三門峽庫區濕地水化學特征及影響因素分析

易雅寧 孫曉懿 王富強

摘 要：研究濕地水化學特征對濕地生態保護和高質量發展具有重要意義，以三門峽庫區濕地為典型研究區域，采用2018—2019年三門峽水庫蓄泄期間4次采樣數據，結合三角圖、Gibbs圖等水化學方法分析了三門峽庫區濕地水化學特征及其影響因素，結果表明：三門峽庫區濕地水體呈弱堿性，蓄泄期間pH值從潼關到三門峽大壩變化較小，在天鵝湖濕地處出現最大差值，表現為天鵝湖濕地對水體的凈化作用;不同時期TDS沿程呈減小趨勢，泄水期天鵝湖濕地稀釋作用明顯;蓄水期溶解氧、電導率、氧化還原電位均高于泄水期的;離子濃度隨大壩蓄泄期水位變化而變化，蓄水期離子濃度高于泄水期的，主要陽離子為Na+，陰離子為HCO-3，水化學類型為HCO3-SO4-Na-Ca型;三門峽庫區濕地水化學特征受硅酸鹽巖風化作用和蒸發鹽巖溶解影響，此外蓄水期城市生活廢污水排放對庫區濕地水化學有較顯著影響。

關鍵詞：河流濕地;水化學特征;控制因素;三門峽水庫

Abstract：It is of great significance to study the characteristics of wetland water chemistry for the ecological protection and high quality development of wetland. Taking the Wetland of Sanmenxia Reservoir as a typical research area， using the sampling data of 4 times during the impoundment period and drainage period of Sanmenxia Reservoir from 2018 to 2019， the hydrochemical characteristics of the wetland of Sanmenxia Reservoir were analyzed by using hydrochemical methods such as triangle plots and Gibbs plots. The results show that the water in the wetland of Sanmenxia Reservoir is weakly alkaline， and the pH value changes little from Tongguan to Sanmenxia dam during the storage and drainage period， during the discharge period， which is influenced by Swan Lake wetland. During different periods， it shows a decreasing trend in different periods. The dilution effect of Swan Lake wetland in the drainage period is obvious; the DO， ORP， and EC contents are shown to be higher in the impoundment period than that in the drainage period. The ion concentration changes with the water level in the dam impoundment period. The ion concentration in the impoundment period is higher than that in the drainage period. The main cation is Na+， the anions are mainly HCO-3 and the water chemical type is HCO3-SO4-Na-Ca. Changes in hydrochemical characteristics of the wetland of Sanmenxia Reservoir are affected by the weathering of silicate rock and the dissolution of evaporative salt rock. In addition， the discharge of the municipal sewage during the impoundment period also has a significant impact on the hydrochemistry of the wetland in the reservoir area.

Key words： river wetlands; hydrochemical characteristics; control factors; Sanmenxia Reservoir

濕地享有“地球之腎”的美譽，健康的濕地水循環系統在水文調節和凈化水體方面具有重要作用，同時濕地生態系統的健康度影響著濕地生態系統的服務功能。濕地水化學特征可以體現濕地水體溶解物質來源及組成，而且通過水體離子時空變化特征和比值關系分析可以深入認識自然因素和人類活動對濕地的影響[1]。研究濕地水化學特征及其控制因素，有助于掌握人類活動影響下的濕地水化學演變規律，對維護濕地的健康與安全具有重要意義[2]。

國內外學者對黃河水化學特征開展了大量研究。1963年，樂嘉祥等[3]根據1958年黃河水化學資料對黃河水化學開展了初步探討，得出了龍門—花園口水文站河水礦化度逐漸降低與河水濃縮變質以及支流鹽分輸入有關的結論;Hu等[4]在三門峽附近采集黃河水進行水化學分析，確定了蒸發巖的主要貢獻;過常齡[5]根據1958—1979年黃河水化學資料發現，黃河中游河水水化學特征演變與水文地質分布有關;Zhang等[6]依據1986年數據發現，黃河水化學受風化和侵蝕控制，同時人為活動加速了河流水化學變化;陳靜生等[7]根據1958—2000年的長序列資料發現，沉積巖化學風化和干旱氣候背景下的蒸發濃縮結晶作用是控制黃河溶解性組分的重要因素;蘇小四等[8]依據2001年數據研究發現，黃河上中游河段水化學類型為Cl-SO4型，黃河水化學組成受灌溉回歸水和其他水體對河流的補給影響;Fan等[9]研究發現，黃河中游的水化學組分主要受蒸發鹽巖溶解控制;張茜茜[10]發現，雨季黃河中游水化學組分受硅酸鹽巖控制，雨季后受碳酸鹽巖風化和蒸發鹽巖溶解控制;何姜毅等[11]發現，黃河青銅峽和花園口水文站水化學類型以HCO3-SO4-Ca-Na型為主，蒸發鹽巖對河水離子組成貢獻比例較大。

