草原流域地下水化學(xué)時(shí)空特征及環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素——以?xún)?nèi)蒙古巴拉格爾河流域?yàn)槔?/h1>
2021-05-28 15:22:38房麗晶高瑞忠賈德彬于瑞宏劉心宇劉廷璽
中國(guó)環(huán)境科學(xué) 2021年5期
房麗晶,高瑞忠*,賈德彬,于瑞宏,劉心宇,劉廷璽
草原流域地下水化學(xué)時(shí)空特征及環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素——以?xún)?nèi)蒙古巴拉格爾河流域?yàn)槔?/p>
房麗晶1,高瑞忠1*,賈德彬1,于瑞宏2,3,劉心宇2,劉廷璽1
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；3.蒙古高原生態(tài)學(xué)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)
為查明內(nèi)蒙古草原流域地下水水化學(xué)特征、成因及其環(huán)境意義,選擇巴拉格爾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,以Piper三線(xiàn)圖、Gibbs圖、主成分分析法(PCA)和內(nèi)梅羅指數(shù)法等對(duì)2018～2019年豐水期、枯水期46處92個(gè)淺層地下水水樣進(jìn)行分析. 結(jié)果表明:研究區(qū)地下水呈現(xiàn)弱堿性環(huán)境,屬于淡水,枯水期多數(shù)離子含量高于豐水期,空間分布整體呈現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn);地下水水化學(xué)類(lèi)型多樣,以HCO3–- Ca2+·Na+型占主導(dǎo),HCO3–- Ca2+型、HCO3–-- Ca2+·Mg2+型、HCO3–- Na+型和HCO3–- Ca2+·Na+·Mg2+型等多種共存;不同河段枯水期水化學(xué)差異不顯著,但豐水期地下水離子具空間特征,地下水化學(xué)成分來(lái)源變化復(fù)雜;地下水化學(xué)離子主要受巖石風(fēng)化作用控制,Ca2+、Mg2+主要來(lái)源于碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解,其中碳酸鹽占主導(dǎo),Na+、K+來(lái)自巖鹽的溶解;地下水級(jí)別較好水居多,其次為較差和良好,極差、優(yōu)良水占比最小,總體水質(zhì)偏好;碳酸鹽巖石風(fēng)化、水巖溶濾作用和人類(lèi)活動(dòng)是研究區(qū)地下水化學(xué)特征演化的主要驅(qū)動(dòng)因素.研究成果可為區(qū)域草原生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)、水資源開(kāi)發(fā)利用及流域生態(tài)水文研究提供技術(shù)參考與依據(jù).
水化學(xué)特征；主成分分析；質(zhì)量評(píng)價(jià)；Piper；Gibbs；環(huán)境驅(qū)動(dòng)
隨著草原社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,過(guò)渡放牧、盲目開(kāi)發(fā)和氣候變化等引起草原草地不斷退化,進(jìn)而影響草原生態(tài)系統(tǒng),其中內(nèi)蒙古草原流域作為我國(guó)內(nèi)陸的重要生態(tài)屏障,水資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題日益嚴(yán)重,地下水資源是維持當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和保持生態(tài)環(huán)境健康的重要因素,有效保護(hù)和合理利用地下水資源對(duì)于草原流域發(fā)展具有重要的意義[1].
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于地下水的研究在不同流域陸續(xù)展開(kāi),如陜西黑河流域[2]、西南喀斯特流域[3]、甘肅梨園河流域[4]、新疆喀什噶爾河流域[5]雅魯藏布江流域[6]等,基于水化學(xué)特征分析的地下水形成演化研究,可以有效揭示地下水與環(huán)境的相互作用機(jī)制[7].水化學(xué)組成是水體在循環(huán)過(guò)程中與周?chē)h(huán)境長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果,能夠指示水體形成和運(yùn)移的歷史[8].地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)有助于了解地下水的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)的水質(zhì)狀況,有助于揭示地下水質(zhì)量的環(huán)境成因[9-12].目前,對(duì)于內(nèi)蒙古草原流域的研究多集中于氣溫、降水、徑流等氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響下的河流水文研究[13-14],鮮有對(duì)區(qū)域地下水水化學(xué)演化特征分析,缺乏對(duì)地下水水質(zhì)環(huán)境驅(qū)動(dòng)演變的深入研究.
因此,開(kāi)展巴拉格爾河流域地下水水化學(xué)時(shí)空特征和演化驅(qū)動(dòng)的環(huán)境因素研究,旨在揭示內(nèi)蒙古草原流域地下水環(huán)境變化特征及水化學(xué)演化規(guī)律和理解草原流域地下水與環(huán)境的互作機(jī)制,以期為草原流域地下水資源的開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論支撐參考[15-16].
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
巴拉格爾河流域(116°21￠～119°31￠E, 43°57￠～ 45°23￠N)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗境內(nèi)(圖1),流域面積5350km2,海拔高度885～1876m,草地類(lèi)型是以羊草和針茅為主的典型草原,為大陸型半干旱氣候,冬季嚴(yán)寒、夏季炎熱,年均降水量為334mm,蒸發(fā)量為1149mm,平均氣溫1.2℃,夏天最高氣溫可達(dá)37.5℃,冬天最低為-38.5℃,平均風(fēng)速為15km/h,每年有28～148d的風(fēng)速可達(dá)到125km/h.流域內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)為畜牧業(yè).
巴拉格爾河流域地下水的賦存條件與分布規(guī)律直接受大氣降水、構(gòu)造、地貌、巖性等因素的影響和控制,地下水類(lèi)型包括基巖裂隙水、碎屑巖孔隙裂隙層間水、第四系孔隙水等類(lèi)型.地下水埋深1～30m,含水層厚度10～130m.
圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)位置
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理
根據(jù)巴拉格爾河的水系特征及水文地質(zhì)條件,于 2018～2019年豐水期(7～8月)和枯水期(10月)進(jìn)行地下水采樣,樣品采集與處理遵循《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范《HJ/T164-2004》[17],共采集46處地下水92個(gè)水樣,測(cè)定并分析14項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo):溶解性總固體(TDS)、pH值、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、NH4+、F–、Cl–、NO3–、NO2–、SO42–、HCO3–、CO32–,水樣裝于500mL聚乙烯瓶中,并用Parafilm封口膜密封,均送于內(nèi)蒙古農(nóng)牧漁業(yè)生物實(shí)驗(yàn)研究中心,其中CO32–和 HCO3–采用酸堿滴定法測(cè)定,TDS采用105℃干燥-重量法,pH值通過(guò)PB-21酸度計(jì)(德國(guó)賽多利斯集團(tuán))測(cè)定,精度為0.01;其余指標(biāo)均用瑞士萬(wàn)通Metrohm-940高壓分析型離子色譜儀測(cè)定,陰、陽(yáng)離子最小檢出濃度分別為0.002μg/L、1.7× 10-6μg/mL,采用離子平衡檢驗(yàn)方法,認(rèn)為陰陽(yáng)離子平衡的相對(duì)誤差小于±5%的數(shù)據(jù)是可靠的[18-20].
