大连地区地表水化学组成及形成控制因素研究.pdf

DOI:1016616/jcnki10-1326/TV20230808大连地区地表水化学组成及形成控制因素研究孙大明(辽宁省大连水文局,辽宁 大连 116023)【摘 要】为研究大连地区地表水化学组成特征,明晰其影响因素及主要离子来源,服务流域水资源管理,本文综合采用阿列金分类法、Pearson 相关性分析、Gibbs 图、离子比值分析和风化端元图等方法对大连地区地表水化学组成及形成控制因素进行研究。结果表明,大连市地表水化学类型主要以 CCa型水为主;Ca2+与 Mg2+、K+、SO2-4、HCO-3、Cl-五种离子来源相似,并且是溶解性总固体的主要来源。Na+、K+与 Cl-没有呈现相关性,表明该地区地表水没有受到海水入侵影响;大连地区地表水受到含盐地层溶滤作用和硅酸盐岩的风化溶解作用双重影响,并且主导作用为碳酸盐岩风化的溶解作用。【关键词】大连地区;地表水;水化学组成;控制因素中图分类号:TV211 1+1 文献标志码:B 文章编号:2096-0131(2023)08-041-06Study on Chemical Composition and Controlling Factors of SurfaceWater in Dalian RegionSUN Daming(Liaoning Dalian Hydrological Bureau,Dalian 116023,China)收稿日期:2022-12-28作者简介:孙大明(1986),男,高级工程师,硕士,主要从事水环境监测与评价工作。Abstract:In order to investigate the characteristics of the chemical composition of surface water in the Dalian region andclarify the influencing factors and major ion sources,a comprehensive approach utilizing the Aleken classification method,Pearson correlation analysis,Gibbs diagram,ion ratio analysis,and weathering end-member analysis is employed to studythe chemical composition and controlling factors of surface water in the Dalian region.The results indicate that the chemicaltypes of surface water in Dalian are primarily classified as CCa-type water.Calcium(Ca2+)shares similar sources withmagnesium(Mg2+),potassium(K+),sulfate(SO2-4),bicarbonate(HCO-3),and chloride(Cl-),and is the maincontributor to the total dissolved solids.There is no significant correlation observed between sodium(Na+),potassium(K+),and chloride(Cl-),suggesting no influence of seawater intrusion on the surface water in the region.Surface waterin the Dalian region is influenced by both the leaching effect of saline-bearing formations and the weathering and dissolutionof silicate rocks,with carbonate rock weathering being the dominant process.Key words:Dalian region;surface water;chemical composition of water;controlling factors14 地表水在自然界水循环过程中所形成的水化学特征,反映了地表水的天然水质特征。