胡春華 周文斌＊＊ 夏思奇

(1.南昌大學(xué)鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室，南昌，330029;2.南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，南昌，330031)

鄱陽湖流域水化學(xué)主離子特征及其來源分析*

胡春華1，2周文斌1，2＊＊夏思奇1，2

(1.南昌大學(xué)鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室，南昌，330029;2.南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，南昌，330031)

系統(tǒng)采集了鄱陽湖流域湖水、河水，分析測定各單元水體主離子組成.結(jié)果表明，鄱陽湖流域枯水期主離子濃度大于豐水期主離子濃度，TDS集中在60—100 mg·L－1，屬于弱礦化度水;總硬度濃度40—60 mg·L－1，屬于軟水;其中 Ca2+和 SO2－4是占絕對優(yōu)勢的離子，分別占陽離子和陰離子總量的45.0%和47.5%.湖區(qū)陰陽離子主要以SO2－4和Ca2+為主，湖區(qū)的水化學(xué)類型為HC-Ca2+和S－-Ca2+;河流的陰陽離子以S－、HC和Ca2+為主，其水化學(xué)類型為受碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖溶解作用的影響較大的HC-S－-Ca2+.鄱陽湖流域豐水期受大氣降水和巖石風(fēng)化影響顯著，枯水期由于降雨量大大減少，鄱陽湖流域水化學(xué)成分此時主要受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)沉淀作用的影響，此時組分點分布在Gibbs圖的中部偏向蒸發(fā)-沉積區(qū)域.通過SPSS軟件做離子的相關(guān)性分析，各離子之間的相關(guān)系數(shù)都呈正相關(guān)，說明它們之間有共同的來源;各個離子與各產(chǎn)業(yè)之間的相關(guān)性均為負(fù)，除SO2－4與第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)的相關(guān)性達(dá)到|r|＞0.3，人類活動對水化學(xué)類型影響很小.

鄱陽湖流域，主離子，水化學(xué)類型，Gibbs，相關(guān)性.

鄱陽湖是我國第一大淡水湖，流域氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)型氣候，地表水主要來自大氣降水.流域水化學(xué)研究可以反映流域的水體化學(xué)組成成分、地質(zhì)巖性、大氣降水、氣候以及人類活動等重要因素對流域的影響，對流域的水質(zhì)評價、利用方式和生態(tài)環(huán)境保護和建設(shè)都有重要的意義［1-2］.

國內(nèi)外學(xué)者對天然水的化學(xué)成分及其在時空上的分布和演變進行了大量的研究［3-5］，研究表明，流域水化學(xué)不僅可以分析流域水質(zhì)的時空變化特征［6］，而且可以提供有關(guān)流域的水體循環(huán)規(guī)律、資源量組成等水動力環(huán)境方面的信息［7-8］，更好地揭示水體與環(huán)境的相互作用機制［9］，對流域水體的離子化學(xué)含量特征及空間分布的研究以及確定流域溶質(zhì)的地球化學(xué)來源、區(qū)域的化學(xué)風(fēng)化作用和水文地球化學(xué)的關(guān)系具有重要的作用［10-11］.

研究鄱陽湖流域水化學(xué)主離子特征、水化學(xué)特征，分析出鄱陽湖水化學(xué)的主要控制因素，對進一步研究鄱陽湖的水體循環(huán)規(guī)律、地質(zhì)巖性、量化人類活動對水化學(xué)主離子的影響等有重要的指導(dǎo)意義.

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域

鄱陽湖水系涉及的范圍南北長約620 km，東西寬約490 km，流域面積162225 km2.鄱陽湖湖水補給的主要來源是河水和降水，其次是地下水.主要河流有贛江、撫河、信江、饒河、修水，上述5條水系的徑流量占鄱陽湖總徑流量的89.5%.

