東寨港流域地表水水化學(xué)組成特征及其成因

胡 甜，謝先軍*，嚴(yán) 璐，彭 康，甘義群，鄧婭敏，張彥鵬，姜 穎

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430078;2.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心湖北 武漢 430205;3.中國科學(xué)院武漢植物園,湖北 武漢 430074)

地表水水化學(xué)組成是河流在其發(fā)展過程中與環(huán)境相互作用的結(jié)果。流域內(nèi)水體和土壤的理化性質(zhì)變化，反映出該流域內(nèi)的生物地球化學(xué)過程和生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(如C、N、P、S等營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán))，對了解地表水系統(tǒng)的水文環(huán)境條件、開展地表水水質(zhì)評價(jià)和流域水資源管理具有重要的意義[1-2]。地表水體的水化學(xué)組成特征及其組成在一般情況下能夠體現(xiàn)多種作用對流域造成的實(shí)際影響，其中比較具有代表性的作用包括巖石風(fēng)化、大氣降水、地殼運(yùn)動以及人類活動等[3]。另外，地表水體的水化學(xué)組成特征分析是流域水資源質(zhì)量評價(jià)非常關(guān)鍵的部分，它對流域水資源的科學(xué)開發(fā)和自然保護(hù)具有不可忽視的價(jià)值意義[4]。地表水體中氫氧穩(wěn)定同位素可用于水文循環(huán)研究，有助于表征地表水徑流以及進(jìn)一步分析地表水水化學(xué)組分變化的原因，結(jié)合地表水水化學(xué)組成特征可用于分析地表水水質(zhì)的實(shí)際變化以及解釋地表水與地下水之間的相互作用關(guān)系及其轉(zhuǎn)化機(jī)制[5-6]。盡管地表水體的水化學(xué)組成特征主要受自然地理環(huán)境的影響[7]，但越來越多的研究表明，地表水體的水化學(xué)組成已經(jīng)成為影響人類生存和社會發(fā)展的重要問題而受到普遍關(guān)注[8]。

東寨港地處海南省東北部，其獨(dú)特的地理?xiàng)l件和氣候特點(diǎn)給港灣內(nèi)帶來了大量的沉積物[9]，成為紅樹植物生長的天堂。港內(nèi)紅樹林區(qū)域面積廣闊、種類繁多，為了保護(hù)此區(qū)域而設(shè)立的東寨港國家級自然保護(hù)區(qū)，是我國最重要的紅樹林區(qū)域之一。近年來由于城市化建設(shè)與自然資源的不合理開發(fā)，在自然因素和人類活動的雙重影響下紅樹林濕地面臨生境破壞、面積衰減、生態(tài)服務(wù)功能退化的困境。調(diào)查研究表明，水文地質(zhì)環(huán)境及水化學(xué)組分的變化被認(rèn)為是各種濕地類型形成與維持的最重要的因素[10]。地表水水化學(xué)組成特征對潮間帶紅樹林濕地的影響尤為突出，對紅樹林研究區(qū)及其周邊地區(qū)的濕地水文條件及其水化學(xué)特征組分的變化進(jìn)行全面研究是開展紅樹林自然資源有效管理的基礎(chǔ)[11]。

東寨港紅樹林濕地是中國最大的紅樹林保護(hù)區(qū)，也是我國重要的生態(tài)環(huán)境資源。不少研究者對東寨港紅樹林濕地沉積物中重金屬的分布特征[12-13]、水體微生物豐度[14]、植物多樣性[15]和生態(tài)恢復(fù)[16]等方面開展了相關(guān)研究，但是關(guān)于東寨港流域內(nèi)地表水水化學(xué)類型的分析以及離子來源示蹤研究方面鮮有報(bào)道。因此，通過對東寨港流域地表水水化學(xué)組成特征分析可為東寨港紅樹林濕地水環(huán)境本底構(gòu)建提供有力補(bǔ)充[17]，對東寨港紅樹林濕地保護(hù)具有重要的意義。為此，本文以東寨港河口上游三江河和河口下游演豐西河兩條河流的地表水作為研究對象，通過分析地表水的水化學(xué)組成和氫氧穩(wěn)定同位素特征，研究紅樹林濕地系統(tǒng)周圍水文環(huán)境以及水化學(xué)成分變化，探討海水潮汐混合作用對地表河流水化學(xué)組成特征的影響，為合理利用濱海地區(qū)水資源、維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康、保護(hù)紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與樣品采集

