安徽省金寨县长江河河水水文地球化学特征及水质评价

Hydrogeochemical Characteristics and Water Quality Evaluation of the Changjianghe River in Jinzhai County, Anhui Province

摘要: 为了解掌握安徽省金寨县长江河河水的水文地球化学特征及水质情况，根据金寨县长江河22组河水水样，运用Piper图、Gibbs图及数据分析等方法，研究分析了金寨县长江河河水的水化学特征与类型及水岩作用等。并结合《饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，综合评价研究区的水质条件。研究结果显示表明：长江河河水的水化学类型主要为HCO₃-Ca型，pH值范围为6.57~9.28，属于弱碱性水，TDS值为42.281~120.008 mg∙L⁻¹，平均值为78.524 mg∙L⁻¹，属于淡水。阴阳离子浓度平均值依次为HCO₃^- > Ca²⁺ >SO₄^2- > Na⁺ > Cl⁻ > Mg²⁺ > K⁺。研究区水质基本符合饮用条件，且与灌溉要求相符，运用研究区水样进行灌溉不会对土样和农作物产生盐渍化与碱害等不良影响。

Abstract: In order to master and understand the hydrogeochemical characteristics and water quality of the Changjianghe River in Jinzhai County, Anhui Province, according to the 22 groups of river water samples of the Changjianghe River in Jinzhai County, the water chemistry characteristics and types and water-rock interaction of the Changjianghe River in Jinzhai County were studied and analyzed by using Piper three-line diagram, Gibbs diagram and data analysis. Combined with the “Standard for Drinking Water Quality” (GB5749-2006), the water quality conditions in the study area were comprehensively evaluated. The results show that the hydrochemical type of the Changjianghe River is mainly HCO₃-Ca type, the pH value range is 6.57~9.28, which belongs to weakly alkaline water, the TDS value is 42.281~120.008 mg∙L⁻¹, the average value is 78.524 mg∙L⁻¹, which belongs to fresh water. The average concentrations of anions and cations were in the order of HCO₃^- > Ca²⁺ >SO₄^2- > Na⁺ > Cl⁻ > Mg²⁺ > K⁺. The water quality in the study area basically meets the drinking conditions and consistent with irrigation conditions. Irrigation with water in the study area will not cause adverse effects such as salinization and alkali damage to soil samples and crops.

1. 引言

河流是最基本的地理环境，同时也是人类可利用水资源的重要来源之一。由于河流水暴露在地表，并且支撑人类的生活生产活动，所以其河流的水质对该区域人类生活安全及质量影响较大 [1] 。随着人类活动对自然的影响不断加剧，人口增长、城市化、工业化和农业施肥等人类活动会对流域水环境造成破坏，造成水质污染等问题十分严重 [2] ，同时国家与社会也将视线放在缺水及水质问题上 [3] 。人类生产生活对河流水需求较大，充足的水质评价为水环境的管理和保护发挥了重要的作用 [4] 。因此，对河流水水质评价工作亟需开展。国内目前对水质评价及水化学离子类型研究颇多，但是对于安徽省金寨县长江河河水研究甚少。陈栋等人对六安市农村的集中供水水质进行了评价，表明农村饮用水基本上符合饮用标准 [5] ；刘传奇对六安市的地下水进行了评价，表明六安市水资源受不同程度的污染，尤其工业区格外严重 [6] ；吴传余对六安市的水资源进行了评价，表明六安市的水资源在空间上分布不均，且地表水和地下水都存在一定的被污染的现象 [7] 。

金寨县的面积位居安徽省第一，且人口众多，时安徽省较重要的山区县和旅游资源大县。金寨县地表水资源丰富，全部来自大气降水。由于金寨县年降水量不平均，季节水量相差较大，导致洪水灾害与旱灾均有发生。金寨县河流水流量较大，且具有巨大落差，所以河流一般流速较快，水力资源十分丰富。

本研究以六安市金寨县长江河河水为研究对象，通过对其进行常规离子浓度测试及分析，揭示该地区水文地球化学特征及水质评价。得出结论，为该地区居民饮用及使用研究区水资源做出一定的参考。

