張景森,張 靜,張景廣,鞏佳琨,杜文堂

(1.河北工程大學資源學院,河北邯鄲056038;2.河北工程大學圖書館,河北邯鄲056038;3.邯鋼集團邯寶鋼鐵有限公司,河北邯鄲056003;4.河海大學土木工程學院,江蘇南京210098)

滏陽河是海河流域子牙河水系的南支干流 (北支為滹沱河),發(fā)源于河北省南部邯鄲市峰峰礦區(qū)鼓山(舊稱滏山)南麓的黑龍洞泉群,全長402km,是一條防洪、排澇、灌溉等綜合利用的主干河道,也是河北省污染最嚴重并要求重點治理的水系之一。河流上游段流經(jīng)華北重要的工業(yè)和礦業(yè)城市——邯鄲市,對城市環(huán)境和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的作用,因此近年來一直受到許多學者的重視。已有的研究工作主要集中于河流水質污染狀況評價、預測及防治對策方面[1-8],對河流水質形成的水化學機理的研究則很少,公開發(fā)表的文獻很難找到較完整的水化學分析數(shù)據(jù)。隨著人們對環(huán)境質量的重視,小流域水環(huán)境的研究必將得到更多的關注。本文通過較全面地分析邯鄲段滏陽河的水化學特征,探討河水中主要離子成分在人為因素影響下的地球化學行為,對流域內水資源利用、水源地保護和環(huán)境污染防治具有重要的指導意義。

1 研究區(qū)概況

研究范圍為滏陽河上游的邯鄲市區(qū)及以上河段,從和村鎮(zhèn)到黑龍洞泉群,經(jīng)東武仕水庫調蓄后,流經(jīng)磁縣、邯鄲市,至出邯鄲市蘇里村止,全長約85km,沿程先后有牛河、渚河、沁河和輸元河匯入,并有支漳河分洪流出(圖1),地表流域面積約1 600km2。該流域位于太行山東麓與華北平原接壤地帶,屬于暖溫帶半濕潤半干旱大陸季風性氣候區(qū),四季分明,蒸發(fā)量大,多年平均年水面蒸發(fā)量1 200mm,多年平均陸地蒸發(fā)量520mm;降雨量適中,多年平均年降水量549mm,降水集中于7～8月份。東武仕水庫修建于1958年,總庫容1.52×108m3,是集城市防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、向邯鄲市供水和發(fā)電以及養(yǎng)殖等綜合利用的大型水利工程[1]。據(jù)東武仕水文站觀測,滏陽河多年平均徑流量為12m3/s,是下游農(nóng)田灌溉、抗旱用水的主要水源。

研究區(qū)在構造上處于太行山斷塊隆起與華北平原裂陷盆地的構造分界處[9],地勢總體西高東低,地層總體上自西向東逐漸變新,西部及中部的鼓山背斜區(qū)出露有寒武-奧陶紀碳酸鹽巖地層,其余地表大部分為第四紀松散沉積物(圖1),僅在局部零星出露石炭紀、二疊紀等地層。第四系下伏的石炭-二疊紀地層是本區(qū)煤炭資源的賦存層位。區(qū)內斷裂構造發(fā)育,走向以NNE及NE向為主,NWW向次之,不同走向的斷層相互切錯,形成若干小型地壘、地塹及階梯狀單斜(掀斜)斷塊組合等構造形態(tài);褶皺寬緩,如大型褶皺鼓山背斜、蓮花山、賈壁山等背斜以及和村向斜等,主體構造線方向呈NNE-NE展布(圖1)。

區(qū)內地下水系統(tǒng)為著名的邯邢巖溶水文地質南單元(黑龍洞泉域),地下水集水面積約2 400km2,主要接受西部和中部碳酸鹽巖山區(qū)大氣降水和地表水的補給,由南、西、北三面沿向斜盆地和斷裂帶向該區(qū)中部和東部徑流,以大型水源地集中開采和礦井疏排形式排泄,向東徑流部分受石灰?guī)r埋深加大和斷層阻水影響在黑龍洞一帶以泉群排泄[10],是水庫水的最主要來源(圖1)。系統(tǒng)內各集中式開采的大型水源地和各礦區(qū)集中式疏排井以及眾多分散式開采的工農(nóng)業(yè)和生活用水水源井的總開采量達11.89m3/s,其中巖溶水集中開采量為3.78m3/s[11]。由于巖溶水水源地就在礦區(qū)和流域內,大量的開采導致在枯水年份出現(xiàn)黑龍洞河水倒灌補給巖溶地下水的現(xiàn)象,對邯鄲市飲用水水源地造成安全隱患[12]。另外,在岳城水庫-東武仕水庫近南北向一線的斷裂帶附近還分布有高礦化的低溫熱水[13-14]。

