贵州三岔河流域平寨水库水化学特征及控制因素

天然水水化学是水-岩-土-气-生相互作用及循环过程的结果，这一循环过程是由水中溶解的物质与水量相互作用综合组成[1],这也促使天然水化学成分能够保存水体形成和运移的历史[2,3]，而河流在全球水循环过程及元素地球化学循环中占有重要地位[4]，其水化学特征对其所流经地区的环境具有指示意义，尤其在反映流域岩石风化、大气沉降输入、人为活动等的影响作用方面有重要意义及研究价值[5,6]。

不少学者对亚马孙河[7]、莱茵河[8]、塞纳河[9]等世界主要水体中的水化学环境与相应流域内的气候及地质岩性的关系进行了深入研究。张立成等[10]对长江水系河水的物理化学条件的区域分异特征及其影响因素进行分析。宋保平等[11]根据对长江河口地区地下水化学演化机制的分析提出，区内地下水化学演化主要通过后期淡水补给、含水层沉积物对离子的交换作用和越流3种作用进行。张亚男等[12]对长江流域丰水期水质资料的分析表明，其主要阴阳离子成分受碳酸盐矿物的风化控制; 而大量燃煤引起的酸沉降和农田化肥的流失导致流域的水质呈酸化趋势[13]。韩贵琳等[16]和刘丛强等[17]监测了西南喀斯特流域(乌江流域)河水的水化学组成、Sr2+离子浓度和Sr同位素比值，并通过

的硫同位素探讨了H2SO4对流域的化学侵蚀及对大气 CO2的消耗速率。黄奇波等[14,15]监测了乌江流域中上游段河水的主要离子浓度、溶解无机碳(DIC)同位素组成(δ13CDIC)的来源，进一步分析了流域河水主要离子的控制因素和硫酸对流域碳酸盐岩风化过程的影响。侯祎亮等[18]对三岔河流域丰水期和枯水期分别取样，分析了河水样品离子浓度及组成特征。总的来说，上述研究对三岔河流域水体主要集中于水质分析，而关于工业、农业发展和城镇化对上游流域水化学的影响却涉入不深。

平寨水库位于乌江南源一级支流三岔河干流，乌江是长江上游右岸最大的支流。随着黔中水利枢纽工程的逐步完成，其水源地平寨水库的水质变得十分重要，能较好地反映人类活动的影响。因此，本研究通过对平寨水库不同时期(丰、枯水期)库水主量元素分析，利用变异系数、空间插值和因子分析等方法分析库水水化学特征及成因，探讨库水水化学演化过程的主要控制因素，为喀斯特山地亚深水型水库水资源保护提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平寨水库(105°17′57″E—105°25′50″E，26°28′27″N—26°34′28″N)位于贵州省毕节市，在乌江最大支流三岔河上游流域支流扈家河、白水河、张维河、水公河和干流纳雍河的交汇处，是黔中水利枢纽工程的水源地。平寨水库上游流域岩石类型主要为二叠、三叠系的灰岩、玄武岩、砂岩、泥岩、页岩、泥灰岩、碳质泥岩、砂质泥岩、白云质灰岩、生物灰岩夹白云岩、页岩夹泥灰岩及煤层、白云岩夹泥岩。

平寨水库淹没区面积为15.10 km2，水库正常蓄水位为1331 m，总库容量为10.89亿m3。流域内地形复杂、地势高低悬殊，属于亚热带季风气候区，年平均气温为12.6～16.4 ℃，年平均降水量为946.8～1655.0 mm。平寨水库分别与纳雍县张家湾镇和百兴镇、六枝特区牛场乡、织金县鸡场乡接壤。百兴镇、牛场乡、鸡场乡均为农业乡镇，无矿产。张家湾镇除粮食作物外，经济作物以烤烟为主，还有丰富的矿产资源原煤、铁矿、硅矿、铜矿、硫磺矿、白云石等。