因此,水化学特征分析是地表水资源评价、河流水质全面评价以及水污染综合防治措施的拟定等工作中的重要方法1-2。流域地表水体的水化学组成受流域岩石风化、大气沉降和人类活动等的影响,通过分析地表水化学特征,可以有效判别水化学组成以及阐释流域内水化学演化的控制因素3。目前,国内学者在水化学组成及形成机制等方面已经开展了大量的研究。胡甜等4对东寨港流域内演丰西河和三江河两条河流水体的水化学组成进行了研究分析,表明蒸发结晶和岩石风化作用的控制是该地区地表水化学组成的主要来源。何姜毅等5和张旺等6认为黄河流域的水化学组成受蒸发岩溶解和矿物盐风化影响较大。延子轩等7对长江流域矿区地表水化学成因进行了分析,表明岩石风化作用是控制其水化学组成的重要因素。地表水化学组成分析是水资源质量评价中非常重要的一部分,对水资源的开发与保护具有不可忽视的意义和价值。本文通过对大连地区地表水化学组成及控制因素进行分析,探讨控制大连地区地表水化学组成的主要因素,以期为该地区地表水资源的合理开发和利用提供参考。1 数据来源大连地区地表水化学监测数据主要是由辽宁省水环境监测中心大连分中心提供,该中心依据水利部水文司关于做好地表水国家重点水质站水质监测工作的通知(水文质函201937 号)及辽宁省水利厅对水环境监测工作的总体要求,按照 2021 年辽宁省水环境监测中心水质监测方案,对大连地区国家重点水质站地表水化学类型分别于 2021 年 4 月、7 月、11 月进行了 3 次监测,参数为钾、钠、钙、镁、氯化物、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、总碱度(碳酸盐和重碳酸盐)、溶解性总固体、矿化度和总硬度共 12 项。2 地表水化学类型分析采用阿列金分类法,按水体中阴阳离子的优势成分和阴阳离子间的比例关系确定水化学类型。大连市16 处国家重点水质站地表水中存在的水化学类型共有 3 种,分别为 CCa、ClCa和 SCa,其中主要以 CCa型水为主,占全市总评价断面的 87 5%。以阴离子分类来看:大连市地表水化学类型主要以重碳酸盐类为主,占总评价断面的 81 25%;其次是氯化物类,主要分布在普兰店城子坦镇入海口地区和英那河入海口地区,占总评价断面的 12 50%;硫酸盐类占大连市总评价断面的 6 25%,主要分布在普兰店安波镇,安波镇主要以温泉旅游为支柱产业,可能是洗浴后的含硫温泉废水,未经处理或仅经过简单处理直接排入自然水体中导致。以阳离子分组来看:大连市 16 处国家重点水质站地表水化学类型均为钙组。全市水型以型水为主,没有发现型、型和型水。大连市 16 处国家重点水质站地表水化学类型统计见表 1。表 1 大连市 16 处国家重点水质站地表水化学类型统计河 流水质站编码地表水化学分类(阿列金分类法)水型类组型湖里河B0601003603011CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型复州河B0601006901000SCaS(硫酸盐类)Ca(钙组)型B0601007003031CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型B0601007003051CCaCl(氯化物类)Ca(钙组)型B0601007003063CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型碧流河B0601004703031CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型B0601004804000ClCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型24续表 河 