2. 材料和方法

2.1. 研究区概况

研究区位于安徽省六安市金寨县长江河河域，长江河由西向东贯穿全境，发源于大伏山系金刚台东南麓平天铺一带，末端汇入史河，长江河总长44千米，其中界河长26千米，流域面积205平方千米，其中安徽省境内199.1 km²，平均坡降9.7‰。地理坐标为东经115.09743˚~115.68732˚，北纬31.74998˚~31.79745˚。(图1)河源河床高程为147.00 m，河口河床高程55.0 m。金寨县为北亚热带湿润季风气候，其特点是季风明显、春夏秋冬四种季节界限明显、气候温和、总雨量充沛、有梅雨季，且夏季多雨。由于金寨县内山脉众多，导致地形差异较大，所以金寨县南北的物候相差半月左右。

Figure 1. Sampling point traffic location map

图1. 采样点交通位置图

2.2. 采样及处理

为系统了解长江河水质情况，对长江河进行采样，所采河水样品为22个(C1-C24)，但由于C2与C17采样点的部分数据不足，无法分析，故只列出C1、C3-C16与C18-C24号采样点。样品采集时，先用采样点的河水润洗采样器和500 ml聚乙烯瓶，，迅速装满并密封，贴好标签，记录采样点。随后将样品送至实验室进行测试。

运用0.45 μm滤膜进行过滤，使样品中的大部分杂质被过滤掉。使用过滤后的溶液，通过标准HCl溶液进行滴定实验，得到CO₃^2-和HCO₃^-两种离子的含量，之后运用离子色谱仪来测定水样中Na⁺、K⁺、Ca2⁺、Mg2⁺、Cl⁻和 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 的含量。

2.3. 数据分析处理方法

利用实验所得数据，通过Excel整理数理统计等相关性表格，同时运用SPSS软件生成表格，完成相关性分析。采用Piper图和Gibbs图分析研究区水样的来源等问题，分析研究区水化学特征并进行水质评价 [8] 。其中，Piper图、Gibbs图和水质评价图等由Orgin软件完成。

在分析相关性方面分别有Pearson (皮尔逊)、Spearman (斯皮尔曼)、Kendall (肯德尔)三种相关性系数，三种系数用于分别不同的数学统计问题，其中Pearson相关系数常常用于线性相关性分析。统计学家卡尔·皮尔逊最先设计出Pearson相关系数这一统计指标，Pearson相关系数用于研究变量之间线性相关程度，其在−1到+1进行度量，两个变量间的关系和变化趋势等均可通过Pearson相关系数来变现，0 代表这两个变量呈现出不相关的关系，呈正值表示变量之间为正相关的关系，负值为负相关的关系，同时相关性的强弱与数值息息相关，数值越大即相关性越强，反之，数值越小，相关性越弱 [9] 。

3. 结果与讨论

3.1. 水化学特征

某一区域的水化学特征通常利用Piper三线图来展现 [10] ，研究区Piper三线图(见图2)显示，长江河河水水化学类型主要为HCO₃-Ca型，并有少量Cl-Mg-Ca型。HCO₃-Ca型占比在90%左右，表示碳酸盐硬度 > 50%。河流阳离子Ca²⁺为主，Ca²⁺占比可达60%~80%，Mg²⁺离子占比为20%~40%，Na⁺、K⁺离子占比可达10%~30%。阴离子以 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 为主，占比为80%~100%， ${\text{SO}}_4^{2-}$ 较少，占比在0%~20%，Cl⁻在0%~30%。

通过分析阳离子三角图与阴离子三角图，可以得出研究区内河水的主要阳离子是Ca⁺、Na⁺，主要阴离子为 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 。