1.2 样品采集与测定方法

本研究在2017年8月(丰水期)和2018年1月(枯水期)分别对黔中水利枢纽水源地平寨水库各入水河流张维河、白水河、扈家河、水公河、纳雍河及平寨水库库区共20个采样点进行2次采样，水样取自水面下20 cm，共采集40个样品。采样点位置分布见图1，样品测定方法见表1。总溶解性固体(TDS)表征库水样品组分在总体上的分布特点和变化规律，是评价水质的重要指标之一，可通过各离子含量总和减去

含量来进行估算[19]。

使用SPSS 22.0进行数据分析, 分别探究平寨水库库水的水化学特征及其影响因素。绘图主要使用Arc GIS 10.1、Origin 2017等软件。

2 结果与分析

2.1 平寨水库水化学总体特征

天然水水化学特征的影响因素主要包括岩石和土壤的化学组分、性质，生物、人类活动以及物质与水间相互作用的进程[20]。丰水期和枯水期平寨水库样品主要水质参数及离子浓度见表2。可知：平寨水库水体pH为7.24～9.30，平均值为8.40，呈弱碱性，且枯水期<丰水期，这可能是由于枯水期CaCO3溶解较少引起水库水体pH降低。水体电导率EC为205～423 μS/cm，平均值为342 μS/cm。水体温度T为11.10～26.20 ℃，平均值为18.27 ℃。总溶解性固体TDS在某种程度上指示流域生态系统水、盐耦合的实际情况，受当地的地质、地势、植被以及机械剥蚀速度影响[21]。平寨水库水体TDS为131.26～232.62 mg/L，均值为188.06 mg/L，大于世界河流TDS均值100 mg/L[22]，库水属弱矿化度水，说明平寨水库及周边区域化学侵蚀-溶蚀作用较强。对平寨水库40个样品进行主要离子构成分析，采用无机电荷平衡NICB[NICB=(TZ+-TZ-)/TZ+]表征电荷平衡状态[23]。80%的样品表现为阳离子(TZ+=K++Na++2Ca2++2Mg2+)过剩，枯水期NICB介于5.89%～17.27%，平均值为11.48%；丰水期NICB介于-14.06%～21.84%，平均值为6.08%。所有样品正、负电荷之间存在明显的相关性，且相关性程度表现为枯水期>丰水期。

2.2 平寨水库主要离子的时间变化特征

由表2可知：平寨水库主要离子浓度时间变化较为明显。整体特征表现为枯水期>丰水期，代表性离子是

和Sr2+，EC、SiO2和TDS浓度亦呈现枯水期大于丰水期的特征，究其原因，一方面显著增加的降水量对离子浓度稀释作用显著，另一方面丰水期水流速度较快，水体与岩石接触时间较短，降低了水对岩石的溶解能力，进而使得离子浓度较低。丰水期

和

浓度高于枯水期，这是因为平寨水库位于我国典型的酸雨区，大气降水中

和

浓度较高，且丰水期降水量较大，因此带入了大量的

和

进而对丰水期的降水稀释效应有一定的抵消作用[18]。pH和T水在丰水期亦高于枯水期。SiO2的变异系数最大，为79.59%，T水次之；

和Sr2+的变异系数均<15%。

2.3 平寨水库主要离子的空间变化特征

图2为平寨水库丰水期、枯水期主要离子浓度空间变化分布特征。由图2a可知：丰水期

和

空间分布特征基本一致，张维河、白水河以及扈家河3条支流离子浓度较大，先与离子浓度最低的水公河交汇，后与离子浓度次低的纳雍河汇集于平寨水库库区。丰水期

和

浓度值分别为35.01～65.99，5.82～15.06，7.35～14.75，61.04～134.20 mg/L。丰水期

和Cl-均表现为干流(纳雍河、库区)大于支流(水公河、张维河、白水河以及扈家河)，浓度分别为2.89～6.43，33.99～71.45， 2.34～5.48 mg/L，浓度最低值均在水公河，且水公河从上游到下游离子浓度逐渐变大。丰水期K+浓度为1.08～4.52 mg/L，空间变异性较大，白水河上游离子浓度明显较高，而扈家河、张维河、水公河、纳雍河以及库区离子浓度变化较小。

