城乡周边水库水化学特征及灌溉水质评价

2021-12-21袁政莲马杰颜晓龙张玉洁刘家乐白秀秀

安徽农学通报 2021年21期

关键词：水库

袁政莲马杰颜晓龙张玉洁刘家乐白秀秀

摘要：為查明城乡周边-皖北夹沟地区水库水的水化学特征及其灌溉性，系统采集了研究区内11座水库21个水样品，采用描述性统计、Piper三线图法、Gibbs图法、离子比例系数法和主成分分析等方法，对研究区地表水进行了水化学分析，同时利用灌溉指标对研究区地表水进行了灌溉性评价。结果表明：研究区地表水水化学类型以Ca-Mg-HCO3和Ca-HCO3-SO4为主;水化学组分变化受岩石风化作用较明显，主要受碳酸盐矿物、硅酸盐矿物、硫酸盐矿物、岩盐风化溶滤等天然地质作用影响。灌溉指标显示，研究区水库水的盐害和碱害程度较小，适宜做灌溉水。

关键词：夹沟地区;水化学特征;水库;灌溉性评价

中图分类号 TV697.2;X143 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）21-0138-04

Abstract： To ascertain the water chemistry characteristics and irrigating properties of reservoir water in the Jiagou area around urban and rural areas， 21 water samples from 11 reservoirs in the study area were collected systematically. The hydrochemical characteristics of reservoir samples were analyzed by the methods of descriptive statistics， Piper diagram， Gibbs diagram， ion ratios， and principal component analysis. At the same time， the irrigation index was used to evaluate the irrigation performance of the surface water in the study area. The results show that the hydrochemical types of surface water in the study area were mainly Ca-Mg-HCO3 and Ca-HCO3-SO4， which are affected by rock weathering， especially by natural factors such as carbonate minerals， silicate minerals， sulfate minerals， and rock salt weathering leaching. Irrigation indicators show that the degree of salt damage and alkali damage of the reservoir water in the study area is relatively small， and it is suitable for irrigation water.

Key words： Jia-gou area; Hydrochemical characteristics; Reservoir; Irrigation water quality evaluation

地表水作为地球化学循环必不可少的组成部分，是海陆间物质和能量循环的重要途径，同时也是人类生活用水、工业用水的主要来源[1]。地表水的水化学特征既可指示水循环过程，也可反映区域内的水岩相互作用过程[2]。区域内气候条件、地质条件以及径流和排泄等诸多自然及人为因素均可影响地表水的化学组成、特征及水质状况[3-4]。由于河流径流量呈季节性变化，加之河流水质恶化问题，使得河流越来越不能满足用水需要;相比而言，水库因其水量均衡且其水质较好，逐渐成为很多地方重要的灌溉水源。作为调节区域气候变化与生态系统平衡的枢纽，地表水的水化学特征及水质好坏正受到越来越广泛的关注[2]。而水库水作为灌溉水源的重要来源之一，其水环境质量直接关系到区域的生态环境及供水安全等问题[5]。

目前，针对皖北城乡及周边区域，地表水的水文地球化学的研究成果颇多[6-8]。作为传统农业经济基地，皖北乡镇地区现已形成了以农业、养殖业和种植业为主的产业链，该区域内的经济发展及资源开发使得水环境质量有所变化。而针对皖北城乡区域水库水水化学研究则鲜见报道，尤其是水库水的水文地球演化规律及水质变化研究相对较少。基于以上分析，本研究选取皖北传统农业城乡区-夹沟地区为研究区，以水文地球化学理论和灌溉水质评价为基础，对夹沟地区的11座水库系统采集21个水样，联合水化学图示法、多元统计分析及灌溉水水质评价指标等方法，研究区域地表水水化学特征及水质状况[9]，为研究区地表水水环境保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况夹沟地区位于安徽省宿州市埇桥区北部，地理坐标为东经117°01′30″～117°05′30″，北纬33°53′0″～33°54′30″之间。属暖温带半湿润季风气候，年均降水量在900mm以上，降水期主要集中在6—9月，季风明显、气候温和。大地构造上属于中朝准地台区的淮北盆地-穹隆分区，处于徐州-宿州弧形构造带。

