劉 鑫,向 偉,馬小軍,范艷麗,司炳成,4

黃土高原中部淺層地下水化學(xué)特征及影響因素

劉 鑫1,2,向 偉3*,馬小軍1,范艷麗1,司炳成1,4

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué),旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100；2.天津大學(xué)表層地球系統(tǒng)科學(xué)研究院,天津 300072；3.西北大學(xué),陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710127；4.薩斯喀徹溫大學(xué)土壤學(xué)系,加拿大 薩斯卡通市 S7N5A8)

通過采集黃土高原中部沿黃流域57個淺層地下水水樣,采用定性(Gibbs模型、Na端元和離子相關(guān)關(guān)系)和定量(正向演替模型)分析方法探究了該地區(qū)地下水水化學(xué)特征、沿程變化規(guī)律和控制因素.結(jié)果表明,黃土高原中部沿黃流域淺層地下水均呈弱堿性;優(yōu)勢陰陽離子分別為HCO3-和Na+;水化學(xué)類型以HCO3-Ca-Mg為主,占40%.研究區(qū)地下水主要離子自北向南變化趨勢有所差異,其中Cl-濃度保持動態(tài)穩(wěn)定,SO42-、HCO3-、Mg2+和Na+濃度沿程增加,而NO3-、Ca2+和K+濃度沿程降低,礦產(chǎn)資源開發(fā)是研究區(qū)地下水SO42-重要來源,而強(qiáng)烈的陽離子交替吸附作用是引起Na+富集的重要因素.研究區(qū)地下水溶質(zhì)來源主要受巖石風(fēng)化作用控制,以硅酸鹽巖石風(fēng)化為主;大氣輸入、人類活動和巖石風(fēng)化對地下水溶質(zhì)的相對貢獻(xiàn)分別為5% ± 3%、6% ± 13%和89% ± 13%.此外,下墊面因素改變、人類活動以及氣候變化通過改變地下水補(bǔ)給與排泄等過程直接或間接的影響了地下水水量和水質(zhì).本研究結(jié)果將為黃河流域和其他類似地區(qū)當(dāng)前和未來的地下水質(zhì)量管理項(xiàng)目提供參考.

黃河流域；黃土高原；地下水；控制因素；水文地球化學(xué)

地下水主導(dǎo)了流域水文循環(huán)過程,對于全球生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義[1-2].受氣候變化、土地利用類型和下墊面因素改變影響,地下水水量和水質(zhì)受到了多重威脅[3].黃土高原位于黃河流域中部,是黃河流域泥沙的主要來源區(qū)域,也是造成黃河水質(zhì)惡化的污染物重要來源地區(qū)[4].近年來,全球氣候變化導(dǎo)致黃土高原地區(qū)極端降水事件頻發(fā),一定程度上加劇了當(dāng)?shù)氐乃亮魇?也對流域水化學(xué)組成造成了相當(dāng)?shù)挠绊慬5].地下水水化學(xué)組成受到多種因素的共同影響,主要包括自然因素(降水、巖石風(fēng)化等)和人為因素(工農(nóng)業(yè)、地下水開采等).利用定性(Piper圖、Gibbs圖、Na端元和離子相關(guān))和定量(正向演替模型)的分析方法對地下水水化學(xué)特征和控制因素進(jìn)行研究具有重要意義[6].如李笑等[7]利用地下水化學(xué)特征研究了石期河流域地下水水化學(xué)特征及物質(zhì)來源.張雅等[8]利用地下水水化學(xué)和環(huán)境同位素特征研究了濟(jì)南東源飲用水水源地地下水演化過程.劉鑫等[9]利用定量的方法探究了大氣輸入、人類活動和巖石風(fēng)化等對汾河流域地下水溶質(zhì)的相對貢獻(xiàn).因此,利用地下水水化學(xué)組成特征探究流域水化學(xué)組成、控制因素和溶質(zhì)來源具有重要意義.