由图2b可知：枯水期Ca2+浓度为67.85～77.00 mg/L，空间变异性较大，干流(纳雍河、库区)大于各支流(水公河、张维河、白水河以及扈家河)。枯水期Mg2+和K+浓度分别为5.55～7.13 mg/L和2.00～2.55 mg/L，纳雍河和库区浓度值均较大，而浓度最小值均在水公河，平寨水库东部的3条支流(张维河、白水河和扈家河)浓度空间分布基本一致。枯水期

和Cl-浓度最大值均在纳雍河，水公河和扈家河浓度值均较小，受4条支流影响，库区浓度值与纳雍河相比下降较为显著。枯水期

和Cl-浓度分别为11.15～15.68，51.26～65.44，10.16～12.17，4.57～6.58 mg/L。枯水期

浓度为140.32～176.89 mg/L，浓度最大值出现在纳雍河靠近库区位置，浓度最小值出现在扈家河，

浓度值在库区与水公河南端、张维河以及白水河基本一致。

3 讨论

3.1 水库水化学特征的Gibbs分析

水体水化学特征的影响因素有大气降水、岩石风化和蒸发结晶3类，Gibbs图不仅能反映ρ(TDS)与ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)]、ρ(TDS)与

的关系，还能定性地判别水体水化学特征的控制类型[23]。图3表明平寨水库水体样品

库水样品均属于岩石风化作用范围，远离大气降水控制带，则库水中主要离子来源于岩石的风化释放，其主要离子构成受岩石风化作用控制，水体为

型水：这一特征与侯祎亮等[18]对三岔河流域水化学特征研究结果相似。ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)]和

均表现为丰水期>枯水期，说明岩石风化对平寨水库水体水化学特征影响在枯水期更为显著。

3.2 库水的岩性影响分析

由主要阴离子

组成的三角图和主要阳离子Ca2+-Mg2+-(Na++K+)组成的三角图可以直观反映水体的阴阳离子组成，分析水体化学性质，解释不同类型岩石风化对水体水化学组成的影响[20]。图4表明平寨水库水体阴离子主要集中在

一端，即库水阴离子受碳酸盐岩风化的影响显著；而阳离子主要集中在靠近Ca2+一端，亦表明平寨水库水体的水化学组分主要受到碳酸盐岩矿物的风化、侵蚀控制。在阴阳离子三角图中，枯水期的

浓度和Ca2+浓度均比丰水期大，表明枯水期平寨水库水体的水化学组分碳酸盐岩风化的影响高于丰水期。Ca2+和

均是占绝对优势的离子，Ca2+占总阳离子量的

占总阴离子量的0.61，且

按照O.A.阿列金分类法[24]，平寨水库水体为

型水。

李军等[25]认为，若

的当量比值为1，则岩石风化类型以H2CO3风化碳酸盐岩为主；若

的当量比值为1，且

的当量比值为2，则岩石风化类型以H2SO4风化碳酸盐岩为主。由图5可看出：平寨水库水体实测

的当量比值为1.19～2.58，其中40%的水样

的当量比值为1～2，说明除

外还有其他酸的介入，其中主要为

另外，60%的水样

的当量比值>2，说明该水样明显受H2SO4风化碳酸盐岩的影响。平寨水库水体实测

的当量比值为0.43～1.17，均远离石膏溶解线。

3.3 库水的离子特征控制因素分析

为了深入分析库水的主要离子组成与周围环境参数(如岩性)之间的关系，进一步了解库水化学过程，本研究通过数理统计的手段，采用因子分析[26]来探讨平寨水库的主要离子组成与环境之间的关系。

经过最大方差法旋转后，前3个主成分的累积方差贡献率高达85.25%，可以认为信息基本没有损失。主成分分析中第1主成分占57.82%，第2主成分占19.32%，第3主成分占8.11%(表3)。由表3、表4可知：主成分分类较明确，第1主成分中