1.2 样品采集及测定为了对夹沟地区水库水进行水化学分析及水质评价，于夹沟地区11座水库共采集21个水样品，采样时间为2020年12月，采样点位置如图1所示。采样前，先用拟取样的水库水清洗聚乙烯瓶（550ml）3～5次后，采集水样至满瓶并密封，每个采样点采集2瓶。采样步骤参照《地表水和污水监测技术规范》。现场使用便携式测试仪，测定pH、TDS和EC等指标。样品送至实验室后，用0.45μm醋酸纤维滤膜过滤后0～4℃低温保存，随后进行常规离子测试。常规水化学阳离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）和阴离子（Cl-、SO42-）使用美国赛默飞公司离子色谱仪（ICS-600和ICS-900）分析，HCO3-和CO32-采用酸碱滴定。测试均在安徽省矿井水资源化利用重点实验室完成。

2 结果与分析

2.1 水化学组分含量研究区水库水水样测试结果如表 1所示，研究區水库水中阳离子主要以Ca2+为主，平均值为70.52mg/L，其余阳离子浓度排序为Mg2+（14.51mg/L）>Na+（8.04mg/L）>K+（2.09mg/L）;阴离子主要以HCO3-为主，平均值为231.20mg/L，其余阴离子浓度排序为SO42-（44.52 mg/L）>Cl-（18.20mg/L）。研究区水库水水样的pH值范围在8.57～9.48，平均值为8.96，整体呈碱性。TDS含量范围在167.00～392.00mg/L，平均值为229.86mg/L，水库水属于淡水类型。电导率（EC）在345.00～810.00μs/cm，平均值为478.86μs/cm。其中，pH变异系数较小为2.79%，其在水库水中相对较稳定[9]。

2.2 水化学类型及特征

2.2.1 水化学类型研究区水库水Piper三线图（图2）显示，大部分水样点位于1区、3区和5区，说明研究区水库水中阳离子以Ca2+和Mg2+为主，阴离子以HCO3-和SO42-为主，且碳酸盐硬度超过50%。根据piper三线图，水化学类型基于最大阴阳离子毫克当量浓度可分为Ca-Mg-HCO3型和Ca-HCO3-SO4型2种，并且Ca-Mg-HCO3型水样较多。阴离子（Ca2+-Mg2+-Na++K+）三角图2（a）中，水样点落在Ca2+-Mg2+线上，水样点靠近Ca2+端元;阴离子（HCO3--SO42--Cl-）三角图2（b）中，水样点落在HCO3-端元，由此可推断出夹沟地区水库水水化学成分的形成受碳酸盐岩溶滤作用影响较大[3]。

2.2.2 水岩作用水库水的水文地球化学行为可通过Gibbs图来识别，Gibbs图将控制水库水形成的机制分为蒸发浓缩、岩石风化、大气降水3种类型[9]。研究区水库水TDS浓度分布在167～392mg/L，大部分水样集中在230mg/L左右;γ（Na++K+）/γ（Na++K++Ca2+）集中在0.05～0.18，γ（Cl-）/γ（Cl-+HCO3-）集中在0.02～0.33。由图3可知，夹沟地区所有水库水样品都基本位于Gibbs图中的岩石风化控制端元，反映了岩石风化是控制研究区水库水水化学类型的主要因素，揭示了夹沟地区水库水常规离子来源受岩石风化溶滤作用控制[9]。

2.3 离子来源

2.3.1 相关性分析和主成分分析选用Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-等7个水化学参数作为水化学分析指标，通过SPSS26获得各参数间的相关系数矩阵（表2）。2个参数之间的相关性越强，说明这2个参数联系越密切[9]。由表2可知，Na+与Ca2+、Cl-、SO42-的相关性较强，Ca2+与Cl-、SO42-的相关性较强，Mg2+与HCO3-的相关性较强，说明它们两两之间可能有相同的溶质来源[2]。