雖然地下水水資源數(shù)量和質(zhì)量的重要性在水循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性已經(jīng)得到承認(rèn)[10-11],但是研究工作集中在高海拔、高侵蝕和深厚包氣帶的地下水水化學(xué)特征與控制因素與平原地區(qū)相比并不相配,并且在非飽和帶變化較大的地區(qū),地下水水化學(xué)特征及控制因素相關(guān)問題仍然未得到充分的研究和解決.以往對位于黃土高原黃河干流的研究主要集中在地表徑流量、泥沙及地下水水位等方面[4,12-13],而對地下水水化學(xué)組成、溶質(zhì)輸入來源及其變化規(guī)律的研究相對有限.因此,研究黃土高原中部沿黃流域的淺層地下水水化學(xué)特征和控制因素和元素地球化學(xué)循環(huán)過程,對黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

黃土高原(33°43'N～41°16'N,100°54'N～114°33'E)位于黃河流域中部,處于我國內(nèi)陸腹地,是地球上分布最集中且面積最大的黃土區(qū),總面積達(dá)62.4 × 104km2.黃土高原地勢西北高,東南低,平均海拔為1500～2000m,氣候?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候,冬季寒冷干燥多風(fēng)沙,夏季炎熱多暴雨[14].黃土高原地區(qū)人口分布不均勻,人口密度呈東密西疏、南密北疏的格局[15],隨著人口快速增長,對水資源需求也迅速增加,很多地區(qū)已經(jīng)超負(fù)荷承載.地下水超采、工業(yè)不合理的分布以及農(nóng)業(yè)對耕地的過分開發(fā),導(dǎo)致水資源消耗過快,水污染由點(diǎn)源污染擴(kuò)大到面源污染[6].黃土高原地區(qū)擁有豐富的能源礦產(chǎn)資源,但也是全世界水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一,水土流失不僅導(dǎo)致土地退化,也會影響流域水質(zhì)狀況[16].

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布示意

1.2 樣品采集與測定

2019年7 ～ 9月,在黃土高原中部沿黃流域共收集57個淺層地下水水樣(主要為井水和泉水,其中井深大多小于30m)(圖1).采樣時:首先保證取樣點(diǎn)未受到人類活動的直接污染,并且保證為淺層地下水.其次,對井水取樣時保證已排出前期殘留在管道中的水,對泉水的取樣直接在泉眼處.第三,取樣前對化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和耐酸堿腐蝕的250mL聚乙烯樣品瓶充分涮洗,以保證樣品不受取樣瓶的污染.最后,取樣后迅速密封水樣并及時帶回室內(nèi)冷藏(4℃)保存,并盡快測定各項(xiàng)指標(biāo).

地下水的pH值和TDS測定分別使用梅特勒-托萊德pH計和梅特勒-托萊德TDS計.地下水的Cl-、SO42-和NO3-測定使用離子色譜儀(USA, ThermoFisher Scientific,ICS-1100),精度為20 μg/L;地下水的Ca2+、K+、Mg2+和Na+測定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(USA,ThermoFisher Scientific, ICAP6300),精度為20 μg/L;以上測定均設(shè)置空白對照組,以保證實(shí)驗(yàn)精度.地下水的HCO3-和CO32-采用酸堿平衡法測定,滴定時進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)以保證準(zhǔn)確度.以上所有實(shí)驗(yàn)分析均在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院進(jìn)行.

1.3 數(shù)據(jù)分析

首先,利用TH(TH<100mg/L軟水和100mg/L< TH硬水)和TDS(TDS<1000mg/L淡水和1000mg/L< TDS咸水)相關(guān)關(guān)系[17],將地下水分為軟水-淡水、軟水-咸水、硬水-淡水和硬水-咸水4類.其次,利用指標(biāo)(Ca2++Mg2+)和指標(biāo)(SO42-)分析地下水中SO42來源[18],利用Na+和Cl-毫克當(dāng)量比值分析地下水中Na+來源[19].第三,利用指標(biāo)(Ca2++Mg2+?HCO3-?SO42-)與指標(biāo)(Na+?Cl-)比值關(guān)系及擬合方程判斷地下水流動過程中離子交替吸附作用類型及強(qiáng)度[20].第四,利用Gibbs圖定性分析控制地下水溶質(zhì)來源的主要因素,如大氣輸入、巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮[21],并利用以Ca2+/Na+與HCO3-/Na+、Mg2+/Na+元素比值差異為基礎(chǔ)的Na端元分析三種主要巖性巖石類型(碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖)對地下水溶質(zhì)的影響[6].最后,利用基于質(zhì)量守恒的正向演替模型對地下水溶質(zhì)進(jìn)行定量分析,具體計算過程如文獻(xiàn)[9]所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水基本化學(xué)參數(shù)

