黃河山東段水化學特征及其控制因素

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(1.黃河水利委員會山東水文水資源局，山東濟南250100；2.黃河口水文水資源勘測局，山東東營257091)

河流是陸地與海洋間物質、能量交換的重要通道，它在全球水循環(huán)及地球化學循環(huán)中起著重要作用，其水化學特征受流域氣候、地質特性等自然因素及工農業(yè)生產等人為因素的多重影響[1]。研究河流體系水化學特征能夠反映地表巖石風化作用、大氣降水輸入及人類生產活動對流域水體環(huán)境的影響，從而可以了解河流水體元素分布及遷移轉化規(guī)律[2]，為水質管理和生態(tài)環(huán)境保護與建設提供科學依據(jù)。

國外學者最早于20世紀中期開展水化學研究，Piper[3](1953年)用陰陽離子三角圖分析了水體的地球化學組成，Gibbs[4](1970年)通過研究溶解性總固體(TDS)與陰陽離子濃度比的關系，得出大氣降水、巖石風化和蒸發(fā)-結晶過程是控制全球地表水水化學特征的三大因素。中國學者對河流離子化學的研究始于20世紀60年代，1963年，樂嘉祥[5]等研究了中國500條河流的水化學特征及其時空變化規(guī)律。1982年，Hu[6]等在對長江、黃河、鴨綠江、瀾滄江等的水化學研究中發(fā)現(xiàn)，河流離子組成主要受碳酸巖和蒸發(fā)巖溶蝕作用以及鋁硅酸鹽風化作用的影響，其中溶蝕作用影響更大。隨著對河流水化學特征及其形成原因研究的深入，對黃河[7]、長江[8]、珠江[9]等河流的水質狀況、水化學特征、時空變化趨勢、形成原因等的認識更加深入。

黃河是中國第二大長河，是世界上著名的多泥沙河流，其水化學特征及成因、流域碳循環(huán)一直以來都是研究熱點。2006年，陳靜生[7]等通過對1958—2000年黃河流域水質監(jiān)測資料的分析，得出黃河的離子化學主要受沉積巖化學風化作用及干旱氣候影響下水中溶解鹽蒸發(fā)濃縮和結晶作用控制的結論。2009年，張龍軍[10]等通過對黃河干流及部分支流水樣和河床砂樣的分析，計算了流域硅酸鹽風化的CO2消耗率。2014年，F(xiàn)an等[11]通過對黃河干流水樣的分析，計算了流域內各類型巖石的化學風化速率。

本研究以黃河下游山東段為研究對象，運用水化學及統(tǒng)計學方法，系統(tǒng)分析了黃河下游山東段枯水期、平水期、豐水期河水主要離子的水化學特征及其時空變化規(guī)律，并結合Piper三線圖、Gibbs圖等分析了黃河下游山東段河水的水化學類型及其控制因素，同時對離子的來源進行了分析，以期為流域水資源管理及生態(tài)保護、水資源的合理開發(fā)利用提供科學合理的依據(jù)。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

黃河下游山東段位于山東省西北部，干流河道全長628 km，流域面積1.83萬km2。氣候為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為11.7℃～14.2℃，多年平均降水量為650 mm，降雨集中在7—9月。

黃河下游山東段屬于華北板塊(I級構造單元)，包括華北坳陷山東部分和魯西隆起2個II級構造單元。區(qū)內除部分地段有丘陵殘山外，地勢較為平坦。地表多為厚度不等的第四世紀沉積物所覆蓋，第四系沉積物主要為黃河沉積物，沉積厚度為180～340 m[12]。巖性主要為黏土、粉細砂、沙質黏土，厚度為2～9 m[13]。另外，支流大汶河盆地內分布有從太古宙到第三世紀的花崗巖和變質巖[7]。黃河山東段巖石類型分布見圖1。

1.2 樣品采集與處理

為研究黃河山東段河水水化學特征的時間和空間變化，分別于2017年采集高村和利津兩斷面枯水期(2月)、平水期(6月)及豐水期(8月)水樣進行分析，具體采樣點布設見圖1。

采用橫式采樣器采樣，采集黃河水面下約0.5 m處的水樣，采樣方法為左、中、右等比例混合法，采樣方式為船只和吊箱纜道采樣或橋梁采樣。水樣采集后，將所采水樣搖勻后倒入筒型玻璃容器，靜置30 min，目的是除去沉降性固體(如泥沙等)。然后，將已不含沉降性固體但含有懸浮性固體的水樣移入盛樣容器，在裝入水樣前，應先用該采樣點水樣沖洗3次。裝入水樣后，按要求加入相應的保護劑后搖勻，并及時填寫水樣標簽，運回實驗室待測。測量總硬度和陽離子的水樣，加入的保存劑為1 L水樣中加入4 mL HNO3；測量pH、電導率和陰離子的水樣不加保存劑。

