草原流域地下水化学时空特征及环境驱动因素——以内蒙古巴拉格尔河流域为例

房丽晶,高瑞忠*,贾德彬,于瑞宏,刘心宇,刘廷玺

草原流域地下水化学时空特征及环境驱动因素——以内蒙古巴拉格尔河流域为例

房丽晶1,高瑞忠1*,贾德彬1,于瑞宏2,3,刘心宇2,刘廷玺1

(1.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；2.内蒙古大学生态与环境学院,内蒙古 呼和浩特 010021；3.蒙古高原生态学与资源利用教育部重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010021)

为查明内蒙古草原流域地下水水化学特征、成因及其环境意义,选择巴拉格尔河流域为研究对象,以Piper三线图、Gibbs图、主成分分析法(PCA)和内梅罗指数法等对2018～2019年丰水期、枯水期46处92个浅层地下水水样进行分析. 结果表明:研究区地下水呈现弱碱性环境,属于淡水,枯水期多数离子含量高于丰水期,空间分布整体呈现出西高东低的特点;地下水水化学类型多样,以HCO3–- Ca2+·Na+型占主导,HCO3–- Ca2+型、HCO3–-- Ca2+·Mg2+型、HCO3–- Na+型和HCO3–- Ca2+·Na+·Mg2+型等多种共存;不同河段枯水期水化学差异不显著,但丰水期地下水离子具空间特征,地下水化学成分来源变化复杂;地下水化学离子主要受岩石风化作用控制,Ca2+、Mg2+主要来源于碳酸盐、硅酸盐和蒸发岩的溶解,其中碳酸盐占主导,Na+、K+来自岩盐的溶解;地下水级别较好水居多,其次为较差和良好,极差、优良水占比最小,总体水质偏好;碳酸盐岩石风化、水岩溶滤作用和人类活动是研究区地下水化学特征演化的主要驱动因素.研究成果可为区域草原生态环境保护与恢复、水资源开发利用及流域生态水文研究提供技术参考与依据.

水化学特征；主成分分析；质量评价；Piper；Gibbs；环境驱动

随着草原社会经济的发展,过渡放牧、盲目开发和气候变化等引起草原草地不断退化,进而影响草原生态系统,其中内蒙古草原流域作为我国内陆的重要生态屏障,水资源短缺、生态环境恶化等问题日益严重,地下水资源是维持当地社会经济可持续发展和保持生态环境健康的重要因素,有效保护和合理利用地下水资源对于草原流域发展具有重要的意义[1].

近年来,国内外学者对于地下水的研究在不同流域陆续展开,如陕西黑河流域[2]、西南喀斯特流域[3]、甘肃梨园河流域[4]、新疆喀什噶尔河流域[5]雅鲁藏布江流域[6]等,基于水化学特征分析的地下水形成演化研究,可以有效揭示地下水与环境的相互作用机制[7].水化学组成是水体在循环过程中与周围环境长期相互作用的结果,能够指示水体形成和运移的历史[8].地下水水质评价有助于了解地下水的过去、现在和将来的水质状况,有助于揭示地下水质量的环境成因[9-12].目前,对于内蒙古草原流域的研究多集中于气温、降水、径流等气候变化和人类活动影响下的河流水文研究[13-14],鲜有对区域地下水水化学演化特征分析,缺乏对地下水水质环境驱动演变的深入研究.

因此,开展巴拉格尔河流域地下水水化学时空特征和演化驱动的环境因素研究,旨在揭示内蒙古草原流域地下水环境变化特征及水化学演化规律和理解草原流域地下水与环境的互作机制,以期为草原流域地下水资源的开发利用和生态环境保护提供理论支撑参考[15-16].

1 材料与方法

1.1 研究区概况

巴拉格尔河流域(116°21¢～119°31¢E, 43°57¢～ 45°23¢N)位于内蒙古锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗境内(图1),流域面积5350km2,海拔高度885～1876m,草地类型是以羊草和针茅为主的典型草原,为大陆型半干旱气候,冬季严寒、夏季炎热,年均降水量为334mm,蒸发量为1149mm,平均气温1.2℃,夏天最高气温可达37.5℃,冬天最低为-38.5℃,平均风速为15km/h,每年有28～148d的风速可达到125km/h.流域内主要经济产业为畜牧业.

