兴隆山山系地表主干流水化学特征及影响机制

王 鹏

（兰州大学 地质科学与矿产资源学院，兰州 730000）

兴隆山山系地表主干流是附近居民区和农业生产区的主要供水水源，其水质的优劣直接影响到当地居民的身体健康。由于地表主干流受到流经区域的基岩成分、人类活动等多种因素的影响，不同区域会具有不同化学特征[1]。对兴隆山山系地表主干流化学性质开展研究有助于判断岩石性质及流经区域与地下水成分之间的关系，并为水源的开发利用提供可靠资料。本次研究在先期项目的基础上，以兴隆山山系地表主干流流经区域为研究对象，通过对各样点所取得的水样进行常量离子浓度、总溶解固体量、pH等化学性质进行测试分析，并利用Suffer绘制研究区域内地下水总硬度的平面分布图。结合该区域不同采样点的地质背景及岩性特点，推断出地表主干流的影响机理。

对兴隆山山系地表主干流进行水质取样并进行相关取样点周边环境和岩性特点的考察。利用仪器及化学试剂测定相关水样的总溶解固体质量及相关主量元素含量。在实验数据的基础上利用Suffer绘制区域总硬度的平面分布图，结合研究区域地质构造背景、岩性特点以及人类影响因素，建立研究区域总硬度、总溶解固体量以及主量元素的分布规律并推断出研究区域水系水化学的影响机理，从而为相关区域地下水资源合理开发和利用提供理论依据。

1 研究区概述

兴隆山在黄土高原西部，坐落在甘肃省会兰州市向南50 km。整个山体长度大约为37km，宽度近于15km，走向呈北西西—南东东向。地理位置大致位于北纬35°38'～35°58'，东经103°43'～104°10'。主峰海拔为3 671 m，是甘肃省榆中县与临洮县的界山，也是黄土高原范围内仅有的海拔大于3 600 m的高山，整个山体呈南高北低之势，西边与祁连山相接，向东延伸消失于漫漫的黄土丘陵中。兴隆山气温变化幅度较大，年平均气温为4.1℃，降雨量比较大，年均降水量一般大于600 mm。每年从兴隆山流出的地表水径流量可达到5 349万m3，另外，区内还藏有丰富的地下水资源[2]。

马啣山位于兰州河谷盆地南部约50 km的地方，是榆中县与临挑县的分水岭，山体坐落在兴隆山南侧，呈西北、东南走向。主峰海拔高度3 670 m，相对高度大约2 100 m，山顶地势平坦，宽度在8～10 km，长度大约为40～50 km，是兰州附近地区的最高山地[3]。其高耸的地势以及严寒的气候条件，导致马啣山拥有与周围地区截然不同的地貌景物。与成为世界三极之一的青藏高原类似。具有降水较少，蒸发较强，昼夜温差大，日照时间长等特点，为典型的大陆性气候。

2 样品采集

2.1 水样品采集

本项目在以甘肃省兰州市兴隆山与马啣山为主的研究区域内，共采集地表主干流水样品共计11份。2条水系的取样点的起点均位于水源附近，沿水道向下游延伸至每次人为活动大或者下伏基岩有明显变化处采集样品，在兴隆山主干流共采集样品6个（图1），马啣山采集样品5个（图2），依次编号。并用GPS记录水样品采集点的经纬度及海拔信息。采集样品统一使用干燥的矿泉水瓶，并在采样点用地表水洗涤干净后，进行样品储存。采样时，尽可能地将水瓶装满，以排除瓶中残留的空气对样品的影响，并且为了防止漏气干扰的发生，每个点采集2份样品。同时，在野外用pH试纸测试水样品的pH。

图1 兴隆山采样点分布图

图2 马啣山采样点分布图

2.2 岩石样品采集

岩石样品的采集主要是在地表主干流的源头部位以及流经区域中下伏基岩发生改变的地方采集，共计采集岩石样品7个，其中兴隆山地表主干流3个，马啣山地表主干流4个，将岩石样品标号保存，用于下伏基岩成分的确定。

2.3 实验方法

2.3.1 水样品的处理

本次研究主要需要测定样品中的Na+、K+、Mg2+、Ca2+的离子浓度以及水样品的TDS（总溶解固体量）的值。水样品的pH已经在野外完成测试；水样品的离子成分在兰州大学西部环境与气候变化学院西部环境教育部重点实验室完成，Na+、K+、Mg2+、Ca2+阳离子使用ICS-2500型离子色谱仪测定；TDS值用干燥重量法测定；水样品总硬度用盐酸滴定，结果以CaCO3表示。

