黄河山东段水化学特征及其控制因素

，，

(1.黄河水利委员会山东水文水资源局，山东济南250100；2.黄河口水文水资源勘测局，山东东营257091)

河流是陆地与海洋间物质、能量交换的重要通道，它在全球水循环及地球化学循环中起着重要作用，其水化学特征受流域气候、地质特性等自然因素及工农业生产等人为因素的多重影响[1]。研究河流体系水化学特征能够反映地表岩石风化作用、大气降水输入及人类生产活动对流域水体环境的影响，从而可以了解河流水体元素分布及迁移转化规律[2]，为水质管理和生态环境保护与建设提供科学依据。

国外学者最早于20世纪中期开展水化学研究，Piper[3](1953年)用阴阳离子三角图分析了水体的地球化学组成，Gibbs[4](1970年)通过研究溶解性总固体(TDS)与阴阳离子浓度比的关系，得出大气降水、岩石风化和蒸发-结晶过程是控制全球地表水水化学特征的三大因素。中国学者对河流离子化学的研究始于20世纪60年代，1963年，乐嘉祥[5]等研究了中国500条河流的水化学特征及其时空变化规律。1982年，Hu[6]等在对长江、黄河、鸭绿江、澜沧江等的水化学研究中发现，河流离子组成主要受碳酸岩和蒸发岩溶蚀作用以及铝硅酸盐风化作用的影响，其中溶蚀作用影响更大。随着对河流水化学特征及其形成原因研究的深入，对黄河[7]、长江[8]、珠江[9]等河流的水质状况、水化学特征、时空变化趋势、形成原因等的认识更加深入。

黄河是中国第二大长河，是世界上著名的多泥沙河流，其水化学特征及成因、流域碳循环一直以来都是研究热点。2006年，陈静生[7]等通过对1958—2000年黄河流域水质监测资料的分析，得出黄河的离子化学主要受沉积岩化学风化作用及干旱气候影响下水中溶解盐蒸发浓缩和结晶作用控制的结论。2009年，张龙军[10]等通过对黄河干流及部分支流水样和河床砂样的分析，计算了流域硅酸盐风化的CO2消耗率。2014年，Fan等[11]通过对黄河干流水样的分析，计算了流域内各类型岩石的化学风化速率。

本研究以黄河下游山东段为研究对象，运用水化学及统计学方法，系统分析了黄河下游山东段枯水期、平水期、丰水期河水主要离子的水化学特征及其时空变化规律，并结合Piper三线图、Gibbs图等分析了黄河下游山东段河水的水化学类型及其控制因素，同时对离子的来源进行了分析，以期为流域水资源管理及生态保护、水资源的合理开发利用提供科学合理的依据。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域概况

黄河下游山东段位于山东省西北部，干流河道全长628 km，流域面积1.83万km2。气候为温带大陆性季风气候，年平均气温为11.7℃～14.2℃，多年平均降水量为650 mm，降雨集中在7—9月。

黄河下游山东段属于华北板块(I级构造单元)，包括华北坳陷山东部分和鲁西隆起2个II级构造单元。区内除部分地段有丘陵残山外，地势较为平坦。地表多为厚度不等的第四世纪沉积物所覆盖，第四系沉积物主要为黄河沉积物，沉积厚度为180～340 m[12]。岩性主要为黏土、粉细砂、沙质黏土，厚度为2～9 m[13]。另外，支流大汶河盆地内分布有从太古宙到第三世纪的花岗岩和变质岩[7]。黄河山东段岩石类型分布见图1。

1.2 样品采集与处理

为研究黄河山东段河水水化学特征的时间和空间变化，分别于2017年采集高村和利津两断面枯水期(2月)、平水期(6月)及丰水期(8月)水样进行分析，具体采样点布设见图1。

采用横式采样器采样，采集黄河水面下约0.5 m处的水样，采样方法为左、中、右等比例混合法，采样方式为船只和吊箱缆道采样或桥梁采样。水样采集后，将所采水样摇匀后倒入筒型玻璃容器，静置30 min，目的是除去沉降性固体(如泥沙等)。然后，将已不含沉降性固体但含有悬浮性固体的水样移入盛样容器，在装入水样前，应先用该采样点水样冲洗3次。装入水样后，按要求加入相应的保护剂后摇匀，并及时填写水样标签，运回实验室待测。测量总硬度和阳离子的水样，加入的保存剂为1 L水样中加入4 mL HNO3；测量pH、电导率和阴离子的水样不加保存剂。