2 取樣與分析方法

采集滏陽河水化學全分析和重金屬元素分析水樣12組(圖1),其中水庫上游2組,巖溶泉水1組,水庫水1組,主河道水4組,匯入支流3組,流出支流1組。取樣時間集中在2009年3月15日完成。此前的秋、冬、春季干旱少降水,水樣最能代表河流典型的基流水質特征。采樣時在水面以下0.5m處取水,按照國家環(huán)境保護總局《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范(HJ/T91-2002)》要求洗滌容器和保存水樣。水樣全分析和重金屬分析在河北工程大學分析測試中心完成。分析時取澄清水樣直接測試,水質全分析使用化學滴定法,其中K++Na+離子為計算值,重金屬離子中Zn2+、Cu2+、Mn2+、Pb2+使用PE-AA700型原子吸收光譜儀檢測,Cr6+利用二苯碳酰二肼分光光度法檢測。

3 河流水化學特征與分析

3.1 河流水質分析

根據(jù)水樣主要離子化學分析結果(表1)與其組成Piper圖解(圖2),滏陽河干流和各支流水質pH值為7.33～7.89、均呈弱堿性,陰離子以據(jù)優(yōu)勢,次為,陽離子以Ca2+占優(yōu)勢,其次為Na++K+,水化學類型大多為 HCO3?SO4-Na?Ca型水,屬于碳酸鹽-硫酸鹽型河流。河水總溶解固體 TDS濃度變化范圍大,從 530mg/L至2 329mg/L,均高于黃河水系TDS中位值452mg/L,遠高于長江水系中位值206mg/L[15-17]。

在Piper圖(圖2)和各離子濃度與TDS關系圖(圖3)中,可以明顯地區(qū)分出5組水質。第I組巖溶泉水(F3)為 SO4?HCO3-Na?Ca型水,TDS為573mg/L;第II組包括水庫水(F4)和水庫下游近水庫的河水(F5),TDS為530～591mg/L,分別為HCO3?SO4-Mg?Ca 型水和 HCO3?SO4-Na?Ca型水 ;第III組(F6、F7、F8、F10 和 F11)TDS 為 696～ 847mg/L,最能代表受人為因素影響的河流干流水質,均為HCO3?SO4-Na?Ca型水;第 IV 組為泉群以上河水F1和F2,代表礦井排水水質,為HCO3?SO4-Na?Ca或 HCO3?SO4-Ca型水,TDS為 1 003～1 041mg/L;第V組為市區(qū)內兩支流水樣F9和F12,代表城市廢水水質,分別為 Cl?SO4-Ca?Na和Cl-Na型水,TDS高達1 715～2 329mg/L。圖解顯示出III組水質明顯具有可由 I、II、IV和V組水混合形成的趨勢。

表1 滏陽河邯鄲段各取樣點水化學特征Tab.1 Hydrochemistry of water samples from Fuyang river

3.2 水化學沿流程變化分析

若以水樣 F4、F5、F8、F10和 F11代表干流的水質,以F1為起始點計算河流徑流距離,則在水化學特征與徑流距離關系圖解上可以清晰顯示出各離子成分和其它指標隨徑流途徑的演化趨勢(圖4)。水庫及以下河水,隨著徑流途徑增加,河水中 Ca2+、Mg2+、Na++K+以及含量均明顯增加,和Na++K+、Ca2+,增長率均大于 0.5mg/(L?km);TDS濃度也增大,其增長率達4.93mg/(L?km);pH值則趨于減小。河水呈現(xiàn)出顯著的酸化和鹽漬化趨勢。

3.3 水污染分析

河流水體的另一特征就是氮污染。各水樣氨氮均超過地表III類水限值1.0mgN/L,部分水樣(F1、F8～F12)超過V類水限值2.0mgN/L。氨氮污染主要來自于生活廢水、農(nóng)業(yè)施肥,部分來源于化肥等工業(yè)廢水(如F9、F12)。有些水樣(F3、F11)還存在硝酸鹽氮污染,主要污染源為工業(yè)廢水。特別是巖溶泉水(F3)附近硝酸鹽氮超過生活飲用水地表水源地標準10mgN/L,是非常值得重視的現(xiàn)象。

對各水樣進行的 Cr6+、Mn2+、Cu2+、Zn2+、Pb2+五種重金屬元素分析表明,一般不超過II類地表水標準值,但F10水樣中的Zn2+嚴重超標,達到1.7mg/L,顯然是工業(yè)廢水排入河道的結果。

4 河水離子化學的影響因素

4.1 自然因素

河水中的溶解鹽類首先由自然因素控制。滏陽河水主要補給源為巖溶水,區(qū)內廣泛分布的碳酸鹽巖石的溶解可以提供大量的Ca2+、Mg2+和HCO3-,構成河水離子的本底值,但與華北巖溶水[18-19]相比卻具有較高的TDS值和主要離子含量(HCO3-除外,圖3)。HCO3-濃度由碳酸鹽巖溶解產(chǎn)生,受當?shù)氐乇硐蛩休斔虲O2能力控制,濃度一般為200～250mg/L;若濃度較高則表明水體可能受到人為因素的影響,城市廢水可能攜帶堿性化學物質,廢水中大量的易降解有機物質分解可以大大增加水中HCO3-濃度[16],如F9、F12水樣(圖3)。