2.3.2 岩石样品的处理

岩石样品进行手标本鉴定，并查阅文献得到其大致的元素含量，为之后地表主干流的化学特征的影响因素的研究提供根据。

3 结果展示

3.1 前期调查中研究区的研究现状

3.1.1 兴隆山地区土壤的研究

先前的研究表明，兴隆山地区的土壤形成与分布情况明显地受到气候、植被与海拔的控制。在海拔从2 300～3 500 m的变化过程中，该地区的温度也是从温暖渐渐趋向寒冷，气候也从干燥到湿润，植被也同时由落叶阔叶林（海拔2 300～2 600 m）过渡到以阔叶林为主的针阔混交林（海拔2 600～3 000 m），最后过渡到亚高山（海拔3 000～3 500 m）和高山（海拔高于3 500 m）灌丛草甸，土体的淋溶也逐渐变强，在海拔3 000 m以上土壤风化变为以寒冻风化为主的风化作用，土层厚度变薄，土壤的隐粘化特征消失，土体中残留有很多角状砾石:如马啣山海拔3 600 m地方冻胀草丘和遍布的泥石流遗迹这些冻融现象导致的地表形态变化。降水量随着海拔的升高而明显增加，比山前地带的降水多达150 mm，并伴随着海拔的升高而增加，这对土壤的形成过程具有显著的影响，使土壤的淋溶作用增强，碳酸盐得到淋洗，土壤剖面表现出无石灰反应[4]。

3.1.2 兴隆山地区植被研究

通过对兴隆山和马啣山地区的原始青杄（Picea wilsonii）纯林、天然青杄-白桦（Betula platyphylla）针阔混交林、天然次生山杨（Populus davidiana）-白桦阔叶混交林、天然次生灌丛林、油松（Pinus tabulaeformis）人工纯种林和华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）人工纯种林这6种类型的森林60 cm以上的土壤层的研究以分析该地区森林水源涵养功能[5]。

土壤是森林水文调节的主要场所，同时，土壤水文物理性质是决定森林生态水文功能的基础。其中，渗透性是土壤的水文物理性质的关键参数，是土壤水文物理性质的主要参考。土壤入渗是大气降水、地表水[6]以及地下水相互转化的关键环节，入渗过程以及渗透能力又决定了降雨过程再分配中地表径流和土壤水分的储存以及地下流水的产生于发展[7-8]。所以，土壤渗透能力是影响土壤侵蚀的重要因素，是反映森林土壤水源涵养的重要指标[9-10]。

在森林不断的正向演替进行中，天然森林的土壤发育时期不断增长，理化性质得到不断的改善，因此，渗入能力不断增强。人工林均为纯林，生物多样性大大降低，凋落的植物物种单一、分解速度慢，这就使得大量的植物碎屑铺满地面从而影响到土壤生物的活动，森林改善土壤结构的功能也被大大限制，土壤渗透性差[11]。

3.2 水样品分析结果展示

地表水的总硬度指水中的Ca2+和Mg2+的含量，通常这个折合成氧化物含量。即每升水中含（CaO+MgO）的含量为10 mg的水规定为1度。饮用水的标准硬度为8度。

通过对采得的水样品的前期处理以及试验后，得到水样品的主要参数：pH、总溶解固体量、硬度以及主要的离子含量。其中马啣山的结果见表1、表2、图3。

表1 马啣山地区水样品pH、TDS、硬度

表2 马啣山地区水样品主要离子含量 mg·L-1

（1）根据表1发现马啣山地区的水样的总溶解固体量整体上小于200 mg/L，属于淡水；水的总硬度为5.154度，所以马啣山的水质为软水，经过处理后就完全符合饮用的标准；地表水系的平均pH为7.6，最大pH为8，说明该条水系基本呈弱碱性水。

（2）根据表2可以看出马啣山地表水系的主要阳离子是Ca2+离子，并且远远大于其他3种离子的总和，这是由于下伏基岩的性质造成的；同时，各种离子的含量在从源头的采样点到最终的采样点的区间内基本不发生明显的变化。

（3）根据图3可以看出马啣山山系地表主干流的阳离子含量大小依次为Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+，其中Ca2+含量为32.6 mg/L、Mg2+为3.7 mg/L、Na+为3.0 mg/L、K+为1.8 mg/L，因此马啣山的地表主干流的优势阳离子为Ca2+，其次为Mg2+。Ca2+含量远远高于其他离子含量，主要是由于源区的碳酸盐，即源区主要基岩白云岩中的主要成分白云石CaMg（CO3）2及源区的灰石的主要成分方解石CaCO3这些岩石的风化；Mg2+来源与其相似，主要是由白云石的风化CaMg（CO3）2而成；Na+和K+则主要来源于蒸发岩和硅酸盐的风化产物[12-13]。

图3 马啣山地区水样品主要离子含量

表3、表4、图4展示兴隆山地表主干流的主要参数：pH、总溶解固体量、硬度以及主要的离子含量。

表3 兴隆山地区水样品pH、TDS、硬度

（1）根据表3发现兴隆山地区的水样的总溶解固体量整体上稍大于200 mg/L；水的总硬度为8.101度，所以兴隆山的水质为硬水，但是该水系的水的总硬度仅比饮用水的标准硬度高1.2%，所以经过处理后仍可饮用；兴隆山地表水系的平均pH为7.4，最大pH为8，说明该条水系基本呈弱碱性水。

（2）根据表4以及图4，可以看出兴隆山地表水系的主要阳离子是Ca2+离子，并且远远大于其他3种离子的总和，这是由于下伏基岩的性质造成的；同时，各种离子的含量在从源头的采样点到最终的采样点的区间内基本不发生明显的变化。

