呼伦湖非冰封期与冰封期水化学特征变化研究

郭金燕, 贾克力, 史小红, 赵胜男, 孙标



呼伦湖非冰封期与冰封期水化学特征变化研究

郭金燕, 贾克力*, 史小红, 赵胜男, 孙标

内蒙古农业大学, 水利与土木建筑工程学院, 内蒙古呼和浩特 010018

选取呼伦湖为研究对象, 利用Gibbs图分析其主离子组成变化特征, 确定呼伦湖湖泊水体离子类型; 并对冰封期和非冰封期水化学分布特征进行研究。结果表明: 呼伦湖水化学类型为[C]NaⅠ 型水; 非冰封期内湖泊水体总溶解性固体(TDS)值为831.31 mg·L–1, 低于冰封期冰下水体TDS均值976.57 mg·L–1; 电导率(EC)全年极值为2.120 ms·cm–1出现在冰封期内的冰下水体; 冰封期内, 冰下水体阴阳离子浓度是冰层中的10倍以上; 对9月份水体进行分层研究发现表层水各离子浓度平均值较下层偏大, 分层无明显规律; Gibbs图显示湖水离子组成受蒸发作用, 与干旱区湖泊特征相似。

主离子; 水化学特征; 冰封期; 分层; 呼伦湖

1 前言

湖泊水化学特征是湖泊的重要自然特征之一, 湖泊水体的环境地球化学性质能够揭示湖泊蒸发、化学风化、大气沉降以及人为输入之间的关系[1–2], 对湖泊水体中离子含量特征及时空变化进行研究不仅可以确定该流域溶解质的来源, 其含矿化度和化学成分的变化还可指示湖泊所处环境的变化[3], 对于研究湖泊水体循环、水动力环境以及水文地球化学特征具有重要的作用。国内外学者对天然水的化学成分及其在时空上的分布和演变进行了大量的研究[4–6], 研究表明, 湖泊水化学不仅可以分析湖泊水质的时空变化特征[7], 而且可以提供有关流域的水体循环规律资源量组成等水动力环境方面的信息[8–9], 更好地揭示水体与环境的相互作用机制[10]。

呼伦湖地区处在半干旱的高纬度地带, 具有长冰封期的特点, 每年从10月中下旬开始结冰, 到第二年5月上旬冰体全部融化, 大约为6个月左右, 冰层较厚为0.6—0.8 m(2014年12月实测值)。因此, 湖水中的阴阳离子、水化学特征必有着与南方湖泊不同的特征。所以明确非冰封期与冰封期湖泊水体与冰体的水化学特征具有重要意义, 同时可为蒙新高原湖区、青藏高原湖区等寒旱区的研究提供一定的参考依据。文中以内蒙古呼伦湖为研究对象, 分季节采集湖水, 分析呼伦湖水体离子类型、非冰封期与冰封期湖泊水化学特征及变化规律, 探讨可能的影响因素, 对研究湖泊的演化趋势以及制定相关的湖泊水环境保护方案具有重要意义。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

呼伦湖又名达赉湖, 位于中国东北部的内蒙古自治区呼伦贝尔市新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗及满洲里之间, 地理坐标介于116°58¢—117°48¢E, 48°33¢—49°20¢N之间, 是中国第五大湖, 内蒙古第一大湖。湖盆东边是兴安岭山脉, 西边及南边是蒙古高原。湖面呈不规则斜长方形, 轴为东北至西南方向, 湖面呈不规则斜长方形, 轴线方向为东北至西南, 其长度为93 km, 最大宽度为41 km, 平均宽25.2 km, 湖周长447 km, 湖水面积2339 km2, 平均水深5.7 m, 蓄水量可达120亿m3。呼伦湖地区处在半干旱的高纬度地带, 属中温带大陆性气候。呼伦湖近二十年平均降水量为228.6 mm, 年内的降水量分布主要集中在6—9月, 约为全年的80%—86%; 近二十年平均蒸发量为1141 mm, 全年最大时期为5—7月, 平均每月蒸发量达250 mm[11–12]。