1.3 樣品分析

2 結果與討論

2.1 河水水化學特征

2.1.1河水pH、TDS值特征

黃河山東段河水水化學數(shù)據(jù)見表1。黃河山東段河水呈弱堿性，pH范圍為8.0～8.3，均值為8.2；其中，黃河山東段上游高村斷面，pH范圍為8.2～8.3，均值為8.2；黃河山東段下游利津斷面，pH范圍為8.0～8.3，均值為8.1。溶解性總固體(TDS)值變化范圍為578～650 mg/L，均值為617 mg/L，高于世界河流TDS平均值(115 mg/L)[2]；其中，黃河山東段上游高村斷面，TDS值范圍為578～620 mg/L，均值為600 mg/L；黃河山東段下游利津斷面，TDS值范圍為604～650 mg/L，均值為634 mg/L。黃河山東段從上游(高村斷面)到下游(利津斷面)河水pH值呈下降趨勢； TDS值呈升高趨勢，原因可能是受到水體蒸發(fā)和巖石風化作用的影響， TDS值隨著河水徑流過程不斷增大[2]。陳靜生等[7]對黃河利津站1958—2000年河水pH值和TDS值的統(tǒng)計結果表明，利津站河水pH均值為8.12，TDS均值為508 mg/L，本研究結果與前人研究結果接近。

表1 黃河山東段河水水化學數(shù)據(jù)

2.1.2河水主要離子組成及水化學類型

2.2 河水水化學特征時空變化規(guī)律

黃河山東段河水流量及水化學參數(shù)的時空變化見圖3—5。從圖3—5可以看出，在空間上，除流量、pH 2項參數(shù)黃河山東段上游高村斷面大于下游利津斷面外，其余水化學參數(shù)均為下游利津斷面含量高；其原因是黃河山東段從上游到下游流量逐漸減小，同時由于河水蒸發(fā)濃縮作用，致使水體TDS及離子濃度升高。pH值從上游到下游有下降趨勢，這可能與大氣降水輸入有關，有研究表明受人類活動影響大的區(qū)域大氣降水pH值更低[1]。在時間上，河水流量豐水期(8月)小于或基本等于平水期(6月)，這可能與小浪底水庫8月蓄水有關；除Cl-和K++Na+2項參數(shù)外，其余參數(shù)含量大都符合ω枯水期>ω平水期>ω豐水期，豐水期pH最低主要是由于豐水期大氣降水對河水貢獻較大，豐水期其余參數(shù)含量也最低同樣是由于大氣降水充沛造成的，大氣降水增加導致徑流強度增大，各離子受到顯著稀釋作用，因此含量較低。流量增加時，Cl-和K++Na+2項參數(shù)含量降低，這可能是由于Cl-、K+、Na+少量來源于巖石風化、大部分來源于海洋起源的大氣降水[14]。

前人對黃河流域河水水化學特征的時間和空間變化規(guī)律也進行過研究，何姜毅等[1]的研究表明，黃河流域河水TDS均值呈現(xiàn)從上游到下游逐漸升高的趨勢，本論文中黃河山東段河水TDS均值變化規(guī)律與其相同。同時，何姜毅等[1]的研究也表明，河水pH值、TDS值及主要陽離子和陰離子含量豐水期時普遍較低，本論文與其研究結果接近(除Cl-和K++Na+2項參數(shù)外)。流量增加時，Cl-和K++Na+2項參數(shù)含量降低，這可能與黃河下游受海洋起源的大氣降水影響較大有關。

2.3 河水各化學指標相關性分析

表2 黃河山東段河水水化學參數(shù)相關系數(shù)矩陣

注：*表示在置信度(雙側)為0.05時，相關性是顯著的；**表示在置信度(雙側)為0.01時，相關性是顯著的

2.4 河水水化學控制因素分析

3 結論

b) 黃河山東段水化學參數(shù)，在空間上，除pH外，其余參數(shù)從上游到下游均呈上升趨勢，原因是河水流量減小及河水的蒸發(fā)濃縮作用；在時間上，除Cl-和K++Na+2項參數(shù)外，其余參數(shù)含量大都符合ω枯水期>ω平水期>ω豐水期，原因是豐水期河水徑流增加，Cl-和K++Na+2項參數(shù)含量降低，說明Cl-、K+、Na+大部分來源于海洋起源的大氣降水。