朱婭娣 邵天杰

(陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,西安 710119)

水資源短缺是全球面臨的最為嚴(yán)重的十大環(huán)境問題之一[1],尤其在農(nóng)村或不發(fā)達(dá)地區(qū)表現(xiàn)更為明顯,這些地區(qū)主要依靠地下水灌溉或直接取用地表水來解決水資源緊張的問題,但天然水體極易受人類活動(dòng)、大氣沉降等自然因素影響[2-3],進(jìn)而改變其離子組分特征,影響水質(zhì).大量研究表明[4-6],探究天然水體水化學(xué)特征及控制因素對(duì)研究區(qū)域的水資源管理具有重大意義.Moya等[7]采用多元統(tǒng)計(jì)方法揭示了加利利盆地含水層水化學(xué)演化規(guī)律;Demlie等[8]從提高水質(zhì)質(zhì)量出發(fā)探討了研究區(qū)域地下水補(bǔ)給和地球化學(xué)演化的空間格局,為開發(fā)新的地下水水資源提供科學(xué)依據(jù);Sarkar等[9]依據(jù)德里西北部洪泛平原地下水的水化學(xué)特征來揭示地下水的相互作用,得出鈣和鎂的富集是由于大氣來源定期補(bǔ)給淡水的結(jié)論.任孝宗等[10-11]借助離子組分Ca2+、Na+、Mg2+之間的關(guān)系對(duì)地下水樣本進(jìn)行灌溉等級(jí)評(píng)價(jià),來判斷是否符合灌溉標(biāo)準(zhǔn).因此,研究水體水化學(xué)特征不僅可以了解某一區(qū)域的水文演化規(guī)律,還可以為當(dāng)?shù)氐乃Y源可持續(xù)發(fā)展提供理論支持.

浐河流域是西安市跨區(qū)最多的流域,是流經(jīng)區(qū)域最主要的生態(tài)景觀區(qū)和水源供給源區(qū),也是灞河的最大支流,最終匯入渭河.以往對(duì)浐河流域的研究主要集中在生態(tài)評(píng)價(jià)[12]或利用同位素示蹤法[13-14]追溯氮源方面,鮮有聚焦浐河流域水化學(xué)特征研究.因此本文以浐河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,共采集該地區(qū)枯水期的地表水樣10份,泉水樣1份,分析該區(qū)域枯水期的水化學(xué)特征,探究其主要離子來源及控制因素,以期為當(dāng)?shù)厮Y源管控提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

浐河流域位于陜西省西安市東南郊區(qū),起源于藍(lán)田縣秦嶺高山地帶,流經(jīng)未央?yún)^(qū)、雁塔區(qū)和長安區(qū),于灞橋區(qū)注入灞河,全長64 km,流域面積760 km2.它的主源為湯峪河,同時(shí)有庫峪河、岱峪河等共3條支流[15].該流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候[13],春季多風(fēng)干燥,夏季炎熱多雨,秋季溫暖濕潤,冬季寒冷干燥.流域內(nèi)全年平均氣溫在15.5℃,年均降水量600 mm,主要集中在6、7、8三月.

圖1 浐河流域水體采樣點(diǎn)分布示意

1.2 樣品采集與處理

2021年1月采集了浐河流域地表水樣10份(采樣點(diǎn)1～10),泉水樣1份(采樣點(diǎn)11),并將11個(gè)采樣點(diǎn)的周邊環(huán)境特征進(jìn)行匯總,見表1.其中,采樣點(diǎn)10是浐河匯入灞河前的控制點(diǎn),采樣點(diǎn)9是浐河支流匯流成主干流后的控制點(diǎn),采樣點(diǎn)1位于樣點(diǎn)6的上游;同樣,采樣點(diǎn)8是采樣點(diǎn)2和3所在的支流匯流后的控制點(diǎn),采樣點(diǎn)5和7分別是湯峪河和岱峪河的控制點(diǎn),采樣點(diǎn)7同時(shí)也是采樣點(diǎn)3和4所在的支流匯流后的控制點(diǎn).