流水质站编码地表水化学分类(阿列金分类法)水型类组型大沙河B0601005101000CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型B0601005203011CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型B0601005304000CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型英那河B0601003701000CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型B0601003803011CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型B0601003904000ClCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型庄河B0601004203011CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型B0601004203021CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型登沙河B0601005703011CCaC(重碳酸盐类)Ca(钙组)型3 地表水化学形成控制因素分析3 1 Pearson 相关性分析地表水化学组成因受到不同水化学过程的影响,使得各组间关系存在一定的差异性,通过 Pearson 相关性分析可判断各组分来源的一致性、差异性及其同源性5,大连地区地表水化学组成 Person 相关性分析见表 2。大连地区地表水中溶解性总固体(TDS)与 Ca2+、Mg2+、K+、SO2-4、HCO-3、Cl-以 及 总 硬 度 相 关 系 数 为0 640 0 879,呈显著正相关,说明以上几种离子是溶解性总固体(TDS)的主要来源。Na+与 K+、HCO-3呈显著相关性,相关系数分别为0 588 和 0 661,说明大连地区地表水中 Na+、K+、HCO-3三者存在同一来源。而地表水中 Na+、K+与 Cl-没有呈现相关性,说明二者来源不相似,表明大连地区地表水没有受到海水入侵影响。Na+和 K+可能来自钠长石和钾长石等硅酸盐岩的风化溶解作用。Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4同总硬度之间相关系数为0 836 0 972,呈现极显著正相关,说明上述 4 种离子浓度对总硬度的大小和空间分布影响很大;Ca2+与 K+、SO2-4、HCO-3、Cl-均呈显著正相关,说明 Ca2+与它们来源相似,主要来自碳酸盐、硅酸盐的溶解作用。另外,Mg2+和 Ca2+也存在极好的正相关性,说明 Mg2+和 Ca2+也存在同一来源。HCO-3和 SO2-4相关系数为 0 900,呈极显著正相关性,说明二者存在同一来源。表 2 大连地区地表水化学组成 Person 相关性分析TDSK+Na+Ca2+Mg2+SO2-4Cl-HCO-3总硬度TDS1K+0 6401Na+0 3510 5881Ca2+0 8770 7320 3411Mg2+0 7570 5780 2130 8181SO2-40 8380 7750 3810 9710 8051Cl-0 8790 3190 1010 5990 4950 5101HCO-30 7450 8250 6610 8410 7350 9000 3611总硬度0 8690 7020 3040 9720 9310 9480 5850 8361 注 表示在 0 01 水平(双侧)上显著相关,表示在 0 05 水平(双侧)上显著相关。34孙大明/大连地区地表水化学组成及形成控制因素研究 3 2 吉布斯(Gibbs)图成因分析地表水在常年流动的过程中,与河床的矿物质发生反应,同时也受降水和蒸发作用的影响。为研究地表水的水化学组分特征、控制因素和相互关系,本文以大连地区国家重点水质站水化学指标中 Na+/(Na+Ca2+)和 Cl-/(Cl-+HCO-3)为横坐标、TDS 的对数为纵坐标,在 Gibbs 图上投影出研究区地表水的水化学数据,结果见图 1。图 1 大连地区地表水吉布斯(Gibbs)图 由图 1(a)可知,样品点都分布在中部的岩石风化区域,说明大连地区阳离子水化学组成受岩石风化作用影响,由于长时间的风化作用使得 Ca2+通过溶滤作用进入地表水中,导致地表水的 Na+/(Na+Ca2+)比值较低,而溶解性总固体(TDS)值中等,水样点落在吉布斯图的中间区域,间接印证了水化学类型分析时得出的优势阴离子为重碳酸盐类的结论。由图 1(b)可知,Cl-/(Cl-+HCO-3)比值点绝大多数分布于在 Gibbs 图的中部,为明显受岩石风化溶滤作用影响。