1.3 數(shù)據(jù)分析與方法
數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、離子相關(guān)性分析、Gibbs 圖采用Microsoft Excel 2013和DPS15.1軟件完成,空間分布特征圖利用Arc GIS10.3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,Piper三線(xiàn)圖應(yīng)用Rock Ware Aq?QA軟件繪制.
參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[21]利用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(表1).內(nèi)梅羅指數(shù)法是考慮極大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法,是計(jì)算綜合污染最常用的方法之一[22],計(jì)算公式為:
式中:為測(cè)點(diǎn)的綜合污染指數(shù);P為地下水化學(xué)指標(biāo)評(píng)分值;PAve為測(cè)點(diǎn)所有參評(píng)地下水化學(xué)指標(biāo)評(píng)分值的算術(shù)平均值;PMax為測(cè)點(diǎn)的地下水化學(xué)指標(biāo)評(píng)分值P的最大值.通過(guò)值得分判斷地下水水質(zhì)級(jí)別.
表1 內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評(píng)價(jià)分級(jí)表
2 結(jié)果與分析
2.1 地下水化學(xué)組分的時(shí)空特征
由巴拉格爾河流域地下水的主要離子濃度分析結(jié)果(表2)可知,地下水呈現(xiàn)弱堿性環(huán)境,豐水期pH值平均值為8.47,枯水期pH值平均值為8.24,枯水期比豐水期pH值略低,其變異系數(shù)在各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中最小,僅為0.04,說(shuō)明地下水的pH值相對(duì)穩(wěn)定.水體離子濃度和TDS標(biāo)準(zhǔn)偏差大于pH值,反映了較大的空間差異性.地下水陰離子濃度的高低順序?yàn)镠CO3–>SO42–>Cl–>NO3–>CO32–>F–>NO2–,陽(yáng)離子濃度的高低順序?yàn)?Na+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+,在離子中HCO3–濃度的均值最大,且變異系數(shù)相對(duì)較小,表明HCO3–在地下水離子組分中占據(jù)主導(dǎo)地位,穩(wěn)定性高,空間分布整體呈現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn),枯水期HCO3–濃度高于豐水期,在巴拉嘎?tīng)柼K木和柴達(dá)木蘇木周?chē)兓^為明顯.TDS平均值為128.43mg/L,最高達(dá)286.6mg/L(表2),地下水(TDS) 質(zhì)量濃度平均值均低于1g/L,屬于淡水, TDS空間分布由西向東逐漸降低,最大值均集中出現(xiàn)在柴達(dá)木蘇木西部,豐水期相比于枯水期多數(shù)離子濃度與TDS有明顯下降,這主要與降水有關(guān). Na+、F–、Cl–、SO42–、NO3–變異系數(shù)較大,說(shuō)明不同區(qū)域離子濃度相差較大,易受自然和人類(lèi)活動(dòng)影響.
表2 地下水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)分析(mg/L)
2.2 地下水化學(xué)組分的源解析
Piper三線(xiàn)圖能夠體現(xiàn)水體的化學(xué)組成特征,進(jìn)而可以辨別水體的一般化學(xué)特征及其控制單元[23-25].在自然地質(zhì)條件、人類(lèi)活動(dòng)等因素的共同影響下,研究區(qū)地下水水化學(xué)類(lèi)型(圖2)繁雜多樣,以HCO3–-Ca2+·Na+型占主導(dǎo),HCO3–-Ca2+型、HCO3–-Ca2+·Mg2+型、HCO3–-Na+型和HCO3–-Ca2+·Na+·Mg2+型等多種共存.地下水主要受碳酸鹽巖風(fēng)化影響,豐水期與枯水期離子濃度總體變化差異較小,在陽(yáng)離子組成的三角圖中,水樣點(diǎn)主要落在中部偏下,陽(yáng)離子以Na++K+和Ca2+為主,豐水期、枯水期陽(yáng)離子總量的比例分別由43%、39%上升至49%、40%;在陰離子組成的三角圖中,水樣點(diǎn)主要集中在左下角,主導(dǎo)陰離子為HCO3–+ CO32-,由豐水期到枯水期,所占陰離子總量比例由66%增長(zhǎng)至73%.水化學(xué)菱形域中研究區(qū)多數(shù)離子位于1區(qū),堿土金屬離子大于堿金屬離子.
相關(guān)性分析可以揭示地下水水化學(xué)各指標(biāo)的相似性和差異性,從而判斷地下水各組分來(lái)源的一致性和差異性[26],豐水期TDS與陽(yáng)離子的相關(guān)系數(shù)大小依次為Mg2+>Na+>K+>Ca2+,枯水期Na+>Mg2+> Ca2+>K+,豐、枯水期TDS與陰離子HCO3–、SO42-相關(guān)系數(shù)均為最高,豐水期與Cl–、CO32–均相關(guān),但枯水期與CO32–相關(guān)性較弱.TDS與多數(shù)主要離子均存在一定相關(guān)性,表明易溶成分是決定TDS的主要因素,且TDS與HCO3–呈高度相關(guān),說(shuō)明TDS主要受HCO3-控制(表3).
圖2 地下水piper三線(xiàn)圖
表3 地下水主要離子相關(guān)性
注:*和**分別表示在0.05和0.01的水平上具有顯著性(雙尾檢驗(yàn)).