表1 浐河流域采樣點(diǎn)周邊環(huán)境特征

水體的p H、溶解氧(DO)、溫度和電導(dǎo)率(EC)采用便攜式多參數(shù)儀現(xiàn)場測定;總?cè)芙夤腆w(TDS)采用水質(zhì)檢測筆(檢出上限1000 mg·L-1,檢出下限0 mg·L-1)現(xiàn)場測定;HCO3-和CO2利用滴定法現(xiàn)場測定.水樣采用聚乙烯瓶(500 m L)裝瓶.取樣前用水樣至少潤洗3遍采樣瓶,取陽離子水樣(Na+、K+、Ca2+、Mg2+)時(shí)應(yīng)在取樣完成后瓶中迅速加入5 m L濃硝酸(優(yōu)級(jí)純)并封口編號(hào),陰離子水樣(Cl-、SO42-和NO3-)取樣完成后直接封口編號(hào)即可.水樣采集后立即送回實(shí)驗(yàn)室,避光、放入冰箱保存,并在使用前用0.45μm 的濾膜進(jìn)行過濾.

陽離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+)采用德國Spectro生產(chǎn)的全譜等離子體發(fā)生光譜儀(ICP-AES)測定,檢測限為1μg·L-1;陰離子(Cl-、SO42-和NO3-)采用美國戴安生產(chǎn)的離子色譜儀(ICS-1500)測定,檢測限為1 mg·L-1,陰陽離子的測定誤差低于0.1%.以上實(shí)驗(yàn)均在陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心完成.

1.3 分析方法與質(zhì)量保證

根據(jù)浐河流域地表水和地下水水化學(xué)參數(shù)的測定數(shù)據(jù),利用Spss、Origin、Excel、Arcgis等數(shù)據(jù)分析方法及作圖軟件,探析研究區(qū)域水體水化學(xué)特征及其成因.為保證實(shí)驗(yàn)方法的可靠性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)通過空白、空白加標(biāo)、基質(zhì)加標(biāo)和樣品平行等來進(jìn)行質(zhì)量控制和保證.樣品預(yù)處理過程中,每10個(gè)樣品增加一個(gè)空白、空白加標(biāo)和基質(zhì)加標(biāo).

2 結(jié)果與討論

2.1 水體基本理化性質(zhì)

浐河流域地表水和泉水主要離子組分質(zhì)量濃度見表2.地表水水體pH 均值8.90,TDS最大質(zhì)量濃度為450.00 mg·L-1,陽離子中Ca2+平均質(zhì)量濃度最高,占陽離子總量(TZ+=2Ca2++2Mg2++K++Na+)的40%～70%,陰離子中HCO3-平均質(zhì)量濃度最高,Cl-平均質(zhì)量濃度最低,分別為137.75 mg·L-1和19.90 mg·L-1.其中,泉水樣中陽離子質(zhì)量濃度呈現(xiàn)Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+關(guān)系,陰離子質(zhì)量濃度表現(xiàn)為:HCO3-＞NO3-＞Cl-＞SO42-.變異系數(shù)可以表征離子組分的穩(wěn)定性,變異系數(shù)越大,表明該離子組分越容易受到外部環(huán)境的影響.研究區(qū)域中,Na+與Cl-變異系數(shù)最大(＞1),說明外源輸入時(shí)Na+與Cl-濃度最先波動(dòng).

表2 浐河流域主要離子組分分析結(jié)果

2.2 主要離子組分空間變化特征

為探討研究區(qū)域水體空間變化特征,根據(jù)浐河流域水體主要離子組分與分布位置繪制空間分布圖,如圖2所示.

圖2 浐河流域水體水化學(xué)離子組分含量空間變化特征

Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-這7種離子組分從上游到下游變化基本一致,趨勢為離子質(zhì)量濃度先升后降再升;同時(shí),這些離子組分在3條支流上的質(zhì)量濃度大小關(guān)系為:岱峪河＞湯峪河＞庫峪河.K+質(zhì)量濃度上游端低于下游端,庫峪河的K+質(zhì)量濃度高于其他支流,與其他離子質(zhì)量濃度在支流上的分布特征剛好相反.綜上,這些離子質(zhì)量濃度下游含量整體上高于上游.

2.3 水化學(xué)類型

為判斷研究區(qū)域水體水化學(xué)類型,根據(jù)水體各離子質(zhì)量濃度繪制Piper三角圖,如圖3所示.

