大連地區(qū)地表水化學(xué)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(guò)程中所形成的水化學(xué)特征,反映了地表水的天然水質(zhì)特征。因此,水化學(xué)特征分析是地表水資源評(píng)價(jià)、河流水質(zhì)全面評(píng)價(jià)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(xué)組成受流域巖石風(fēng)化、大氣沉降和人類活動(dòng)等的影響,通過(guò)分析地表水化學(xué)特征,可以有效判別水化學(xué)組成以及闡釋流域內(nèi)水化學(xué)演化的控制因素[3]。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者在水化學(xué)組成及形成機(jī)制等方面已經(jīng)開展了大量的研究。胡甜等[4]對(duì)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(xué)組成進(jìn)行了研究分析,表明蒸發(fā)結(jié)晶和巖石風(fēng)化作用的控制是該地區(qū)地表水化學(xué)組成的主要來(lái)源。何姜毅等[5]和張旺等[6]認(rèn)為黃河流域的水化學(xué)組成受蒸發(fā)巖溶解和礦物鹽風(fēng)化影響較大。延子軒等[7]對(duì)長(zhǎng)江流域礦區(qū)地表水化學(xué)成因進(jìn)行了分析,表明巖石風(fēng)化作用是控制其水化學(xué)組成的重要因素。

地表水化學(xué)組成分析是水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)中非常重要的一部分,對(duì)水資源的開發(fā)與保護(hù)具有不可忽視的意義和價(jià)值。本文通過(guò)對(duì)大連地區(qū)地表水化學(xué)組成及控制因素進(jìn)行分析,探討控制大連地區(qū)地表水化學(xué)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(lái)源

大連地區(qū)地表水化學(xué)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要是由遼寧省水環(huán)境監(jiān)測(cè)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(guó)家重點(diǎn)水質(zhì)站水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作的通知》(水文質(zhì)函〔2019〕37號(hào))及遼寧省水利廳對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的總體要求,按照2021年遼寧省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案,對(duì)大連地區(qū)國(guó)家重點(diǎn)水質(zhì)站地表水化學(xué)類型分別于2021年4月、7月、11月進(jìn)行了3次監(jiān)測(cè),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(xiàng)。

2 地表水化學(xué)類型分析

采用阿列金分類法,按水體中陰陽(yáng)離子的優(yōu)勢(shì)成分和陰陽(yáng)離子間的比例關(guān)系確定水化學(xué)類型。大連市16處國(guó)家重點(diǎn)水質(zhì)站地表水中存在的水化學(xué)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(píng)價(jià)斷面的87.5%。

以陰離子分類來(lái)看:大連市地表水化學(xué)類型主要以重碳酸鹽類為主,占總評(píng)價(jià)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)入海口地區(qū)和英那河入海口地區(qū),占總評(píng)價(jià)斷面的12.50%;硫酸鹽類占大連市總評(píng)價(jià)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(guò)簡(jiǎn)單處理直接排入自然水體中導(dǎo)致。

以陽(yáng)離子分組來(lái)看:大連市16處國(guó)家重點(diǎn)水質(zhì)站地表水化學(xué)類型均為鈣組。全市水型以Ⅲ型水為主,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅳ型水。大連市16處國(guó)家重點(diǎn)水質(zhì)站地表水化學(xué)類型統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 大連市16處國(guó)家重點(diǎn)水質(zhì)站地表水化學(xué)類型統(tǒng)計(jì)

3 地表水化學(xué)形成控制因素分析

3.1 Pearson相關(guān)性分析

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

表2 大連地區(qū)地表水化學(xué)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(diǎn)都分布在中部的巖石風(fēng)化區(qū)域,說(shuō)明大連地區(qū)陽(yáng)離子水化學(xué)組成受巖石風(fēng)化作用影響,由于長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化作用使得Ca2+通過(guò)溶濾作用進(jìn)入地表水中,導(dǎo)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(diǎn)落在吉布斯圖的中間區(qū)域,間接印證了水化學(xué)類型分析時(shí)得出的優(yōu)勢(shì)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(xué)組分的控制與成因,大連地區(qū)地表水化學(xué)組成離子比值見圖2。

圖2 大連地區(qū)地表水化學(xué)組成離子比值

由圖2(a)可知,部分樣品點(diǎn)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(diǎn)位于石鹽溶解線上方,表明地表水中的Na+、K+和Cl-除了來(lái)源于鹽巖的溶解作用,過(guò)量的Na+和K+還可能來(lái)自鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石等硅酸鹽巖的風(fēng)化溶解作用。

由圖2(d)可知,大連地區(qū)國(guó)家重點(diǎn)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(shuō)明陽(yáng)離子交換作用在地表水化學(xué)作用過(guò)程中不起主導(dǎo)地位。

3.4 風(fēng)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(guò)水體中ρ(Ca2+)/ρ(Mg2+)的比值可以判別離子是否來(lái)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(lái)源于白云石類碳酸鹽的風(fēng)化溶解;若比值在1～2之間,則來(lái)源于方解石類碳酸鹽的風(fēng)化溶解;若比值大于2,則離子來(lái)源于硅酸鹽的風(fēng)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(shuō)明大連地區(qū)地表水中離子來(lái)源于方解石類碳酸鹽和硅酸鹽溶解的同時(shí)作用。這也在一定程度上印證了Gaillardet風(fēng)化端模型中地表水受到硅酸鹽巖與碳酸鹽巖共同風(fēng)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(fēng)化會(huì)帶來(lái)較多的堿土元素(鈣、鎂),而硅酸鹽風(fēng)化會(huì)帶來(lái)較多的堿金屬元素(鈉、鉀),因此通過(guò)分析地表水中ρ(Na++K+)與ρ(Ca2++Mg2+)的比值,可以推斷巖石風(fēng)化類型。由圖5可知,大連地區(qū)國(guó)家重點(diǎn)水質(zhì)站水化學(xué)組成中ρ(Ca2++Mg2+)與ρ(Na++K+)的比值遠(yuǎn)大于1,說(shuō)明硅酸鹽風(fēng)化在該區(qū)域中也相對(duì)較弱。而含量較高的Ca2+和Mg2+則是由相對(duì)更為強(qiáng)烈的碳酸鹽風(fēng)化作用帶來(lái)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(yǔ)

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

地表水化學(xué)組成分析是流域水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)非常關(guān)鍵的部分,它不但可以反映流域地表風(fēng)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(xué)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(shí),也為當(dāng)?shù)厮Y源管理與保護(hù)提供科學(xué)的建議。