1.1 研究區(qū)概況

東寨港流域地處海南省東北部，距離?？谑?2 km。東寨港形狀酷似漏斗，是鍥入陸地的半封閉的港灣式瀉湖，其通過“漏斗口”連接著瓊州海峽，海流平緩。本研究采用2019年Landsat8 OLI遙感影像，基于建立好的歸一化植被指數(shù)(NDVI)和浸沒紅樹林指數(shù)(IMFI)，利用決策樹分類方法解譯了東寨港地區(qū)的土地利用類型，見圖1。東寨港流域內(nèi)的演豐西河靠近瓊州海峽，該流域有大面積的紅樹林植物，紅樹林生長狀況良好、種類較多，人類活動對該流域的影響較小。東寨港流域內(nèi)的三江河上游以耕地為主，且建筑用地主要在河流右側(cè)，說明居民集中生活在三江河一帶，三江河中、下游左側(cè)分布大面積的紅樹林，而其右側(cè)的土地主要用于養(yǎng)殖與耕地，該流域水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布圖

研究區(qū)海成地貌主要為濱海堆積平原，屬于海成一級階地，由全新統(tǒng)濱海相堆積層的細(xì)砂、粉細(xì)砂組成。東寨港流域一帶地貌以火山巖臺地為主，地層主要由新生代玄武巖和三疊系花崗巖組成，局部分布有白堊系砂礫巖，地表多被玄武巖風(fēng)化殘積的粉質(zhì)黏土所覆蓋，下伏玄武巖，裂隙孔洞不發(fā)育。研究區(qū)地處北回歸線以南區(qū)域，屬于熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為22.3～23.8℃，海水表層年平均溫度為24.5℃；年平均降雨量為1 816 mm，超過2/3的雨量集中在夏、秋季節(jié)，是干濕季節(jié)分明的地區(qū)，年平均蒸發(fā)量約為1 831 mm。

1.2 樣品采集與測定

2019年7月，在東寨港流域沿演豐西河和三江河采集地表水樣共計(jì)27組。采樣過程中，利用地表水取樣器采集水流平緩、河水清澈的水樣。首先用原水潤洗 3 遍采樣瓶，再將通過0.45 μm濾膜過濾的水樣置于100 mL聚乙烯樣品瓶中，測試工作同期完成。

現(xiàn)場采用手持 GPS 確定采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，并使用HACH HQ40D便攜式多參數(shù)分析儀對水樣的溫度(T)、酸堿度(pH值)、電導(dǎo)率(Ec)、溶解性固體總量(TDS)等理化參數(shù)進(jìn)行測定，同時(shí)利用多通道便攜式水質(zhì)分析儀(SL1000)對水樣的堿度進(jìn)行滴定，精度為0.05 mg/L。各水樣采樣點(diǎn)采集的樣品類型包括陰、陽離子樣品和氫氧穩(wěn)定同位素樣品。其中，陰、陽離子樣品均使用市售純凈水水瓶盛裝，并將陽離子樣品用濃硝酸酸化至pH≤2，保存水樣在低溫環(huán)境中帶回實(shí)驗(yàn)室后，放置于冰箱進(jìn)行低溫保存；氫氧穩(wěn)定同位素樣品采用8 mL玻璃瓶采集，不留頂空。水樣中陽離子采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)進(jìn)行測定，測試精度為0.01 mg/L；水樣中陰離子采用離子色譜(IC)儀進(jìn)行測定，測試精度為0.1 mg/L；水樣中氫氧穩(wěn)定同位素組成采用Picarro L 2130-i 超高精度液態(tài)水同位素分析儀進(jìn)行測定，并用相對于國際標(biāo)樣VSMOW的千分之相對偏差來表示，其測試精度為δ18O≤0.025‰，δD≤0.1‰。以上地表水水化學(xué)組分及氫氧穩(wěn)定同位素的測試分析均在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)盆地水文過程與濕地生態(tài)恢復(fù)學(xué)術(shù)創(chuàng)新基地完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 地表水水化學(xué)組成特征

東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水中主要水化學(xué)組分的分析結(jié)果，見表1和圖2。

表1 東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水中主要水化學(xué)組分和氫氧同位素的分析結(jié)果

圖2 東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水中主要離子含量的關(guān)系圖

由表1和圖2可以看出：

Piper三線圖可以揭示地表水的水化學(xué)類型，分析地表水的水化學(xué)特征[18]。東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水中主要離子的Piper三線圖，見圖3。