圖3 研究區(qū)水體水化學(xué)Piper圖

水中陰離子和陽離子主要集中在左下側(cè)區(qū)域,Ca2+占比40%～70%,Mg2+占比10%～30%;陰離子偏HCO3-端,占比60%～80%.這表明浐河流域主控陽離子為Ca2+,主控陰離子為HCO3-,表明該區(qū)域水體水化學(xué)類型主要為Ca2+-HCO3-型.而Ca2+和HCO3-主要來源于硅酸鹽巖的溶解[16],因此可反映出該流域水化學(xué)特征主要受巖石風(fēng)化溶解控制.

2.4 主要離子來源及控制因素分析

Gibbs圖是一種表明TDS與Na+/(Na++Ca2+)或與Cl-/(Cl-+HCO3-)關(guān)系的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖,對(duì)探究水體水化學(xué)成分的形成機(jī)理很有意義,它將控制水體的因素分為3大類:蒸發(fā)-結(jié)晶、巖石風(fēng)化和大氣沉降[10].由圖4可知:該研究區(qū)域TDS含量在100～500 mg·L-1之間,Na+/(Na++Ca2+)的比值在0.04～0.44之間,Cl-/(Cl-+HCO3-)的比值總體分布在0.01～0.35之間.這些點(diǎn)集中在Gibbs圖的中部左側(cè),表明浐河流域地表水水體水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化影響.

圖4 浐河流域地表水Gibbs圖

為進(jìn)一步揭示各離子之間的關(guān)系并推測離子之間是否具有相同來源[17],采用主要離子相關(guān)性程度和不同離子比例關(guān)系圖進(jìn)行分析,如表3和圖5所示.

表3 浐河流域水體主要離子相關(guān)性分析

圖5 不同離子比例關(guān)系

可以看出,TDS與HCO3-、NO3-、Ca2+、Mg2+極顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.924、0.935、0.952、0.940,這說明浐河流域水體中的TDS主要貢獻(xiàn)者為HCO3-、NO3-、Ca2+、Mg2+.Na+與Cl-兩者之間相關(guān)性顯著,相關(guān)系數(shù)為0.985,表明Na+和Cl-具有相同來源;Ca2+、Mg2+都與HCO3-存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,且Ca2+與Mg2+兩者之間相關(guān)性顯著,表明這3種離子來源相似性極高;NO3-與Cl-有極大相關(guān)性,來源密切;SO42-與任何離子的相關(guān)性都不強(qiáng),表明SO42-的來源不同于其他離子來源,可能人類活動(dòng)如工業(yè)活動(dòng)對(duì)其影響更大[16].在此基礎(chǔ)上,依照離子間相關(guān)性顯著程度,將以上離子分為3組,在下文中進(jìn)一步討論離子來源情況.

2.4.1 Na+、K+和Cl-的來源

借鑒崔玉環(huán)等[18]探究離子來源的方法:以Na+/Cl-與Cl-之間的毫克當(dāng)量濃度比來反映水體中Na+和Cl-的來源,如圖5(a)所示.一般,Na+與Cl-來源于巖鹽溶解[19].若Na+和Cl-的來源完全相同,則兩者比值應(yīng)該接近于1,但研究區(qū)域11 個(gè)采樣點(diǎn)的Na+/Cl-的值均大于1,即Na+存在過剩的情況,說明除了發(fā)生巖鹽溶解外,Na+和Cl-還有其他來源輸入[20].同時(shí),根據(jù)表3發(fā)現(xiàn)Na+和K+的相關(guān)系數(shù)大于0.7,說明兩者有同源關(guān)系:Na+和K+可能來源于斜長石、鉀長石等硅酸礦物的溶解[4,21]以及人為活動(dòng)帶來的影響[22].這也就證實(shí)Na+和Cl-不完全來源于巖鹽溶解這一結(jié)論.值得注意的是采樣點(diǎn)2 的Na+/Cl-值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他采樣點(diǎn),極大可能是人為因素造成的,因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)2位于湯峪溫泉的下游,且河流位于道路主干道旁邊,人類生產(chǎn)活動(dòng)居多.

