大連地區(qū)地表水化學組成及形成控制因素研究

孫大明

(遼寧省大連水文局,遼寧 大連 116023)

地表水在自然界水循環(huán)過程中所形成的水化學特征,反映了地表水的天然水質(zhì)特征。因此,水化學特征分析是地表水資源評價、河流水質(zhì)全面評價以及水污染綜合防治措施的擬定等工作中的重要方法[1-2]。流域地表水體的水化學組成受流域巖石風化、大氣沉降和人類活動等的影響,通過分析地表水化學特征,可以有效判別水化學組成以及闡釋流域內(nèi)水化學演化的控制因素[3]。目前,國內(nèi)學者在水化學組成及形成機制等方面已經(jīng)開展了大量的研究。胡甜等[4]對東寨港流域內(nèi)演豐西河和三江河兩條河流水體的水化學組成進行了研究分析,表明蒸發(fā)結(jié)晶和巖石風化作用的控制是該地區(qū)地表水化學組成的主要來源。何姜毅等[5]和張旺等[6]認為黃河流域的水化學組成受蒸發(fā)巖溶解和礦物鹽風化影響較大。延子軒等[7]對長江流域礦區(qū)地表水化學成因進行了分析,表明巖石風化作用是控制其水化學組成的重要因素。

地表水化學組成分析是水資源質(zhì)量評價中非常重要的一部分,對水資源的開發(fā)與保護具有不可忽視的意義和價值。本文通過對大連地區(qū)地表水化學組成及控制因素進行分析,探討控制大連地區(qū)地表水化學組成的主要因素,以期為該地區(qū)地表水資源的合理開發(fā)和利用提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

大連地區(qū)地表水化學監(jiān)測數(shù)據(jù)主要是由遼寧省水環(huán)境監(jiān)測中心大連分中心提供,該中心依據(jù)《水利部水文司關(guān)于做好地表水國家重點水質(zhì)站水質(zhì)監(jiān)測工作的通知》(水文質(zhì)函〔2019〕37號)及遼寧省水利廳對水環(huán)境監(jiān)測工作的總體要求,按照2021年遼寧省水環(huán)境監(jiān)測中心水質(zhì)監(jiān)測方案,對大連地區(qū)國家重點水質(zhì)站地表水化學類型分別于2021年4月、7月、11月進行了3次監(jiān)測,參數(shù)為鉀、鈉、鈣、鎂、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、總堿度(碳酸鹽和重碳酸鹽)、溶解性總固體、礦化度和總硬度共12項。

2 地表水化學類型分析

采用阿列金分類法,按水體中陰陽離子的優(yōu)勢成分和陰陽離子間的比例關(guān)系確定水化學類型。大連市16處國家重點水質(zhì)站地表水中存在的水化學類型共有3種,分別為CⅢCa、ClⅢCa和SⅢCa,其中主要以CⅢCa型水為主,占全市總評價斷面的87.5%。

以陰離子分類來看:大連市地表水化學類型主要以重碳酸鹽類為主,占總評價斷面的81.25%;其次是氯化物類,主要分布在普蘭店城子坦鎮(zhèn)入?？诘貐^(qū)和英那河入?？诘貐^(qū),占總評價斷面的12.50%;硫酸鹽類占大連市總評價斷面的6.25%,主要分布在普蘭店安波鎮(zhèn),安波鎮(zhèn)主要以溫泉旅游為支柱產(chǎn)業(yè),可能是洗浴后的含硫溫泉廢水,未經(jīng)處理或僅經(jīng)過簡單處理直接排入自然水體中導致。

以陽離子分組來看:大連市16處國家重點水質(zhì)站地表水化學類型均為鈣組。全市水型以Ⅲ型水為主,沒有發(fā)現(xiàn)Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅳ型水。大連市16處國家重點水質(zhì)站地表水化學類型統(tǒng)計見表1。

表1 大連市16處國家重點水質(zhì)站地表水化學類型統(tǒng)計

3 地表水化學形成控制因素分析

3.1 Pearson相關(guān)性分析

地表水化學組成因受到不同水化學過程的影響,使得各組間關(guān)系存在一定的差異性,通過Pearson相關(guān)性分析可判斷各組分來源的一致性、差異性及其同源性[5],大連地區(qū)地表水化學組成Person相關(guān)性分析見表2。

