渭河地表水和地下水水化学组成和水质的时空变异与控制因子

【摘要】：渭河流域特殊的水文和地质条件造就了区域内独特的水化学风化过程,近年来人类活动和环境变化使渭河及沿岸地下水的水化学特征发生了显著变化。为探明该区域内水化学和水质时空变化特征及其归因,本研究以渭河流域为研究区域,采用统计分析、水化学与同位素示踪技术和质量平衡法等多种方法,从定性和定量角度探讨了溶质来源的影响因素,对渭河流域地表及地下水水环境安全管理具有重要意义。主要结论如下:(1)分析了水化学和水质的时空变化特征。渭河地表水和地下水中主导性阴阳离子分别为HCO_3~-和Ca~(2+),其中水化学类型由枯水期的Ca-Mg-HCO_3转变为汛期的Ca-Mg-SO_4-Cl,水化学的时空变化特征主要表现为:上游主要离子浓度高于中下游,枯水期主要离子浓度的空间变异性小于汛期,特别的,汛期地表水的NO_3~-浓度明显高于枯水期。关于水质,渭河地表水和地下水水质呈现弱碱性和高盐度特征,水质分类以微硬性/硬性淡水为主。水质的时空特征主要表现为:汛期水质较枯水期差,其中汛期上游地区地表水和地下水中V类水的比例分别占22%和26%。在年际变化上,2018年汛期地表水的水质状况较2017年有所改善,V类水由28%下降到3%,但汛期下游地区地下水的水质呈现恶化趋势,V类水增加了19%。(2)阐明了水体中溶质来源的控制机制及影响因子。渭河地表水和地下水溶质来源的主控机制以岩石风化为主,蒸发浓缩作用对部分水样有一定影响,而人类活动主要对汛期地表水影响相对较大。正向推演模型结果显示,硅酸盐岩风化作用没有明显的季节性差异,其对地表水和地下水中溶质来源的贡献为3±4%,但碳酸盐风化作用和蒸发岩溶解作用表现出明显的季节性变化。前者对枯水期地下水溶质来源贡献率占51±21%,后者对汛期地下水溶质来源贡献占总离子贡献率的46±5%。在汛期,人类活动对地表水溶质来源的贡献率为10±5%,水体同时受农业活动和城市废水污染,并且以农业活动污染为主,其中化肥中复合肥,例如NH_4HCO_3和KNO_3和粪便污水对水体硝酸盐的平均贡献率分别为42.7%和26.1%,值得大家关注。(3)阐明了水化学和水质时空变异的原因。因子分析结果表明,与枯水期相比,蒸发岩、氟化物的溶解和粪肥和化肥的大量施用是导致汛期主要离子含量升高和水质变差的主要原因。在年际变化上,受蒸发浓缩作用和农业活动的影响,2018年汛期下游地区地下水的水质较2017年呈现恶化趋势。在空间变化上,根据端元图和Cl~--NO_3~-比率图分析结果可知,与中下游地区相比,除少数源头水外,上游地区的水样受化肥影响较大;此外,加上强烈雨水冲刷作用把大量溶质带入河中,从而使得其水体中离子含量大幅度提高,水质污染问题更为凸显。综上所述可知,岩石风化的季节性差异和人类活动特别是农业活动在改变水化学和水质方面起着重要作用,因此,它们应该成为改善水质的工作重点,特别是通过提高肥料的利用率和加强高质量饮用水氟安全管理的措施。