呼伦湖流域地表水与地下水离子组成特征及来源分析

2018-05-10韩知明贾克力孙标赵胜男李国华吴其慧

生态环境学报 2018年4期

韩知明，贾克力，孙标，赵胜男，李国华，吴其慧

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

天然水的化学成分是水在循环过程中与周围环境长期相互作用的结果，在水体相互转化和运移过程中，水中溶解的物质伴随水量的交换同步进行。因此，天然水化学组成从一定程度上记录着水体形成和运移的历史（Winter，2015）。湖泊水体的离子化学含量特征及空间分布等湖泊水化学研究对确定水体离子的地球化学来源、区域的化学风化作用和水文地球化学的关系具有重要意义。Gibbs（1970）总结了全球雨水、河水、湖泊等地表水体化学组成，提出了天然地表水阴阳离子组成的Boomerang Envelope模型；Berner et al.（2012）研究表明水体中离子主要有三大来源，一是陆地基岩释放的可溶性成分，二是大气环流所携带的海盐成分，三是人类活动所带来的盐类。中国学者也对国内大小流域湖泊水化学特征进行了大量研究，如青海湖流域（侯昭华等，2016）、羊卓雍错流域的湖泊（孙瑞等，2012）、巴丹吉林沙漠湖泊（陆莹等，2010）、长江流域湖泊（吴敬禄等，2006）、西南岩溶湖（宋晓敏等，2010），结果表明湖泊水化学组成受到了地质岩性、大气降水、气候以及人类活动等诸多因素影响。

呼伦湖是内蒙古高原上最大的湖泊，纬度较高，处于边疆地带，东部是兴安岭山脉，西部及南部是蒙古高原，北部是外兴安岭山脉。呼伦湖是全球范围内寒旱区极为罕见的具有生物多样性和生态多功能的自然湖泊湿地生态系统，2002年被联合国列入国际重要湿地名录。其特殊的地理环境使得呼伦湖成为生态旅游、渔业和科学研究的重要之地（张志波，1998）。呼伦湖处于呼伦贝尔草原腹部，畜牧业发达，除西北部满洲里市、东北部扎赉诺尔与南部新巴尔虎右旗建有自来水公司和污水处理厂外，当地牧民多以未净化处理的地下水为主要水源，在实地调查中发现，牧民饮用水源地问题与水质问题存在严重隐患。呼伦湖东岸与南岸部分地区地下水水质泛黄、发涩，牲畜亦不饮用，冬季由于湖水与河水的长时间封冻，一部分牧民为解决饮用水问题，取自降雪与融化的河冰，且牧民没有良好的净水装置，所以解决当地水源与水质问题迫在眉睫。为保障当地牧民饮水健康、呼伦湖流域经济持续发展和生态环境的良性循环，迫切需要对呼伦湖流域地表水与地下水的水化学组成、分布特征及来源问题进行深入研究。同时在以往呼伦湖相关文献中发现，学者们多以湖水、河水为研究对象，而涉及地下水与降水的研究过少（揣小明等，2014；李卫平等，2016；赵慧颖等，2007），其地表水与地下水化学特征研究亟待展开。因此，本研究分析了呼伦湖流域湖水、河水、地下水与降水水化学特征，并进一步分析呼伦湖西岸、南岸与东岸地下水化学特征，试图找出恶化水质的来源问题，为进一步研究该流域人口饮水安全、水资源合理开发利用和水资源保护措施的制定等提供科学指导和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

呼伦湖也称达赉湖，位于呼伦贝尔草原西部新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗和满洲里市之间，东经117°00′10″～117°41′40″，北纬 48°30′40″～49°20′40″，呈不规则斜长方形，长轴为西南—东北方向。湖长93 km，最大宽度为41 km，湖水面积2043 km2（2014年实测数据），平均水深5 m，最大水深8 m左右，是中国北方第一大湖，也是中国第四大淡水湖。呼伦湖水系是额尔古纳水系的组成部分，包括哈拉哈河、贝尔湖、乌尔逊河、克鲁伦河、新开河等主要支流。呼伦湖地区处于呼伦贝尔高原的西部中高纬度地带，为半干旱草原，属于中温带大陆性气候。全年盛行西北风，年均降雨量为200～300 mm，年蒸发量是降雨量的7～8倍，湖水封冻时间长达180 d，冰层厚可达1 m以上（韩知明等，2017）。湖区年平均气温-0.5 ℃左右，极端最低气温-42.7 ℃，极端最高气温40 ℃。