运用SPSS.26进行主成分分析，进一步解释自然背景以及人类相关活动对水库水化学成分的控制情况[10]。由图4可知，控制研究区水库水水化学特征的成分以下有3个：第一主成分与Na+、Ca2+、Cl-、SO42-相关，可能与硫酸盐矿物、岩盐的风化溶滤有关;第二主成分与Mg2+、HCO3-相关，可能与碳酸盐矿物的风化溶滤有关;第三主成分与K+相关，又因K+含量较低，K+来源可能与硅酸盐矿物风化有关。综上所述，夹沟地区水库水的化学成分主要与自然因素（碳酸盐岩、硫酸盐岩、硅酸盐岩、岩盐的风化溶滤）有关。

2.3.2 离子比例系数通过离子比例系数差异性能够进一步判断水库水化学组分的来源及其水化学演化过程[9]。图5（a）表明，研究区水库水主要分布在γ（Cl-）/γ（Na+）=1直线附近，有少量水样分布在γ（Cl-）/γ（Na+）=1直线上方，即研究区除发生了岩盐的溶解外，同时发生了离子交替吸附作用[11];图5（b）表明，研究区水库水主要分布在γ（Ca2+）/γ（SO42-）=1直线上方，即研究区硫酸盐风化溶解作用不是Ca2+的唯一来源，Ca2+可能有其他来源[11]，如硅酸盐矿物风化;图5（c）表明，研究区水库水主要分布在γ（SO42-+HCO3-）/γ（Ca2++Mg2+）=1直线附近，即研究区发生碳酸盐岩、硫酸盐岩的风化溶解[2];图5（d）表明，研究区水库水主要分布在γ（Ca2+）/γ（Mg2+）=2直线上方，即研究区发生硅酸盐岩或硫酸盐岩的风化溶解[2]。因此，夹沟地区水库水离子来源主要有硅酸盐岩、硫酸盐岩、碳酸盐岩等蒸发岩的风化溶解作用。

2.4 灌溉水水质当水库水作灌溉水使用时可能会使土壤发生盐化或者碱化作用，进而可能影响农作物的生长[12]。对夹沟地区水库水灌溉水质进行单指标分析（图6），分析的指标有钠吸附比（SAR）、残余碳酸钠（RSC）、钠百分比（%Na）、渗透指数（PI）、镁系数（KMg）。由图6可知，残余碳酸钠（RSC）<1.25，说明灌溉水质适宜灌溉[12];钠吸附比（SAR）<10，说明灌溉水水质很适宜灌溉[12];25%<渗透指数（PI）<75%，说明灌溉水水质很适宜灌溉[12];钠百分比（%Na）<30%，说明水库水水质适宜灌溉[12];镁系数（KMg）<50%，说明灌溉水在土壤中发生镁碱化作用的可能性较小，不会对农作物产生毒害[13]，可用于灌溉。综上所述，从单指标分析结果看，夹沟地区水库水适宜做灌溉水。

3 结论

（1）夹沟地区水库水属于淡水，整体呈碱性，水化学类型为Ca-Mg-HCO3和Ca-HCO3-SO4型;阳离子质量浓度平均值由大到小为Ca2+>Mg2+>Na+、K+，阴离子质量浓度平均值由大到小为HCO3->SO42->Cl-。水岩作用分析揭示，水库水受岩石风化溶滤作用影响。

（2）主成分分析和离子比例分析揭示了夹沟地区水库水主要受碳酸盐矿物、硅酸盐矿物、硫酸盐矿物、岩盐风化溶滤的自然要素影响。

（3）采用5个评价碱害的指标（RSC、SAR、PI、%Na、KMg），对夹沟地区水库水进行水质评价，综合分析表明，夹沟地区水库水较适宜灌溉。

参考文献

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