對(duì)研究區(qū)地下水離子進(jìn)行不同時(shí)段空間主成分分析(圖3),豐、枯水期第一、第二主成分解釋了變量97.64%和96.41%的方差,其中,豐水期主成分1(PC1)和主成分2(PC2)分別解釋了58.53%、39.11%方差,上游水體離子對(duì)PC1的貢獻(xiàn)較大,下游水體離子對(duì)PC2的貢獻(xiàn)較大,表明不同地理位置是水體離子差異的主要控制因子.枯水期PC1和PC2分別解釋了63.23%、33.18%方差,上游、中游水體離子對(duì)PC1的貢獻(xiàn)較大,上游和下游水體離子對(duì)PC2的貢獻(xiàn)較大.不同河段枯水期水化學(xué)差異不顯著,但豐水期地下水離子具空間特征, 為進(jìn)一步探討研究區(qū)地下水主要離子與地質(zhì)背景之間的關(guān)系[6],對(duì)地下水各組分進(jìn)行主成分分析(表4),經(jīng)過(guò)相關(guān)矩陣計(jì)算、KMO及Bartlett球型度檢驗(yàn)(豐水期: KMO=0.52,枯水期: KMO=0.6),數(shù)據(jù)適合做主成分分析,通過(guò)主成分提取和最大方差正交旋轉(zhuǎn)因子分析法對(duì)9個(gè)變量進(jìn)行分析,得到了3個(gè)主因子:1、2、3,根據(jù)凱瑟標(biāo)準(zhǔn),選擇累積貢獻(xiàn)率在75%以上的成分.豐水期1包括Na+、Cl–、SO42–,可能來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng)及地下水蒸發(fā)濃縮作用的影響.2包括Ca2+、Mg2+、HCO3–、TDS,主要來(lái)源于地下水與碳酸鹽的水巖之間的溶濾作用,3包括K+、CO32–.K+可能來(lái)源于土壤肥料溶濾作用,研究區(qū)牧民主要養(yǎng)殖牛、羊、馬等牲畜,有動(dòng)物排泄以及生活廢水的排放.枯水期1包括Cl–、Na+、SO42–、HCO3–、TDS、Ca2+、Mg2+,反應(yīng)了天然地下水溶濾作用對(duì)地下水水化學(xué)成分的響,2包括CO32–、HCO3–、TDS,3包括K+.枯水期與豐水期的因子載荷所包含的離子有所差異,豐水期累積方差貢獻(xiàn)率(83.79%)高于枯水期(80.38%),說(shuō)明豐水期主要離子來(lái)源的變化更復(fù)雜[27].
圖3 豐、枯水期地下水離子空間分布主成分分析
表4 地下水主要離子主成分分析
2.3 地下水質(zhì)時(shí)空特征
選取(Na+)、(NH4+)、(F–)、(Cl–)、(NO2–)、(SO42–)、(TDS)、pH值等8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)(圖4).地下水內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)范圍在0 ～7.46之間,平均值為3.2,地下水級(jí)別復(fù)雜多樣,大部分地區(qū)水質(zhì)主要集中在良好和較好水平.豐水期水質(zhì)級(jí)別整體高于枯水期.上游水質(zhì)優(yōu)于下游,靠近河流附近水質(zhì)較差,主要原因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)牲畜排泄及生活廢水排放對(duì)河水水質(zhì)影響較大,靠近河流地下水埋深較淺,易受河水影響.枯水期相比豐水期水質(zhì)在敖包紹仍南部有明顯降低趨勢(shì),水質(zhì)較好的地區(qū)主要集中在流域南部、柴達(dá)木蘇木附近及巴彥胡舒蘇木東南部分地區(qū),其中達(dá)青寶力格東北部?jī)?nèi)梅羅指數(shù)為0～0.8,水質(zhì)級(jí)別為優(yōu)良.水質(zhì)較差地區(qū)呈片狀分布在柴達(dá)木蘇木西部,極差水質(zhì)以點(diǎn)狀零星分布于柴達(dá)木蘇木西部,其余地區(qū)水質(zhì)級(jí)別均為較好,豐水期、枯水期分別有27、20個(gè)地下水采樣點(diǎn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)在0～4.25之間,水質(zhì)較好,約占樣品總數(shù)的50%.總體來(lái)看,研究區(qū)地下水質(zhì)量為較好水居多,其次為較差,良好,優(yōu)良和極差水占比最小,流域水質(zhì)較好.
圖4 地下水水質(zhì)的時(shí)空分布
2.4 討論
Gibbs[28]通過(guò)對(duì)世界雨水、河水和湖泊等地表水體的水化學(xué)組分分析,將天然水化學(xué)成分的來(lái)源主要區(qū)別為3個(gè),即蒸發(fā)濃縮型、巖石風(fēng)化型和降水控制型.眾多學(xué)者將Gibbs圖應(yīng)用在地下水化學(xué)組分的研究中[29-30],宏觀地反映水中主要離子的控制因素,定性判斷水化學(xué)組成來(lái)源[10].由研究區(qū)地下水的水化學(xué)Gibbs圖(圖5)可知,豐水期與枯水期變化趨勢(shì)和范圍一致,TDS范圍在46～287mg/L,Cl–/(Cl–+HCO3–)質(zhì)量濃度比值處于0～0.4<0.5,Na+/(Na++Ca2+)質(zhì)量濃度比值范圍在0.2～0.9之間,說(shuō)明巖石風(fēng)化作用對(duì)地下水主要離子影響較大,蒸發(fā)濃縮型和降水控制對(duì)研究區(qū)地下水離子影響較弱,地下水主要離子的控制類(lèi)型為巖石風(fēng)化型,這與Piper三線(xiàn)圖分析所得離子主要受碳酸鹽巖風(fēng)化結(jié)果相一致.各離子均未落在降水控制區(qū),原因?yàn)榘屠駹柡恿饔蛏钐幬鞅眱?nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,降水少,蒸發(fā)大.研究區(qū)水體基本落在Gibbs內(nèi)部,部分落在模型外部,說(shuō)明部分水體受到人類(lèi)活動(dòng)影響[31-32].少數(shù)點(diǎn)有向蒸發(fā)濃縮型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),原因是潛水埋深較淺,局部地區(qū)蒸發(fā)較大.