和Sr2+因子载荷较大，代表硅酸盐岩和碳酸盐岩的溶解，研究区Mg2+与Ca2+当量比值为0.13～0.24，Mg2+与Ca2+当量比值均值丰水期(0.19)>枯水期(0.15)，岩石溶解以白云石和方解石为主，白云石的溶解量在丰水期>枯水期。第2主成分中

和

因子载荷较大，平寨水库

为33.84～78.23 mg/L，平均值为

为7.33～14.75 mg/L，平均值为11.29 mg/L，这2种离子含量明显高于贵州大气降水值，表明大气降水不是

和

的主要来源。同时，

和

也不具有相关关系，说明这2种离子受到不同来源控制。

主要受工业活动的影响，如平寨水库北面张家湾镇矿产企业；而

则主要受农业活动影响，如农业氮肥施用和人畜的排泄物。第3主成分中K+、Na+和Cl-因子载荷较大，而三岔河流域内几乎没有蒸发岩分布[18]，所以不考虑蒸发岩盐的影响。平寨水库ρ(K+)为1.08～4.52 mg/L，平均值为2.08 mg/L，ρ(Na+)为5.80～15.68 mg/L，平均值为11.85 mg/L，ρ(Cl-)为2.33～6.58 mg/L，平均值为5.00 mg/L，基本处于贵州大气降水的K+、Na+和Cl-含量范围内，表明这3种离子主要受大气降水的影响。

4 结论

1)平寨水库库水总体呈弱碱性，TDS平均值为188.06 mg/L，大于世界河流水体TDS均值。库水主要阴、阳离子分别为

和Ca2+，其中

占总阴离子量的61.20%，而Ca2+占总阳离子量的75.70%。

2)从时间变化上看，除

和

外，平寨水库库水主要离子浓度在枯水期>丰水期。从空间变化上看，除丰水期Ca2+、K+和

外，各离子浓度值整体表现为三岔河干流(纳雍河、库区)>各支流(水公河、张维河、白水河以及扈家河)；丰水期和枯水期水公河各离子浓度均较小。

3)库水的Gibbs分析表明，平寨水库水体的离子组成受岩石风化影响显著，且影响程度表现为枯水期>丰水期。库水的岩性分析指出，离子成分主要来源于碳酸岩盐的溶解和风化，平寨水库水体为

型水。

4)因子分析法提取3个主因子，能解释研究区85.25%的水化学数据，识别出各因子对库水水化学组成的影响程度顺序为水岩作用>人类活动>大气降水。Ca2+、Mg2+和

主要受碳酸盐岩溶解影响，

主要受张家湾镇工业活动的影响，

主要受农业活动的影响，而大气降水主要影响Na+、K+和Cl-。对于黔中水利枢纽水源地平寨水库的保护，建议不仅要控制生活污水的排放和化肥农药的使用，而且要增强对周边区域工矿企业的管理。

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贵州三岔河流域平寨水库水化学特征及控制因素

0 引言

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 样品采集与测定方法

2 结果与分析

2.1 平寨水库水化学总体特征

2.2 平寨水库主要离子的时间变化特征

2.3 平寨水库主要离子的空间变化特征

3 讨论

3.1 水库水化学特征的Gibbs分析

3.2 库水的岩性影响分析

3.3 库水的离子特征控制因素分析

4 结论

STUDY OF HYDRO-CHEMICAL CHARACTERISTICS AND CONTROL FACTORS IN PINGZHAI RESERVOIR OF SANCHA RIVER BASIN IN GUIZHOU

贵州三岔河流域平寨水库水化学特征及控制因素

0 引 言

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 样品采集与测定方法

2 结果与分析

2.1 平寨水库水化学总体特征

2.2 平寨水库主要离子的时间变化特征

2.3 平寨水库主要离子的空间变化特征

3 讨 论

3.1 水库水化学特征的Gibbs分析

3.2 库水的岩性影响分析

3.3 库水的离子特征控制因素分析

4 结 论

STUDY OF HYDRO-CHEMICAL CHARACTERISTICS AND CONTROL FACTORS IN PINGZHAI RESERVOIR OF SANCHA RIVER BASIN IN GUIZHOU

0 引言

3 讨论

4 结论