圖2 黃土高原中部淺層地下水化學(xué)參數(shù)及水類型的空間分布

黃土高原中部沿黃流域地下水均呈弱堿性,pH值為7.08～8.19,平均值為7.64(表1),研究區(qū)南部和北部pH值較小,而中部pH值最大.值得注意的是,研究區(qū)中部地區(qū)土地利用類型以耕地為主[圖2(a)],表明中部pH值最大可能與該地區(qū)過量施肥導(dǎo)致的肥料殘留有關(guān).此外,研究表明過高的pH值不僅會影響環(huán)境中細(xì)菌的生存也會限制植物吸收微量元素,因此,在農(nóng)業(yè)活動時應(yīng)盡量減少化肥使用并著力于提高化肥的使用效率,避免對環(huán)境水質(zhì)的影響[22].其次,研究區(qū)TDS介于250～3810mg/L,平均值為862mg/L(表1).由圖2(b)可知,研究區(qū)自北向南土地利用類型由草地逐漸過渡到耕地,TDS整體上也逐漸增大,這可能是由于研究區(qū)開荒耕種,使得植被對泥沙束縛能力減弱,導(dǎo)致水土流失程度加重,最終引起TDS沿程增大[23].此外,常用TH(鈣鎂毫克當(dāng)量總數(shù)乘以50)來劃分水硬度,研究區(qū)地下水TH介于18～733mg/L,平均值為294mg/L(表1),TH和TDS自北向南變化趨勢相似[圖2(c)],表明可能是相同原因造成的.黃土高原地區(qū)干旱少雨,而地表徑流水質(zhì)含沙量高,不適合直接飲用.因此,地下水作為研究區(qū)主要飲用水源,保證其飲用適宜性具有重要意義.由圖3可知,軟水-淡水、軟水-咸水、硬水-淡水和硬水-咸水這4類水分別占比2%、2%、68%和28%,表明研究區(qū)大部分地下水都不適合直接飲用,應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚?

圖3 黃土高原中部淺層地下水水質(zhì)

表1 黃土高原中部淺層地下水基本參數(shù)和水化學(xué)組成統(tǒng)計特征

2.2 地下水離子特征及其沿程變化規(guī)律

研究區(qū)地下水陰陽離子濃度排序?yàn)?陰離子HCO3-> SO42-> Cl-> NO3-,其中優(yōu)勢陰離子HCO3-占陰離子總量的55%;陽離子Na+> Ca2+> Mg2+> K+,其中優(yōu)勢陽離子為Na+占陽離子總量的56%(表1),這與黃河中游地區(qū)地表水的觀測結(jié)果一致[24].地下水中的優(yōu)勢陰離子為HCO3-,則可能與研究區(qū)擁有大片富含碳酸鹽的黃土有關(guān)[25];優(yōu)勢陽離子為Na+可能與很多種因素有關(guān),如人類活動、離子交替吸附作用及鈉鋁硅酸鹽的溶解等[26].此外,研究區(qū)4種地下水化學(xué)類型HCO3-Ca-Mg、HCO3-Na-K、Cl- SO4-Ca-Mg和Cl-SO4-Na-K按照比例大小分別為40%、26%、20%和14%,由圖2(d)可見,各種地下水化學(xué)類型的空間分布都較為集中,這可能與地形及局部地層巖性相似有關(guān)[24].