圖5 地下水水質(zhì)Gibbs分析圖
圖6 地下水離子比值圖
由于Gibbs主要受巖石風(fēng)化影響,但是水化學(xué)的來(lái)源和形成過(guò)程不可知,故用離子比值法來(lái)判斷地下水的成因[18].地下水中的Ca2+、Mg2+主要來(lái)自碳酸鹽、硅酸鹽或蒸發(fā)巖的溶解,當(dāng)(Ca2++Mg2+)與(SO42–+HCO3–)>1(毫克當(dāng)量比值關(guān)系)時(shí),地下水中的Ca2+、Mg2+主要來(lái)自碳酸鹽的溶解,<1時(shí),主要來(lái)源于硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解.研究區(qū)地下取樣點(diǎn)分布在(Ca2++Mg2+)/(SO42–+HCO3–)=1的兩側(cè),說(shuō)明研究區(qū)地下水中的Ca2+、Mg2+同時(shí)來(lái)源于碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解.Na++K+與Cl–的比值可以反映Na+和K+的來(lái)源,當(dāng)(Na++K+)/(Cl–)>1時(shí),表示發(fā)生巖鹽的溶解,<1表示發(fā)生硅酸鹽的溶解,研究區(qū)采樣點(diǎn)大多數(shù)位于(Na++ K+)/(Cl–)=1的上方,說(shuō)明研究區(qū)地下水Na+、K+來(lái)自巖鹽的溶解.SO42–+Cl–與HCO3–反映地下水中化學(xué)成分的主要來(lái)源,當(dāng)(SO42–+Cl–)/(HCO3–)>1時(shí),地下水中化學(xué)成分主要來(lái)自蒸發(fā)巖的溶解,<1主要來(lái)自碳酸鹽的溶解.研究區(qū)地下水采樣點(diǎn)主要位于(SO42+Cl–)/(HCO3–)=1下方,說(shuō)明碳酸鹽溶解占主導(dǎo)作用.(Na+- Cl–)/(Ca2++Mg2+)-(SO42–+HCO3–)反映陽(yáng)離子交換作用.若陽(yáng)離子發(fā)生交換作用,則二者關(guān)系出現(xiàn)負(fù)相關(guān),即在礦物的溶解過(guò)程中隨著Na+含量的增加,Ca2++ Mg2+含量減少,從圖中可以看出淺層地下水發(fā)生陽(yáng)離子交換作用(圖6).
圖8 Ca2+與埋深關(guān)系
豐水期各離子濃度及TDS低于枯水期,與林云等[33]結(jié)果一致,可能是與降水及水巖相互作用有關(guān).地下水的pH值越大,F–離子濃度越高,這與丁丹等[34]得出淮北平原淺層地下水影響因素結(jié)果相同, 且F-隨氫氧同位素的富集而升高,Ca2+隨埋深的加深, 濃度呈上升趨勢(shì)(圖7、圖8).后期將結(jié)合氫氧同位素進(jìn)行內(nèi)蒙古草原流域地下水化學(xué)特征及成因的進(jìn)一步分析,并且陰陽(yáng)離子交替作用除用(Na+-Cl–)/(Ca2++Mg2+)-(SO42–+HCO3–)表示,還將進(jìn)一步結(jié)合氯堿指數(shù)對(duì)陽(yáng)離子交換進(jìn)行定量計(jì)算.
3 結(jié)論
3.1 以巴拉格爾河流域?yàn)榇淼膬?nèi)蒙古草原流域地下水呈現(xiàn)弱堿性環(huán)境,大部分屬于微咸水,豐水期多數(shù)濃度低于枯水期,HCO3–在地下水離子組分中占據(jù)主導(dǎo)地位,空間分布整體呈現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn).
3.2 在自然地質(zhì)條件、人類(lèi)活動(dòng)等因素的共同影響下,巴拉格爾河流域地下水水化學(xué)類(lèi)型以HCO3–-Ca2+·Na+型占主導(dǎo),HCO3–-Ca2+·Mg2+型、HCO3–-Ca2+型、HCO3–-Ca2+·Na+·Mg2+型和HCO3–-Na+型等多種共存,豐水期、枯水期地下水化學(xué)類(lèi)型差異較小.
3.3 巴拉格爾河流域地下水級(jí)別多樣,較好水居多,其次為較差,良好,優(yōu)良和極差水占比最小,總體地下水水質(zhì)偏好.
3.4 巴拉格爾河流域地下水化學(xué)離子主要受巖石風(fēng)化作用控制,Ca2+、Mg2+同時(shí)來(lái)源于碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解,Na+、K+來(lái)自巖鹽的溶解,其中碳酸鹽溶解占主導(dǎo)作用,淺層地下水存在陽(yáng)離子交換作用.
3.5 巴拉格爾河流域地下水水化學(xué)演化的驅(qū)動(dòng)因素主要為碳酸鹽巖風(fēng)化、水巖溶濾作用和人類(lèi)活動(dòng).
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Spatial-temporal characteristics of groundwater quality and its environmental driving factors of Steppe Basin—taken Balaguer river basin of Inner Mongolia for instance.
FANG Li-jing1, GAO Rui-zhong1*, JIA De-bin1, YU Rui-hong2,3, LIU Xin-yu2, LIU Ting-xi1
(1.Institute of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China；2.School of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China；3.Key Laboratory of Ecology and Resources Use of the Mongolian Plateau, Ministry of Education, Hohhot 010021, China)., 2021,41(5)：2161～2169
In order to find out the hydro-chemical characteristics, formation and environmental significance of groundwater in Inner Mongolia steppe basin, Balaguer River basin was selected as the typical study area, in which 92 groundwater samples of 46 wells were sampled in the wet and dry seasons of 2018～2019. The Piper trigram, Gibbs graph, principal component analysis (PCA), Nemerow index were adopted to analyze groundwater water quality and the results showed that the groundwater were weakly alkaline, most of which were brackish water and a few were fresh water. Overall, the ion concentrations were higher in wet seasons than dry seasons, and higher in the west area than the east area. Groundwater hydro-chemical types were complex and diverse, including HCO3–- Ca2+·Na+, HCO3–- Ca2+, HCO3–- Ca2+·Mg2+, HCO3–- Na2+and HCO3–- Ca2+·Na+·Mg2+. There were no significant hydro-chemical distinctions in different river sections during the dry seasons, while the ion concentrations possessed spatial characteristics and the sources were complicated during the wet seasons. The ions in groundwater were mainly controlled by rock weathering, and Ca2+、Mg2+mainly came from the dissolution of carbonate, silicate and evaporation, while Na+、K+came from the dissolution of salt rock. The groundwater quality was better in the whole basin, and the proportion of extremely poor and excellent water was relatively small. The main driving factors of the evolution of groundwater hydro-chemical characteristics were carbonate rock weathering, water karst filtration and human activities. The research results could be taken as a technical reference for protection and restoration of regional grassland ecological environment, exploitation and utilization of water resources and study of watershed eco-hydrology.
hydro-chemical characteristics；principal component analysis；quality assessment；Piper；Gibbs；environment driving force
X143;P641.12
A
1000-6923(2021)05-2161-09
房麗晶(1996-),女,內(nèi)蒙古呼倫貝爾市人,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生.主要從事干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文及水化學(xué)特征研究.發(fā)表論文4篇.