2.2 样品采集

根据呼伦湖面积大小以及水体流向等情况共设置13个取样点(见图1), 取样点编号分别为A10、B9、D7、D11、E8、F5、F9、H3、H3补、I2、I5、G2、G8以及部分散点。利用 GPS定位监测点位置, 水样采集定于 2014 年 7、8、9月( 非冰封期) 和12月( 冰封期) 每月取样一次, 共进行 4次水样采集, 利用深水采样器在呼伦湖每个采样点采集上覆水体水样500 mL装入采样瓶中, 并对9月份湖水按呼伦湖实测深度平均分成三层分层进行采样, 现场测定水体pH、电导率、溶解氧、溶解性总固体、水深、水温等指标, 采集样品及时送回实验室分析; 冰样采集于2014年12月取样一次, 用直径为8.3 cm的冰钻对湖区13个取样点进行冰样采集同时测得冰厚, 现场将冰芯按其长度平均分成三层进行切割, 装入洁净的塑料桶中, 带回实验室在室温下全部融化并对其进行实验分析。

2.3 样品处理与测试

样品送回实验室后, 用循环水多用真空泵和孔径 0.45 μm、直径 50 mm的微孔滤膜过滤100 mL原水样, 过滤后滤液保存到洁净的聚氟乙烯瓶中待测, 抽取1 mL滤液用于阴离子(Cl–、SO42–、F–、NO2–、NO3–)和阳离子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+) 的测定。阴离子、阳离子用美国戴安(DIONEX) 公司生产的的 ICS-90离子色谱仪检测, HCO3–采用连续滴定法测定, 实验室内将冰样在室温下完全融化以后, 阴、阳离子的测定同水样一致。湖水(pH均值)呈弱碱性, 由水中溶解CO32–和HCO3–的平衡关系可知, CO32–离子含量很小, 占二者总量的不足5%, 因此本研究中CO32–忽略不计, 测试相随标准差±5%, 数据的精度和准确度均符合要求。

3 结果与讨论

3.1 呼伦湖非冰封期与冰封期水化学特征

3.1.1 矿化度(TDS)

非冰封期内, 呼伦湖湖泊水体矿化度TDS浓度范围分别为7月658—860 mg·L–1, 8月739—939 mg·L–1,9月685—940 mg·L–1, 而12月冰封期内冰下水体矿化度变化范围为937—1059 mg·L–1, TDS年内变化有明显差异(<0.005), 7月份TDS浓度平均值为782.67 mg·L–1, 8月份TDS浓度平均值为849.57 mg·L–1, 9月份TDS浓度平均值为861.70 mg·L–1, 12月份TDS浓度平均值为976.57 mg·L–1。根据TDS大小可将水体划分为淡水(小于1000 mg·L–1)、稍咸水(1000—3000 mg·L–1)和中度咸水(3000—10000 mg·L–1)等, 结合湖水数据可知, 呼伦湖非冰封期水体TDS均值为831.31 mg·L–1, 属于淡水; 冰封期采样点F5、G2、G8、H3、I2、I5点的冰下水体TDS浓度值均大于1000 mg·L–1, 属于稍咸水。西南岸的冰下水体TDS值偏大, 这是因为西南湖区地形较低, 湖底腐殖质二次释放污染的原因。由于水在结冰过程中对盐分具有排出作用, 随着呼伦湖从冻冰开始到完全进入冰封状态, 大量盐分浓缩在冰下水层, 导致冰下水体含盐量矿化度增大。结合图3(1)可知, TDS年内变化在非冰封期与冰封期具有明显差异(<0.005)。

3.1.2 电导率(EC)