總體來看，前人對黃河水化學尤其是黃河中游段的研究已經取得了大量成果，但對三門峽庫區濕地水化學特征及影響因素的研究較少。三門峽庫區濕地處于黃河中游地區，受三門峽水庫運行和黃河水沙運移影響，形成了多種類型的濕地，如河流濕地、灘涂濕地、湖泊濕地等。三門峽庫區濕地在氣候調節、降雨平衡、徑流調節、水體凈化與污染物降解方面發揮重要作用的同時，水庫水位的周期性變化和泥沙沖淤交替使得濕地的補水途徑和水分運動發生改變，影響濕地水分的蒸發入滲、河流的出流入流、地表水和地下水交換等，進而直接影響濕地生態系統的健康和穩定。水化學分析能夠客觀表征濕地水體的健康程度，對三門峽庫區濕地水體健康具有重要指示意義。2018—2019年，筆者在三門峽水庫蓄水、泄水期間4次采樣的基礎上，采用三角圖、Gibbs圖等水化學分析方法，研究三門峽庫區濕地水體溶解性組分時空變化特征，并分析其主要影響因素，以期為三門峽庫區濕地保護和高質量發展提供依據。

1 數據與方法

1.1 研究區域概況

三門峽庫區位于陜、晉、豫三省交界處，庫區內河流濕地長113.5 km，寬1～6 km。研究區屬于典型的暖溫帶大陸性季風氣候區，年氣溫均值為13.5～14.9 ℃，7—9月是降水集中期，多年（1957—2016年）平均降水量為573.9 mm，平均日照時數為2 293 h。據黃河三門峽水庫史家灘水文站2018年運行水位統計資料，最高水位為318.88 m（2018年5月），最低水位為289.36 m（2018年7月）。根據三門峽水庫運行水位變化，泄水期為每年的6—11月，蓄水期為11月—翌年6月。

1.2 樣品采集與分析

根據三門峽水庫水位特點，以蓄水期（2018年4月、2019年1月）和泄水期（2018年8月、2019年7月）為時間節點，共進行4次采樣，蓄水期采樣點11個，泄水期采樣點14個。

現場記錄采樣點經緯度，利用水質分析儀HotibaU-53測定水體pH值、溫度（T）、電導率（EC）、氧化還原電位（ORP）、溶解性總固體（TDS）和溶解氧（DO）含量。實驗室測定時，K+、Na+分別用WFX-120A原子吸收分光光度計測定，Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4采用50 mL酸式滴定管測定，Cl-采用50 mL棕色酸式滴定管測定，NO-3采用T9CS雙光束紫外可見分光光度計測定。

2 三門峽庫區濕地水化學特征分析

2.1 基本理化參數

三門峽庫區濕地水體理化參數和主要離子含量見表1、表2。三門峽庫區濕地蓄水期、泄水期水體呈弱堿性，蓄水期溶解氧、電導率、氧化還原電位、溶解性總固體含量均高于泄水期的，pH值低于泄水期的，與Ran等[12]分析的黃河中游pH值（7.03～8.53）的變化情況較為相似。本次研究庫區濕地pH值和TDS含量與其他學者的研究結果相比，數據差異較?。ㄒ姳?），說明近幾年控制三門峽庫區濕地水化學基本參數的影響因素變化不大，與黃河三角洲濕地（2015年4月）相比，三門峽庫區濕地pH均值偏低，TDS含量遠低于黃河三角洲濕地的[13]。

