黃河中下游豐水期水化學(xué)特征及影響因素

張 旺, 王殿武, 雷 坤, 呂旭波, 陳 雨, 楊麗標(biāo)

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院流域水環(huán)境污染綜合管理研究室, 北京 100012; 3.保定市環(huán)境保護(hù)研究所, 河北 保定 071051)

水化學(xué)特征反映了氣候變化、巖石風(fēng)化、土地利用及人類活動(dòng)等對(duì)流域水環(huán)境的影響[1]。河水中化學(xué)組分的控制因素主要包括巖石風(fēng)化以及人為輸入[2]，其中巖石風(fēng)化主要指碳酸和硫酸等酸性介質(zhì)對(duì)碳酸鹽巖和硅酸鹽巖礦物的溶解，蒸發(fā)巖鹽的溶解在一些地區(qū)也比較重要，人為輸入主要包括農(nóng)業(yè)施肥、大氣沉降、工業(yè)和城鎮(zhèn)生活污水排放等[3]。

研究流域水化學(xué)特征并探討其控制機(jī)制，對(duì)于流域水土資源的可持續(xù)開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)等意義重大。20世紀(jì)60年代以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注各大洲主要河流的水化學(xué)特征，重點(diǎn)分析其離子來源、遷移轉(zhuǎn)化過程與輸送通量；并通過研究流域水化學(xué)特征的變化過程與機(jī)理，探討流域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)策略和機(jī)制[4]。如Grasby等對(duì)加拿大弓河(BowRiver)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)離子主要來源于溶巖作用和大氣沉降[5]；Millot等分析了加拿大西北地區(qū)和格倫維爾省不同河流的河水樣品，研究結(jié)果表明河水溶質(zhì)來源于硅酸鹽巖風(fēng)化和大氣氣溶膠[6]；樂嘉祥等研究了1957—1960年近500條河流的水化學(xué)特征，標(biāo)志著我國(guó)河流水化學(xué)研究的開始[7]。

黃河是我國(guó)第二大水系，同時(shí)也是世界上輸沙量最大的河流。一直以來，黃河流域水化學(xué)組成及流域風(fēng)化過程和機(jī)理研究備受關(guān)注。過常齡等[8]根據(jù)將黃河流域1958—1979年的水化學(xué)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)流域氣候條件、地形以及地質(zhì)狀況是控制黃河水化學(xué)組分的根本原因。李晶瑩等[9]發(fā)現(xiàn)黃河流域碳酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖的風(fēng)化對(duì)河水化學(xué)貢獻(xiàn)率達(dá)74.9%，硅酸鹽風(fēng)化作用較為微弱。陳靜生等[10]對(duì)黃河流域1958—2000年100個(gè)站點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果也表明黃河離子化學(xué)主要控制因素為沉積巖的化學(xué)風(fēng)化作用以及干旱氣候影響下溶解鹽蒸發(fā)濃縮和結(jié)晶作用。張龍軍等[11]計(jì)算出了流域硅酸鹽巖風(fēng)化對(duì)河水水化學(xué)的貢獻(xiàn)以及對(duì)CO2消耗速率。

小浪底大壩是黃河入海前的最后一個(gè)大型水利樞紐，在發(fā)揮著防洪減淤、供水、灌溉和發(fā)電等作用的同時(shí)，也改變了自然狀態(tài)下的黃河水沙輸送規(guī)律[12]，并對(duì)黃河水化學(xué)特征產(chǎn)生了巨大的影響。本研究通過對(duì)小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游水化學(xué)特征的對(duì)比研究，探討庫(kù)區(qū)上游、庫(kù)區(qū)及其下游主要離子組成的空間差異及其控制機(jī)制，以期為黃河和小浪底庫(kù)區(qū)流域開發(fā)與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域包括小浪底庫(kù)區(qū)在內(nèi)的西至陜西省華陰市，東至山東東營(yíng)市的黃河中下游段；采樣河道長(zhǎng)度1 306 km。研究區(qū)處于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸，季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫12.4～14.3℃，多年平均降水量641.7～900 cm，降水多集中在6月到9月[13]，研究區(qū)上游土地利用類型多為草地和林地，下游多以耕地為主。研究區(qū)花園口以上段地貌屬黃土高原溝壑區(qū)，廣泛分布著第四紀(jì)的黃土和類黃土沉積物，這些黃土物質(zhì)主要由石英、長(zhǎng)石、方解石、云母以及一些蒸發(fā)巖(鹽巖、石膏和芒硝)等組成[14]。黃河周邊多為巖石裸露的石質(zhì)山地和溝壑縱橫的黃土丘陵坡地，使得大量黃土隨地表徑流進(jìn)入黃河[10]。花園口以下段巖石類型主要為第四紀(jì)碎屑巖帶和黏土等。

1.2 斷面設(shè)置與采樣方法

本研究于2017年6月對(duì)黃河小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游進(jìn)行了采樣，從庫(kù)區(qū)上游風(fēng)陵渡斷面至下游東營(yíng)斷面，共布設(shè)24個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；其中庫(kù)區(qū)9個(gè)斷面，庫(kù)區(qū)上游5個(gè)斷面，庫(kù)區(qū)下游10個(gè)斷面。采樣點(diǎn)位設(shè)置見圖1。

小浪底庫(kù)區(qū)內(nèi)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別采集表層、中層和底層水樣。斷面水深由日本AlecElectronics公司生產(chǎn)的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(CLOROTEC Model AAQ 1183)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，并根據(jù)水質(zhì)躍變情況劃分采樣水層深度。庫(kù)區(qū)上下游干流河道則只采集表層水樣。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)水層采集3個(gè)平行樣品進(jìn)行分析測(cè)試。