呼伦湖地区则位于额尔古纳隆起带和阿尔山隆起带之间的沉降带，整个区域构造受两条北—北东向的大断层控制。在宏观地貌上，呼伦湖表现为两组断层控制的西陡东缓的不对称地堑盆地。盆地内出露地层主要是中生界地层及上第三系、第四系地层，上古生界地层仅在西部、西北部零星出现，中生界地层在区内广泛分布。湖盆西部扎赉诺尔低山丘陵主要由上侏罗统地层构成，盆地南部、北部也有上侏罗统地层，基本上低山丘陵面貌出现，岩性为砂岩、泥岩、砾岩夹煤系地层；中、下侏罗统及下白垩统地层分别在东部、西部零星出露。湖盆西部中生代燕山晚期的中酸性火山岩多见，如安山岩、凝灰岩、石英斑岩、粗面岩等，燕山早期的酸性火山岩在东部零星分布（崔显义等，2015）。

1.2 采样与分析

2017年4月，沿着呼伦湖的湖岸线进行采样，共收集水样57个，其中湖水水样13个，井水水样29个，河水水样8个，泉水水样2个，同年在湖区南部新巴尔虎右旗与东部甘珠花附近收集降水水样19个，采样点位置见图1。现场采用TDS测试笔（EUTECH，TDSTestrl0 low+）测量水样中总溶解性固体（TDS）；湖水与河水采集水面以下0.5 m深处水体；井水由当地牧民水泵抽水稳定后接取；每次降水前将预处理过的聚乙烯桶置于房顶收集，雨停后立即测试TDS等基本物理参数。所有水样装入100 mL聚乙烯瓶后，及时运回实验室进行测定。样品送回实验室后，用循环水多用真空泵和孔径为0.45 μm、直径为50 mm的微孔滤膜过滤水样，过滤后滤液用于阴、阳离子的测定。Na+、K+、Ca2+、用美国戴安（DIONEX）公司生产的ICS-90离子色谱仪检测。根据水中和间平衡关系可知，当 pH介于 6～10时，占据绝对优势，可忽略不计。根据溶液中电荷守恒原理，计算得到H含量。

图1 采样点位置分布Fig.1 Maple of sampling sites

2 结果与讨论

2.1 主要离子浓度

呼伦湖流域湖水、河水、地下水与降水的阴、阳离子浓度统计分析结果见表 1。数据显示，地表水与地下水中阴离子浓度大小存在差异的同时，阴离子浓度平均值的高低顺序都为。不同水体间阳离子浓度差异显著，其中，湖水与地下水阳离子浓度平均值高低顺序为Na+＞Mg2+＞Ca2+＞K+；河水阳离子浓度平均值高低顺序为 Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+；降水中阴离子浓度平均值的高低顺序为，阳离子浓度平均值高低顺序为 Ca2+＞Na+＞K+＞Mg2+。所测河水中TDS质量浓度范围在42～193 mg·L-1，平均值为118.2 mg·L-1，TDS含量高于世界河流平均值（69 mg·L-1）（陈静生等，2006）。由于河流搬运距离和流经时间较长，常年流量变化浮动小，其自净能力强，所以离子浓度偏低。湖水各离子浓度变化范围较小，离子浓度高是因为呼伦湖为闭塞湖，经过长期的蒸发浓缩导致湖水离子浓度升高。呼伦湖周边地下水 TDS质量浓度变化范围为 248～4610 mg·L-1，TDS值与各离子浓度标准相差较大，表明地下水水化学组成存在显著差异，其中质量浓度变化范围为 3.6～839.5 mg·L-1，平均值为 162 mg·L-1，已超出《生活饮用水卫生标准》（GB5479—2006）中地下水水质标准中的 III类饮用水标准限值（20 mg·L-1），所以呼伦湖周边地下水水质面临严峻的饮用安全问题。