鄱陽湖流域地層發(fā)育齊全，最古老的地層是元古界雙橋山群地層，為一套泥沙質(zhì)碎屑巖及火山碎屑巖建造，廣泛分布于北部地區(qū)［12-15］.流域內(nèi)超基性巖、基性巖、中性巖、中酸性巖和堿性巖均有出露，其中以酸性-中酸性巖較為重要，特別是花崗巖在全流域分布廣泛.流域區(qū)域變質(zhì)巖、接觸變質(zhì)巖、錯動變質(zhì)巖均有發(fā)育，其中以區(qū)域變質(zhì)巖分布最廣.贛江流域主要以花崗巖、紅巖為主，撫河流域為強烈侵蝕的巖漿巖和碎屑巖，信江流域以紅砂巖為主，饒河流域主要以變質(zhì)巖和花崗巖為主，修水流域主要以花崗巖和變質(zhì)巖為主.

1.2 樣品采集

分別于2009年1月(枯水期)和2009年7月(豐水期)對鄱陽湖流域進行采樣布點，系統(tǒng)采集了鄱陽湖五大河流(贛江、撫河、修水、信江、饒河)的河水，以及湖區(qū)的湖水.為研究五大河流對鄱陽湖主離子的影響，對五大河流的下游地區(qū)(即入湖口地區(qū))進行采樣分析，數(shù)據(jù)取豐枯水期的平均值研究鄱陽湖流域內(nèi)水化學(xué)主離子的成分，為了形象表征鄱陽湖流域的水化學(xué)類型運用三相圖分析其水化學(xué)主離子成分.豐枯水期采樣布點如圖1所示，五大河流主要研究其中下游河段，湖區(qū)根據(jù)水位變化采集且布點相對均勻.

圖1 采樣布點圖Fig.1 Maps showing the sampling sites in Poyang Lake

1.3 離子含量分析

現(xiàn)場測定了水樣的水溫、pH值，并運用HCl滴定法測定了水中HCO－3的含量.采樣容器使用50 mL離心管，樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過濾之后，分為兩部分，一部分加入優(yōu)級純濃硝酸酸化用于測定陽離子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+)，未加酸部分用于測定陰離子(Cl－、N、S－)，密封保存，帶回實驗室置于0—4℃冰箱保存.陽離子用原子吸收分光光度計(AAS800，美國PE公司)進行測定，陰離子使用離子色譜儀測定.測試相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在－5%到+5%之間，數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確度均符合要求.

2 結(jié)果與討論

2.1 鄱陽湖流域水化學(xué)特征

2.1.1 主要離子成分

鄱陽湖流域主要離子組成如表1所示，TDS(以溶解于水中主要離子之和來表示天然水的礦化度)枯水期、豐水期的濃度范圍分別為 41.18—158.46 mg·L－1和 44.03—72.62 mg·L－1;其平均濃度分別為93.16mg·L－1、61.32 mg·L－1，TDS 在 60—100 mg·L－1之間，屬于弱礦化度水.總硬度(以 Ca2+和 Mg2+濃度合計)枯水期、豐水期的濃度分別為 26.57—163.79 mg·L－1和 26.18—48.22 mg·L－1，平均濃度分別為 71.67 mg·L－1、36.46 mg·L－1，主要集中在 40—60 mg·L－1之間，屬于軟水.

枯水期的離子濃度比豐水期的離子濃度大.陽離子質(zhì)量濃度從大到小依次為:Ca2+、Na+、K+、Mg2+，其中枯水期平均濃度分別為 19.79、13.02、8.23、5.32 mg·L－1，豐水期平均濃度分別 10.86、7.81、2.94、2.23 mg·L－1;陰離子質(zhì)量濃度從大到小依次為，枯水期平均濃度 20.98、12.61、12.19、1.20 mg·L－1，豐水期平均濃度 13.95、13.45、9.92、0.92 mg·L－1.總體而言，鄱陽湖流域水體中Ca2+和SO2－4是占優(yōu)勢的離子，分別占陽離子和陰離子總量的45.0%和47.5%;其次是Na+和Cl－，分別占陽離子和陰離子總量的30.0%和35.6%.