4.2 人為因素

人為因素對河流水化學的影響日益突出。邯鄲市以及峰峰礦區(qū)是礦業(yè)、工業(yè)和人口聚集區(qū),煤礦開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)、生活廢水對滏陽河的水環(huán)境產(chǎn)生了極大的影響。人為因素影響的主要機制包括3個方面:(1)蒸發(fā)-濃縮作用。(2)直接向河流輸入化學物質。(3)加劇化學風化作用強度。

河流水面存在自然蒸發(fā),水庫蒸發(fā)作用能明顯增加水體TDS值[15],但在本地區(qū)不是影響河水化學的主要因素。城市廢水(V組)的高TDS表明人類用水過程中可能存在人工蒸發(fā)作用。該地區(qū)工業(yè)用水主要是巖溶水,若大致以F4代表原水,F9代表工業(yè)廢棄水,參照錢會等[22]的計算方法,依據(jù)的變化,把原水濃縮3倍左右,則有離子被同倍數(shù)濃縮,但由于白云石和方解石過飽和而沉淀(圖4),這些離子還會按比例減少到現(xiàn)有濃度。不同的工業(yè)用水這種蒸發(fā)程度差異很大,如F12支流水蒸發(fā)濃縮可能只有1倍左右。

上述的人工蒸發(fā)作用并不足以形成廢水完整的主要離子成分,還必須有額外的 NaCl和NH4HCO3的加入,前者很可能來源于生活廢水、后者與支流上游的化肥廠廢水有關。工業(yè)廢水中的鹽類與工業(yè)類型有關,如沁河F9為NH4HCO3,輸元河F12含有較多的NaHCO3等。人為向河流輸入鹽類,最多的是NaCl,可能源于生活廢水;最普遍的是氮污染,主要源于生活廢水和農(nóng)業(yè)施肥。城市廢水匯入河流時帶入大量的氯化鈉等鹽類物質和酸性物質,降低了方解石和白云石礦物的飽和指數(shù),且白云石降低較快(圖4),從而增加了混合后河水對方解石和白云石的溶解能力[23],增強河水的鹽漬化傾向。

人為因素還從多方面加劇著化學風化作用的強度。一方面是煤礦開采活動,使得大氣氧進入煤系地層,原有的還原環(huán)境改變?yōu)檠趸h(huán)境,煤系地層中的黃鐵礦被氧化產(chǎn)生的酸性礦井水與普遍存在的方解石和白云石發(fā)生中和反應使得礦井水中鈣和鎂離子含量增加;如果礦坑環(huán)境中存在綠泥石(Mg5Al2Si3O10(OH)8),則可顯著增加礦井水中的鎂離子含量[20]。源于礦井排水的河水(F1和F2)具有高Ca2+、Mg2+和SO42-離子含量、低 pH 值等特征非常接近典型的煤礦酸性礦井水水質[20-21](圖3各插圖)。攜帶大量Ca2+、Mg2+的酸性礦井水匯入河流,方解石和白云石礦物的飽和指數(shù)得到提高或保持過飽和狀態(tài)(圖4),可能產(chǎn)生沉淀,部分地降低河水TDS濃度,這可以解釋東武仕水庫水具有較低的TDS值的現(xiàn)象。另一方面,人為產(chǎn)生的酸化環(huán)境也加劇化學風化的強度。通常用總硬度與總堿度比值作為判別天然水體是否受到人類酸化影響的指標,該比值等于1時天然水體石灰?guī)r溶解只受到水中碳酸的影響,大于1時石灰?guī)r溶解過程有人為酸的輸入[16]。本次分析河水該比值大多數(shù)大于1(圖4)表明,河水已受到人為酸化的顯著影響。這種酸化的原因可能是:煤炭燃燒產(chǎn)生的酸性氣體物質(碳、氮、硫)增多、廢水中大量易降解有機物質降解產(chǎn)生二氧化碳、大量酸和堿性鹽隨礦山排水和工業(yè)廢水進入水體以及施肥產(chǎn)生的多余含氮化合物被氧化等[24]。

5 結論

1)滏陽河邯鄲段流域內主要存在干流河水、水庫水、巖溶水、煤礦井排水和城市廢水5種類型的水質,前三者總溶解性固體TDS值小于1g/L,后兩者TDS值大于1g/L,干流河水為HCO3?SO4-Na?Ca 型,巖溶泉水為 SO4?HCO3-Na?Ca 型,水庫水為HCO3?SO4-Mg?Ca型 ,煤礦井排水為HCO3?SO4-Na?Ca或 HCO3?SO4-Ca型 ,城市廢水為 Cl?SO4-Ca?Na或 Cl-Na型 。

3)人為因素通過多種機制對河水水化學產(chǎn)生影響,主要機制是人工蒸發(fā)、直接物質輸入和通過影響環(huán)境加劇化學風化作用強度。

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