石羊河中下游流域水环境化学特征研究

2015-12-14朱朝霞

地下水 2015年1期

朱朝霞

(甘肃省水文水资源局，甘肃兰州 73000)

河流是降水经地表径流汇集而成的，河水成分一方面取决于与水接触的物质成分及溶解度;另一方面取决于作用进行的条件:化学及物理化学作用[1]。河流是地球水圈中最为活跃的部分，其水化学组成具有易变性和多样性，这种易变性和多样性是由环境条件在空间和时间上的差异和变化所造成的[2]。石羊河在甘肃省河西走廊经济社会发展中具有重要地位，笔者对石羊河中下游水环境地球化学特征，确定水质类型及河流水体的主要组成离子的研究，将有利于掌握石羊河中下游流域的环境地质条件、河流的自净化能力和水体的水质状况，并为环境管理者制定相关政策提供参考。

1 研究区概况

石羊河古名为谷水，为甘肃省河西走廊三大内陆河之一，全长约250 km。石羊河全水系自东而西，主要支流有古浪河、大景(靖)河、金塔河、黄羊河、西营河、东大河及西大河等，源头均为祁连山东段，河系以雨水补给为主并兼有冰雪融水成分。上游流域祁连山区降水丰富，冰川和残留林木有64.8 km2，是河流的水源补给地。中游流域流经走廊平地，形成永昌和武威诸绿洲，灌溉农业较发达。下游流域为民勤绿洲。终端湖如青土湖及白亭海等近期均已消失。全流域共建成100万 m3以上水库15座，其中以大景峡、南营、黄羊河、红崖山、西马湖及金川峡等水库较大[3]。

本研究主要采用石羊河中下游流域3个监测站采样数据，分别为石羊河中游的四坝桥水质监测站、石羊河中游的蔡旗水文监测站以及石羊河下游的红崖山水库水文监测站(图1)，采样时间为2013年1月至2013年12月份，各个月采样一次，样品分析方法为国家环保局的《水和废水监测分析方法》[4]。

2 研究结果及分析

2.1 石羊河中下游流域水中主要离子

根据石羊河中下游流域三个监测站一年的监测数据可知，目前石羊河中下游河水的主要水化学成分库尔浓度为HCO-＞Ca2+＞SO2-＞Cl-＞K+＞ Mg2+＞Na+＞CO2-。

2.1.1 HCO3-离子

HCO3-是石羊河中下游水中主要阴离子。石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年HCO3-在141～368 mg/L，均值为287 mg/L;蔡旗水质监测站监测水质全年HCO3-在 132 ～ 320 mg/L，均值为 240.1 mg/L;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年HCO3-在105～188 mg/L，均值为142.3 mg/L(图2(1))。天然水中的 H CO-23-HCO3--CO2一般处于平衡状态，但当 pH值在 8.5左右时，河水中碳酸根离子主要是以 HCO3-的形式存在，其含量将直接影响总盐量，并进而影响水的化学稳定性。

图1 石羊河中下游3个水质监测站地理坐标

2.1.2 Ca2+离子

Ca2+是石羊河中下游水中主要阳离子之一。石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年 Ca2+在 52.5～112 mg/L，均值为 99.1 mg/L;蔡旗水质监测站监测水质全年Ca2+在 49.7 ～ 112 mg/L，均值为 77.03 mg/L;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年 Ca2+在 42.1～66.4 mg/L，均值为 55.3 mg/L(图 2(2))。

HCO3-及 Ca2+主要来源于泥灰岩、石灰岩、白云岩等碳酸盐类岩石的溶解，该溶解过程与水中的 CO2含量有关，石羊河中下游阴离子以HCO3-为主，阳离子以 Ca2+、Mg2+和K+为主，其原因是在石羊河上游流域分布有较多碳酸盐矿物的岩石，并且水热条件充分，这为碳酸盐的溶解创造了良好条件，并导致了水中聚集了足够的HCO3-及 Ca2+，其在水化学中占绝对优势，并且随着时间的推移，河水中的 HCO3-和Ca2+含量比例逐渐增加。

2.1.3 K+离子

K+是石羊河中下游水中主要阳离子之一。石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年K+在8.45～68.7 mg/L，均值为34.55 mg/L;蔡旗水质监测站监测水质全年 K+在8.41 ～88.3 mg/L，均值为 26.81 mg/L;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年 K+在 17.4～59.8 mg/L，均值为 32.39 mg/L(图 2(3))。

2.1.4 Mg2+离子

石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年Mg2+在10.6～35 mg/L，均值为 27.18 mg/L;蔡旗水质监测站监测水质全年 Mg2+在 10.5 ～ 62.4 mg/L，均值为 30.29 mg/L;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年 Mg2+在12.9～38.8 mg/L，均值为 23.28 mg/L(图 2(4))。

