漳河上游河流水化学特征及主要离子来源

程瑶, 魏宁远, 马建琴

(1.河北工程大学 河北省智慧水利重点实验室,河北 邯郸 056038; 2.河北工程大学 水利水电学院,河北 邯郸 056038;3.华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

河流的水化学组成记录了水的形成和迁移历史,反映了流域内河流水化学特征[1]。流域水化学特征可用于确定水中主要离子的来源、演化过程以及水体与下垫面之间的相互关系[2],是研究水体来源、组成和循环的重要指标[3-5]。

京津冀地区大多位于海河流域,是我国最重要的政治、经济、文化中心之一,同时也是我国自主创新战略的重要承载地之一。然而,随着社会经济的不断发展,海河的水资源短缺问题受到了广泛关注[6]。漳卫南运河是海河的重要水系之一,也是海河水资源量最为充沛的支流之一。漳河作为漳卫南运河的重要支流,研究其水化学特征对于认识海河流域水循环过程、京津冀地区的社会发展和生态保护具有重要意义[3]。

河水的水化学研究[4,7-8]为评估水体类型的形成和演化以及水资源质量的评价提供了定性和定量的研究方法。早在20世纪末就有研究人员对河流水化学特征进行研究评估,GAILLARDET J等[9]讨论了世界60条主要河流中离子的来源发现,所有河流都受到碳酸盐岩和硅酸盐岩风化的影响。DEKOV V M等[10]分析了尼罗河地表径流和地下水中沉积物和悬浮物的化学成分,表明阿斯旺大坝的修建、农业和工业活动是导致河水化学演变的主要原因。近年来,国内水化学研究发展迅速,LI J Y等[11]讨论了黄河水化学特征并估算了黄河的化学风化速率,认为蒸发盐岩的溶解是黄河流域CO2消耗速率低于世界平均水平的重要因素。ZHANG L等[12]讨论了淮河水体的化学组成,证实了淮河作为中国南北分界线的重要依据。孙海龙等[13]讨论了珠江流域水化学特征的时空分布并估算了其岩石风化速率,明确了流量变化对于河流岩溶碳汇通量的影响。刘敏等[14]分析了长江源区主要河流的水化学特征并对河水适用性进行了评价,该分析指出了长江发源区的地表水化学特征主要受岩石风化作用和蒸发结晶控制。

漳河作为海河流域重要的水源地,漳河的治理对于海河流域水资源管理具有重要意义。万思成等[15]利用长系列径流资料研究了漳河上游水资源的变化趋势,表明漳河上游水资源量在1958—2012年呈下降趋势。孙从建等[16]和房晓君等[17]分别利用稳定同位素和数值方法等探讨了漳河上游地区地下水和地表水的转化过程,指出河水和大气降水对地下水有明显的补给作用。根据已有的研究结果,对漳河上游水资源演化和地表水与地下水转换过程有了一定认识,但是对于人类活动影响下的漳河上游水岩交互作用以及水体溶质来源并不明确。为此,本研究通过分析漳河上游河流主要离子类型,从水化学角度阐述该区域水循环过程,研究自然和人为等因素对漳河上游地区的河流水化学特征的综合影响,揭示河流主要离子来源,识别水岩作用对于区域产汇流机制的重要作用,为漳河上游和海河流域水资源管理和水生态环境保护提供科学依据。

1.1 研究区概况

漳河属于海河流域南源之一,是漳卫南运河水系的重要支流之一。漳河发源自山西,流经河北、河南后,经岳城水库流入卫运河(北纬36°04′～37°33′、东经112°37′～114°08′)。漳河上游流经太行山区,大地构造位于太行山新华夏系第三隆起带,岩性地层出露主要有泥岩、石英砂岩、页岩以及石灰岩等。漳河上游包括浊漳河和清漳河两条支流,在河北省涉县汇入漳河,如图1所示。浊漳河流经上党盆地,周边为高山,内部多为丘陵和平原,流域内土壤侵蚀严重,河流泥沙含量较高[16],河源分为南源、西源和北源。清漳河地形西北较高,东南较低,多石山,地势险峻,河源分为东源和西源。