表1 鄱陽湖流域水體豐、枯水期主要離子組成(mg·L－1)Table 1 The composition of main ions in flood and dry season of Poyang Lake catchment

2.1.2 水化學(xué)時空分布特征

利用水化學(xué)三角圖可以表明水體主離子組成變化，體現(xiàn)不同水體的化學(xué)組成特征，從而辨別其控制單元［10-11］.在陽離子Ca2+-Mg2+-(Na++K+)組成的三角圖中，流經(jīng)碳酸鹽的地區(qū)的部分組分點落在Ca2+(Na++K+)-Ca2+線上，且偏向(Na++K+)端元，說明流域主要受蒸發(fā)巖的影響［16-19］.圖2指示鄱陽湖流域河水的陰陽離子組成.豐水期與枯水期河水的水化學(xué)特征存在差異，圖2B顯示河水的陽離子組分分布在(Na++K+)-Ca2+線上并且靠近Ca2+一端，Mg2+含量比較穩(wěn)定，濃度范圍集中在8.6%—10.4%;陰離子是其占優(yōu)勢的離子，如圖2A所示，豐水期河水陰離子主要分布在三角圖的中央略靠近線上，個別點出現(xiàn)在Cl－一端，且分布沒有規(guī)律;枯水期河水陰離子大部分的數(shù)據(jù)點靠近的一端，作用很小.綜上所述，河流的陰離子以為主，其水化學(xué)類型為受碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖溶解作用的影響較大［20］的

圖2 鄱陽湖流域河水的主要離子組成三角圖A.陰離子;B.陽離子Fig.2 Ternary graphs of major ions in river waters in Poyang Lake catchment

圖3指示鄱陽湖流域湖水陰陽離子組成.如圖3A顯示，鄱陽湖湖水豐水期陰離子主要集中在正三角形的中央，陰離子各組分的濃度由大到小的順序為，3種離子的含量相差不大，枯水期湖水陰離子數(shù)據(jù)點主要落在線上，并靠近一端，陰離子濃度由大到小的順序為是鄱陽湖湖水的主要控制因素;如圖3B顯示，豐枯水期陽離子主要落在(Na++K+)-Ca2+線上，Na+、Ca2+、Mg2+離子濃度變化不大，豐水期陽離子 Na+、K+、Ca2+、Mg2+所占的比例分別為:0.34、0.06、0.49、0.11;枯水期陽離子 Na+、K+、Ca2+、Mg2+所占的比例分別為:0.29、0.13、0.49、0.09.豐枯水期鄱陽湖湖水的水化學(xué)類型分別為

圖3 鄱陽湖流域湖水的主要離子組成三角圖(A.陰離子;B.陽離子)Fig.3 Ternary plots of major ions in lake waters in Poyang Lake catchment

2.2 鄱陽湖流域水化學(xué)控制因素

2.2.1 離子起源的自然影響控制因素

水體中主要離子來源于大氣沉降、流域中不同巖性的化學(xué)風(fēng)化作用和人為原因［9］，為了確定影響鄱陽湖流域水化學(xué)組成的控制因素，對其進行了Gibbs圖分析.圖4為鄱陽湖流域主離子Gibbs圖.

(1)鄱陽湖流域豐水期受大氣降水和巖石風(fēng)化影響顯著，河水具有較低的Na+/(Na++Ca2+)比值和中等的Cl－/(Cl－+HC)比值，TDS值小于100 mg·L－1;少數(shù)河水具有較高的 Cl－/(Cl－+HC)比值，說明部分河水既受大氣降水和巖石風(fēng)化的影響又受蒸發(fā)沉淀作用的影響，如贛江北支和修水的Cl－/(Cl－+HC)比值分別為0.77和0.69;湖水具有中等的Na+/(Na++Ca2+)和Cl－/(Cl－+HC)比值，其比值范圍分別為0.19—0.55 和 0.30—0.63，TDS 值均小于 100 mg·L－1，鄱陽湖與長江匯合處即湖口 TDS 出現(xiàn)175.69 mg·L－1的高值，且 Na+/(Na++Ca2+)和 Cl－/(Cl－+HC)比值分別為0.39和0.50.