黃土高原中部沿黃流域淺層地下水中主要離子自北向南變化趨勢有所差異,其中Cl-濃度保持動態(tài)穩(wěn)定,SO42-、HCO3-、Mg2+和Na+濃度呈沿程增加的趨勢,而NO3-、Ca2+和K+濃度呈沿程降低的趨勢(圖4).研究一般認(rèn)為Cl-只有海洋源沒有陸地源,在遠(yuǎn)離海洋的黃土高原地區(qū),Cl-濃度保持動態(tài)平衡是合理的,且與已有研究是一致的[5].黃土高原地區(qū)蘊(yùn)含豐富的礦產(chǎn)資源,而礦產(chǎn)資源開發(fā)不僅會破壞巖石層結(jié)構(gòu),還會加速風(fēng)化過程,而且大規(guī)模人類活動也會引起地下水化學(xué)組成發(fā)生改變.本研究區(qū)上游為鄂爾多斯、神木和榆林等世界聞名的煤炭石油礦產(chǎn)開發(fā)區(qū),而礦產(chǎn)脫硫過程,極易導(dǎo)致當(dāng)?shù)匦纬伤嵊昊蛘咂渌紊蛩猁}污染物匯流到河道,并在地表水與地下水交互過程中進(jìn)入地下水體,最終引起地下水中SO42-逐漸富集[27].HCO3-濃度沿程富集更多是由于黃土高原地區(qū)嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致富含碳酸鹽的黃土進(jìn)入水體[28].Mg2+除受到巖石風(fēng)化影響外,工礦廢水排放也會導(dǎo)致地下水中Mg2+濃度增加[5],這與上游神木、榆林等地區(qū)大規(guī)模的煤礦、石油開采活動是吻合的[27].Na+作為優(yōu)勢陽離子,其濃度沿程增加,可能是人類活動和陽離子吸附作用等多種因素綜合作用的結(jié)果[26].此外,NO3-濃度在自然狀態(tài)下含量很低,而本研究中NO3-濃度由上游到下游逐漸降低,上游濃度高可能是由于大量工業(yè)廢水和生活污水排放的硝酸鹽進(jìn)入地下水體造成的[9].同時,研究表明硝酸鹽是植物生長重要氮源,因此在流動過程中NO3-很有可能被植物吸收,從而呈現(xiàn)沿程降低的趨勢[3].值得注意的是,下游部分地區(qū)NO3-濃度非常高且當(dāng)?shù)赝恋乩妙愋鸵愿貫橹?圖2),表明該地區(qū)地下水很可能是由于農(nóng)業(yè)施肥造成的.但是研究區(qū)進(jìn)行大規(guī)模施肥至今僅30 ～ 40年,研究表明地下水補(bǔ)給過程非常緩慢(由于深厚的非飽和帶).因此,在未來研究中以NO3-為載體探討黃土高原地區(qū)地下水補(bǔ)給機(jī)制應(yīng)該作為研究重點(diǎn).K+在自然水體中含量較少,上游含量較高可能是由于工礦活動破壞了巖石層結(jié)構(gòu),加速了鉀鹽的風(fēng)化溶解.此外,K+對植物生長具有重要作用,沿程降低也有可能是由于沿程被植物吸收造成的[29].研究區(qū)下游南部土地利用類型為耕地,局部地區(qū)K+含量較高,同時伴隨較高的Cl-濃度,表明這很可能是由于農(nóng)業(yè)活動中大量施用鉀肥(KCl)導(dǎo)致的[6].Ca2+濃度沿程降低很有可能是由于水體在流動過程中發(fā)生陽離子交替吸附作用,水體中的Ca2+置換了外界環(huán)境中的Na+,這與研究區(qū)Na+濃度沿程增加一致[5].