电导率EC值的大小主要取决于水体所含离子浓度。呼伦湖水体非冰封期内EC值变化区间在1.315—1.880 ms·cm–1之间, 平均值为1.607 ms·cm–1。冰封期湖泊水体EC值范围是0.624~2.120 ms·cm–1, 平均值为1.804 ms·cm–1。全年极值出现在冰封期内的冰下水体。由图3(2)可看出非冰封期内EC值变化趋势与TDS的变化趋势相似, 电导率和矿化度均是表征水体含盐量的指标, 电导率反映的是水中离子含量的多少, 矿化度是水中所含无机矿物成分的总量, 因此电导率和矿化度在同一水域中存在很大的相关性。

3.1.3 酸碱度(pH)

pH值反映水体的酸碱性强弱, 它对水体中的氧化还原反应起着一定的控制作用。2014年非冰封期与冰封期呼伦湖湖泊水体pH值相差不大, 7、8、9、12月pH值范围分别为9.02—9.20、8.94—9.08、9.01—9.45、8.54—8.97, 湖泊水体在一年中呈现弱碱性特征。同时对湖泊水体不同季节pH变化进行描述, 见图3(3) , 9月pH值略高于其他月份, 总的来说pH值水平分布和年内变化范围不大。pH值的影响因素主要有水温, 水生生物, 离子总量等。水生动植物的呼吸作用和光合作用对水中CO2产生影响, 从而影响pH值; 同样, 温度升高, 水中CO2的溶解度减小, pH则上升; 在同大气接触的表层, 离子总量增大, CO2在水中的溶解度减小, pH上升; 实验室测得呼伦湖9月份离子总量大于其他月份, 故其pH值高于其他月份。

3.1.4 溶解氧(DO)

呼伦湖水体非冰封期内DO(图3(4))变化区间在6.26—10.48 mg·L–1之间, 平均值为8.02 mg·L–1。冰封期湖泊水体DO值范围是 7.28—14.33 mg·L–1, 平均值是11.61 mg·L–1。溶解氧值是研究水自净能力的一种依据, 水里的溶解氧被消耗, 要恢复到初始状态, 所需时间短, 说明该水体的自净能力强, 或者说水体污染不严重。否则说明水体污染严重, 自净能力弱, 甚至失去自净能力[13]。冰封期湖泊水体溶解氧含量较高是因为水中的溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度以及含盐量等因素都有密切关系[14]。在自然情况下, 空气中的含氧量变动不大, 故水温是主要的因素, 水温愈低, 水中溶解氧的含量愈高。

3.2 呼伦湖水体主要离子组成及水化学类型

表1列出了2014 年呼伦湖水体主要离子组成及含量的平均值。呼伦湖湖泊水体阴离子中HCO3–为优势离子, 其次为Cl–; 阳离子中Na+为优势离子, 其次为Mg2+, K+含量最小。在离子含量中, Na+和K+离子占阳离子总量的94% 以上, HCO3–占阴离子总量的66%左右。采用O×A×阿列金分类法[15], 结果显示呼伦湖湖泊水体水化学类型为[C]NaⅠ 型水。

3.3 呼伦湖水体水化学特征年内变化

对一年中湖泊水体不同离子在不同季节的分布特征进行分析见图4。湖泊水体Cl–、SO42–均在7月份浓度平均值达到最大值, 分别为219.56 mg·L–1、176.92 mg·L–1; Na+、Ca2+、HCO3–均在9月份浓度平均值达到最大值, 分别为400.87 mg·L–1、16.16 mg·L–1、436.48 mg·L–1; Mg2+、K+则在12月份浓度平均值达到最大值, 分别为36.07 mg·L–1和11.21 mg·L–1。Na+和HCO3–占全湖离子总量达到64%以上, Cl–占离子总量的17.9%, SO42–占离子总量的14.6%, Mg2+、K+、Ca2+离子含量之和在3%左右。从全湖水体来看, 7、8月水体离子含量略低于9月。其原因一方面可能是7、8月降雨量大, 湖泊补给量大, 大量的进水对湖泊水体离子浓度起到了一定的稀释作用, 且水流速度增加, 水体排出速率增加; 另一方面, 7、8月份气温高, 蒸发迅速, 强烈的蒸发浓缩作用又使离子浓度增大, 因此湖泊水体离子浓度在这两方面因素作用下发生变化。