个别比值点不符合吉布斯分布,根据水化学类型推断可能受海水入侵作用的影响。3 3 离子比值分析离子比值法可以更深层次地判断地表水化学组分的控制与成因,大连地区地表水化学组成离子比值见图 2。由图 2(a)可知,部分样品点位于石盐溶解线(1 1 等值线)下方,表明地表水受到含盐地层溶滤作用影响;还有部分样品点位于石盐溶解线上方,表明地表水中的 Na+、K+和 Cl-除了来源于盐岩的溶解作用,过量的 Na+和 K+还可能来自钠长石和钾长石等硅酸盐岩的风化溶解作用。由图 2(b)可知,样品点基本上处于 1 1 和2 1 等值线下方,说明控制大连地区地下水化学成分主要为碳酸盐岩的溶解作用,碳酸岩盐是地下水中Ca2+和 HCO-3的主要来源,间接与大连地区水化学类型得出的结论相印证。由 Pearson 相关性分析可知,河水中 Ca2+和 HCO-3呈良好的正相关关系,但 Ca2+含量明显高于 HCO-3,因此可以推断 Ca2+除碳酸盐风化外,还同时存在其他岩石风化过程。由图 2(c)可知,93 8%的水样点位于 1 1 线及其以上,Ca2+、Mg2+总数多于 SO2-4、HCO-3总数,表明大连地区地下水化学组分中主导作用为碳酸盐岩溶解。440.40.81.21.600.40.81.21.612340123412345012345642021012Na+K+/(meq/L)Cl/(meq/L)1:1HCO3/(meq/L)Ca2+/(meq/L)2:11:1(a)Cl(Ca2+K)(b)Ca2+HCO3(c)SO42+HCO3Ca2+Mg2+(d)Na+KCl(Ca2+Mg2+)(SO42+HCO3)Ca2+Mg2+/(meq/L)SO42+HCO3/(meq/L)1:1(Ca2+Mg2+)-(SO42+HCO3)/(meq/L)Na+KCl/(meq/L)图 2 大连地区地表水化学组成离子比值 通常情况下,阳离子交换作用会使地表水中一些主要的离子发生变化,也是地表水化学形成的重要作用。地表水化学组成中(SO2-4+HCO-3)-(Ca2+Mg2+)与(Na+K+-Cl-)之间的关系通常用来判断地表水中阳离子交换作用是否明显。当地表水中发生阳离子交换作用时,(SO2-4+HCO-3)-(Ca2+Mg2+)与(Na+K+-Cl-)两个参数之间会呈现出明显的负相关性,并且其线性拟合的斜率接近-1。由图 2(d)可知,大连地区国家重点水质站地表水样品间相关关系为 y=-0 1687x+0 3081,R2=0 1941,说明阳离子交换作用在地表水化学作用过程中不起主导地位。3 4 风化端元图Gaillardet 等为分析岩石风化对河流水化学组成的影响,根据全球 60 条大河的 Ca2+/Na+、Mg2+/Na+和HCO-3/Na+的含量比值(大气校正后)初步判别了流域岩石的风化类型,将流域岩石的风化类型分为蒸发岩、硅酸盐岩、碳酸盐岩三类。本文引用 Gaillardet 风化端元模型来判断控制水体水化学组成的岩石风化源类型。大连地区地表水蒸发岩、硅酸盐和碳酸盐的 Mg2+/Na+、Ca2+/Na+和 HCO-3/Na+比值关系见图3。由图3 可知,地表水样主要集中在硅酸盐岩与碳酸盐岩之间,说明大连地区地表水受到硅酸盐岩与碳酸盐岩共同风化溶解的影响。通过水体中(Ca2+)/(Mg2+)的比值可以判别离子是否来源于白云石CaMg(CO3)2、方解石(CaCO3)和硅酸盐,若比值等于1,则离子主要来源于白云石类碳酸盐的风化溶解;若比值在 1 2 之间,则来源于方解石类碳酸盐的风化溶解;若比值大于2,则离子来源于硅酸54孙大明/大连地区地表水化学组成及形成控制因素研究 图 3 研究区地表水 Mg2+/Na+与 Ca2+/Na+、HCO-3/Na+与 Ca2+/Na+的比值关系盐的风化溶解。由图 4 可知,研究区(Ca2+)/(Mg2+)的比值落在 1 2 和大于 2 区域,说明大连地区地表水中离子来源于方解石类碳酸盐和硅酸盐溶解的同时作用。这也在一定程度上印证了 Gaillardet 风化端模型中地表水受到硅酸盐岩与碳酸盐岩共同风化溶解影响的结论。00.51.01.52.02.53.0123452:11:1Ca2+/(meq/L)Mg2+/(meq/L)图 4 研究区地表水(Ca2+)/(Mg2+)的比值关系由于碳酸盐风化会带来较多的碱土元素(钙、镁),而硅酸盐风化会带来较多的碱金属元素(钠、钾),因此通过分析地表水中(Na+K+)与(Ca2+Mg2+)的比值,可以推断岩石风化类型。