丹江口库周典型支流污染离子的迁移模式及机理研究

杨 潇， 方子樊， 何文武

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441000)

丹江口水库是南水北调中线工程的水源区,向库区、汉江中下游沿线和南水北调中线受水区几亿人民供给生活、生产及生态用水,其水质的好坏直接关系到调水工程的成败[1]。地下水和地表水在循环过程中与岩石圈、生物圈及大气圈进行复杂的物质、能量和信息交换,其水化学特征受地层岩性、地形地貌、土壤类型、地表径流和人类工程活动控制,具有一定的时空差异性。对重点水资源保护区开展地表水与地下水水化学特征及演变过程研究,不仅可以掌握水资源循环规律,揭示水与环境的相互作用机制,还可为区域水资源可持续开发、利用及保护提供科学参考[2]。

2017年国家出台的《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十三五”规划》[3]中明确指出：水源区总氮浓度总体偏高,存在发生富营养化的风险。针对这一问题，目前业界研究主要集中在水库水体污染物时空分布特征[4]、典型流域水化学特征和水质变化特征[5]等方面,大多得出入库河流污染程度高于库区污染程度的空间分布特征,而对小流域的水质变化特征及规律研究较少。随着丹江口水库周边地区经济社会的快速发展和城镇化水平的不断提高,入库支流因受到自然和人为因素影响较大,将进一步威胁丹江口水库水源地生态环境平衡。

本文以丹江口库区丹江流域入库段和滔河流域入库段为研究区[6],系统采集地下水和地表水样品,分析其离子组成特征、离子浓度变化和影响因素,揭示污染离子的迁移模式和形成机理,为丹江口库区生态环境保护提供支撑。

1 取样和分析方法

1.1 采样点位置及时间

研究区采样点位置如图1所示。主要对丹江荆紫关—大石桥乡入库段长约20.55 km距离进行采样,样品数量10件；对滔河三道梁—滔河乡入库段长约38.5 km距离进行采样,样品数量10件；同时在丹江、滔河两岸采集22件地下水样品,采样时间为2019年7月和11月,分别在枯水期和丰水期采样一次。泉水样品采集按要求在地表水下50 cm 处采取,机(民)井点采取样品前先用潜水泵抽水3 ～ 5 min,在采集过程中,用预采地下水样品对采样瓶冲洗3 次后再进行采样取样。

图1 研究区采样分布图Fig.1 Sampling distribution map of study area

1.2 样品测试方法

2 地表水离子浓度变化分析

2.1 丹江

图2 丹江地表水阴阳离子浓度变化曲线Fig.2 Variation curve of anions and cations in surface water of Danjiang River

2.2 滔河

图3 滔河地表水阴阳离子浓度变化曲线Fig.3 Variation curve of anion and cation in surface water of Taohe River

3 丹江口库周水化学影响因素分析

3.1 岩石风化影响

图5 丹江流域地表水、地下水样品主要离子比值分布图Fig.5 Distribution of major ion ratios in surface water and groundwater samples in Danjiang River Basin

3.2 大气降雨影响

丹江流域中的Cl-/Na+比值平均值为0.56,比世界平均海水比值(Cl-/Na+=1.15)低得多,而丹江距离最近海域约750 km,远离海边,因此可知丹江流域水化学组分基本不受海洋蒸发输入的影响。大气降雨中的海盐输入对丹江地表水溶质的贡献非常小,可忽略不计。丹江流域中两侧主要是碳酸盐岩地层,在碳酸盐岩地区地下水中的Cl-含量很低,自然条件下的Cl-主要来自于人类工程活动输入。

3.3 人类工程活动的影响

丹江口库区中人类工程活动对丹江及其支流滔河的水化学影响异常复杂,人类工程活动产生的污染物主要通过两种方法影响丹江流域水化学的变化：一种是通过人类生活和工业生产而产生的废弃物排放；另一种是通过酸沉降。人类工程活动产生的污染离子通过直接或间接的方式,以地表径流或地下径流的形式进入丹江流域中,对丹江流域地表水产生污染。因丹江流量较大,多年平均流量174.00 m3/s,其地表径流对丹江河水产生了一定的稀释作用,使丹江流域地表水具有一定的自净能力。因此,人类工程活动对丹江流域水化学的影响难以定量分析。

3.3.2Na+、K+、Cl-特征及来源分析

丹江流域两岸碳酸盐岩地层分布广泛,而碳酸盐岩地区地下水中的Cl-含量很低,因此可以推测丹江流域的Cl-主要受大气降雨和人类工程活动的影响,而丹江远离海边,故丹江流域Cl-含量的异常升高主要受人类工程活动的影响。人类生活污水的特征是富含Na+、Cl-,K+通常来自于农业钾肥(KCl)的施用,因而河水中 Na+、K+、Cl-主要为人类工程活动中农业钾肥(KCl)的施用及生活污水的排放等。

4 污染离子的迁移模式及机理研究

4.1 地下水污染离子的迁移模式及机理

图6 采样点与区内其他地下水主要离子含量对比图Fig.6 Square comparison diagram of main ion content between sampling points and other groundwater in the area

图7 采样点与丹江地表水、地下水主要离子比值图Fig.7 Ratio chart of sampling points to surface water and groundwater ions in Danjiang River

4.2 地表水主要污染离子的迁移模式及机理

图8 丹江主要污染离子含量随距离变化图Fig.8 Variation of content with distance in main pollutant ions in Danjiang River

图9 丹江主要污染离子Cl-含量随距离变化图Fig.9 Variation of Cl- content with distance in main pollutant ions in Danjiang River

5 结论

(2) 地下水污染物主要来源于农业污染,其污染离子的迁移受丹江口水库蓄水水位影响。蓄水期间地下水水力梯度下降,导致地下水排泄受阻,库周农田中残留的大量污染离子入渗,引起地下水污染离子浓度增加而产生污染。

(3) 地表水污染物主要来源于污水处理厂和农业污染,但随着距离的迁移,污染离子被河流补给所稀释,污染物含量趋于正常水平。