表4 兴隆山地区水样品主要离子含量 mg·L-1

图4 兴隆山地区水样品主要离子含量

（3）根据图4可以看出兴隆山山系地表主干流的阳离子含量大小依次为Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+，其中Ca2+含量为49.8 mg/L、Mg2+为6.7 mg/L、Na+为3.6 mg/L、K+为1.6 mg/L，因此兴隆山的地表主干流的优势阳离子为Ca2+，其次为Mg2+。由于Ca2+含量远远高于其他离子含量，主要是由于源区的碳酸盐，即源区主要基岩白云岩中的主要成分白云石CaMg（CO3）2及源区的灰石的主要成分方解石CaCO3这些岩石的风化；Mg2+来源与其相似，主要是由白云石的风化CaMg（CO3）2而成；Na+和K+则主要来源于蒸发岩和硅酸盐的风化产物。

3.3 数据分析

在Gibbs图中，横坐标为普通直线坐标，代表地下水中阳离子的比值（Na+/（Na++Ca2+））；纵坐标为对数坐标，代表地下水中TDS值。Gibbs图可以通过对比水样与天然水的离子和总溶解固体量，从而反映出水样的主要成分与蒸发沉淀作用、岩石控制和大气降水控制的关系。即可以通过Gibbs图将地表水的化学组分分为3种类型：降水控制型、岩石风化型、蒸发-结晶型[14]。

现将研究区域地下水水样品的离子含量绘制于Gibbs图中（图5）。可见地表水的主要离子处在蒸发和沉淀作用范围内，同时也有部分受到岩石的控制。总的来说，Gibbs图显示蒸发与沉淀作用对兴隆山山系地表主干流水化学离子组成的影响显著，其次基底岩石的成分对岩石性质也有着影响[15]。

图5 水样品Gibbs图

4 总结

4.1 地表水影响机制讨论

通过对以上数据的分析以及查阅资料，对兴隆山山系地表主干流的影响机制归结为以下几点。

（1）天然水中的离子含量顺序为Ca2+＞Na+＞Mg2+[4]，而马啣山地区的水中离子含量顺序为Ca2+＞Mg2+＞Na+，兴隆山的地表水中的离子含量顺序也是Ca2+＞Mg2+＞Na+。可见这2条地表流水的离子含量顺序和天然水的并不相同，这主要是因为这2个地区的下伏基岩都是白云岩的缘故。白云岩中的白云石（CaMg（CO3）2）是造成这个的重要原因。

（2）此外，兴隆山地区的地表水中镁离子的含量远高于马啣山地区。结合兴隆山地表水的采样地点在人类活动频繁的景区中，推测兴隆山地区的地表水中的镁离子含量会受到人类活动的影响。同时在马啣山地区的最后一个点是在烈士陵园采样，在此处的镁离子含量比起之前的点也有所升高，也说明水中镁离子的含量会受到人类活动的影响。

（3）随着地表主干流流经区域的植被的不断变化，可以发现水样品中的离子含量没有呈现明显的起伏变化，所以推测植被的变化对地表水中离子含量的影响不大。

（4）兴隆山地区的地表水中的钙离子含量总体来看比马啣山的地表水中的钙离子含量高，推测这是因为在兴隆山地表水系的采样的海拔整体高于马啣山地区，根据之前的资料表明，兴隆山地表水系采样点的土壤由于海拔升高发生淋溶作用，导致土壤发生无石灰反应，从而有较高的碳酸盐含量，主要体现在钙离子含量的差异上。

4.2 地表水流影响机制和保护方案

通过本次研究可以发现，地表水的影响机制主要是下伏岩石的性质，还有人为活动的影响。在采样中可以发现在每条河的下游都有生活垃圾，所以人类活动对水质的影响是很大的。

研究发现，长期饮用硬度较大的水会导致结石，所以要经过处理后才能饮用。一般情况下，像马啣山的水为软水，经过煮沸后水中的钙镁离子的含量就会降低，可以起到降低水的硬度的效果；而兴隆山水系的水为硬水，虽然钙镁离子含量不是特别高，但是仍然不能直接饮用，可以先用例如石灰——纯碱法之类的进行处理，然后饮用。但是，只是在饮用前的处理是不够的，要在生活中注意对水源的保护。

因此，提出对水源保护的措施。

（1）应该设置水源保护区，用强制的手段保护饮用水资源，禁止一切破坏水环境生态平衡的活动以及破坏水源林、护岸林、与水源保护相关植被的活动；禁止向水域倾倒工业废渣、城市垃圾、粪便及其他废弃物；禁止使用剧毒和高残留农药，不得滥用化肥。

（2）各级水利、环保部门要会同有关部门，切实加强农村饮用水安全、水源保护等相关知识及工作的宣传力度，增强居民水源保护意识。按照本级政府要求，逐步公布水源水和出厂水水质状况，搭建公众参与平台，强化社会监督，切实提升饮水安全保障水平。

（3）在饮用水运输过程中要注意防止运输过程中的污染，使用清洁卫生的管道，定期消毒。