圖4 鄱陽湖流域水化學(xué)吉布斯圖分布模式Fig.4 Plots of the major ions within the Gibbs boomerang envelope for waters in the Poyang Lake catchment

(2)枯水期由于降雨量大大減少，鄱陽湖流域水化學(xué)成分此時主要受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)沉淀作用的影響，枯水期組分點分布在Gibbs圖的中部偏向蒸發(fā)-沉積區(qū)域，特別是TDS-Cl－/(Cl－+HC)圖.鄱陽湖流域枯水期河水的Na+/(Na++Ca2+)比值在0.30—0.46之間，Cl－/(Cl－+HC)比值在0.32—0.63之間，各條河水的TDS在41.18—158.46 mg·L－1;即鄱陽湖流域枯水期河水具有較低 Na+/(Na++Ca2+)比值和中等的Cl－/(Cl－+HC)比值，河水在枯水期由于大氣降水作用的減少，河水受巖石風(fēng)化作用較為顯著，其水體為“蒸發(fā)-濃縮”型.湖水的Na+/(Na++Ca2+)比值在0.31—0.44之間，Cl－/(Cl－+HC)比值在0.45—0.85之間，其TDS在74—102 mg·L－1;此時湖水大多數(shù)組分點主要落在Gibbs圖中部的蒸發(fā)-濃縮區(qū)域.

鄱陽湖豐、枯水期湖水和河水主要受巖石風(fēng)化作用的影響.豐水期地表徑流量大，受強降雨的影響，鄱陽湖流域湖水和河水的組分點落在Gibbs圖中巖石控制和大氣降水控制區(qū)域之間.枯水期鄱陽湖流域的水位急劇減少，其降雨量僅為28 mm，而在豐水期降雨量達(dá)到219.67 mm.

2.2.2 人類影響控制因素

人為活動產(chǎn)物的特征是富含 K、Ca、S、Cl和 N，其中 K、Ca、S、Cl同時又是巖石/土壤風(fēng)化的產(chǎn)物［7-8，21-22］，N是反映人類活動的特征離子.湖區(qū)的N含量最大(表1)，豐枯水期分別為1.98 mg·L－1和2.72 mg·L－1;其次為贛江，其N的含量大于1.15 mg·L－1;撫河、修水中的N含量最低.這說明贛江流域和湖區(qū)受人類活動影響較為顯著，而修水、撫河流域人類活動對河流的影響不明顯.

由整個鄱陽湖流域的經(jīng)濟發(fā)展格局可知，鄱陽湖流域五大河流的GDP比重存在很大差異.昌九工業(yè)走廊是江西省經(jīng)濟最為發(fā)達(dá)的地區(qū)，在這一區(qū)域，人為因素對于流經(jīng)這一區(qū)域河流的水化學(xué)離子影響較大.在修水流域，工業(yè)企業(yè)很少，人為排放的影響較少，但是下游的星火有機硅廠在這過程中產(chǎn)生了含有Cl－的廢水，對于水體Cl－的含量影響較大.

在饒河流域Ca2+的濃度較大，流域主要以花崗巖、變質(zhì)巖、紅砂巖為主，變質(zhì)巖、紅砂巖的風(fēng)化引入Ca2+，人為因素的影響較小.而在信江和饒河硫酸根的含量很大.這里S－和Cl－主要由人類活動引入.從離子起源的自然影響控制因素分析可知，鄱陽湖流域主要受巖石風(fēng)化的影響.農(nóng)業(yè)、漁業(yè)主要輸入的氮磷對水化學(xué)的貢獻(xiàn)率不大.這可能與饒河、信江、贛江流域工礦業(yè)比較發(fā)達(dá)等原因有關(guān).

SPSS軟件進行相關(guān)性分析得出的結(jié)果中，r值代表皮爾遜相關(guān)系數(shù).其中，r＞0代表兩變量正相關(guān)，r＜0代表兩變量負(fù)相關(guān).|r|≥0.8時，可以認(rèn)為兩變量間顯著相關(guān);0.5≤|r|＜0.8時，可以認(rèn)為兩變量中度相關(guān);0.3≤|r|＜0.5時，可以認(rèn)為兩變量低度相關(guān).|r|＜0.3說明相關(guān)程度弱，基本不相關(guān).運用SPSS軟件對各個離子與人類生產(chǎn)總值做相關(guān)性分析，其結(jié)果如表2所示.