巴拉格尔河流域地下水的赋存条件与分布规律直接受大气降水、构造、地貌、岩性等因素的影响和控制,地下水类型包括基岩裂隙水、碎屑岩孔隙裂隙层间水、第四系孔隙水等类型.地下水埋深1～30m,含水层厚度10～130m.

图1 研究区及采样点位置

1.2 数据来源与处理

根据巴拉格尔河的水系特征及水文地质条件,于 2018～2019年丰水期(7～8月)和枯水期(10月)进行地下水采样,样品采集与处理遵循《地下水环境监测技术规范《HJ/T164-2004》[17],共采集46处地下水92个水样,测定并分析14项关键指标:溶解性总固体(TDS)、pH值、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、NH4+、F–、Cl–、NO3–、NO2–、SO42–、HCO3–、CO32–,水样装于500mL聚乙烯瓶中,并用Parafilm封口膜密封,均送于内蒙古农牧渔业生物实验研究中心,其中CO32–和 HCO3–采用酸碱滴定法测定,TDS采用105℃干燥-重量法,pH值通过PB-21酸度计(德国赛多利斯集团)测定,精度为0.01;其余指标均用瑞士万通Metrohm-940高压分析型离子色谱仪测定,阴、阳离子最小检出浓度分别为0.002µg/L、1.7× 10-6µg/mL,采用离子平衡检验方法,认为阴阳离子平衡的相对误差小于±5%的数据是可靠的[18-20].

1.3 数据分析与方法

数理统计分析、离子相关性分析、Gibbs 图采用Microsoft Excel 2013和DPS15.1软件完成,空间分布特征图利用Arc GIS10.3进行数据处理,Piper三线图应用Rock Ware Aq•QA软件绘制.

参照《地下水质量标准》[21]利用内梅罗指数法对地下水水质进行综合评价(表1).内梅罗指数法是考虑极大值的计权型多因子环境质量评价方法,是计算综合污染最常用的方法之一[22],计算公式为:

式中:为测点的综合污染指数;P为地下水化学指标评分值;PAve为测点所有参评地下水化学指标评分值的算术平均值;PMax为测点的地下水化学指标评分值P的最大值.通过值得分判断地下水水质级别.

表1 内梅罗指数综合评价分级表

2 结果与分析

2.1 地下水化学组分的时空特征

由巴拉格尔河流域地下水的主要离子浓度分析结果(表2)可知,地下水呈现弱碱性环境,丰水期pH值平均值为8.47,枯水期pH值平均值为8.24,枯水期比丰水期pH值略低,其变异系数在各项统计指标中最小,仅为0.04,说明地下水的pH值相对稳定.水体离子浓度和TDS标准偏差大于pH值,反映了较大的空间差异性.地下水阴离子浓度的高低顺序为HCO3–>SO42–>Cl–>NO3–>CO32–>F–>NO2–,阳离子浓度的高低顺序为 Na+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+,在离子中HCO3–浓度的均值最大,且变异系数相对较小,表明HCO3–在地下水离子组分中占据主导地位,稳定性高,空间分布整体呈现出西高东低的特点,枯水期HCO3–浓度高于丰水期,在巴拉嘎尔苏木和柴达木苏木周围变化较为明显.TDS平均值为128.43mg/L,最高达286.6mg/L(表2),地下水(TDS) 质量浓度平均值均低于1g/L,属于淡水, TDS空间分布由西向东逐渐降低,最大值均集中出现在柴达木苏木西部,丰水期相比于枯水期多数离子浓度与TDS有明显下降,这主要与降水有关. Na+、F–、Cl–、SO42–、NO3–变异系数较大,说明不同区域离子浓度相差较大,易受自然和人类活动影响.