图1 研究区采样点分布图

1.2 水样采集与检测

2.1 主要离子特征

表1 漳河上游流域地表水化学统计

2.2 水化学特征及主要控制因素

2.2.1 水化学类型分析

流域内不同水体的离子组成和水化学特征受气候背景、地形条件、地质条件和水岩相互作用的影响。本文采用舒卡列夫分类法对水体水化学类型进行划分,结合Piper图2分析漳河地表水的化学组成和演化过程[20],进而研究地形条件、地质条件和水岩相互作用对区域水循环过程的影响。

(a)2019年Piper三线图

2.2.2 主要控制因素

岩石风化、蒸发结晶、大气降水和人类活动输入的离子共同控制着河流水化学特征[7]。蒸发结晶、降雨和岩石作用是控制水化学的3个重要自然因素,通常可以用Gibbs图来识别它们的作用[23-24]。当TDS值为10 mg/L,且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)大约是1时,水化学特征主要由大气降水控制,其点分布在Gibbs图的右下角;当TDS值为70～300 mg/L,且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)值低于0.5时,水化学特征以岩石风化为主,数据点分布在图中左侧;当TDS值较高,且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)值约为1时,水化学特征主要受蒸发岩溶解影响,数据点分布在图中右上角。研究区的离子分布如图3所示,漳河上游地区广泛受到岩石风化的影响,远离大气降雨控制带,偏向蒸发结晶作用带。此外,部分浊漳河水样位于Gibbs图的右中部区域,即Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)值大于0.5,这可能是由于该地区地表水化学特征受到来自其他因素的影响,如阳离子交换的影响。

此外,为了进一步阐明岩石风化对区域水化学特征的影响,GAILLARDET J等[9]构建了钠标准化的离子比例关系图。图4为漳河上游钠标准化的离子比例关系图。由图4可知:漳河干流和清漳河主要位于碳酸盐岩和硅酸盐岩之间,说明漳河干流和清漳河水体演化受流域碳酸盐岩和硅酸盐岩溶解的影响;浊漳河主要位于碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发盐岩之间,表明浊漳河受碳酸岩、硅酸岩和蒸发岩风化和溶解的共同影响。

(a)Mg2+/Na+与 Ca2+/Na+关系图与 Ca2+/Na+关系图

上述分析表明,水岩交互过程在漳河上游水体演化过程中起着显著作用,这意味着漳河流域径流形成过程可能受山区水岩作用的影响。因此,以后的研究中应该更加关注山区岩溶过程对于漳河流域产汇流的影响,而非简单考虑地表径流形成过程,这对于深入认识漳河上游地区降水产流机理以及精准评估流域水资源具有重要意义。

2.3 离子来源解析

(a)漳河上游Na+与 Cl-关系图

此外,地表水的化学成分除了受当地气候、水岩作用、地表水地下水交互作用等自然因素[8]的影响,还在很大程度上受到灌溉、废水排放、跨流域调水等人为因素[29]的影响。

阳离子交换也可能是影响一个地区的水化学特征的重要因素[25,31],图6为漳河上游水体氯碱指数及阳离子交换过程,图6(a)表明了阳离子交换的可能性。

图6 漳河上游水体氯碱指数及阳离子交换过程

Schoeller提出两个氯碱指数(CAI-1和CAI-2)用于判断阳离子交换的过程[32],可表示如下。其中所有离子浓度均以mmol/L表示。

(1)

(2)

2Na++CaX2=Ca2++2NaX,

(3)

Ca2++2NaX=2Na++CaX2。

(4)

两个指数为正值,表明发生了正向的阳离子交换见式(3),而负值表示发生式(4)所示的反向阳离子交换[31]。大多数水样都位于图6(a)的左下区域,表明反向离子交换是研究区内的重要过程。

本研究对2019年和2020年漳河上游地表水样本进行了水化学分析,以表征其水化学特征及成因。此外,研究还讨论了地表水中主要离子的释放过程,并识别离子来源,揭示了自然和人为因素对于漳河上游地区河流水化学特征的影响。

3)离子比例关系、Gibbs图以及氯碱指数等综合分析表明,水岩交互作用是漳河上游水体演化的重要过程,碳酸岩风化和蒸发岩溶解过程控制了漳河上游的水化学特征,影响了漳河流域径流形成。此外,河流离子构成也受到了阳离子交换和人类活动的影响。

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