2020-09-22
內(nèi)蒙古重大研發(fā)項(xiàng)目(2019ZD001);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51969022);教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(KF2020006);內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2018MS05006);內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2019GG141)
* 責(zé)任作者, 教授, ruizhonggao@imau.edu.cn
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房麗晶,高瑞忠*,賈德彬,于瑞宏,劉心宇,劉廷璽
草原流域地下水化學(xué)時(shí)空特征及環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素——以?xún)?nèi)蒙古巴拉格爾河流域?yàn)槔?/p>
房麗晶1,高瑞忠1*,賈德彬1,于瑞宏2,3,劉心宇2,劉廷璽1
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；3.蒙古高原生態(tài)學(xué)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)
為查明內(nèi)蒙古草原流域地下水水化學(xué)特征、成因及其環(huán)境意義,選擇巴拉格爾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,以Piper三線(xiàn)圖、Gibbs圖、主成分分析法(PCA)和內(nèi)梅羅指數(shù)法等對(duì)2018～2019年豐水期、枯水期46處92個(gè)淺層地下水水樣進(jìn)行分析. 結(jié)果表明:研究區(qū)地下水呈現(xiàn)弱堿性環(huán)境,屬于淡水,枯水期多數(shù)離子含量高于豐水期,空間分布整體呈現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn);地下水水化學(xué)類(lèi)型多樣,以HCO3–- Ca2+·Na+型占主導(dǎo),HCO3–- Ca2+型、HCO3–-- Ca2+·Mg2+型、HCO3–- Na+型和HCO3–- Ca2+·Na+·Mg2+型等多種共存;不同河段枯水期水化學(xué)差異不顯著,但豐水期地下水離子具空間特征,地下水化學(xué)成分來(lái)源變化復(fù)雜;地下水化學(xué)離子主要受巖石風(fēng)化作用控制,Ca2+、Mg2+主要來(lái)源于碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解,其中碳酸鹽占主導(dǎo),Na+、K+來(lái)自巖鹽的溶解;地下水級(jí)別較好水居多,其次為較差和良好,極差、優(yōu)良水占比最小,總體水質(zhì)偏好;碳酸鹽巖石風(fēng)化、水巖溶濾作用和人類(lèi)活動(dòng)是研究區(qū)地下水化學(xué)特征演化的主要驅(qū)動(dòng)因素.研究成果可為區(qū)域草原生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)、水資源開(kāi)發(fā)利用及流域生態(tài)水文研究提供技術(shù)參考與依據(jù).
水化學(xué)特征；主成分分析；質(zhì)量評(píng)價(jià)；Piper；Gibbs；環(huán)境驅(qū)動(dòng)
隨著草原社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,過(guò)渡放牧、盲目開(kāi)發(fā)和氣候變化等引起草原草地不斷退化,進(jìn)而影響草原生態(tài)系統(tǒng),其中內(nèi)蒙古草原流域作為我國(guó)內(nèi)陸的重要生態(tài)屏障,水資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題日益嚴(yán)重,地下水資源是維持當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和保持生態(tài)環(huán)境健康的重要因素,有效保護(hù)和合理利用地下水資源對(duì)于草原流域發(fā)展具有重要的意義[1].
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于地下水的研究在不同流域陸續(xù)展開(kāi),如陜西黑河流域[2]、西南喀斯特流域[3]、甘肅梨園河流域[4]、新疆喀什噶爾河流域[5]雅魯藏布江流域[6]等,基于水化學(xué)特征分析的地下水形成演化研究,可以有效揭示地下水與環(huán)境的相互作用機(jī)制[7].水化學(xué)組成是水體在循環(huán)過(guò)程中與周?chē)h(huán)境長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果,能夠指示水體形成和運(yùn)移的歷史[8].地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)有助于了解地下水的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)的水質(zhì)狀況,有助于揭示地下水質(zhì)量的環(huán)境成因[9-12].目前,對(duì)于內(nèi)蒙古草原流域的研究多集中于氣溫、降水、徑流等氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響下的河流水文研究[13-14],鮮有對(duì)區(qū)域地下水水化學(xué)演化特征分析,缺乏對(duì)地下水水質(zhì)環(huán)境驅(qū)動(dòng)演變的深入研究.
因此,開(kāi)展巴拉格爾河流域地下水水化學(xué)時(shí)空特征和演化驅(qū)動(dòng)的環(huán)境因素研究,旨在揭示內(nèi)蒙古草原流域地下水環(huán)境變化特征及水化學(xué)演化規(guī)律和理解草原流域地下水與環(huán)境的互作機(jī)制,以期為草原流域地下水資源的開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論支撐參考[15-16].
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
巴拉格爾河流域(116°21￠～119°31￠E, 43°57￠～ 45°23￠N)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗境內(nèi)(圖1),流域面積5350km2,海拔高度885～1876m,草地類(lèi)型是以羊草和針茅為主的典型草原,為大陸型半干旱氣候,冬季嚴(yán)寒、夏季炎熱,年均降水量為334mm,蒸發(fā)量為1149mm,平均氣溫1.2℃,夏天最高氣溫可達(dá)37.5℃,冬天最低為-38.5℃,平均風(fēng)速為15km/h,每年有28～148d的風(fēng)速可達(dá)到125km/h.流域內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)為畜牧業(yè).
巴拉格爾河流域地下水的賦存條件與分布規(guī)律直接受大氣降水、構(gòu)造、地貌、巖性等因素的影響和控制,地下水類(lèi)型包括基巖裂隙水、碎屑巖孔隙裂隙層間水、第四系孔隙水等類(lèi)型.地下水埋深1～30m,含水層厚度10～130m.
圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)位置
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理
根據(jù)巴拉格爾河的水系特征及水文地質(zhì)條件,于 2018～2019年豐水期(7～8月)和枯水期(10月)進(jìn)行地下水采樣,樣品采集與處理遵循《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范《HJ/T164-2004》[17],共采集46處地下水92個(gè)水樣,測(cè)定并分析14項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo):溶解性總固體(TDS)、pH值、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、NH4+、F–、Cl–、NO3–、NO2–、SO42–、HCO3–、CO32–,水樣裝于500mL聚乙烯瓶中,并用Parafilm封口膜密封,均送于內(nèi)蒙古農(nóng)牧漁業(yè)生物實(shí)驗(yàn)研究中心,其中CO32–和 HCO3–采用酸堿滴定法測(cè)定,TDS采用105℃干燥-重量法,pH值通過(guò)PB-21酸度計(jì)(德國(guó)賽多利斯集團(tuán))測(cè)定,精度為0.01;其余指標(biāo)均用瑞士萬(wàn)通Metrohm-940高壓分析型離子色譜儀測(cè)定,陰、陽(yáng)離子最小檢出濃度分別為0.002μg/L、1.7× 10-6μg/mL,采用離子平衡檢驗(yàn)方法,認(rèn)為陰陽(yáng)離子平衡的相對(duì)誤差小于±5%的數(shù)據(jù)是可靠的[18-20].