表1 呼伦湖流域不同水体水化学分析结果Table1 Hydrographic analysis of different water bodies in Hulun Lake Basin mg·L-1

2.2 水化学类型

水化学 Piper图可以反映水体主要离子组成变化，体现不同水体的化学组成特征，从而辨别其控制单元。图2所示为呼伦湖流域不同水体主要离子当量浓度的相对比例，其中湖水与入湖河流以型为主，湖水占阴离子总物质的量的65%，Na+占阳离子总物质的量的67%，优势明显；入湖河流占阴离子总物质的量的70%，Na+占阳离子总物质的量的45%。在Piper图上，降水中受陆源输入控制的降水由于富含Ca2+，通常落在Ca2+一端，而受海盐输入控制的降水富含Na+，落在 Na+一端；同时，受海盐输入控制的降水富含Cl-，受人为活动影响较大的地区由于化石燃料的使用，雨水常落在一端（吴起鑫等，2011）。从图2还可发现，呼伦湖流域降水水样落在了Ca2+一端，表明其主要受陆源物质的影响。湖区周边地下水以 Na+-Cl-、型为主，是地下水主要的阴离子，占阴离子总物质的量的 54%，Cl-、分别占阴离子总物质的量的 32%、12%，Na+占阳离子总物质的量的69%，湖区东岸与西岸局部分布着Mg2+、Ca2+-型地下水，部分泉水以Mg2+、Na+-Cl-、型为主。相对于其他水体，呼伦湖周边地下水分布散乱，且湖盆四周地质地貌与水文地质形成显著差异，说明地下水可能受不同水化学机制影响。

2.3 主要控制机制

Gibbs半对数坐标图是定性判断水体水化学组成来源的重要方法之一。由图3可知，研究区内水体基本落在Gibbs模型内部，部分落在模型外部，说明部分水体受到人类活动影响。呼伦湖湖水离子落在 Gibbs模型上端，具有较高的 TDS值，Cl-/(Cl-+)的比值在 0.1～0.4 之间，Na+/(Na++Ca2+)的比值接近于1，说明水体溶解性盐分主要受岩石风化与蒸发作用共同控制，其中蒸发作用是主要控制因素，与同处于内蒙古高原的达里诺尔湖（吴用等，2015）、西藏山南地区沉错湖泊（王利杰等，2017）的离子来源相同。河水阴离子全部分布在岩石风化区，阳离子处于岩石风化与蒸发作用之间，说明河水优势离子主要受岩石风化作用控制，受蒸发作用较弱。地下水离子分布特征与湖水相似，主要处于岩石风化与蒸发结晶区，受两者共同作用，且地下水与湖水优势离子相同，说明两者关系密切，之间可能存在补排关系。王志杰等（2012）通过水平衡模型计算，证实呼伦湖湖水与周边地下水存在交换。图3显示呼伦湖流域各水体离子均未落在大气降水控制区，呼伦湖流域深处内陆远离海洋，湖水、河水、地下水、降水中Cl-/Na+含量比平均值分别为0.6、0.5、0.6、0.8，低于海水的世界平均水平（Cl/Na=1.15）（王鹏等，2013），因为呼伦湖流域受大兴安岭屏障作用，太平洋夏季风带来的湿润空气作用相对减弱，所以可以认为呼伦湖流域水体中的离子主要来源及其变化特征不受大气降水控制。

图2 呼伦湖流域水体主要离子Piper图Fig.2 Piper figure of river, lake water and groundwater in Hulun Lake

图3 呼伦湖流域不同水体Gibbs图Fig.3 Gibbs diagram of different water samples in Hulun Lake Basin