三門峽庫區濕地水體pH值和TDS含量時空變化特征見圖1，蓄水期pH值中游高于上游與下游，數值變化較小，天鵝湖濕地（SL）—三門峽大壩段（20～0 km）pH值基本穩定不變;泄水期pH值從上游至中游呈現逐漸減小的趨勢，下游pH值波動較大，在天鵝湖濕地處出現峰值和谷值，顯示天鵝湖濕地對水體的凈化作用。蓄水期和泄水期TDS在上、中游變化情況基本一致，下游天鵝湖濕地出現了蓄水期的峰值和泄水期谷值，且TDS差值最大，說明天鵝湖濕地對TDS組成產生了影響。此外，泄水期降水豐富，TDS含量減小，蓄水期、泄水期庫區濕地水體TDS含量從上游至下游總體呈減小趨勢。

2.2 水化學類型及組成

在水庫蓄水期，濕地水體主要陽離子毫克當量Na+>Ca2+>Mg2+>K+，陽離子以Na+和Ca2+為主，Na+占總陽離子毫克當量的45%;主要陰離子毫克當量HCO-3>SO2-4>Cl->NO-3，以HCO-3和SO2-4為主，HCO-3和SO2-4占陰離子毫克當量的70%。陽離子的毫克當量值為13.44～15.73 meq/L，均值為14.56 meq/L，陰離子的毫克當量值為13.86～16.26 meq/L，均值為14.99 meq/L，蓄水期陰陽毫克離子當量均高于花園口站TZ+（9.16 meq/L）、TZ-（9.29 meq/L）[11]。在水庫泄水期間，陽離子以Na+和Ca2+為主，溶解性總陽離子毫克當量Na+占比39%，陰離子以HCO-3和SO2-4為主，HCO-3和SO2-4占陰離子毫克當量的73%。水庫泄水期，陽離子毫克當量值為7.27～9.91 meq/L，陰離子毫克當量值為7.45～10.61 meq/L，低于蓄水期的。三門峽庫區濕地各離子含量隨水庫蓄泄方式的變化而變化，蓄水期離子含量較高，泄水期較低，Na+和Cl-蓄泄期含量差值較大。

三門峽庫區濕地蓄水期和泄水期水化學類型以HCO3-SO4-Na-Ca型為主（見圖2），蓄水期潼關站（TG）水化學類型為Cl-Na-Ca型，泄水期東關村（DG）水化學類型為Cl-Na-Mg型。

三門峽庫區濕地水體主要離子時空變化曲線見圖3。泄水期Na+、Mg2+、SO2-4和Cl-的含量變化趨勢與TDS變化趨勢相似，Ca2+、NO-3、HCO-3含量從渭河入黃河處到潼關站呈升高趨勢，考慮到水巖作用較強，中游到下游變化趨勢與其他主要離子變化趨勢一致。庫區濕地主要離子含量在天鵝湖濕地均呈降低趨勢，說明泄水期天鵝湖濕地稀釋能力較強，凈化水體能力較強。蓄水期過水流量減小，大氣降水較少，庫區濕地水主要離子含量從上游到下游變化較小，無明顯變化特征。蓄水期離子含量高于泄水期的，與冰水和巖石固體顆粒物發生化學風化及解凍土壤水補給濕地水有關[14]。Fan等[9]研究發現，黃河源頭Cl-、HCO-3濃度分別為1.74、3.77 mmol/L，潼關站Cl-、HCO-3濃度分別為1.37、3.34 mmol/L，從上游到中游Cl-、HCO-3濃度變化不大。研究區域Cl-、HCO-3濃度蓄水期分別為4.25、4.28 mmol/L，泄水期分別為2.30、3.46 mmol/L，相比前人分析，研究區域Cl-、HCO-3濃度差值較小，Cl-含量較高，這可能與大氣降水或蒸發鹽巖溶解有較大關系。

變異系數可以反映數據的離散程度，可用來分析離子濃度的時空變化特征。由表4可知，泄水期除HCO-3外，主要離子變異系數均高于蓄水期的，陽離子中K+與Na+變異系數較大，陰離子中NO-3與Cl-變異系數較大，可能存在人類活動對三門峽庫區濕地的影響。