表2 地下水化学组分统计分析(mg/L)

2.2 地下水化学组分的源解析

Piper三线图能够体现水体的化学组成特征,进而可以辨别水体的一般化学特征及其控制单元[23-25].在自然地质条件、人类活动等因素的共同影响下,研究区地下水水化学类型(图2)繁杂多样,以HCO3–-Ca2+·Na+型占主导,HCO3–-Ca2+型、HCO3–-Ca2+·Mg2+型、HCO3–-Na+型和HCO3–-Ca2+·Na+·Mg2+型等多种共存.地下水主要受碳酸盐岩风化影响,丰水期与枯水期离子浓度总体变化差异较小,在阳离子组成的三角图中,水样点主要落在中部偏下,阳离子以Na++K+和Ca2+为主,丰水期、枯水期阳离子总量的比例分别由43%、39%上升至49%、40%;在阴离子组成的三角图中,水样点主要集中在左下角,主导阴离子为HCO3–+ CO32-,由丰水期到枯水期,所占阴离子总量比例由66%增长至73%.水化学菱形域中研究区多数离子位于1区,碱土金属离子大于碱金属离子.

相关性分析可以揭示地下水水化学各指标的相似性和差异性,从而判断地下水各组分来源的一致性和差异性[26],丰水期TDS与阳离子的相关系数大小依次为Mg2+>Na+>K+>Ca2+,枯水期Na+>Mg2+> Ca2+>K+,丰、枯水期TDS与阴离子HCO3–、SO42-相关系数均为最高,丰水期与Cl–、CO32–均相关,但枯水期与CO32–相关性较弱.TDS与多数主要离子均存在一定相关性,表明易溶成分是决定TDS的主要因素,且TDS与HCO3–呈高度相关,说明TDS主要受HCO3-控制(表3).

图2 地下水piper三线图

表3 地下水主要离子相关性

注:*和**分别表示在0.05和0.01的水平上具有显著性(双尾检验).

对研究区地下水离子进行不同时段空间主成分分析(图3),丰、枯水期第一、第二主成分解释了变量97.64%和96.41%的方差,其中,丰水期主成分1(PC1)和主成分2(PC2)分别解释了58.53%、39.11%方差,上游水体离子对PC1的贡献较大,下游水体离子对PC2的贡献较大,表明不同地理位置是水体离子差异的主要控制因子.枯水期PC1和PC2分别解释了63.23%、33.18%方差,上游、中游水体离子对PC1的贡献较大,上游和下游水体离子对PC2的贡献较大.不同河段枯水期水化学差异不显著,但丰水期地下水离子具空间特征, 为进一步探讨研究区地下水主要离子与地质背景之间的关系[6],对地下水各组分进行主成分分析(表4),经过相关矩阵计算、KMO及Bartlett球型度检验(丰水期: KMO=0.52,枯水期: KMO=0.6),数据适合做主成分分析,通过主成分提取和最大方差正交旋转因子分析法对9个变量进行分析,得到了3个主因子:1、2、3,根据凯瑟标准,选择累积贡献率在75%以上的成分.丰水期1包括Na+、Cl–、SO42–,可能来源于人类活动及地下水蒸发浓缩作用的影响.2包括Ca2+、Mg2+、HCO3–、TDS,主要来源于地下水与碳酸盐的水岩之间的溶滤作用,3包括K+、CO32–.K+可能来源于土壤肥料溶滤作用,研究区牧民主要养殖牛、羊、马等牲畜,有动物排泄以及生活废水的排放.枯水期1包括Cl–、Na+、SO42–、HCO3–、TDS、Ca2+、Mg2+,反应了天然地下水溶滤作用对地下水水化学成分的响,2包括CO32–、HCO3–、TDS,3包括K+.枯水期与丰水期的因子载荷所包含的离子有所差异,丰水期累积方差贡献率(83.79%)高于枯水期(80.38%),说明丰水期主要离子来源的变化更复杂[27].

图3 丰、枯水期地下水离子空间分布主成分分析

表4 地下水主要离子主成分分析

2.3 地下水质时空特征

选取(Na+)、(NH4+)、(F–)、(Cl–)、(NO2–)、(SO42–)、(TDS)、pH值等8项指标进行地下水质量评价(图4).地下水内梅罗综合污染指数范围在0 ～7.46之间,平均值为3.2,地下水级别复杂多样,大部分地区水质主要集中在良好和较好水平.丰水期水质级别整体高于枯水期.上游水质优于下游,靠近河流附近水质较差,主要原因为研究区内牲畜排泄及生活废水排放对河水水质影响较大,靠近河流地下水埋深较浅,易受河水影响.枯水期相比丰水期水质在敖包绍仍南部有明显降低趋势,水质较好的地区主要集中在流域南部、柴达木苏木附近及巴彦胡舒苏木东南部分地区,其中达青宝力格东北部内梅罗指数为0～0.8,水质级别为优良.水质较差地区呈片状分布在柴达木苏木西部,极差水质以点状零星分布于柴达木苏木西部,其余地区水质级别均为较好,丰水期、枯水期分别有27、20个地下水采样点的内梅罗综合污染指数在0～4.25之间,水质较好,约占样品总数的50%.总体来看,研究区地下水质量为较好水居多,其次为较差,良好,优良和极差水占比最小,流域水质较好.

