丹江口庫周典型支流污染離子的遷移模式及機(jī)理研究

楊 瀟， 方子樊， 何文武

(湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊(duì),湖北 襄陽 441000)

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的水源區(qū),向庫區(qū)、漢江中下游沿線和南水北調(diào)中線受水區(qū)幾億人民供給生活、生產(chǎn)及生態(tài)用水,其水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到調(diào)水工程的成敗[1]。地下水和地表水在循環(huán)過程中與巖石圈、生物圈及大氣圈進(jìn)行復(fù)雜的物質(zhì)、能量和信息交換,其水化學(xué)特征受地層巖性、地形地貌、土壤類型、地表徑流和人類工程活動(dòng)控制,具有一定的時(shí)空差異性。對(duì)重點(diǎn)水資源保護(hù)區(qū)開展地表水與地下水水化學(xué)特征及演變過程研究,不僅可以掌握水資源循環(huán)規(guī)律,揭示水與環(huán)境的相互作用機(jī)制,還可為區(qū)域水資源可持續(xù)開發(fā)、利用及保護(hù)提供科學(xué)參考[2]。

2017年國(guó)家出臺(tái)的《丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持“十三五”規(guī)劃》[3]中明確指出：水源區(qū)總氮濃度總體偏高,存在發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一問題，目前業(yè)界研究主要集中在水庫水體污染物時(shí)空分布特征[4]、典型流域水化學(xué)特征和水質(zhì)變化特征[5]等方面,大多得出入庫河流污染程度高于庫區(qū)污染程度的空間分布特征,而對(duì)小流域的水質(zhì)變化特征及規(guī)律研究較少。隨著丹江口水庫周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的不斷提高,入庫支流因受到自然和人為因素影響較大,將進(jìn)一步威脅丹江口水庫水源地生態(tài)環(huán)境平衡。

本文以丹江口庫區(qū)丹江流域入庫段和滔河流域入庫段為研究區(qū)[6],系統(tǒng)采集地下水和地表水樣品,分析其離子組成特征、離子濃度變化和影響因素,揭示污染離子的遷移模式和形成機(jī)理,為丹江口庫區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供支撐。

1 取樣和分析方法

1.1 采樣點(diǎn)位置及時(shí)間

研究區(qū)采樣點(diǎn)位置如圖1所示。主要對(duì)丹江荊紫關(guān)—大石橋鄉(xiāng)入庫段長(zhǎng)約20.55 km距離進(jìn)行采樣,樣品數(shù)量10件；對(duì)滔河三道梁—滔河鄉(xiāng)入庫段長(zhǎng)約38.5 km距離進(jìn)行采樣,樣品數(shù)量10件；同時(shí)在丹江、滔河兩岸采集22件地下水樣品,采樣時(shí)間為2019年7月和11月,分別在枯水期和豐水期采樣一次。泉水樣品采集按要求在地表水下50 cm 處采取,機(jī)(民)井點(diǎn)采取樣品前先用潛水泵抽水3 ～ 5 min,在采集過程中,用預(yù)采地下水樣品對(duì)采樣瓶沖洗3 次后再進(jìn)行采樣取樣。

圖1 研究區(qū)采樣分布圖Fig.1 Sampling distribution map of study area

1.2 樣品測(cè)試方法

2 地表水離子濃度變化分析

2.1 丹江

圖2 丹江地表水陰陽離子濃度變化曲線Fig.2 Variation curve of anions and cations in surface water of Danjiang River

2.2 滔河

圖3 滔河地表水陰陽離子濃度變化曲線Fig.3 Variation curve of anion and cation in surface water of Taohe River

3 丹江口庫周水化學(xué)影響因素分析

3.1 巖石風(fēng)化影響

圖5 丹江流域地表水、地下水樣品主要離子比值分布圖Fig.5 Distribution of major ion ratios in surface water and groundwater samples in Danjiang River Basin

