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)

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〔2019〕37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CⅢCa、ClⅢCa和SⅢCa,其中主要以CⅢCa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Ⅲ型水为主,没有发现Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅳ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

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。

表2 大连地区地表水化学组成Person相关性分析

3.2 吉布斯(Gibbs)图成因分析

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ρNa+/(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。

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。

图2 大连地区地表水化学组成离子比值

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(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

图3 研究区地表水Mg2+/Na+与与Ca2+/Na+的比值关系

通过水体中ρ(Ca2+)/ρ(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,则离子来源于硅酸盐的风化溶解。由图4可知,研究区ρ(Ca2+)/ρ(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。

图4 研究区地表水ρ(Ca2+)/ρ(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ρ(Na++K+)与ρ(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ρ(Ca2++Mg2+)与ρ(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。

图5 大连地区地表水ρ(Na++K+)与ρ(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CⅢCa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。