图4 地下水水质的时空分布

2.4 讨论

Gibbs[28]通过对世界雨水、河水和湖泊等地表水体的水化学组分分析,将天然水化学成分的来源主要区别为3个,即蒸发浓缩型、岩石风化型和降水控制型.众多学者将Gibbs图应用在地下水化学组分的研究中[29-30],宏观地反映水中主要离子的控制因素,定性判断水化学组成来源[10].由研究区地下水的水化学Gibbs图(图5)可知,丰水期与枯水期变化趋势和范围一致,TDS范围在46～287mg/L,Cl–/(Cl–+HCO3–)质量浓度比值处于0～0.4<0.5,Na+/(Na++Ca2+)质量浓度比值范围在0.2～0.9之间,说明岩石风化作用对地下水主要离子影响较大,蒸发浓缩型和降水控制对研究区地下水离子影响较弱,地下水主要离子的控制类型为岩石风化型,这与Piper三线图分析所得离子主要受碳酸盐岩风化结果相一致.各离子均未落在降水控制区,原因为巴拉格尔河流域深处西北内陆,远离海洋,降水少,蒸发大.研究区水体基本落在Gibbs内部,部分落在模型外部,说明部分水体受到人类活动影响[31-32].少数点有向蒸发浓缩型转变的趋势,原因是潜水埋深较浅,局部地区蒸发较大.

图5 地下水水质Gibbs分析图

图6 地下水离子比值图

由于Gibbs主要受岩石风化影响,但是水化学的来源和形成过程不可知,故用离子比值法来判断地下水的成因[18].地下水中的Ca2+、Mg2+主要来自碳酸盐、硅酸盐或蒸发岩的溶解,当(Ca2++Mg2+)与(SO42–+HCO3–)>1(毫克当量比值关系)时,地下水中的Ca2+、Mg2+主要来自碳酸盐的溶解,<1时,主要来源于硅酸盐和蒸发岩的溶解.研究区地下取样点分布在(Ca2++Mg2+)/(SO42–+HCO3–)=1的两侧,说明研究区地下水中的Ca2+、Mg2+同时来源于碳酸盐、硅酸盐和蒸发岩的溶解.Na++K+与Cl–的比值可以反映Na+和K+的来源,当(Na++K+)/(Cl–)>1时,表示发生岩盐的溶解,<1表示发生硅酸盐的溶解,研究区采样点大多数位于(Na++ K+)/(Cl–)=1的上方,说明研究区地下水Na+、K+来自岩盐的溶解.SO42–+Cl–与HCO3–反映地下水中化学成分的主要来源,当(SO42–+Cl–)/(HCO3–)>1时,地下水中化学成分主要来自蒸发岩的溶解,<1主要来自碳酸盐的溶解.研究区地下水采样点主要位于(SO42+Cl–)/(HCO3–)=1下方,说明碳酸盐溶解占主导作用.(Na+- Cl–)/(Ca2++Mg2+)-(SO42–+HCO3–)反映阳离子交换作用.若阳离子发生交换作用,则二者关系出现负相关,即在矿物的溶解过程中随着Na+含量的增加,Ca2++ Mg2+含量减少,从图中可以看出浅层地下水发生阳离子交换作用(图6).

图8 Ca2+与埋深关系

丰水期各离子浓度及TDS低于枯水期,与林云等[33]结果一致,可能是与降水及水岩相互作用有关.地下水的pH值越大,F–离子浓度越高,这与丁丹等[34]得出淮北平原浅层地下水影响因素结果相同, 且F-随氢氧同位素的富集而升高,Ca2+随埋深的加深, 浓度呈上升趋势(图7、图8).后期将结合氢氧同位素进行内蒙古草原流域地下水化学特征及成因的进一步分析,并且阴阳离子交替作用除用(Na+-Cl–)/(Ca2++Mg2+)-(SO42–+HCO3–)表示,还将进一步结合氯碱指数对阳离子交换进行定量计算.