2.4.2 Ca2+、Mg2+和HCO3-的來源

Ca2+、Mg2+與HCO3-來源于哪種巖鹽溶解通常用(Ca2++Mg2+)與HCO3-的當(dāng)量濃度比(圖5(b))來反映[23]:當(dāng)(Ca2++Mg2+)/HCO3-的值小于1,表明這3 種離子來源以硅酸鹽巖溶解為主;當(dāng)(Ca2++Mg2+)/HCO3-的值等于1,表明其以碳酸鹽和硅酸鹽溶解為主;當(dāng)(Ca2++Mg2+)/HCO3-的值大于1,表明主要來源于碳酸鹽巖溶解.綜上,在所有采樣點(diǎn)中,(Ca2++Mg2+)/HCO3-的值均大于1,說明Ca2+、Mg2+與HCO3-主要來源于碳酸鹽巖溶解.其中,采樣點(diǎn)11 為黃土地下水富集而出露的泉水,水樣受黃土地層中Ca2+、Mg2+與HCO3-含量本身較高的緣故[24],(Ca2++Mg2+)/HCO3-的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他采樣點(diǎn),這也是黃土地層地下水特有的水質(zhì)特征.

為了進(jìn)一步分析參與碳酸鹽巖溶解的酸根離子有哪些,引入(Ca2++Mg2+)/(HCO3-)與(SO42--HCO3-)的毫克當(dāng)量濃度比[25].由圖5(c)可看出,浐河流域11 個(gè)采樣點(diǎn)(Ca2++Mg2+)/(HCO3-)與(SO42--HCO3-)比值擬合斜率大于2,所有采樣點(diǎn)均在直線y=2x上且分散,表明硫酸主要參與了浐河流域水體的碳酸鹽巖溶解過程,而硫酸主要來自人為活動(dòng)產(chǎn)生的硫氧化物[26],其在大氣中擴(kuò)散,并最終在水中溶解.

[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]與(Na+-Cl-)的毫克當(dāng)量濃度關(guān)系可判斷天然水體是否發(fā)生了陽離子交換作用及其作用強(qiáng)度[27],如圖5(d)所示.浐河流域11個(gè)采樣點(diǎn)均位于[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]∶(Na+-Cl-)=1∶1之上,表明陽離子吸附交替作用不顯著.

2.4.3 NO3-的來源

探究硝酸鹽的來源一般用NO3-/Cl-摩爾比指示[28],如圖6所示.采樣點(diǎn)1、2、3具有高NO3-/Cl-摩爾比低Cl-摩爾濃度特點(diǎn),表明此處的NO3-來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng),與采樣點(diǎn)1、2、3地處農(nóng)村,主要以農(nóng)牧業(yè)活動(dòng)為主相符合;高Cl-低NO3-/Cl-表明NO3-和Cl-來自糞便和污水排放,屬于人類活動(dòng)的影響,如采樣點(diǎn)10和采樣點(diǎn)11都位于人類活動(dòng)頻繁的地區(qū),其中采樣點(diǎn)10位于市區(qū)(見表1),上游有再生水排放口,且河流橫穿公園,來往人員多;采樣點(diǎn)11周邊均為廢棄房屋,且與一農(nóng)戶小型養(yǎng)殖場相鄰,所以采樣點(diǎn)11的NO3-和Cl-的來源可能主要受養(yǎng)殖場的家禽糞便影響;若Cl-與NO3-/Cl-都低,表明NO3-來源于土壤氮.

圖6 浐河流域水體Cl-與NO3-/Cl-比值關(guān)系

3 結(jié)論

1)浐河流域水體總體呈堿性,TDS含量均值在236.50 mg·L-1,優(yōu)勢陽離子為Ca2+,占陽離子含量的40%左右,主控陰離子為HCO3-,占陰離子總含量的70%左右.

2)研究區(qū)域水化學(xué)類型為Ca2+-HCO3-型,水化學(xué)組分的形成主要受巖石風(fēng)化的影響.在各個(gè)離子當(dāng)中,Na+與Cl-不完全來源于鹽巖溶解,還有其他來源輸入,如Na+還有一部分與K+同源,來自于斜長石、鉀長石等硅酸鹽礦物的風(fēng)化,而Ca2+、Mg2+、HCO3-來源于碳酸鹽的溶解,NO3-主要來源于土壤氮,另農(nóng)業(yè)活動(dòng)和糞便、污水的排放也會(huì)造成小部分的NO3-存在.