圖4 黃土高原中部淺層地下水主要離子分布特征

2.3 地下水水化學(xué)影響因素及溶質(zhì)來源

根據(jù)圖5(a)可知,指標(biāo)(Ca2++Mg2+)和指標(biāo)(SO42-)擬合方程為(指標(biāo)=0.54′指標(biāo)–0.06,2= 0.47,<0.01),這表明Ca2++Mg2+和SO42-具有顯著的相關(guān)性,本研究區(qū)SO42-濃度為145.9mg/L,低于研究區(qū)下游的其他流域,如汾河[9](161.3mg/L)、涇河(274.7mg/L)和渭河[28](295.1mg/L)等,這與本研究中SO42-濃度逐漸富集的規(guī)律也是一致的.此外,由于本研究區(qū)有大量的煤礦石油等礦產(chǎn)資源開發(fā),因此可推測礦產(chǎn)開發(fā)是研究區(qū)地下水SO42-主要來源之一.其次,研究表明大氣降水中Na+和Cl-的毫克當(dāng)量比值應(yīng)與海水中類似,約為0.86,且在自然狀況下巖鹽溶解Na+和Cl-比值約為1左右[19].可以看到大多數(shù)地下水取樣點(diǎn)的Na+和Cl-比值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1[圖5(b)],表明研究區(qū)地下水Na+來源除大氣降水和巖鹽溶解外還有其他來源[30].此外,從圖5(c)可以看到,除少部分取樣位于陰離子交換區(qū)外,大部分取樣點(diǎn)位于陽離子交換區(qū),且指標(biāo)(Na+?Cl-)和指標(biāo)(Ca2++Mg2+?HCO3-? SO42-)擬合方程為(指標(biāo)=?1.21′指標(biāo)+0.84,2= 0.91,<0.01),斜率為?1.21接近1:1線[5],從定性和定量兩個角度均表明研究區(qū)發(fā)生了強(qiáng)烈的陽離子交替吸附作用.即地下水在運(yùn)移過程中,外界環(huán)境中的Na+置換出地下水中的Ca2+和Mg2+,這與研究區(qū)Na+自北向南沿程增加和Ca2+沿程減少是一致的.值得注意的是,雖然Mg2+表現(xiàn)出沿程增加的趨勢,這可能與研究區(qū)大規(guī)模礦產(chǎn)資源開發(fā)有關(guān)[27].

圖5 黃土高原中部淺層地下水離子相關(guān)關(guān)系

圖6 黃土高原中部淺層地下水Gibbs和Na端元

研究區(qū)淺層地下水Na+/(Na++Ca2+)比值變化較大(0.15～0.98,且大部分值大于0.4),表明地下水Na+受到多種因素的共同影響[31],而Cl-/(Cl-+HCO3-)比值較為集中,大多小于0.4,表明Cl-濃度比較穩(wěn)定,這與圖4(a)是一致的.可以發(fā)現(xiàn)大部分取樣點(diǎn)位于巖石風(fēng)化區(qū)[圖6(a)～(b)],表明巖石風(fēng)化是研究區(qū)地下水溶質(zhì)的主要來源[6].部分點(diǎn)位于蒸發(fā)濃縮區(qū),表明蒸發(fā)濃縮對于研究區(qū)地下水溶質(zhì)也有一定的影響.而所有的地下水取樣點(diǎn)均遠(yuǎn)離大氣沉降區(qū),表明大氣沉降對地下水溶質(zhì)影響有限.通過圖6(c)～(d)可以發(fā)現(xiàn),黃土高原中部地下水主要受硅酸鹽巖石風(fēng)化影響,其次是蒸發(fā)鹽巖,碳酸鹽巖對地下水溶質(zhì)貢獻(xiàn)最小,這與研究區(qū)黃土中富含泥板巖和頁巖等硅酸類巖性巖石有重要關(guān)系[32].