3.2 大氣降雨影響

丹江流域中的Cl-/Na+比值平均值為0.56,比世界平均海水比值(Cl-/Na+=1.15)低得多,而丹江距離最近海域約750 km,遠(yuǎn)離海邊,因此可知丹江流域水化學(xué)組分基本不受海洋蒸發(fā)輸入的影響。大氣降雨中的海鹽輸入對(duì)丹江地表水溶質(zhì)的貢獻(xiàn)非常小,可忽略不計(jì)。丹江流域中兩側(cè)主要是碳酸鹽巖地層,在碳酸鹽巖地區(qū)地下水中的Cl-含量很低,自然條件下的Cl-主要來自于人類工程活動(dòng)輸入。

3.3 人類工程活動(dòng)的影響

丹江口庫區(qū)中人類工程活動(dòng)對(duì)丹江及其支流滔河的水化學(xué)影響異常復(fù)雜,人類工程活動(dòng)產(chǎn)生的污染物主要通過兩種方法影響丹江流域水化學(xué)的變化：一種是通過人類生活和工業(yè)生產(chǎn)而產(chǎn)生的廢棄物排放；另一種是通過酸沉降。人類工程活動(dòng)產(chǎn)生的污染離子通過直接或間接的方式,以地表徑流或地下徑流的形式進(jìn)入丹江流域中,對(duì)丹江流域地表水產(chǎn)生污染。因丹江流量較大,多年平均流量174.00 m3/s,其地表徑流對(duì)丹江河水產(chǎn)生了一定的稀釋作用,使丹江流域地表水具有一定的自凈能力。因此,人類工程活動(dòng)對(duì)丹江流域水化學(xué)的影響難以定量分析。

3.3.2Na+、K+、Cl-特征及來源分析

丹江流域兩岸碳酸鹽巖地層分布廣泛,而碳酸鹽巖地區(qū)地下水中的Cl-含量很低,因此可以推測(cè)丹江流域的Cl-主要受大氣降雨和人類工程活動(dòng)的影響,而丹江遠(yuǎn)離海邊,故丹江流域Cl-含量的異常升高主要受人類工程活動(dòng)的影響。人類生活污水的特征是富含Na+、Cl-,K+通常來自于農(nóng)業(yè)鉀肥(KCl)的施用,因而河水中 Na+、K+、Cl-主要為人類工程活動(dòng)中農(nóng)業(yè)鉀肥(KCl)的施用及生活污水的排放等。

4 污染離子的遷移模式及機(jī)理研究

4.1 地下水污染離子的遷移模式及機(jī)理

圖6 采樣點(diǎn)與區(qū)內(nèi)其他地下水主要離子含量對(duì)比圖Fig.6 Square comparison diagram of main ion content between sampling points and other groundwater in the area

圖7 采樣點(diǎn)與丹江地表水、地下水主要離子比值圖Fig.7 Ratio chart of sampling points to surface water and groundwater ions in Danjiang River

4.2 地表水主要污染離子的遷移模式及機(jī)理

圖8 丹江主要污染離子含量隨距離變化圖Fig.8 Variation of content with distance in main pollutant ions in Danjiang River

圖9 丹江主要污染離子Cl-含量隨距離變化圖Fig.9 Variation of Cl- content with distance in main pollutant ions in Danjiang River

5 結(jié)論

(2) 地下水污染物主要來源于農(nóng)業(yè)污染,其污染離子的遷移受丹江口水庫蓄水水位影響。蓄水期間地下水水力梯度下降,導(dǎo)致地下水排泄受阻,庫周農(nóng)田中殘留的大量污染離子入滲,引起地下水污染離子濃度增加而產(chǎn)生污染。

(3) 地表水污染物主要來源于污水處理廠和農(nóng)業(yè)污染,但隨著距離的遷移,污染離子被河流補(bǔ)給所稀釋,污染物含量趨于正常水平。