由图 5 可知,大连地区国家重点水质站水化学组成中(Ca2+Mg2+)与(Na+K+)的比值远大于 1,说明硅酸盐风化在该区域中也相对较弱。而含量较高的 Ca2+和 Mg2+则是由相对更为强烈的碳酸盐风化作用带来的。0123450.20.40.60.81.01:1Na+K+/(meq/L)(Ca2+Mg2+)/(meq/L)图 5 大连地区地表水(Na+K+)与(Ca2+Mg2+)的比值关系4 结 语本文深入分析了大连地区地表水化学组成及控制因素,结果表明:大连市地表水化学类型共有 3 种,以CCa型水为主;通过 Pearson 相关系数分析了各化学组分的来源;Gibbs 图表明大连地区阳离子水化学组成主要受岩石风化溶滤作用影响。地表水化学组成分析是流域水资(下转第 84 页)643 6 人文景观结合集中安置小区美丽乡村和特色田园乡村创建,以及故城古镇风貌恢复、文化发掘,在河道岸坡生态治理的基础上,将历史文化元素和田园乡村生态元素融入水系整治工程,突出历史文化、自然生态与乡村人文特色相契合,延续“水林田镇村共生”的空间肌理,打造充满野趣、人水和谐的乡村景观风貌。建设 5处人文景观节点,总面积 13 63hm2。同时,结合农房改造项目,对新农村实施水系改造,提升乡村水系生态环境质量和生态服务功能。4 结 语农村水系是农村生态文明建设的重要载体。泗阳县按照“一廊、两区、多线”的水系整治总体布局,通过水系连通、河道清淤清障、岸坡整治、河湖管护、防污控污、景观人文 6 项措施实施水系连通及农村水系综合整治工程,有效提升了区域河湖水系水生态系统功能,有力改善了区域生态环境与人居环境,对美丽乡村建设和乡村振兴战略实施起到了重要支撑作用。泗阳县水系连通及治理,对树立县域生态优先、绿色发展、转型跨越具有重要的样板示范意义,可为其他地区农村水系治理和水美乡村建设提供参考。参考文献1 彭子竹,刘军元,贾澄广,等.广饶县农村河渠水系综合整治措施研究J.人民黄河,2021,43(S2):85-87.2 张海明,范颜军,许广东.乡村振兴战略下农村生态河道建设工作实践与思考J.水资源开发与管理,2022,8(10):81-84.3 韩东旭.水系连通及水美乡村试点县建设工作要点探索J.水利发展研究,2022,22(4):25-28.4 封琼,毕忠飞,汪惠,等.宜兴新城区水系连通方案研究J.水力发电,2022,48(5):15-21,32.5 赵志豪,王冠依.淮安清江浦区“水美乡村”试点建设分析与思考J.水资源开发与管理,2022,8(4):80-84.6 郑锦文.浅析生态水系建设措施和治理技术 以武夷山市大布小流域综合农场和鸭母洲河段治理为例J.水资源开发与管理,2017(7):75-77,82.7 杜小娅,陆春锋,隋雪艳.乡村公共设施用地配置水平评价及空间分布特征研究 以泗阳县为例J.安徽农业科学,2022,50(11):254-257.8 宫晓琳,靳可欣,史越,等.农村水系连通与景观设计初探 以泗阳县水系连通工程(黄码河)为例J.水利水电工程设计,2022,41(1):20-21,41.(上接第 46 页)源质量评价非常关键的部分,它不但可以反映流域地表风化作用、水环境质量特征,还可以为区域水质变迁研究提供重要资料,因此,明晰地表水化学组成及控制影响因素,在为流域水资源管理提供支撑的同时,也为当地水资源管理与保护提供科学的建议。参考文献1 蔡品彦.福建省地表水化学特征变化情况及成因分析J.水资源开发与管理,2020(5):44-47.2 孙大明.大连市地表水化学特征分析J.水资源开发与管理,2020(2):56-61.3 孙大明.大连地区地下水化学特征分析及形成机制研究J.水资源开发与管理,2022,8(2):54-58.4 胡甜,谢先军,严璐,等.东寨港流域地表水化学组成特征及其成因J.安全与环境工程,2022,29(1):154-162.5 何姜毅,张东,赵志琦.黄河流域河水水化学组成的时间和空间变化特征J.生态学杂志,2017,36(5):1390-1401.6 张旺,王殿武,雷坤,等.黄河中下游丰水期水化学特征及影响因素J.水土保持研究,2020,27(1):380-386,393.7 延子轩,冯民权.长河流域矿区地表水化学特征及驱动因子分析J.环境化学,2022,41(2):632-642.48