為深入了解地下水溶質(zhì)來源,采用正向演替模型量化大氣輸入、人類活動和巖石風(fēng)化對研究區(qū)地下水的溶質(zhì)貢獻(xiàn).研究表明大氣輸入、人類活動和巖石風(fēng)化對該地區(qū)地下水的溶質(zhì)相對貢獻(xiàn)分別為5%±3%、6%±13%和89%±13%,表明巖石風(fēng)化是地下水溶質(zhì)的主要來源,這與其他地區(qū)大型流域一致,如長江[33]、塔里木河[34]、珠江[35]和淮河[36]等,也與黃河流域的其他小流域一致,如汾河[9]、渭河[6]和涇河[37]等.此外,碳酸鹽巖、硅酸鹽巖及蒸發(fā)鹽巖對地下水溶質(zhì)的貢獻(xiàn)分別為15%±15%、45%±26%和29%±21%,表明硅酸鹽巖石風(fēng)化對地下水溶質(zhì)貢獻(xiàn)最大,其次是蒸發(fā)鹽巖,碳酸鹽巖貢獻(xiàn)最小,與上述定性研究結(jié)果一致[圖6(c)～(d)].此外,大氣輸入、人類活動和巖石風(fēng)化對地下水溶質(zhì)貢獻(xiàn)存在不同的空間分布特征.大氣輸入對地下水溶質(zhì)貢獻(xiàn)南部最小[圖7(a)],這可能是由于研究區(qū)北部黃土層的土壤顆粒較南部更粗[38],雨水降落到地面后能夠更快補(bǔ)給到地下水中,導(dǎo)致下滲過程中與黃土及巖石層接觸時間變短,使得地下水溶質(zhì)受到巖石風(fēng)化的影響減弱,從而提高了北部大氣輸入的相對貢獻(xiàn).人類活動對地下水溶質(zhì)的貢獻(xiàn)以北部最大[圖7(b)],這可能與北部地區(qū)大規(guī)模的工礦活動有關(guān)[27].碳酸鹽巖對地下水溶質(zhì)的貢獻(xiàn)由北至南逐漸降低[圖7(c)],這可能與富含碳酸鹽的黃土層由北至南逐漸變薄有關(guān)[39].此外,靠近黃河一側(cè)地下水樣點(diǎn)來自于硅酸鹽巖石風(fēng)化的溶質(zhì)多于遠(yuǎn)離河道的取樣點(diǎn)[圖7(d)],這可能與硅酸鹽巖分布多在臨河一側(cè)有關(guān)[5].蒸發(fā)鹽巖對地下水溶質(zhì)的貢獻(xiàn)以南部最大[圖7(e)],這可能與南部地下巖層中擁有豐富的石膏和鹽巖等沉積巖有關(guān)[40].

圖7 黃土高原中部淺層地下水溶質(zhì)輸入貢獻(xiàn)值空間分布

過去幾十年,受黃河流域下墊面因素改變、人類活動及氣候變化等多種因素綜合作用,地下水水化學(xué)特征產(chǎn)生了重要變化[41].如城鎮(zhèn)化、工業(yè)化及退耕還林還草工程,使得流域下墊面因素發(fā)生了劇烈變化,導(dǎo)致地表水的產(chǎn)匯流機(jī)制及地下水的補(bǔ)給、徑流和排放條件發(fā)生了重要變化[42].上世紀(jì)90年代以來,為控制黃土高原嚴(yán)重的水土流失,政府實(shí)行了退耕還林還草政策.植被覆蓋度的增加降低了集水區(qū)徑流和匯流能力,導(dǎo)致了流域水資源量和補(bǔ)給機(jī)制變化[3],進(jìn)而對流域水質(zhì)造成了重要影響.其次,人類活動通過影響補(bǔ)給和排泄來改變水循環(huán)過程,改變了區(qū)域水資源量,并最終影響了地下水水化學(xué)組成[1].由于人口、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)快速增長,對水資源需求迅速增加,攔截河水和開采地下水已成為獲取水資源主要途徑[43].但是,徑流截流導(dǎo)致河流徑流量和滲漏量減少,地下水開采導(dǎo)致渠道流量和潛水蒸發(fā)量減少,進(jìn)而導(dǎo)致了河道干涸、濕地萎縮、地面沉降等一系列不良后果[12],進(jìn)一步影響了區(qū)域地下水水化學(xué)特征.此外,氣候變化引起降水時空分布變化(如極端降水增多)和溫度升高,導(dǎo)致了降水入滲補(bǔ)給地下水發(fā)生變化以及加速了巖石風(fēng)化速度,不僅對地下水資源量,也對地下水水化學(xué)組成造成重要影響[44].黃土高原地區(qū)灌溉農(nóng)田面積大,人口密集,劇烈的人類活動對當(dāng)?shù)厮倪^程以及水化學(xué)組成有著重要影響,采取必要措施確保流域可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要.因此,今后應(yīng)更加關(guān)注黃土高原的水質(zhì)狀況(包括徑流和地下水).此外,干旱半干旱地區(qū)還需要對河水和地下水進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和評價,這也是保證河流可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵.