表1 2014年呼伦湖主要离子组成及含量

注: 数据表示方式为(平均值±标准差)。

3.3.1 水化学特征控制因素

世界河流、湖泊及主要海洋水TDS与Na+/(Na++ Ca2+)、TDS与Cl–/(Cl–+HCO3–)关系图[16–17](图8)区别出天然水化学成分的三个主要来源, 即为蒸发—结晶、岩石风化和大气降水。在Gibbs图中, 湖水具有较高的Na+/(Na++Ca2+)或Cl–/(Cl–+HCO3–)比值(接近于1)但矿化度较低时, 说明这类湖水主要受到携带海盐的大气降水补给, 其离子组成含量决定于大气中“纯水”对海洋气溶胶的稀释作用。Na+/(Na++Ca2+)或Cl–/(Cl–+HCO3–)比值在0.5左右或小于0.5且矿化度中等时, 湖水离子主要来源于可溶性岩石的风化物。矿化度和Na+/(Na++Ca2+)或Cl–/(Cl–+HCO3–)的比值均很高时, 则说明湖水分布在蒸发作用很强的干旱区域[18]。将2014年7、8、9、12月份采样点的呼伦湖湖泊水化学数据绘于Gibbs图中, 可以看出, 所有水样处于蒸发—结晶作用控制, 远离大气降水作用控制带, 受人为因素影响很小, 即呼伦湖水化学特征主要受蒸发作用影响, 符合内陆湖泊特点, 表明其受大气环流影响较小, 表现出与干旱区湖泊相似的特征[19]。

3.3.2 非冰封期呼伦湖水体水化学变化特征

2014年非冰封期呼伦湖湖泊水体中阴离子和阳离子不同季节离子浓度存在差异。非冰封期内湖泊水体阴阳离子浓度变化范围以及浓度平均值分布见图6, Na+、Mg2+、Cl–、SO42–、HCO3–离子浓度平均最小值均出现在8月份, 分别为: 364.44 mg·L–1、5.90 mg·L–1、211.14 mg·L–1、161.08 mg·L–1、248.70 mg·L–1; K+、Ca2+离子浓度平均最小值出现在7月份, 分别为1.89 mg·L–1和13.73 mg·L–1。

对于有一定水深的湖泊, 水体的季节性分层(thermal stratification)可能对湖泊内几乎所有水环境演化的过程起着控制或影响作用[20]。对9月份呼伦湖水体进行水化学分层研究, 各离子浓度范围及均值见下图, 1为底层水, 2为中间层, 3为表层水。底层Mg2+、K+、HCO3–明显低于其他两层; 第二层和表层各离子浓度进行比较发现, 各离子浓度值相近, 表层大部分离子略高于第二层, 研究结果表明, 表层水各离子浓度平均值较下层偏大, 但分层无明显规律。

3.3.3 冰封期呼伦湖水体水化学变化特征

冰封期内湖泊冰体和冰下水体阴阳离子浓度范围以及浓度平均值分布见图8, 阴阳离子中优势离子Cl–、Na+在湖泊冰体中的浓度平均值分别为8.68 mg·L–1、12.99 mg·L–1, 在冰下水体中的浓度平均值分别为121.41 mg·L–1、241.42 mg·L–1。分别比冰体中优势离子浓度高出15倍和11倍多。冰封期内, 冰下水体各离子浓度均比冰体高出十多倍。而对冰体进行分层研究发现, 表层冰体比中间层冰体离子浓度高, 但低于底层接近水体的冰体, 这是因为冰体形成后, 由于大气沉降等原因, 使得表面的冰体离子浓度受到影响, 而底层冰体由于和冰下水体直接接触, 也会受到其影响从而使离子浓度高于中间层冰体。