1.3 样品分析

2 结果与讨论

2.1 河水水化学特征

2.1.1河水pH、TDS值特征

黄河山东段河水水化学数据见表1。黄河山东段河水呈弱碱性，pH范围为8.0～8.3，均值为8.2；其中，黄河山东段上游高村断面，pH范围为8.2～8.3，均值为8.2；黄河山东段下游利津断面，pH范围为8.0～8.3，均值为8.1。溶解性总固体(TDS)值变化范围为578～650 mg/L，均值为617 mg/L，高于世界河流TDS平均值(115 mg/L)[2]；其中，黄河山东段上游高村断面，TDS值范围为578～620 mg/L，均值为600 mg/L；黄河山东段下游利津断面，TDS值范围为604～650 mg/L，均值为634 mg/L。黄河山东段从上游(高村断面)到下游(利津断面)河水pH值呈下降趋势； TDS值呈升高趋势，原因可能是受到水体蒸发和岩石风化作用的影响， TDS值随着河水径流过程不断增大[2]。陈静生等[7]对黄河利津站1958—2000年河水pH值和TDS值的统计结果表明，利津站河水pH均值为8.12，TDS均值为508 mg/L，本研究结果与前人研究结果接近。

表1 黄河山东段河水水化学数据

2.1.2河水主要离子组成及水化学类型

2.2 河水水化学特征时空变化规律

黄河山东段河水流量及水化学参数的时空变化见图3—5。从图3—5可以看出，在空间上，除流量、pH 2项参数黄河山东段上游高村断面大于下游利津断面外，其余水化学参数均为下游利津断面含量高；其原因是黄河山东段从上游到下游流量逐渐减小，同时由于河水蒸发浓缩作用，致使水体TDS及离子浓度升高。pH值从上游到下游有下降趋势，这可能与大气降水输入有关，有研究表明受人类活动影响大的区域大气降水pH值更低[1]。在时间上，河水流量丰水期(8月)小于或基本等于平水期(6月)，这可能与小浪底水库8月蓄水有关；除Cl-和K++Na+2项参数外，其余参数含量大都符合ω枯水期>ω平水期>ω丰水期，丰水期pH最低主要是由于丰水期大气降水对河水贡献较大，丰水期其余参数含量也最低同样是由于大气降水充沛造成的，大气降水增加导致径流强度增大，各离子受到显著稀释作用，因此含量较低。流量增加时，Cl-和K++Na+2项参数含量降低，这可能是由于Cl-、K+、Na+少量来源于岩石风化、大部分来源于海洋起源的大气降水[14]。

前人对黄河流域河水水化学特征的时间和空间变化规律也进行过研究，何姜毅等[1]的研究表明，黄河流域河水TDS均值呈现从上游到下游逐渐升高的趋势，本论文中黄河山东段河水TDS均值变化规律与其相同。同时，何姜毅等[1]的研究也表明，河水pH值、TDS值及主要阳离子和阴离子含量丰水期时普遍较低，本论文与其研究结果接近(除Cl-和K++Na+2项参数外)。流量增加时，Cl-和K++Na+2项参数含量降低，这可能与黄河下游受海洋起源的大气降水影响较大有关。

2.3 河水各化学指标相关性分析

表2 黄河山东段河水水化学参数相关系数矩阵

注：*表示在置信度(双侧)为0.05时，相关性是显著的；**表示在置信度(双侧)为0.01时，相关性是显著的

2.4 河水水化学控制因素分析

3 结论

b) 黄河山东段水化学参数，在空间上，除pH外，其余参数从上游到下游均呈上升趋势，原因是河水流量减小及河水的蒸发浓缩作用；在时间上，除Cl-和K++Na+2项参数外，其余参数含量大都符合ω枯水期>ω平水期>ω丰水期，原因是丰水期河水径流增加，Cl-和K++Na+2项参数含量降低，说明Cl-、K+、Na+大部分来源于海洋起源的大气降水。