2.1.5 Cl-离子

石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年Cl-在20.1 ～63.5 mg/L，均值为 47.48 mg/L;蔡旗水质监测站监测水质全年 Cl-在 5.5 ～ 56.0 mg/L，均值为 33.59 mg/L;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年 Cl-在19.2～50 mg/L，均值为34.65 mg/L(图2(5))。与石羊河中游相比，下游Cl-含量较低，这与红崖山水库蓄水量大小正相关。

2.1.6 SO42-离子石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年SO42-在56～152 mg/L，均值为121.1 mg/L;蔡旗水质监测站监测水质全年SO42-在 58 ～177 mg/L，均值为 116.9 mg/L;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年SO42-在73～147 mg/L，均值为 115.8 mg/L(图 2(6))。

2.1.7 Na+、MnO42+、CO32+离子

通过监测分析发现，这些离子在河水中所占比例较低，且全年变化幅度较小，但总体趋势都是石羊河中游值比下游高。

图2 石羊河中下游三个测站水中主要离子含量

2.2 河水的理化性状

2.2.1 pH 值

石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年pH值在7.8～8.0，均值为7.91;蔡旗水质监测站监测水质全年 pH值在8.0～8.3，均值为8.21;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年 pH值在8.1～8.4，均值为8.35;三个监测点的pH值在枯水期都比丰水期为大(图3(1))。石羊河中下游水质偏碱性，主要是石羊河上游分布广泛的碳酸盐岩的溶蚀作用，导致水中形成碳酸氢盐缓冲体系所造成。同时，由于石羊河下游流域广泛的碱性土壤对水中的pH值的影响，造成石羊河流域下游的pH值整体都比中游的pH值为大。

2.2.2 矿化度

石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年矿化度在306～755 mg/L，均值为640.8 mg/L;蔡旗水质监测站监测水质全年矿化度在 286～765 mg/L，均值为 546.6 mg/L;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年矿化度在316～530 mg/L，均值为428.3 mg/L(图 3(2))。与石羊河流域下游相比，中游矿化度偏高。

根据《地表水资源质量评价技术规程》SL395-2007的矿化度分级标准，即矿化度小于300 mg/L的水属于较低矿化度水，但是在36个监测数据中矿化度值就有34个高于300 mg/L，说明此段河水属于中等矿化度水和适度硬水[5-6]，这与该段 HCO3-含量偏高情况是一致的。矿化度表明了水体中总盐量水平，其值大小直接影响元素的水迁移系数，并且是反映水质理化性状的重要指标[7]。同样，依据矿化度大于500 mg/L即能认为地表水的天然本底水质有变差趋势或已变差[8]，而石羊河中游24个监测数据中水质矿化度值大于500 mg/L的有18个，表明石羊河中游的天然本底水质受到一定程度的污染。但在下游的红崖山水库水质监测站12个监测数据中水质矿化度值高于500 mg/L的有2个，表明石羊河下游的天然本底水质受污染的影响较中游为小。

图3 石羊河中下游三个测站的河水理化性状

2.2.3 电导率

石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年电导率在396 ～1 120 μs/cm，均值为 905.4 μs/cm;蔡旗水质监测站监测水质全年电导率在 354～1 130 μs/cm，均值为 754.3 μs/cm;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年电导率在 436～770 μs/cm，均值为 608.1 μs/cm。从时间上研究发现，石羊河中游的四坝桥和蔡旗水质监测站在1月～2月和11月～12月2个时间段内，电导率相对比7月～9月丰水期大;但是，位于石羊河下游的红崖山水库水质监测站电导率最大值出现在3月～5月，这可能跟春耕用水量较大有关，导致水库中蓄水较少的原因所造成。同时，与石羊河流域中游相比，下游电导率偏低，表明下游水质比中游水质好(图3(3))。

2.2.4 溶解氧

石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年溶解氧在5.2 ～ 10.4 mg/L，均值为 7.84 mg/L;蔡旗水质监测站监测水质全年溶解氧在 6.5 ～11.4 mg/L，均值为 9.1 mg/L;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年溶解氧在5.9～13.3 mg/L，均值为 10.2 mg/L(图 3(4))。与石羊河下游相比，中游溶解氧偏低。

2.2.5 总硬度(以 CaCO3计)

石羊河中游的四坝桥水质监测站监测水质全年总硬度饱和率在175～403 mg/L，均值为359.5 mg/L;蔡旗水质监测站监测水质全年总硬度饱和率在172～461 mg/L，均值317.1 mg/L;石羊河下游的红崖山水库水质监测站监测水质全年总硬度饱和率在 178～295 mg/L，均值为 234.1 mg/L(图 3(5))。与石羊河下游相比，中游总硬度偏高。