3 结论

3.1 以巴拉格尔河流域为代表的内蒙古草原流域地下水呈现弱碱性环境,大部分属于微咸水,丰水期多数浓度低于枯水期,HCO3–在地下水离子组分中占据主导地位,空间分布整体呈现出西高东低的特点.

3.2 在自然地质条件、人类活动等因素的共同影响下,巴拉格尔河流域地下水水化学类型以HCO3–-Ca2+·Na+型占主导,HCO3–-Ca2+·Mg2+型、HCO3–-Ca2+型、HCO3–-Ca2+·Na+·Mg2+型和HCO3–-Na+型等多种共存,丰水期、枯水期地下水化学类型差异较小.

3.3 巴拉格尔河流域地下水级别多样,较好水居多,其次为较差,良好,优良和极差水占比最小,总体地下水水质偏好.

3.4 巴拉格尔河流域地下水化学离子主要受岩石风化作用控制,Ca2+、Mg2+同时来源于碳酸盐、硅酸盐和蒸发岩的溶解,Na+、K+来自岩盐的溶解,其中碳酸盐溶解占主导作用,浅层地下水存在阳离子交换作用.

3.5 巴拉格尔河流域地下水水化学演化的驱动因素主要为碳酸盐岩风化、水岩溶滤作用和人类活动.

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Spatial-temporal characteristics of groundwater quality and its environmental driving factors of Steppe Basin—taken Balaguer river basin of Inner Mongolia for instance.

FANG Li-jing1, GAO Rui-zhong1*, JIA De-bin1, YU Rui-hong2,3, LIU Xin-yu2, LIU Ting-xi1

(1.Institute of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China；2.School of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China；3.Key Laboratory of Ecology and Resources Use of the Mongolian Plateau, Ministry of Education, Hohhot 010021, China)., 2021,41(5)：2161～2169

In order to find out the hydro-chemical characteristics, formation and environmental significance of groundwater in Inner Mongolia steppe basin, Balaguer River basin was selected as the typical study area, in which 92 groundwater samples of 46 wells were sampled in the wet and dry seasons of 2018～2019. The Piper trigram, Gibbs graph, principal component analysis (PCA), Nemerow index were adopted to analyze groundwater water quality and the results showed that the groundwater were weakly alkaline, most of which were brackish water and a few were fresh water. Overall, the ion concentrations were higher in wet seasons than dry seasons, and higher in the west area than the east area. Groundwater hydro-chemical types were complex and diverse, including HCO3–- Ca2+·Na+, HCO3–- Ca2+, HCO3–- Ca2+·Mg2+, HCO3–- Na2+and HCO3–- Ca2+·Na+·Mg2+. There were no significant hydro-chemical distinctions in different river sections during the dry seasons, while the ion concentrations possessed spatial characteristics and the sources were complicated during the wet seasons. The ions in groundwater were mainly controlled by rock weathering, and Ca2+、Mg2+mainly came from the dissolution of carbonate, silicate and evaporation, while Na+、K+came from the dissolution of salt rock. The groundwater quality was better in the whole basin, and the proportion of extremely poor and excellent water was relatively small. The main driving factors of the evolution of groundwater hydro-chemical characteristics were carbonate rock weathering, water karst filtration and human activities. The research results could be taken as a technical reference for protection and restoration of regional grassland ecological environment, exploitation and utilization of water resources and study of watershed eco-hydrology.

hydro-chemical characteristics；principal component analysis；quality assessment；Piper；Gibbs；environment driving force

X143;P641.12

A

1000-6923(2021)05-2161-09

房丽晶(1996-),女,内蒙古呼伦贝尔市人,内蒙古农业大学硕士研究生.主要从事干旱半干旱地区生态水文及水化学特征研究.发表论文4篇.

2020-09-22

内蒙古重大研发项目(2019ZD001);国家自然科学基金资助项目(51969022);教育部重点实验室开放课题(KF2020006);内蒙古自然科学基金资助项目(2018MS05006);内蒙古自治区科技计划项目(2019GG141)

* 责任作者, 教授, ruizhonggao@imau.edu.cn