大沽河流域上游水化學(xué)特征及其控制因素研究

陳京鵬，蔣書杰，楊詢昌，王華飛，劉偉，王學(xué)鵬，譚志容

1)山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院)，山東德州，253000；2)中科華魯土壤修復(fù)工程有限公司，山東德州，253000

內(nèi)容提要：大沽河流域是青島市、煙臺(tái)市重要的供水源區(qū)，為研究大沽河流域水化學(xué)特征及成因機(jī)制，選取大沽河流域上游補(bǔ)給區(qū)開展研究，采集35個(gè)地下水樣品和5個(gè)地表水樣品。綜合運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)分析、Piper三線圖、Gibbs圖以及離子比值等方法，結(jié)合水文地質(zhì)條件，分析研究區(qū)水化學(xué)特征，探索其水化學(xué)組成的成因機(jī)制。結(jié)果表明，大沽河流域地下水為弱堿性水，占優(yōu)勢(shì)的陰、陽(yáng)離子分別為和Ca2+、Mg2+。水化學(xué)類型共分多種，其中以為主。大沽河流域水化學(xué)特征受水—巖作用、陽(yáng)離子交換作用的影響，巖石風(fēng)化溶解是水化學(xué)特征的主要控制因素，且陽(yáng)離子交換作用活躍。Na+、K+、Cl-、偏硅酸主要來(lái)源于硅酸鹽巖的溶解，Ca2+、Mg2+和S主要來(lái)源于碳酸鹽巖的溶解，顯著高于來(lái)自蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化溶解的貢獻(xiàn)。人類活動(dòng)對(duì)地下水化學(xué)特征有較大影響，農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖業(yè)等人類活動(dòng)導(dǎo)致水中N濃度普遍偏高，同時(shí)人類活動(dòng)加劇了硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解，使得偏硅酸濃度升高，超過(guò)74%的水樣偏硅酸質(zhì)量濃度達(dá)到了25 mg/L。

水資源是飲用水、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水的重要來(lái)源，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，對(duì)于缺水地區(qū)尤其重要，但是受氣候變化(Zhai Yuanzheng et al., 2015)、海咸水入侵(呂曉立等，2020)、人類活動(dòng)(侯國(guó)華等，2019)等自然及人為因素的影響，水生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大的變化，因此對(duì)水化學(xué)特征及其控制因素進(jìn)行研究，不僅能反映各種因素對(duì)地下水的影響，而且對(duì)水資源開發(fā)和利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和人與自然和諧共處具有重要意義(侯國(guó)華等，2019)。

膠東半島屬于中國(guó)典型的缺水地區(qū)且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，大沽河流域位于膠東半島西部，是當(dāng)?shù)刂匾娘嬘眉稗r(nóng)業(yè)灌溉水源，做好大沽河流域水源保護(hù)極為重要。目前，關(guān)于大沽河流域的研究主要集中在地下水污染(孟盼盼，2020)、生態(tài)環(huán)境(孫鴻運(yùn)等，2020)及海咸水入侵(熊貴耀等，2019；孫鴻運(yùn)等，2020)、水化學(xué)特征(尹子悅等，2018；熊貴耀等，2019；孫鴻運(yùn)等，2020)等。如孟盼盼(2020)從地下水污染角度對(duì)大沽河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)，孫鴻運(yùn)等(2020)對(duì)大沽河表層沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，熊貴耀等(2019)從大沽河地下水化學(xué)及同位素特征角度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)下游地下水水化學(xué)受到海咸水入侵的影響，馬莉等(2021)對(duì)大沽河流域稀土元素的地球化學(xué)特征進(jìn)行了研究。前人對(duì)該流域內(nèi)地下水污染、生態(tài)環(huán)境及下游水化學(xué)特征進(jìn)行了研究，但對(duì)流域內(nèi)上游水化學(xué)特征及成因方面的系統(tǒng)研究尚需深入開展。

基于以上因素，筆者通過(guò)描述性統(tǒng)計(jì)、圖解法和離子比值等方法，結(jié)合水文地球化學(xué)理論對(duì)大沽河流域進(jìn)行系統(tǒng)性分析，探究其水化學(xué)特征及形成機(jī)制。以期對(duì)大沽河流域水資源合理開發(fā)利用與保護(hù)、膠東地區(qū)水生態(tài)環(huán)境改善提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

大沽河流域位于膠東半島西部，是青島市最大的河流，也是膠東地區(qū)水資源量最豐富的的河流之一(熊貴耀等，2019)。本次研究區(qū)為大沽河流域上游，包括煙臺(tái)招遠(yuǎn)、青島萊西和平度的部分區(qū)域，地理坐標(biāo)東經(jīng)120°15′E～120°30′E，北緯36°50′N～37°10′N。研究區(qū)屬于魯東低山丘陵區(qū)，地勢(shì)北高南低、西高東低，地面標(biāo)高40～300 m，總的趨勢(shì)北高南低。研究區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，年平均氣溫12.2℃，多年平均降雨量661.5 mm，降雨季節(jié)性較強(qiáng)主要集中在雨季(6～9月)。地表水系較發(fā)育，除大沽河流域的大沽河和小沽河自北向南合流外，其余河流均為時(shí)令性河流。構(gòu)造單元上研究區(qū)屬于膠北凸起和膠萊盆地西部，北部為凸起區(qū)，南部凹陷區(qū)。地層屬華北地層，由老到新發(fā)育有中太古代、古元古代、中生代白堊紀(jì)、新生代第四紀(jì)。研究區(qū)大部分地區(qū)屬于基巖山區(qū)，出露地層主要北部以老地層花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖類為主，南部地勢(shì)平緩，出露地層多以白堊紀(jì)砂巖、噴出巖為主，第四系只在河流兩側(cè)平原發(fā)育，以粉質(zhì)黏土為主。研究區(qū)屬膠東半島，太古宙后期地殼褶皺隆起，中生代受燕山運(yùn)動(dòng)的影響，研究區(qū)形成了北部花崗巖風(fēng)化裂隙水、西部碳酸鹽巖巖溶裂隙水為主，南部以碎屑巖裂隙水，河流兩側(cè)松散巖孔隙水的地下水類型。