1.3 數(shù)據(jù)分析與方法
數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、離子相關(guān)性分析、Gibbs 圖采用Microsoft Excel 2013和DPS15.1軟件完成,空間分布特征圖利用Arc GIS10.3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,Piper三線(xiàn)圖應(yīng)用Rock Ware Aq?QA軟件繪制.
參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[21]利用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(表1).內(nèi)梅羅指數(shù)法是考慮極大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法,是計(jì)算綜合污染最常用的方法之一[22],計(jì)算公式為:
式中:為測(cè)點(diǎn)的綜合污染指數(shù);P為地下水化學(xué)指標(biāo)評(píng)分值;PAve為測(cè)點(diǎn)所有參評(píng)地下水化學(xué)指標(biāo)評(píng)分值的算術(shù)平均值;PMax為測(cè)點(diǎn)的地下水化學(xué)指標(biāo)評(píng)分值P的最大值.通過(guò)值得分判斷地下水水質(zhì)級(jí)別.
表1 內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評(píng)價(jià)分級(jí)表
2 結(jié)果與分析
2.1 地下水化學(xué)組分的時(shí)空特征
由巴拉格爾河流域地下水的主要離子濃度分析結(jié)果(表2)可知,地下水呈現(xiàn)弱堿性環(huán)境,豐水期pH值平均值為8.47,枯水期pH值平均值為8.24,枯水期比豐水期pH值略低,其變異系數(shù)在各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中最小,僅為0.04,說(shuō)明地下水的pH值相對(duì)穩(wěn)定.水體離子濃度和TDS標(biāo)準(zhǔn)偏差大于pH值,反映了較大的空間差異性.地下水陰離子濃度的高低順序?yàn)镠CO3–>SO42–>Cl–>NO3–>CO32–>F–>NO2–,陽(yáng)離子濃度的高低順序?yàn)?Na+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+,在離子中HCO3–濃度的均值最大,且變異系數(shù)相對(duì)較小,表明HCO3–在地下水離子組分中占據(jù)主導(dǎo)地位,穩(wěn)定性高,空間分布整體呈現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn),枯水期HCO3–濃度高于豐水期,在巴拉嘎?tīng)柼K木和柴達(dá)木蘇木周?chē)兓^為明顯.TDS平均值為128.43mg/L,最高達(dá)286.6mg/L(表2),地下水(TDS) 質(zhì)量濃度平均值均低于1g/L,屬于淡水, TDS空間分布由西向東逐漸降低,最大值均集中出現(xiàn)在柴達(dá)木蘇木西部,豐水期相比于枯水期多數(shù)離子濃度與TDS有明顯下降,這主要與降水有關(guān). Na+、F–、Cl–、SO42–、NO3–變異系數(shù)較大,說(shuō)明不同區(qū)域離子濃度相差較大,易受自然和人類(lèi)活動(dòng)影響.
表2 地下水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)分析(mg/L)
2.2 地下水化學(xué)組分的源解析
Piper三線(xiàn)圖能夠體現(xiàn)水體的化學(xué)組成特征,進(jìn)而可以辨別水體的一般化學(xué)特征及其控制單元[23-25].在自然地質(zhì)條件、人類(lèi)活動(dòng)等因素的共同影響下,研究區(qū)地下水水化學(xué)類(lèi)型(圖2)繁雜多樣,以HCO3–-Ca2+·Na+型占主導(dǎo),HCO3–-Ca2+型、HCO3–-Ca2+·Mg2+型、HCO3–-Na+型和HCO3–-Ca2+·Na+·Mg2+型等多種共存.地下水主要受碳酸鹽巖風(fēng)化影響,豐水期與枯水期離子濃度總體變化差異較小,在陽(yáng)離子組成的三角圖中,水樣點(diǎn)主要落在中部偏下,陽(yáng)離子以Na++K+和Ca2+為主,豐水期、枯水期陽(yáng)離子總量的比例分別由43%、39%上升至49%、40%;在陰離子組成的三角圖中,水樣點(diǎn)主要集中在左下角,主導(dǎo)陰離子為HCO3–+ CO32-,由豐水期到枯水期,所占陰離子總量比例由66%增長(zhǎng)至73%.水化學(xué)菱形域中研究區(qū)多數(shù)離子位于1區(qū),堿土金屬離子大于堿金屬離子.
相關(guān)性分析可以揭示地下水水化學(xué)各指標(biāo)的相似性和差異性,從而判斷地下水各組分來(lái)源的一致性和差異性[26],豐水期TDS與陽(yáng)離子的相關(guān)系數(shù)大小依次為Mg2+>Na+>K+>Ca2+,枯水期Na+>Mg2+> Ca2+>K+,豐、枯水期TDS與陰離子HCO3–、SO42-相關(guān)系數(shù)均為最高,豐水期與Cl–、CO32–均相關(guān),但枯水期與CO32–相關(guān)性較弱.TDS與多數(shù)主要離子均存在一定相關(guān)性,表明易溶成分是決定TDS的主要因素,且TDS與HCO3–呈高度相關(guān),說(shuō)明TDS主要受HCO3-控制(表3).
圖2 地下水piper三線(xiàn)圖
表3 地下水主要離子相關(guān)性
注:*和**分別表示在0.05和0.01的水平上具有顯著性(雙尾檢驗(yàn)).