圖3 東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水中主要離子的Piper 三線圖

由圖3可見，演豐西河地表水的水化學(xué)類型以Na-Cl型為主，三江河地表水的水化學(xué)類型從Na·Ca-Cl·HCO3型轉(zhuǎn)變?yōu)镹a-Cl型。地表水水化學(xué)類型的變化主要是陰、陽離子組分共同作用的結(jié)果[19]，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是同時(shí)受到較強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用和巖鹽溶解作用的影響[20]。世界平均海水中Cl與Na含量比值的平均值，即Cl/Na平均值為1.15[21]，根據(jù)表1可知，演豐西河地表水樣品中Cl/Na平均值為2.23，三江河地表水樣品中Cl/Na平均值為1.35。降水中Na與Cl的含量比值應(yīng)與海水中該比值相近[22]，說明兩條河流的主要補(bǔ)給來源均為大氣中降水，但兩條河流地表水中Cl與Na含量比值的差異顯著。

根據(jù)研究區(qū)地表水水化學(xué)組分的測試結(jié)果，將地表水中水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，可以大致了解地表水中水化學(xué)成分的富集及其變化規(guī)律[6]。東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水中TDS值的沿程變化，見圖4。

圖4 東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水中TDS值的沿程變化

由圖4可知：三江河地表水中TDS值較低，從上游到下游河水中TDS值逐漸增大，且變化范圍在103～468 mg/L，平均值為269 mg/L；演豐西河地表水中TDS值變化較大，從上游到下游河水中TDS值的變化范圍為1 280～14 740 mg/L，平均值為4 832 mg/L，TDS值為我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中水質(zhì)常規(guī)TDS限值(1 000 mg/L)的約1.3～15倍[23]。東寨港流域河口上游三江河流域與河口下游演豐西河流域地理位置相近，但三江河河水礦化程度較低，而演豐西河河水沿程咸化程度逐漸加深，分析認(rèn)為這是由于演豐西河下游與海水潮汐混合，海水入侵加重了演豐西河流域的土壤鹽漬化，并通過水-巖交互作用，使演豐西河河水礦化程度增強(qiáng)。

2.2 地表水水化學(xué)組成特征的演化規(guī)律

由Gibbs提出的地球表層地表水水化學(xué)成因判別圖，可以用來分析地表水水化學(xué)組成特征的形成及其演化規(guī)律。東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水的水化學(xué)Gibbs圖，見圖5。

圖5 東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水的水化學(xué)Gibbs圖

圖6 東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水中Ca2+/Na+與Mg2+/Na+ 和HC/Na+的關(guān)系圖

由圖6可見:演豐西河河水水樣點(diǎn)和三江河河水水樣點(diǎn)基本集中于硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖區(qū)域之間，說明流域內(nèi)地表水水化學(xué)組分受硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化作用的共同控制；三江河河水水樣點(diǎn)主要分布于蒸發(fā)鹽巖與硅酸鹽巖區(qū)域之間，且多處在硅酸鹽巖區(qū)域附近，說明其主要受硅酸鹽巖風(fēng)化作用的控制。結(jié)合演豐西河和三江河流域的地質(zhì)情況，演豐西河和三江河流經(jīng)的區(qū)域地貌以火山巖臺地為主，地表多被玄武巖風(fēng)化殘積的粉質(zhì)黏土所覆蓋，整體以硅酸鹽巖為主。由此可見，三江河河水水化學(xué)組成特征受硅酸鹽巖風(fēng)化作用的影響較大，而蒸發(fā)鹽巖的風(fēng)化作用對演豐西河河水水化學(xué)組成特征的影響效果更明顯。

2.3 蒸發(fā)溶濾作用對地表水水化學(xué)組成特征的影響

東寨港流域內(nèi)地表水中氫氧穩(wěn)定同位素(δD和δ18O)組成與大氣降水線的關(guān)系圖,見圖7。

圖7 東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水體中氫氧同位素組成與大氣降水線的關(guān)系圖

由圖7可見:所采集的三江河和演豐西河地表水水樣中氫氧穩(wěn)定同位素值(δ18O、δD)之間均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，且其分布在大氣降水線附近，說明該地區(qū)地表水的主要補(bǔ)給來源是大氣降水[28]；演豐西河地表水中δD值和δ18O值分別為-37‰～-20‰、-5.4‰～-3.1‰，平均值為-33‰、-5‰；三江河河水中δD值和δ18O分別為-53.81‰～-44.29‰、-7.67‰～-6.36‰，平均值為-48.67‰、-6.99‰。