4 讨论与结论

4.1 讨论

我国湖泊水化学特征的研究大多集中在长江中下游, 西南岩溶区域以及青藏高原湖区和新疆地区, 并取得了一定的研究成果[21–22]。内蒙古高原具有长冰封期的特点, 该区域的研究具有特殊性。有相关研究表明, 湖水结冰的过程是从表面自上而下进行, 冰体在结晶过程中会排出杂质, 湖泊水体中的盐分和营养物质在结冰过程中由冰层进入冰下水体, 结冰过程对水体中的盐分及营养物质有一定的浓缩效应, 使得冰封后冰下水层各离子浓度均高于冰层中各离子浓度, 文中对呼伦湖冰封期冰体和冰下水体离子浓度的研究结果与张岩等在乌梁素海对氮磷污染物在冰体水体中的变化趋势相吻合[23–25], 通过对内蒙古高原典型湖泊水化学特征变化进行分析, 为今后在寒旱区的研究提供基础资料和科学依据。

4.2 结论

(1) 对呼伦湖基本理化参数进行分析, 呼伦湖湖泊水体水化学类型为[C]NaⅠ型水; 一年中湖泊水体pH值相差不大, 呈现弱碱性特征。TDS的年变化显著, 非冰封期内湖泊水体TDS均值为831.31 mg·L–1,低于冰封期冰下水体TDS均值976.57 mg·L–1。EC全年极值出现在冰封期内的冰下水体。非冰封期内EC值变化趋势与矿化度较为一致。

(2) 呼伦湖主要离子年内季节变化特征表明, 夏季湖泊补给水量大, 水体交换速率快致使夏季湖泊水体离子含量小, 冬季冰下水体阴阳离子质量浓度均高于其他季节, 且冰封期内, 冰下水体阴阳离子浓度比冰层中阴阳离子浓度高很多, 再次验证了冰封期呼伦湖的结冰过程具有排出盐分的作用。

(3) 根据对呼伦湖主要离子的来源进行分析可知, 所有水样处于蒸发—结晶作用控制, 远离大气降水作用控制带。

(4) 对9月份呼伦湖水体进行分层研究, 结果表明, 表层水各离子浓度平均值较下层偏大, 但分层无明显规律, 这与水体的水动力因素有关。

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Hulun Lake water chemical characteristics analysis during frozen and non frozenperiod

GUO Jinyan, JIA Keli*, SHI Xiaohong, ZHAO Shengnan, SUN Biao

Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China

The variation of the major ions of the Hulun Lake water is analyzed with Gibbs diagram, and the hydro chemical types as well as the distribution characteristics are studied. The results show that the hydro chemical type of the Hulun Lake water is [C]NaⅠ. The average value of TDS is 831.31 mg·L–1in non frozen period, which is lower than that of the average value 976.57 mg·L–1in frozen period. The annual extreme value of EC is 2.120 ms·cm–1in the frozen period in the water body under the ice cover. The concentrations of anions and cations in water are 10 times more than those of the concentrations in the ice layer. The average ion concentrations in the top layer water are larger than those of bottom water in September and there is no law in vertical distribution layers.

ion;water chemical characteristics; freezing period; stratification; Hulun Lake

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.007

X524

A

1008-8873(2017)02-049-08

2015-09-28;

2015-10-11

国家自然科学基金项目(51339002, 51269017); 自治区创新团队资助

郭金燕(1989—), 女, 硕士研究生, 水文学及水资源专业, E-mail: 18748142156@163.com

贾克力(1958—), 男, 教授, 硕导, E-mail: kelijia58@126.com

郭金燕, 贾克力, 史小红, 等. 呼伦湖非冰封期与冰封期水化学特征变化研究[J]. 生态科学, 2017, 36(2): 49-56.

GUO Jinyan, JIA Keli, SHI Xiaohong, et al. Hulun Lake water chemical characteristics analysis during frozen and non frozen period[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 49-56.