對(duì)研究區(qū)地下水離子進(jìn)行不同時(shí)段空間主成分分析(圖3),豐、枯水期第一、第二主成分解釋了變量97.64%和96.41%的方差,其中,豐水期主成分1(PC1)和主成分2(PC2)分別解釋了58.53%、39.11%方差,上游水體離子對(duì)PC1的貢獻(xiàn)較大,下游水體離子對(duì)PC2的貢獻(xiàn)較大,表明不同地理位置是水體離子差異的主要控制因子.枯水期PC1和PC2分別解釋了63.23%、33.18%方差,上游、中游水體離子對(duì)PC1的貢獻(xiàn)較大,上游和下游水體離子對(duì)PC2的貢獻(xiàn)較大.不同河段枯水期水化學(xué)差異不顯著,但豐水期地下水離子具空間特征, 為進(jìn)一步探討研究區(qū)地下水主要離子與地質(zhì)背景之間的關(guān)系[6],對(duì)地下水各組分進(jìn)行主成分分析(表4),經(jīng)過(guò)相關(guān)矩陣計(jì)算、KMO及Bartlett球型度檢驗(yàn)(豐水期: KMO=0.52,枯水期: KMO=0.6),數(shù)據(jù)適合做主成分分析,通過(guò)主成分提取和最大方差正交旋轉(zhuǎn)因子分析法對(duì)9個(gè)變量進(jìn)行分析,得到了3個(gè)主因子:1、2、3,根據(jù)凱瑟標(biāo)準(zhǔn),選擇累積貢獻(xiàn)率在75%以上的成分.豐水期1包括Na+、Cl–、SO42–,可能來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng)及地下水蒸發(fā)濃縮作用的影響.2包括Ca2+、Mg2+、HCO3–、TDS,主要來(lái)源于地下水與碳酸鹽的水巖之間的溶濾作用,3包括K+、CO32–.K+可能來(lái)源于土壤肥料溶濾作用,研究區(qū)牧民主要養(yǎng)殖牛、羊、馬等牲畜,有動(dòng)物排泄以及生活廢水的排放.枯水期1包括Cl–、Na+、SO42–、HCO3–、TDS、Ca2+、Mg2+,反應(yīng)了天然地下水溶濾作用對(duì)地下水水化學(xué)成分的響,2包括CO32–、HCO3–、TDS,3包括K+.枯水期與豐水期的因子載荷所包含的離子有所差異,豐水期累積方差貢獻(xiàn)率(83.79%)高于枯水期(80.38%),說(shuō)明豐水期主要離子來(lái)源的變化更復(fù)雜[27].
圖3 豐、枯水期地下水離子空間分布主成分分析
表4 地下水主要離子主成分分析
2.3 地下水質(zhì)時(shí)空特征
選取(Na+)、(NH4+)、(F–)、(Cl–)、(NO2–)、(SO42–)、(TDS)、pH值等8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)(圖4).地下水內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)范圍在0 ～7.46之間,平均值為3.2,地下水級(jí)別復(fù)雜多樣,大部分地區(qū)水質(zhì)主要集中在良好和較好水平.豐水期水質(zhì)級(jí)別整體高于枯水期.上游水質(zhì)優(yōu)于下游,靠近河流附近水質(zhì)較差,主要原因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)牲畜排泄及生活廢水排放對(duì)河水水質(zhì)影響較大,靠近河流地下水埋深較淺,易受河水影響.枯水期相比豐水期水質(zhì)在敖包紹仍南部有明顯降低趨勢(shì),水質(zhì)較好的地區(qū)主要集中在流域南部、柴達(dá)木蘇木附近及巴彥胡舒蘇木東南部分地區(qū),其中達(dá)青寶力格東北部?jī)?nèi)梅羅指數(shù)為0～0.8,水質(zhì)級(jí)別為優(yōu)良.水質(zhì)較差地區(qū)呈片狀分布在柴達(dá)木蘇木西部,極差水質(zhì)以點(diǎn)狀零星分布于柴達(dá)木蘇木西部,其余地區(qū)水質(zhì)級(jí)別均為較好,豐水期、枯水期分別有27、20個(gè)地下水采樣點(diǎn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)在0～4.25之間,水質(zhì)較好,約占樣品總數(shù)的50%.總體來(lái)看,研究區(qū)地下水質(zhì)量為較好水居多,其次為較差,良好,優(yōu)良和極差水占比最小,流域水質(zhì)較好.
圖4 地下水水質(zhì)的時(shí)空分布
2.4 討論
Gibbs[28]通過(guò)對(duì)世界雨水、河水和湖泊等地表水體的水化學(xué)組分分析,將天然水化學(xué)成分的來(lái)源主要區(qū)別為3個(gè),即蒸發(fā)濃縮型、巖石風(fēng)化型和降水控制型.眾多學(xué)者將Gibbs圖應(yīng)用在地下水化學(xué)組分的研究中[29-30],宏觀地反映水中主要離子的控制因素,定性判斷水化學(xué)組成來(lái)源[10].由研究區(qū)地下水的水化學(xué)Gibbs圖(圖5)可知,豐水期與枯水期變化趨勢(shì)和范圍一致,TDS范圍在46～287mg/L,Cl–/(Cl–+HCO3–)質(zhì)量濃度比值處于0～0.4<0.5,Na+/(Na++Ca2+)質(zhì)量濃度比值范圍在0.2～0.9之間,說(shuō)明巖石風(fēng)化作用對(duì)地下水主要離子影響較大,蒸發(fā)濃縮型和降水控制對(duì)研究區(qū)地下水離子影響較弱,地下水主要離子的控制類(lèi)型為巖石風(fēng)化型,這與Piper三線(xiàn)圖分析所得離子主要受碳酸鹽巖風(fēng)化結(jié)果相一致.各離子均未落在降水控制區(qū),原因?yàn)榘屠駹柡恿饔蛏钐幬鞅眱?nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,降水少,蒸發(fā)大.研究區(qū)水體基本落在Gibbs內(nèi)部,部分落在模型外部,說(shuō)明部分水體受到人類(lèi)活動(dòng)影響[31-32].少數(shù)點(diǎn)有向蒸發(fā)濃縮型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),原因是潛水埋深較淺,局部地區(qū)蒸發(fā)較大.