然而，Gibbs图并不能有效反映干旱条件下水体Ca2+/Na+比值的形成原因，这是因为土壤中的Na盐淋溶也可降低水体的Ca2+/Na+比值（Green et al.，1984）。在干旱条件下，土壤盐以Na盐为主，土壤Na盐的淋溶会降低水体的Ca2+/Na+比值，甚至掩盖蒸发作用导致的Ca2+/Na+比值降低（Webster et al.，1994）。另外，水体中的Mg2+主要由岩石风化而来，这是因为Mg2+在土壤盐中的浓度很低，且在蒸发早期并不发生沉淀（Hardie et al.，1970）。因此，Mg2+/Na+比值可以反映土壤盐的淋溶作用，Mg2+/Ca2+比值可以反映蒸发作用。由图4可知，湖水与地下水具有较高的 Mg2+/Ca2+比值和较低的Mg2+/Na+比值，主要位于蒸发作用控制区，与图 3指示的控制类型一致。呼伦湖流域气候干燥，降水少，封闭湖泊湖水受持续蒸发影响，一方面导致Cl-与 Na+的富集，水体微咸化；另一方面导致碳酸盐岩矿物饱和沉淀，在蒸发浓缩条件下，碳酸盐矿物首先达饱和状态，继而发生沉淀，导致Ca2+、Mg2+浓度降低，而易溶盐离子Na+、K+持续浓缩、比例升高，这与 2015年梁丽娥等（2016）在呼伦湖水化学分析结果一致。证实呼伦湖开阔的水域环境使湖水易受到强烈蒸发作用的影响，符合呼伦湖地处干旱半干旱地区蒸发量大于降雨量的事实。

由图4可以看出，呼伦湖流域地表水与地下水蒸发作用强度为湖水＞东岸地下水＞南岸地下水＞西岸地下水＞河水。而同属地表水类别的河水蒸发强度却明显低于地下水。本研究取样时间在4月，流域地表水处于融冰期，气温较低，同时，河水水化学特征主要受岩石风化作用控制，所以蒸发强度弱。Gao et al.（2017）在对呼伦湖周边井水中的氢氧同位素分析中，揭示出呼伦湖周边地下水存在一定强度的蒸发作用。相对于湖水与河水而言，呼伦湖周边地下水，不仅在水化学数值结果、Piper图与Gibbs图上差异显著、分布异常，且地下水蒸发受地理位置、气候、土壤植被、含水层等众多因素影响。因此笔者在此处特意将地下水取样点按湖区相对位置划分，分别对东岸、西岸与南岸进行讨论。由于呼伦湖北岸城市、乡镇较多，煤炭矿藏等工业发达，实地取样中北岸只取得4个水样，数据较少，所以暂不详细分析。

图4 湖水及其各岸地下水Mg2+/Na+与Mg2+/Ca2+比值Fig.4 The ratio of Mg2+/Na+ to Mg2+/Ca2+ in lake water and its various shore ground water

参考区域水文地质资料发现，湖区西岸是以低山丘陵及缓坡丘陵为主体的地貌景观，主要由中生代侏罗纪火山岩与华力西期花岗岩组成，其上部被第四纪坡洪积物覆盖，发育有宽谷洼地形成的间歇性小湖泊。区内断裂构造成醒目的网络状发育，受地形切割影响，利于潜水循环，使得地下水 TDS值相对较低；湖区东岸除圣山—霍尔坡山连线一带为丘陵区外，其余广大地区为高平原所占据，地形平缓，蒸发作用强烈，地下水交替作用差，不断蒸发浓缩，促进了地下水的矿化作用；湖区南岸组成岩性为第四纪冲、洪积砂砾及粘质砂土形成的松散岩类孔隙含水层，由于结构松散，连通性好，易于地下水的赋存和运移。同时，在实地考察中发现，东岸与南岸浅层地下水埋深普遍低于西岸，易于蒸发。蒸发浓缩作用导致地下水的 TDS浓度逐渐上升，通常形成 TDS＞1000 mg·L-1的 HCO3·Cl型水（王晓曦等，2014），统计分析发现，呼伦湖周边地下水样中TDS均值分别为：东岸1862 mg·L-1、南岸660 mg·L-1、西岸 594 mg·L-1，与图 3 所示的信息一致，证实地下水蒸发强度差异明显。