根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-2017)，研究區(qū)地下水以Ⅴ類水為主，占比達(dá)70%。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測(cè)試

2020年5月在研究區(qū)進(jìn)行了水樣采集，共計(jì)40個(gè)水樣點(diǎn)，其中35組地下水樣品，5組地表水樣品(圖1)，地下水采樣點(diǎn)以民井、機(jī)井為主，井深范圍為7～120 m，采樣點(diǎn)分布較均勻，不同的地貌單元、水文地質(zhì)條件均有分布，保證了采樣點(diǎn)具有代表性。地表水采樣點(diǎn)為研究區(qū)內(nèi)主要水庫(kù)和河流在內(nèi)的主要水體，包括產(chǎn)芝水庫(kù)、北墅水庫(kù)、馬連莊水庫(kù)、大沽河和小沽河等。水體溫度、pH、電導(dǎo)率、溶解氧、溶解性固體總量和氧化還原電位等參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式水質(zhì)分析儀進(jìn)行測(cè)定。采樣技術(shù)人員經(jīng)過(guò)培訓(xùn)，樣品采集、保存和送檢均按原地礦部《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(GB12998—1991)和《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ 493—2009)等規(guī)定執(zhí)行(魏善明等，2021)。水樣化驗(yàn)工作由我單位實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，按照《地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法》(DZ/T0064—1993)等測(cè)試完成。

圖1 山東膠東半島西部大沽河流域水樣采樣點(diǎn)位置示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

將獲得的水質(zhì)數(shù)據(jù)運(yùn)用Origin2021軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析(彭紅霞等，2021)，統(tǒng)計(jì)主要離子成分、水化學(xué)參數(shù)分布規(guī)律及特征。運(yùn)用Aquachem3.70軟件繪制了主要離子Piper三線圖，并對(duì)研究區(qū)主要化學(xué)離子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、離子比值分析，繪制了水化學(xué)參數(shù)Gibbs圖，用以分析研究水化學(xué)特征及其成因機(jī)制。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)組分特征及水化學(xué)類型

3.1.1水化學(xué)組分特征

表1 大沽河流域主要水化學(xué)指標(biāo)質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)

圖2 山東膠東半島大沽河流域水體化學(xué)組成箱線圖

圖3 山東膠東半島大沽河流域沿程TDS、偏硅酸、N質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)

3.1.2水化學(xué)類型

圖4 山東膠東半島大沽河流域水化學(xué)Piper三線圖(圖中各離子的單位是毫克當(dāng)量/升)

3.1.3各離子間相互關(guān)系

那時(shí)候，大家住的是臨時(shí)搭起的簡(jiǎn)易板房，從遠(yuǎn)處望去好像是一個(gè)個(gè)防震棚。每天早晨天剛亮，大家就從這里出發(fā)，趕到工地上班；傍晚太陽(yáng)落山了，才又回來(lái)。北方風(fēng)沙大，那簡(jiǎn)陋的板房怎能擋得住遮天蔽日的風(fēng)沙，早晨一覺醒來(lái)，常常臉上、嘴里都是土，被子上更是厚厚的一層。大家喝的水里、飯菜里，都少不了沙土。

表2 山東膠東半島大沽河流域地下水化學(xué)主要離子(質(zhì)量濃度: mg/L)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

3.2 主要離子來(lái)源及成因機(jī)制

3.2.1水巖作用機(jī)制

水在徑流過(guò)程中往往伴隨著

將研究區(qū)水化學(xué)數(shù)據(jù)繪制于Gibbs圖中(圖5)，水樣點(diǎn)均落在巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮控制區(qū)內(nèi)，水樣點(diǎn)主要落在巖石風(fēng)化區(qū)域內(nèi)，表明巖石風(fēng)化作用占主導(dǎo)地位，蒸發(fā)濃縮作用一定程度上影響了這一進(jìn)程。

圖5 山東膠東半島大沽河流域水化學(xué)Gibbs圖

圖6 山東膠東半島大沽河流域巖石風(fēng)化溶解相對(duì)貢獻(xiàn)

3.2.2陽(yáng)離子交替吸附

圖7 山東膠東半島大沽河流域水化學(xué)陽(yáng)離子交替吸附作用以及氯堿指數(shù)

(1)

CAI-II=

(2)

3.2.3人類活動(dòng)影響

圖8 山東膠東半島大沽河流域水中N/Na+與Cl-/Na+的關(guān)系

3.3 主要風(fēng)化過(guò)程及演化機(jī)制

圖9 山東膠東半島大沽河流域水中Na+與Cl-及Na+與HC的關(guān)系

圖10 山東膠東半島大沽河流域水中(Ca2++Mg2+)/HC與以及(Mg2++Ca2+)與的關(guān)系

4 結(jié)論

致謝：感謝審稿專家的寶貴意見！感謝項(xiàng)目組成員王世浩、杜志強(qiáng)、趙健在野外調(diào)查和采樣方面所作的工作。