河口處海水和河水發(fā)生了混合，原則上距離海洋越近混合越充分，達(dá)到一定距離以后就會接近標(biāo)準(zhǔn)海水值[29]。入海河流受河口海水以及污染物排入的影響，河水中鹽度和穩(wěn)定氫氧穩(wěn)定同位素會發(fā)生變化。通過比較研究區(qū)不同河水取樣點(diǎn)的位置分布，分析了演豐西河和三江河地表水體中氫氧穩(wěn)定同位素隨水流沿程的變化規(guī)律(見圖7)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：三江河地表水水樣點(diǎn)氫氧穩(wěn)定同位素集中分布在圖7的左下方；而演豐西河地表水中δD和δ18O值沿程變化較大，下游樣本值向海水樣本所在位置靠近，分析原因是由于演豐西河下游與河口處海水發(fā)生了混合作用，相比于三江河注入河口上游，演豐西河下游混合水體中海水的比例較高，河水水化學(xué)組分受海水混合作用的影響更大。三江河與演豐西河補(bǔ)給來源相同，地區(qū)氣候差別對兩條河流水體中氫氧穩(wěn)定同位素的影響不大，說明海水混合作用是東寨港流域內(nèi)地表水中氫氧穩(wěn)定同位素變化的主要原因。

氘盈余(deuterium excess value，用d=δD-8δ18O來計(jì)算)是反映地表水體受到蒸發(fā)作用影響的重要參考指數(shù)。一般來說，如果水體發(fā)生了蒸發(fā)作用，水體中氘盈余d值大體會呈下降趨勢[30]。水體中d值接近于10，表示水體為平衡蒸發(fā)過程；水體中d值偏離10，則表示水體為不平衡蒸發(fā)過程，說明有二次蒸發(fā)[31]。通過計(jì)算演豐西河和三江河河流水體中氘盈余d值(見表1)，結(jié)果顯示演豐西河河流水體中d值偏離較大，表明演豐西河水體受到更強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用影響。

由于研究區(qū)兩條河流水體中TDS值與氫氧同位素組成有相似的分布規(guī)律，因此可以用地表水體中TDS值來具體表征河流的蒸發(fā)作用[32]。隨著水流沿程的變化，演豐西河河水中TDS值增大趨勢明顯，這是因?yàn)樗趶搅鬟\(yùn)動的過程中，會將動力分餾轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)分餾[33]，使蒸發(fā)作用變得更加活躍，水體中TDS值會升高，氘盈余會變小，水體中的鹽分會變高[34]。

2.4 人類活動對地表水環(huán)境的影響

圖8 東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河地表水中N/Na+與Cl-/Na+比值的關(guān)系圖

3 結(jié) 論

(2) 通過對水-巖相互作用進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)演豐西河地表水的水化學(xué)組成特征受硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化作用的共同控制，三江河地表水中主要離子來源受到硅酸鹽巖風(fēng)化作用的控制。利用Gibbs圖做進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)演豐西河和三江河地表水的水化學(xué)組成特征都主要受蒸發(fā)-結(jié)晶作用的控制。分析認(rèn)為：演豐西河流域受到強(qiáng)烈的海水潮汐混合作用，且由于紅樹植物的生理功能等影響，使其蒸發(fā)作用更強(qiáng)烈；而巖石風(fēng)化作用對三江河地表水水化學(xué)類型的影響較大。

(3) 通過對演豐西河和三江河地表水體中氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩條河流的主要補(bǔ)給來源均為大氣降水，且在補(bǔ)給的同時(shí)有一定的蒸發(fā)-濃縮作用；三江河地表水中氫氧穩(wěn)定同位素值與演豐西河的差別較大，分析認(rèn)為這是由于演豐西河下游與河口處海水發(fā)生了混合作用，相比于三江河注入河口上游，演豐西河下游混合水體中海水比例較高，故演豐西河下游水體中氫氧穩(wěn)定同位素值接近海水值。對氘盈余d值分析顯示，演豐西河的蒸發(fā)作用更強(qiáng)烈。

(4) 三江河流域養(yǎng)殖業(yè)繁榮、耕地較多，所產(chǎn)生的漁業(yè)養(yǎng)殖廢水以及附近居民生活污水的排放，使得三江河流域水化學(xué)組成特征的控制因素由自然條件下的巖石風(fēng)化和蒸發(fā)-結(jié)晶作用，向著自然-人工雙重作用的方向轉(zhuǎn)變。