3 水化學特征影響因素分析

濕地水化學組分主要受自然環境和人類活動兩方面的影響[15-17]，自然因素主要表現為大氣輸入、硅酸鹽巖風化、碳酸鹽風化以及蒸發鹽巖溶解[18]，人類活動影響主要源于工業、農業、畜牧業和家庭生活等方面[19]。

3.1 自然因素

Gibbs圖被廣泛應用于河流水化學主要影響因素識別（見圖4），縱坐標為TDS的對數值，橫坐標為離子濃度比值。當Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（HCO-3+Cl-）比值趨近于1，TDS含量較低時，樣品點落在圖右下角區域，說明樣品水化學受大氣降水控制;當Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（HCO-3+Cl-）比值約為0.5時，樣品點位于圖中間區域，表明巖石風化是河流水化學的控制機制;當Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（HCO-3+Cl-）比值趨近于1，TDS含量較高時，說明蒸發結晶是河流水化學的控制機制。研究區域Na+/（Na++Ca2+）比值為0.5～1，Cl-/（HCO-3+Cl-）比值為0～0.6，TDS含量大于400 mg/L，樣品點落在巖石風化控制機制和蒸發結晶控制機制過渡帶，表明河流水化學受大氣降水作用不明顯，受巖石風化作用影響較大。

（1）大氣輸入。蓄水期、泄水期三門峽庫區濕地Na+與Cl-濃度之比均值分別為1.49、1.57，蓄水期、泄水期Na+、K+濃度和與Cl-濃度之比均值分別為1.53、1.63，全年Na+、K+濃度和與Cl-濃度均值之比為1.59，高于海洋地區大氣降水Na+與Cl-的濃度比值0.86[20-21]。遠離海洋的內陸地區，大氣降水中Na+與Cl-含量會逐漸減少，因此大氣降水對濕地水體水化學影響較小。Fan等[9]研究發現，大氣輸入影響在黃河流域普遍較小，黃河中游地區，陽離子大氣輸入貢獻1.4%～7.6%，大氣降水對河水溶解質組分影響有限。

（2）巖石風化。通過水體陰陽離子濃度比值可以推斷庫區濕地水體化學風化作用的類型[22]，三門峽庫區濕地位于黃土高原和山地丘陵與平原的過渡地帶，以黃土黏土礦物為主（占75%），其次為碳酸鹽巖和蒸發鹽巖（占比分別為15%、5%[23]），碳酸鹽巖、硅酸鹽巖、蒸發鹽巖溶解后產生的Ca2+/Na+濃度比值分別為50、0.35、0.17，Mg2+/Na+濃度比值分別為20、0.24、0.02[12，24]。由圖5可知，水體主要離子濃度比分布在硅酸鹽巖和碳酸鹽巖之間，且偏于硅酸鹽巖一側，蓄水期、泄水期Ca2+/Na+濃度均值比分別為0.31、0.40，蓄水期、泄水期Mg2+/Na+濃度均值比分別為0.28、0.36，說明硅酸鹽巖風化作用是庫區濕地水體溶解質組分的重要來源。（Na++K+）*/HCO-3與（Ca2++Mg2+）*/HCO-3的濃度比值關系通常被用來區分碳酸鹽巖風化和硅酸鹽巖風化來源。（Na++K+）*由樣品總（Na++K+）毫克當量減去Cl-毫克當量得出，代表碳酸對硅酸鹽巖的風化作用;（Ca2++Mg2+）*由樣品總（Ca2++Mg2+）毫克當量減去SO2-4毫克當量得到，用來區分Ca2+與Mg2+來源于碳酸鹽巖或硅酸鹽巖風化作用[25]。從圖6可以看出，樣品點全部落在（Na++K+）*/HCO-3=0、（Ca2++Mg2+）*/HCO-3=1兩條線交點處左上方，顯示硅酸鹽巖風化作用對三門峽庫區濕地水化學的影響，且蓄水期濕地水體受硅酸鹽巖風化作用強于泄水期的。