圖5 地下水水質(zhì)Gibbs分析圖
圖6 地下水離子比值圖
由于Gibbs主要受巖石風(fēng)化影響,但是水化學(xué)的來(lái)源和形成過(guò)程不可知,故用離子比值法來(lái)判斷地下水的成因[18].地下水中的Ca2+、Mg2+主要來(lái)自碳酸鹽、硅酸鹽或蒸發(fā)巖的溶解,當(dāng)(Ca2++Mg2+)與(SO42–+HCO3–)>1(毫克當(dāng)量比值關(guān)系)時(shí),地下水中的Ca2+、Mg2+主要來(lái)自碳酸鹽的溶解,<1時(shí),主要來(lái)源于硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解.研究區(qū)地下取樣點(diǎn)分布在(Ca2++Mg2+)/(SO42–+HCO3–)=1的兩側(cè),說(shuō)明研究區(qū)地下水中的Ca2+、Mg2+同時(shí)來(lái)源于碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解.Na++K+與Cl–的比值可以反映Na+和K+的來(lái)源,當(dāng)(Na++K+)/(Cl–)>1時(shí),表示發(fā)生巖鹽的溶解,<1表示發(fā)生硅酸鹽的溶解,研究區(qū)采樣點(diǎn)大多數(shù)位于(Na++ K+)/(Cl–)=1的上方,說(shuō)明研究區(qū)地下水Na+、K+來(lái)自巖鹽的溶解.SO42–+Cl–與HCO3–反映地下水中化學(xué)成分的主要來(lái)源,當(dāng)(SO42–+Cl–)/(HCO3–)>1時(shí),地下水中化學(xué)成分主要來(lái)自蒸發(fā)巖的溶解,<1主要來(lái)自碳酸鹽的溶解.研究區(qū)地下水采樣點(diǎn)主要位于(SO42+Cl–)/(HCO3–)=1下方,說(shuō)明碳酸鹽溶解占主導(dǎo)作用.(Na+- Cl–)/(Ca2++Mg2+)-(SO42–+HCO3–)反映陽(yáng)離子交換作用.若陽(yáng)離子發(fā)生交換作用,則二者關(guān)系出現(xiàn)負(fù)相關(guān),即在礦物的溶解過(guò)程中隨著Na+含量的增加,Ca2++ Mg2+含量減少,從圖中可以看出淺層地下水發(fā)生陽(yáng)離子交換作用(圖6).
圖8 Ca2+與埋深關(guān)系
豐水期各離子濃度及TDS低于枯水期,與林云等[33]結(jié)果一致,可能是與降水及水巖相互作用有關(guān).地下水的pH值越大,F–離子濃度越高,這與丁丹等[34]得出淮北平原淺層地下水影響因素結(jié)果相同, 且F-隨氫氧同位素的富集而升高,Ca2+隨埋深的加深, 濃度呈上升趨勢(shì)(圖7、圖8).后期將結(jié)合氫氧同位素進(jìn)行內(nèi)蒙古草原流域地下水化學(xué)特征及成因的進(jìn)一步分析,并且陰陽(yáng)離子交替作用除用(Na+-Cl–)/(Ca2++Mg2+)-(SO42–+HCO3–)表示,還將進(jìn)一步結(jié)合氯堿指數(shù)對(duì)陽(yáng)離子交換進(jìn)行定量計(jì)算.
3 結(jié)論
3.1 以巴拉格爾河流域?yàn)榇淼膬?nèi)蒙古草原流域地下水呈現(xiàn)弱堿性環(huán)境,大部分屬于微咸水,豐水期多數(shù)濃度低于枯水期,HCO3–在地下水離子組分中占據(jù)主導(dǎo)地位,空間分布整體呈現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn).
3.2 在自然地質(zhì)條件、人類(lèi)活動(dòng)等因素的共同影響下,巴拉格爾河流域地下水水化學(xué)類(lèi)型以HCO3–-Ca2+·Na+型占主導(dǎo),HCO3–-Ca2+·Mg2+型、HCO3–-Ca2+型、HCO3–-Ca2+·Na+·Mg2+型和HCO3–-Na+型等多種共存,豐水期、枯水期地下水化學(xué)類(lèi)型差異較小.
3.3 巴拉格爾河流域地下水級(jí)別多樣,較好水居多,其次為較差,良好,優(yōu)良和極差水占比最小,總體地下水水質(zhì)偏好.
3.4 巴拉格爾河流域地下水化學(xué)離子主要受巖石風(fēng)化作用控制,Ca2+、Mg2+同時(shí)來(lái)源于碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解,Na+、K+來(lái)自巖鹽的溶解,其中碳酸鹽溶解占主導(dǎo)作用,淺層地下水存在陽(yáng)離子交換作用.
3.5 巴拉格爾河流域地下水水化學(xué)演化的驅(qū)動(dòng)因素主要為碳酸鹽巖風(fēng)化、水巖溶濾作用和人類(lèi)活動(dòng).
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Spatial-temporal characteristics of groundwater quality and its environmental driving factors of Steppe Basin—taken Balaguer river basin of Inner Mongolia for instance.
FANG Li-jing1, GAO Rui-zhong1*, JIA De-bin1, YU Rui-hong2,3, LIU Xin-yu2, LIU Ting-xi1
(1.Institute of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China；2.School of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China；3.Key Laboratory of Ecology and Resources Use of the Mongolian Plateau, Ministry of Education, Hohhot 010021, China)., 2021,41(5)：2161～2169
In order to find out the hydro-chemical characteristics, formation and environmental significance of groundwater in Inner Mongolia steppe basin, Balaguer River basin was selected as the typical study area, in which 92 groundwater samples of 46 wells were sampled in the wet and dry seasons of 2018～2019. The Piper trigram, Gibbs graph, principal component analysis (PCA), Nemerow index were adopted to analyze groundwater water quality and the results showed that the groundwater were weakly alkaline, most of which were brackish water and a few were fresh water. Overall, the ion concentrations were higher in wet seasons than dry seasons, and higher in the west area than the east area. Groundwater hydro-chemical types were complex and diverse, including HCO3–- Ca2+·Na+, HCO3–- Ca2+, HCO3–- Ca2+·Mg2+, HCO3–- Na2+and HCO3–- Ca2+·Na+·Mg2+. There were no significant hydro-chemical distinctions in different river sections during the dry seasons, while the ion concentrations possessed spatial characteristics and the sources were complicated during the wet seasons. The ions in groundwater were mainly controlled by rock weathering, and Ca2+、Mg2+mainly came from the dissolution of carbonate, silicate and evaporation, while Na+、K+came from the dissolution of salt rock. The groundwater quality was better in the whole basin, and the proportion of extremely poor and excellent water was relatively small. The main driving factors of the evolution of groundwater hydro-chemical characteristics were carbonate rock weathering, water karst filtration and human activities. The research results could be taken as a technical reference for protection and restoration of regional grassland ecological environment, exploitation and utilization of water resources and study of watershed eco-hydrology.
hydro-chemical characteristics；principal component analysis；quality assessment；Piper；Gibbs；environment driving force
X143;P641.12
A
1000-6923(2021)05-2161-09
房麗晶(1996-),女,內(nèi)蒙古呼倫貝爾市人,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生.主要從事干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文及水化學(xué)特征研究.發(fā)表論文4篇.
2020-09-22
內(nèi)蒙古重大研發(fā)項(xiàng)目(2019ZD001);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51969022);教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(KF2020006);內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2018MS05006);內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2019GG141)
* 責(zé)任作者, 教授, ruizhonggao@imau.edu.cn
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