图5 呼伦湖流域不同水体离子比值图Fig.5 Different water Ion ratio maps in the Hulun Lake Basin

2.4 主要离子来源

在水化学控制机制中已证实呼伦湖流域水体中离子的主要来源及其变化特征不受大气降水控制，所以在分析呼伦湖各水体离子来源时只需考虑碳酸盐、硅酸盐和蒸发岩的风化溶解与人类活动的影响（Holland，1978）。通常水中的 Na+、K+主要来源于蒸发岩和硅酸盐的风化产物（朱秉启等，2007）当蒸发岩的溶解对水化学组成起主要作用时，水中Na++K+与Cl-含量比值应为1∶1（李鹤等，2015），由图 5(a)可知，除部分地下水均匀分布在Cl-=Na++K+线外，湖水、河水与大部分地下水偏向于 Na++K+一端。表 1显示呼伦湖流域地表水与地下水Na+含量远大于K+，说明水体除主要来源于硅酸盐的风化外，蒸发岩中的石盐（NaCl）也是呼伦湖流域水体Na+和Cl+的主要来源，这与前人在呼伦贝尔盟盐湖研究中的结果相符（王吉平等，1994）。同时，湖水与地下水中Na++K+与Cl-含量比值大于1，说明水体中多余的Na+、K+需要加以平衡。与 Ca2+是天然河水的主要阴、阳离子，碳酸盐风化是Ca2+、Mg2+和的主要来源，碳酸盐风化产生的Ca2+、Mg2+的当量浓度之和应与大体一致（韦虹等，2016）。由图5(b)可知，研究区河水与部分地下水均匀分布在=Ca2++Mg2+线上，而湖水与大部分地下水体落在了该线的下方，表明湖水与地下水主要离子来自碳酸盐的溶解，并且水体中大部分的需要 Na+加以平衡，与图5(a)指示的信息一致。说明呼伦湖流域湖水、河水与地下水主要受碳酸盐与蒸发岩风化溶解共同作用控制，岩石风化溶解过程中阳离子Na+贡献最大，阴离子中贡献最大。

2.5 相关性分析

对地下水中主要阴、阳离子浓度进行相关性分析，可以大致判断不同离子的来源是否一致（朱秉启等，2007）。由表 2 可知，TDS 值分别与 Cl-、有很高的相关性，说明Cl-与对地下水溶质贡献程度最大，再次说明呼伦湖流域地下水水化学组成主要受蒸发结晶与岩石风化作用共同控制。和通常有共同的来源，它们在大气中又有相似的化学行为，因而它们经常表现出很好的相关性（Al-Khashman，2005）。而本研究中，它们却没有显著的相关关系，其主要原因是采样区域位于呼伦湖国家级自然保护区，工业、交通相对落后，NOx的排放较少；而该区域煤炭储量丰富，火电行业比较发达，SO2排放量远远超过NOx的排放量，说明呼伦湖流域水体中并非来自于煤炭等化石燃料的燃烧排放。

表2 地下水中总溶解性固体与主要离子（mg∙L）相关性分析Table2 Correlation analysis of TDS and characteristic Ions in the underwater

3 结论

（1）呼伦湖流域湖水、河水与地下水水化学组成中优势阴离子为与Cl-，阳离子组成特征有所差异，其中，湖水与地下水以中优势阳离子为Na+、Mg2+；河水优势阳离子为 Na+＞Ca2+；降水中阴离子浓度平均值高低顺序为＞Cl-、、阳离子为 Ca2+＞Na+＞K+＞Mg2+。湖水与河水TDS含量低，分布集中且变化小，而地下水 TDS含量变化范围大，差异显著。

（2）Gibbs图与Piper图显示，呼伦湖流域的降水主要受陆源物质的影响，地下水与地表水中离子的主要来源及变化特征不受大气降水的控制。呼伦湖流域湖水、河水与地下水主要受碳酸盐与蒸发岩风化溶解共同作用控制，岩石风化溶解过程中阳离子 Na+贡献最大，阴离子中贡献最大。地下水 TDS值变化主要受流域地质条件产生的蒸发作用影响，蒸发作用强度为呼伦湖湖水＞东岸地下水＞南岸地下水＞西岸地下水＞河水。

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