表2 大連地區(qū)地表水化學組成Person相關(guān)性分析

3.2 吉布斯(Gibbs)圖成因分析

圖1 大連地區(qū)地表水吉布斯(Gibbs)圖

由圖1(a)可知,樣品點都分布在中部的巖石風化區(qū)域,說明大連地區(qū)陽離子水化學組成受巖石風化作用影響,由于長時間的風化作用使得Ca2+通過溶濾作用進入地表水中,導致地表水的ρNa+/(Na++Ca2+)比值較低,而溶解性總固體(TDS)值中等,水樣點落在吉布斯圖的中間區(qū)域,間接印證了水化學類型分析時得出的優(yōu)勢陰離子為重碳酸鹽類的結(jié)論。

3.3 離子比值分析

離子比值法可以更深層次地判斷地表水化學組分的控制與成因,大連地區(qū)地表水化學組成離子比值見圖2。

圖2 大連地區(qū)地表水化學組成離子比值

由圖2(a)可知,部分樣品點位于石鹽溶解線(1∶1等值線)下方,表明地表水受到含鹽地層溶濾作用影響;還有部分樣品點位于石鹽溶解線上方,表明地表水中的Na+、K+和Cl-除了來源于鹽巖的溶解作用,過量的Na+和K+還可能來自鈉長石和鉀長石等硅酸鹽巖的風化溶解作用。

由圖2(d)可知,大連地區(qū)國家重點水質(zhì)站地表水樣品間相關(guān)關(guān)系為y=-0.1687x+0.3081,R2=0.1941,說明陽離子交換作用在地表水化學作用過程中不起主導地位。

3.4 風化端元圖

圖3 研究區(qū)地表水Mg2+/Na+與與Ca2+/Na+的比值關(guān)系

通過水體中ρ(Ca2+)/ρ(Mg2+)的比值可以判別離子是否來源于白云石[CaMg(CO3)2]、方解石(CaCO3)和硅酸鹽,若比值等于1,則離子主要來源于白云石類碳酸鹽的風化溶解;若比值在1～2之間,則來源于方解石類碳酸鹽的風化溶解;若比值大于2,則離子來源于硅酸鹽的風化溶解。由圖4可知,研究區(qū)ρ(Ca2+)/ρ(Mg2+)的比值落在1～2和大于2區(qū)域,說明大連地區(qū)地表水中離子來源于方解石類碳酸鹽和硅酸鹽溶解的同時作用。這也在一定程度上印證了Gaillardet風化端模型中地表水受到硅酸鹽巖與碳酸鹽巖共同風化溶解影響的結(jié)論。

圖4 研究區(qū)地表水ρ(Ca2+)/ρ(Mg2+)的比值關(guān)系

由于碳酸鹽風化會帶來較多的堿土元素(鈣、鎂),而硅酸鹽風化會帶來較多的堿金屬元素(鈉、鉀),因此通過分析地表水中ρ(Na++K+)與ρ(Ca2++Mg2+)的比值,可以推斷巖石風化類型。由圖5可知,大連地區(qū)國家重點水質(zhì)站水化學組成中ρ(Ca2++Mg2+)與ρ(Na++K+)的比值遠大于1,說明硅酸鹽風化在該區(qū)域中也相對較弱。而含量較高的Ca2+和Mg2+則是由相對更為強烈的碳酸鹽風化作用帶來的。

圖5 大連地區(qū)地表水ρ(Na++K+)與ρ(Ca2++Mg2+)的比值關(guān)系

4 結(jié) 語

本文深入分析了大連地區(qū)地表水化學組成及控制因素,結(jié)果表明:大連市地表水化學類型共有3種,以CⅢCa型水為主;通過Pearson相關(guān)系數(shù)分析了各化學組分的來源;Gibbs圖表明大連地區(qū)陽離子水化學組成主要受巖石風化溶濾作用影響。

地表水化學組成分析是流域水資源質(zhì)量評價非常關(guān)鍵的部分,它不但可以反映流域地表風化作用、水環(huán)境質(zhì)量特征,還可以為區(qū)域水質(zhì)變遷研究提供重要資料,因此,明晰地表水化學組成及控制影響因素,在為流域水資源管理提供支撐的同時,也為當?shù)厮Y源管理與保護提供科學的建議。