1.3 室內(nèi)分析

1.4 數(shù)據(jù)處理

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過顯著性檢驗(yàn)分析了河水主要離子的空間分布特征，采用Gibbs圖法判斷水體離子的主要控制類型，采用陰陽(yáng)離子三角圖和離子比值法確定水體組分主要受何種巖石風(fēng)化影響，并通過多元統(tǒng)計(jì)分析方法綜合分析主要控制因素的貢獻(xiàn)率。本文中數(shù)據(jù)處理及分析使用Excel 2016，SPSS 22.0和OriginPro 2018軟件完成。

圖1 小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游豐水期采樣點(diǎn)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學(xué)指標(biāo)總體分析

表1 小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游豐水期水化學(xué)數(shù)據(jù)

2.2 水化學(xué)指標(biāo)的垂向變化特征

圖2 不同水層pH和TDS濃度對(duì)比以及各主要離子濃度對(duì)比

2.3 水化學(xué)指標(biāo)的沿程變化特征

研究以小浪底庫(kù)區(qū)為界，對(duì)小浪底區(qū)域及其上下游的水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析(圖3—4)。結(jié)果顯示，庫(kù)區(qū)上游、庫(kù)區(qū)和庫(kù)區(qū)下游水體TDS平均濃度分別為686.25 mg/L，714.83 mg/L和735.79 mg/L，總體上表現(xiàn)出從庫(kù)區(qū)上游到庫(kù)區(qū)下游顯著增加的趨勢(shì)，而庫(kù)區(qū)上游、庫(kù)區(qū)和庫(kù)區(qū)下游水體pH分別為8.24，8.34，8.42，并沒有表現(xiàn)出顯著的空間變化趨勢(shì)。

圖3 小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游TDS及pH比較

圖4 小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游主要陽(yáng)離子與陰離子濃度比較

3 討 論

3.1 主要水化學(xué)組分控制因素分析

3.1.1 巖石風(fēng)化作用影響 在全球范圍內(nèi)，碳酸鹽巖對(duì)河流溶解物的貢獻(xiàn)約占50%，蒸發(fā)巖鹽的風(fēng)化溶解和硅酸鹽巖的風(fēng)化大約占全球河流溶解物的17.2%和11.6%[2]。

研究表明，黃河流域河水水化學(xué)特征主要受碳酸鹽巖礦物化學(xué)風(fēng)化以及蒸發(fā)巖類礦物化學(xué)風(fēng)化作用控制，硅酸鹽巖礦物化學(xué)風(fēng)化作用貢獻(xiàn)較為微弱，因此黃河流域河水pH呈弱堿性，顯示碳酸鹽巖化學(xué)風(fēng)化作用對(duì)河水pH值的影響[3]。

圖5 小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游河水Gibbs

圖6 小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游河水陰陽(yáng)離子三角圖

不同巖性端元間的對(duì)比可以判別流域不同巖石風(fēng)化對(duì)河水溶質(zhì)的影響。一般來說，碳酸鹽巖、硅酸鹽巖以及蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化產(chǎn)生的2Mg2+/Na+和2Ca2+/Na+摩爾比值分別為20，50，0.24，0.35以及0.02，0.17[22]。本研究中小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游河水主要組分更靠近蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化區(qū)域(圖7A)，進(jìn)一步證明了蒸發(fā)巖鹽對(duì)河水主要組分的影響大于碳酸鹽巖的風(fēng)化；同時(shí)在Na+/Cl-關(guān)系圖中所有點(diǎn)位均靠近蒸發(fā)鹽(氯化鈉)Na+/Cl-比值線(y：x=1∶1)且在其之上(圖7B)，說明蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化貢獻(xiàn)比例很大，且除蒸發(fā)鹽巖溶解外黃土中的含Na礦物或者硅酸鹽巖礦物溶解也對(duì)河水組分有一定貢獻(xiàn)[14]。而在2 Mg2+/Na+和2Ca2+/Na+比例圖中，庫(kù)區(qū)下游比起庫(kù)區(qū)及庫(kù)區(qū)上游同樣表現(xiàn)出了更靠近碳酸鹽巖風(fēng)化控制區(qū)域，進(jìn)一步印證了庫(kù)區(qū)下游比庫(kù)區(qū)及其上游區(qū)域受碳酸鹽巖風(fēng)化作用影響更大。

圖7 小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游河水離子濃度比值以及Cl-和Na+關(guān)系

圖8 小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游河水2(Ca2++Mg2+)/

3.2 主要控制因素貢獻(xiàn)率分析

表2 小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游河水主要離子間相關(guān)性

表3 小浪底庫(kù)區(qū)及其上下游主要水化學(xué)離子主成分分析載荷

4 結(jié) 論

(3) 黃河風(fēng)陵渡斷面至東營(yíng)斷面豐水期水化學(xué)組成主要受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)—濃縮作用控制；其中以蒸發(fā)溶解風(fēng)化貢獻(xiàn)為主；到下游地區(qū)，碳酸鹽類巖石風(fēng)化的貢獻(xiàn)逐漸增加。碳酸和硫酸同時(shí)參與了流域巖石的風(fēng)化，沿岸灌溉回水、生活污水或工業(yè)廢水的排放等人為輸入也是影響水化學(xué)組分的原因之一。

(4) 根據(jù)主成分分析結(jié)果，風(fēng)陵渡斷面至東營(yíng)斷面蒸發(fā)鹽巖溶解以及人為輸入對(duì)水化學(xué)組分貢獻(xiàn)率為46.55%，碳酸鹽巖的風(fēng)化的貢獻(xiàn)率為35.90%。