三門峽庫區濕地處于黃河中游，以第四紀黃土為主，蒸發鹽巖的風化速率顯著高于碳酸鹽巖和硅酸鹽巖的，即使在蒸發鹽巖稀疏的地區，蒸發鹽巖的溶解也會對河流水化學產生顯著影響。黃河Ca2+、Na+、HCO-3含量占絕對優勢，三門峽庫區濕地SO2-4和Cl-在主要離子組分中占比較高，蓄泄期SO2-4與Cl-濃度之和占主要陰離子濃度的60%，可能與蒸發鹽巖或土壤鹽溶解有關。（Ca2++Mg2+）/（Na++K+）濃度比值高表明河水受碳酸鹽巖風化控制較強，比值偏低表明受蒸發鹽巖溶解控制較強。蓄水期和泄水期（Ca2++Mg2+）/（Na++K+）濃度比值均值分別為1.17、1.47，全年比值均值為1.34，比值較低，說明三門峽庫區濕地受蒸發鹽巖控制。此外，三門峽庫區濕地水體Na+與Cl-靠近1∶1漸近線（蒸發鹽巖溶解線），顯示蒸發鹽巖對庫區濕地水化學的貢獻。三門峽庫區濕地Na+濃度偏高于Cl-的，說明Na+除了來自石鹽巖NaCl溶解外，還可能來自蒸發鹽巖Na2SO4的溶解。

3.2 人類活動

過去的水化學研究多側重于巖石風化研究，隨著現代工業社會的發展，人類活動對自然環境的影響越來越大，人為因素產生的硝酸鹽和硫酸鹽污染不可忽視[26]?；剂先紵?、畜牧養殖業污染、工業生產廢污水排放和農田施肥污染等，導致水體中Cl-、Na+、NO-3、SO2-4、TP等含量持續升高，甚至出現富營養化。近年來受人類活動影響，三門峽庫區濕地生態系統健康也面臨著威脅。

人類活動產生的典型特征污染物富含K+、Ca2+、SO2-4、Cl-和NO-3，而K+、Ca2+、SO2-4、Cl-是巖石風化的產物，如石膏或石鹽巖，所以NO-3被認為是人為輸入特征污染物的重要指標[27-28]。河水中硝酸鹽主要來源于大氣降水輸入、土壤有機氮礦化、化學肥料施用以及工業生活廢污水排放等[29-31]。在自然界中，由于Cl-的化學性質穩定，不受環境因素影響，可作為人為污染物的示蹤劑[32]，因此可以從Cl-與NO-3的關系來判別人類活動對三門峽庫區濕地是否產生影響。NO-3、Cl-含量較高，表明庫區濕地水體受城市廢污水和糞肥影響較大;高含量的NO-3與低含量的Cl-則顯示水體受化學肥料影響大[18]。由圖7（a）可知，蓄水期Cl-含量較高，均值為150.70 mg/L，廢污水和糞肥對三門峽庫區濕地貢獻較大;泄水期庫區濕地水體大多數為原生態水體，受人類活動影響較小。由圖7（b）可以看出，Cl-/Na+多數落在0～1范圍內，NO-3/Na+為0～0.1，表明水體受農業面源污染影響不大。從表5中可以看出，NO-3、Cl-、SO2-4存在正相關關系，三者之間有相似或相同來源，反映人類活動輸入的影響。

4 結 語

蓄水期三門峽庫區濕地水體pH值為7.03～8.50，為弱堿性水，TDS含量為403～949 mg/L，均值為776 mg/L;泄水期的pH值為7.21～8.67，為弱堿性水，TDS含量為427～654 mg/L，均值為534 mg/L。蓄水期除pH值低于泄水期外，其他水化學參數DO、EC、ORP、TDS含量均高于泄水期的。

濕地陽離子以Na+和Ca2+為主，陰離子以HCO-3和SO2-4為主，全年水化學類型以HCO3-SO4-Na-Ca型為主;蓄水期潼關站水化學類型為Cl-Na-Ca型，泄水期東關村水化學類型為Cl-Na-Mg型。

巖石風化作用是三門峽庫區濕地水化學的主要控制機制，以硅酸鹽風化和蒸發鹽巖溶解為主，且蓄水期硅酸鹽巖風化作用強于泄水期的，碳酸鹽巖風化作用不明顯。人類活動對三門峽庫區濕地水化學特征有一定程度的影響，三門峽庫區濕地全年受農業面源影響較小，蓄水期受城市廢污水排放影響較大。

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【責任編輯 呂艷梅】