mg/L，均值317.1 mg/L;石羊河下游的紅崖山水庫水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測水質(zhì)全年總硬度飽和率在 178～295 mg/L，均值為 234.1 mg/L(圖 3(5))。與石羊河下游相比，中游總硬度偏高。

3 結(jié)語

(1)石羊河中下游流域水質(zhì)屬于偏堿性及中等礦化度水，其礦化度隨HCO3-的增大而增大;河水的主要水化學(xué)成分庫爾濃度為HCO3-＞Ca2+＞SO42-＞Cl-＞K+＞Mg2+＞Na+＞CO2-。3

(2)在石羊河中下游流域水質(zhì)中，HCO3-、SO42-和Ca2+含量較高，化學(xué)類型為重碳酸鹽鈣鉀型水。

(3)石羊河中下游流域河水中，HCO3-、K+、Cl-和 Ca2+主要來源于泥灰?guī)r、石灰?guī)r及白云巖等碳酸鹽類巖石的溶解，并隨著時(shí)間的推移，其含量逐漸增加。

(4)石羊河下游流域河水的pH值、總硬度、礦化度及水中主要離子和微量元素含量均達(dá)到GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》或GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，水質(zhì)較好。但中游水質(zhì)較差，沒有達(dá)到以上標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)紅崖山水庫對水質(zhì)的調(diào)節(jié)作用還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

[1]朱顏明，何巖.環(huán)境地理學(xué)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社.2002:65-71.

[2]蔣輝.環(huán)境水化學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2003:67-90.

[3]甘肅省水利廳.石羊河流域簡介.http://www.gssl.gov.cn/syhlyzhzl/liuygk/2007/05/09/1178678811447.html.

[4]國家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社.2002.

[5]董祖德.浙江省河流水化學(xué)特征分析和評價(jià)[J].浙江水利科技.990(3):1-9.

[6]滿秀玲，蔡體久.公別拉河流域三類濕地水化學(xué)特征研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào).2005，16(7):1335-1339.

[7]萬咸濤，張新寧.長江流域及西南諸河天然水質(zhì)特征與河流健康[J].人民長江.2008，39(6):8-32.

[8]水利水電部水文局.中國水資源評價(jià)[M].北京:水利電力出版社.1987:157-158.