3 結(jié)論

3.1 黃土高原中部沿黃流域淺層地下水均呈弱堿性;其優(yōu)勢陰陽離子分別為HCO3-和Na+;水化學(xué)類型以HCO3-Ca-Mg為主,占40%.

3.2 研究區(qū)地下水主要離子自北向南變化趨勢有所差異,其中Cl-濃度保持動態(tài)穩(wěn)定,SO42-、HCO3-、Mg2+和Na+濃度沿程增加,而NO3-、Ca2+和K+濃度沿程降低,礦產(chǎn)資源開發(fā)是研究區(qū)地下水SO42-重要來源,而強(qiáng)烈的陽離子交替吸附作用是引起Na+富集的重要因素.

3.3 地下水溶質(zhì)來源主要受巖石風(fēng)化作用控制,又以硅酸鹽巖石風(fēng)化為主;大氣輸入、人類活動和巖石風(fēng)化對地下水溶質(zhì)的相對貢獻(xiàn)分別為5% ± 3%、6% ± 13%和89% ± 13%.

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Hydrochemical characteristics and controlling factors of shallow groundwater in the Chinese Loess Plateau.

LIU Xin1,2, XIANG Wei1*, MA Xiao-jun1, FAN Yan-li1, SI Bing-cheng1,3

(1.Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, Northwest A & F University, Yangling 712100, China；2.Institute of Surface-Earth System Science, Tianjin University, Tianjin 300072, China；3.Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity, Northwest University, Xi'an 710127, China；4.Department of Soil Science, University of Saskatoon, SK S7N5A8, Canada)., 2021,41(11)：5201～5209

The 57 shallow groundwater samples along the Yellow River in the middle of Chinese Loess Plateau were collected, and the qualitative (Gibbs, Na-normalized molar ratios and ions correlation methods) and quantitative methods (forward derivation modeling) were used to explore the hydrochemical characteristics, the variation rules along the channels, and the controlling factors. The results showed that the shallow groundwater samples were weakly alkaline; the dominant anion and cation was HCO3-and Na+, respectively; the major groundwater type was HCO3-Ca-Mg (accounted for 40%). There was a difference of variation trend of major ions of shallow groundwater from north to south in the research areas. The Cl-level kept dynamic stability along the way, SO42-, HCO3-, Mg2+, and Na+increased, while NO3-, Ca2+, and K+decreased. Mineral exploitation was an important source of SO42-, while the Na+enrichment was caused by strong cation exchange. Moreover, the source of groundwater solutes was mainly controlled by rock weathering, primarily silicate weathering. The relative contribution of groundwater solutes by atmospheric input, human activity, and rock weathering was 5% ± 3%, 6% ± 13%, and 89% ± 13%, respectively. Furthermore, the change of underlying surface conditions, human activities, and climate change directly or indirectly affected the groundwater quantity and quality by changing the processes of groundwater recharge and discharge. Our findings will inform current and future groundwater quality management programs for the Yellow River catchment and other similar area.

Yellow River；Chinese Loess Plateau；groundwater；controlling factors；hydrogeochemistry

X523

A

1000-6923(2021)11-5201-09

劉 鑫(1995-),男,四川廣安人,西北農(nóng)林科技大學(xué)碩士研究生,主要從事生態(tài)水文過程研究.

2021-04-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41877017,41630860);西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(2452017317)

*責(zé)任作者, 講師, xiangwei2016@126.com