大沽河流域上游水化学特征及其控制因素研究

陈京鹏，蒋书杰，杨询昌，王华飞，刘伟，王学鹏，谭志容

1)山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘察院)，山东德州，253000；2)中科华鲁土壤修复工程有限公司，山东德州，253000

内容提要：大沽河流域是青岛市、烟台市重要的供水源区，为研究大沽河流域水化学特征及成因机制，选取大沽河流域上游补给区开展研究，采集35个地下水样品和5个地表水样品。综合运用描述性统计分析、Piper三线图、Gibbs图以及离子比值等方法，结合水文地质条件，分析研究区水化学特征，探索其水化学组成的成因机制。结果表明，大沽河流域地下水为弱碱性水，占优势的阴、阳离子分别为和Ca2+、Mg2+。水化学类型共分多种，其中以为主。大沽河流域水化学特征受水—岩作用、阳离子交换作用的影响，岩石风化溶解是水化学特征的主要控制因素，且阳离子交换作用活跃。Na+、K+、Cl-、偏硅酸主要来源于硅酸盐岩的溶解，Ca2+、Mg2+和S主要来源于碳酸盐岩的溶解，显著高于来自蒸发盐岩风化溶解的贡献。人类活动对地下水化学特征有较大影响，农业种植、养殖业等人类活动导致水中N浓度普遍偏高，同时人类活动加剧了硅酸盐矿物的风化溶解，使得偏硅酸浓度升高，超过74%的水样偏硅酸质量浓度达到了25 mg/L。

水资源是饮用水、农业灌溉、工业用水的重要来源，是社会经济发展的重要保障，对于缺水地区尤其重要，但是受气候变化(Zhai Yuanzheng et al., 2015)、海咸水入侵(吕晓立等，2020)、人类活动(侯国华等，2019)等自然及人为因素的影响，水生态环境发生了较大的变化，因此对水化学特征及其控制因素进行研究，不仅能反映各种因素对地下水的影响，而且对水资源开发和利用、生态环境保护和人与自然和谐共处具有重要意义(侯国华等，2019)。

胶东半岛属于中国典型的缺水地区且经济发达，大沽河流域位于胶东半岛西部，是当地重要的饮用及农业灌溉水源，做好大沽河流域水源保护极为重要。目前，关于大沽河流域的研究主要集中在地下水污染(孟盼盼，2020)、生态环境(孙鸿运等，2020)及海咸水入侵(熊贵耀等，2019；孙鸿运等，2020)、水化学特征(尹子悦等，2018；熊贵耀等，2019；孙鸿运等，2020)等。如孟盼盼(2020)从地下水污染角度对大沽河流域水质评价，孙鸿运等(2020)对大沽河表层沉积物重金属生态风险进行了评价，熊贵耀等(2019)从大沽河地下水化学及同位素特征角度进行了评价，发现下游地下水水化学受到海咸水入侵的影响，马莉等(2021)对大沽河流域稀土元素的地球化学特征进行了研究。前人对该流域内地下水污染、生态环境及下游水化学特征进行了研究，但对流域内上游水化学特征及成因方面的系统研究尚需深入开展。

基于以上因素，笔者通过描述性统计、图解法和离子比值等方法，结合水文地球化学理论对大沽河流域进行系统性分析，探究其水化学特征及形成机制。以期对大沽河流域水资源合理开发利用与保护、胶东地区水生态环境改善提供借鉴。

1 研究区概况

大沽河流域位于胶东半岛西部，是青岛市最大的河流，也是胶东地区水资源量最丰富的的河流之一(熊贵耀等，2019)。本次研究区为大沽河流域上游，包括烟台招远、青岛莱西和平度的部分区域，地理坐标东经120°15′E～120°30′E，北纬36°50′N～37°10′N。研究区属于鲁东低山丘陵区，地势北高南低、西高东低，地面标高40～300 m，总的趋势北高南低。研究区属于暖温带季风型大陆性气候，年平均气温12.2℃，多年平均降雨量661.5 mm，降雨季节性较强主要集中在雨季(6～9月)。地表水系较发育，除大沽河流域的大沽河和小沽河自北向南合流外，其余河流均为时令性河流。构造单元上研究区属于胶北凸起和胶莱盆地西部，北部为凸起区，南部凹陷区。地层属华北地层，由老到新发育有中太古代、古元古代、中生代白垩纪、新生代第四纪。研究区大部分地区属于基岩山区，出露地层主要北部以老地层花岗岩、花岗闪长岩类为主，南部地势平缓，出露地层多以白垩纪砂岩、喷出岩为主，第四系只在河流两侧平原发育，以粉质黏土为主。研究区属胶东半岛，太古宙后期地壳褶皱隆起，中生代受燕山运动的影响，研究区形成了北部花岗岩风化裂隙水、西部碳酸盐岩岩溶裂隙水为主，南部以碎屑岩裂隙水，河流两侧松散岩孔隙水的地下水类型。