表2 人為影響因素特征離子相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis on ions under human impact factors

各個離子與TDS之間的相關(guān)性良好，其相關(guān)性均大于0.5，說明它們之間可能有相同的來源;第一產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值與生產(chǎn)總值之間的相關(guān)性均大于0.847，且它們之間的相關(guān)性較好.對各個離子與人類各個生產(chǎn)總值進行相關(guān)性分析結(jié)果如表所示，第一產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值、建筑業(yè)總產(chǎn)值與各個離子之間的相關(guān)性系數(shù)均小于0.3(除S－外)，說明它們之間的相關(guān)性較弱或者基本不相關(guān)，工業(yè)總產(chǎn)值與各個離子之間低度至中度相關(guān)(除Cl－外);S－與各個生產(chǎn)總值相關(guān)性較好，且都呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性;Cl－、N、K+與各個生產(chǎn)總值之間的相關(guān)性較弱，其多數(shù)相關(guān)系數(shù)|r|＜0.3.總體來說，鄱陽湖流域內(nèi)的水化學(xué)類型受人為因素的影響不是很明顯，只在局部區(qū)域影響較大.

3 結(jié)論

(1)鄱陽湖流域主要離子組成表明，鄱陽湖流域枯水期主離子濃度大于豐水期主離子濃度，TDS＜100 mg·L－1，屬于弱礦化度水;其中豐枯水期的總硬度平均值小于100 mg·L－1，鄱陽湖流域水屬于軟水;水體中Ca2+和是占優(yōu)勢的離子，分別占陽離子和陰離子總量的44.9%和50.4%.

(3)鄱陽湖流域水樣化學(xué)組成均落在Gibbs圖的中部和下端，即研究區(qū)域水樣化學(xué)組成豐水期巖石風(fēng)化和大氣降水為主要控制因素，鄱陽湖流域蒸發(fā)和沉淀作用十分微弱;枯水期組分點分布在Gibbs圖的中部偏向蒸發(fā)-沉積區(qū)域，枯水期受巖石風(fēng)化作用比較明顯.

(4)運用SPSS的相關(guān)分析得出，各個離子之間的相關(guān)性很好，說明水體中這些離子可能有共同的來源;各個產(chǎn)業(yè)之間高度相關(guān).各個離子與各產(chǎn)業(yè)之間的相關(guān)性均為負(fù)，除S－與各產(chǎn)業(yè)的相關(guān)性達(dá)到|r|＞0.3，人類活動對水化學(xué)類型影響很小.

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CHARACTERISTICS OF MAJOR IONS AND THE INFLUENCE FACTORS IN POYANG LAKE CATCHMENT

HU Chunhua1，2ZHOU Wenbin1，2XIA Siqi1，2
(1.Key Lab of Lake Ecology and Bio-resource Utilization of Poyang Lake，Ministry of Education，Nanchang University，Nanchang，330031，China;2.SchooL of Environmental and Chemical Engineering，Nanchang University，Nanchang，330029，China)

The geochemistry of major ions in the water in Poyang Lake catchment was studied.The results showed that the concentrations of the major ions in dry period were greater than that in the flood period.The density of TDS was in the range of 60—100 mg·L－1，which falls into the catogory of low-salinity water.The total hardness of water was in the range of 40—60 mg·L－1，which was in the catogory of soft water.Ca2+and S－were the two major ions，which were 45.0%and 47.5%of the total cations and anions，respectively.The major cation and anion in the lake water were Ca2+and S－，and the hydrochemistry type was HC-Ca2+and S－-Ca2+.On the other hand，the major cation and anion in the river water were S－，HCand Ca2+，and the main hydrochemical type was HC-S－-Ca2+，which was mainly influenced by carbonate dissolution and rock evaporation.In the flood period of Poyang Lake valley，rainfall and rock decay are the main influence factors;in the dry period the composition of hydrochemistry was mainly influenced by rock decay and vapor deposition in Poyang Lake catchment because of the great decrease of rainfall.All the component points are clustered in the middle of Gibbs evaporation-deposition zone.SPSS software's correlation analysis showed that the ions had a very strong correlation with each other，which indicates that the ions may have the same source.Each ion had negative relationship with each industry，except for S－，for which the correlation with primary or secondary industry is|r|＞0.3.Therefore，human activities had little influence on the hydrochemistry type.

Poyang Lake catchment，major ion，Gibbs，correlation.

2010年11月21日收稿.

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008zx07526-008-03);國際科技合作資助項目(2006DFB91920);“十一五”國家科技支撐計劃重點項目(2007BAB23CO2);國家自然科學(xué)基金(40672159，41040032)資助.

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