根据地下水质量标准(GB/T14848-2017)，研究区地下水以Ⅴ类水为主，占比达70%。

2 材料与方法

2.1 样品采集与测试

2020年5月在研究区进行了水样采集，共计40个水样点，其中35组地下水样品，5组地表水样品(图1)，地下水采样点以民井、机井为主，井深范围为7～120 m，采样点分布较均匀，不同的地貌单元、水文地质条件均有分布，保证了采样点具有代表性。地表水采样点为研究区内主要水库和河流在内的主要水体，包括产芝水库、北墅水库、马连庄水库、大沽河和小沽河等。水体温度、pH、电导率、溶解氧、溶解性固体总量和氧化还原电位等参数现场使用便携式水质分析仪进行测定。采样技术人员经过培训，样品采集、保存和送检均按原地矿部《水质采样技术指导》(GB12998—1991)和《水质采样样品的保存和管理技术规定》(HJ 493—2009)等规定执行(魏善明等，2021)。水样化验工作由我单位实验室进行测试，按照《地下水质检验方法》(DZ/T0064—1993)等测试完成。

图1 山东胶东半岛西部大沽河流域水样采样点位置示意图

2.2 数据处理

将获得的水质数据运用Origin2021软件进行描述性统计分析(彭红霞等，2021)，统计主要离子成分、水化学参数分布规律及特征。运用Aquachem3.70软件绘制了主要离子Piper三线图，并对研究区主要化学离子进行统计学分析、离子比值分析，绘制了水化学参数Gibbs图，用以分析研究水化学特征及其成因机制。

3 结果与讨论

3.1 水化学组分特征及水化学类型

3.1.1水化学组分特征

表1 大沽河流域主要水化学指标质量浓度统计

图2 山东胶东半岛大沽河流域水体化学组成箱线图

图3 山东胶东半岛大沽河流域沿程TDS、偏硅酸、N质量浓度变化趋势

3.1.2水化学类型

图4 山东胶东半岛大沽河流域水化学Piper三线图(图中各离子的单位是毫克当量/升)

3.1.3各离子间相互关系

那时候，大家住的是临时搭起的简易板房，从远处望去好像是一个个防震棚。每天早晨天刚亮，大家就从这里出发，赶到工地上班；傍晚太阳落山了，才又回来。北方风沙大，那简陋的板房怎能挡得住遮天蔽日的风沙，早晨一觉醒来，常常脸上、嘴里都是土，被子上更是厚厚的一层。大家喝的水里、饭菜里，都少不了沙土。

表2 山东胶东半岛大沽河流域地下水化学主要离子(质量浓度: mg/L)参数间的相关系数

3.2 主要离子来源及成因机制

3.2.1水岩作用机制

水在径流过程中往往伴随着

将研究区水化学数据绘制于Gibbs图中(图5)，水样点均落在岩石风化和蒸发浓缩控制区内，水样点主要落在岩石风化区域内，表明岩石风化作用占主导地位，蒸发浓缩作用一定程度上影响了这一进程。

图5 山东胶东半岛大沽河流域水化学Gibbs图

图6 山东胶东半岛大沽河流域岩石风化溶解相对贡献

3.2.2阳离子交替吸附

图7 山东胶东半岛大沽河流域水化学阳离子交替吸附作用以及氯碱指数

(1)

CAI-II=

(2)

3.2.3人类活动影响

图8 山东胶东半岛大沽河流域水中N/Na+与Cl-/Na+的关系

3.3 主要风化过程及演化机制

图9 山东胶东半岛大沽河流域水中Na+与Cl-及Na+与HC的关系

图10 山东胶东半岛大沽河流域水中(Ca2++Mg2+)/HC与以及(Mg2++Ca2+)与的关系

4 结论

致谢：感谢审稿专家的宝贵意见！感谢项目组成员王世浩、杜志强、赵健在野外调查和采样方面所作的工作。