Figure 2. Piper three-line diagram

图2. Piper三线图

3.2. 水质类型

通过研究区河水的水化学描述性指标统计结果，从表1中可以看出该研究区河水的pH整体在6.57~9.28的范围内，表明该研究区整体上为弱碱性水。TDS值范围为42.281~120.008 mg∙L⁻¹，平均值在78.524 mg∙L⁻¹，属于淡水。阳离子质量浓度平均值由大到小依次为：Ca²⁺ > Na⁺ > Mg²⁺ > K⁺，显示出主要阳离子为Ca²⁺、Na⁺，Ca²⁺质量浓度在30.188~12.172 mg∙L⁻¹的范围内，Mg²⁺质量浓度范围为1.330~3.715 mg∙L⁻¹，K⁺的质量浓度仅为0.589~0.610 mg∙L⁻¹，在阳离子中占比较低；阴离子质量浓度平均值由大到小依次为： ${\text{HCO}}_3^{-}$ > ${\text{SO}}_4^{2-}$ > Cl⁻，表明河流水样品主要阴离子为 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 。由表可知研究区内的离散性较小，Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 、 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 、pH和TDS变异系数在0.1~0.9之间，可得知其空间变异性相对中等；K⁺变异系数小于0.1，从而表明其空间变异性相对较小，含量相对稳定 [11] 。

Table 1. Statistical results of hydrochemistry composition of samples

表1. 样品水化学成分统计结果

注：pH值无量纲，其他单位为mg∙L⁻¹。

通过建立TDS空间含量分布图，从而进一步分析TDS含量的变化规律。该图以经纬度为X、Y轴，以TDS含量为Z轴(图3)。TDS含量的变化一般指示出河流的流向。由图片可知，西南方向与东南方向的TDS含量较高，表明河流东西两端向中间流动。

Figure 3. Schematic diagram of spatial TDS content distribution

图3. 空间TDS含量分布图

根据图4可以看出，TDS随经纬度的变化呈现出波动。

Figure 4. TDS broken-line graph

图4. TDS折线图

3.3. 水岩作用

运用Gibbs图来揭示研究区内水体来源，并分析其形成机制与水化学形成作用。通过建立TDS与Na⁺/(Na⁺ + Ca²⁺)、Cl⁻/(Cl⁻ + ${\text{HCO}}_3^{-}$ )的关系，其次生成Gibbs图。通过分析世界湖泊、河流及主要海水常规组分含量，得到溶质来源可分为以下三类自然控制因素：岩石风化型、大气降雨控制型和蒸发浓缩型 [12] 。

Figure 5. Gibbs diagram of the region of interest

图5. 研究区Gibbs图

研究区水样的Gibbs图如图5所示，判断 TDS 含量与Na⁺/(Na⁺ + Ca²⁺)之间的关系，得知研究区样品的TDS含量范围为100~1000，Na⁺/(Na⁺ + Ca²⁺)的比值相对集中，没有太大的变化，样品数据点主要位于在岩石风化区。从TDS与Cl⁻/(Cl⁻ + ${\text{HCO}}_3^{-}$ )关系图可知，Cl⁻/(Cl⁻ + ${\text{HCO}}_3^{-}$ )比值大部分小于0.4，且随着TDS含量的增高，Cl⁻/(Cl⁻ + ${\text{HCO}}_3^{-}$ )比值有稍微变大的趋势，但趋势较微弱。综上所述，表明研究区地下水水化学组成主要受岩石风化等水岩相互作用过程的控制，稍微受蒸发沉淀作用并且几乎不受大气降水影响 [13] 。

近年来，在处理地球化学数据时多采用多元统计分析的方法，其最主要的两种分析方法是相关性分析和因子分析。通过研究相关性表格，可以分析出复杂多样的数据中不易被发现的各种参数的变化规律，在水化学分析过程中，利用相关性分析更容易得出研究区水样的地球化学特征等问题。利用SPSS软件分析研究区水样的水化学数据，得到其相关性及因子分析 [14] ，结果如表2所示。

Table 2. Statistical results of hydrochemistry composition of samples

表2. 样品水化学成分统计结果

注：^*表示显著性水平为0.05；^**表示显著性水平为0.01。

氯离子主要来源于沉积岩中岩盐或其他氯化物的溶解、岩浆岩中含氯矿物的风化溶解和人为污染等。

阳离子中，Na⁺和K⁺、Mg²⁺之间呈现出0.01水平的显著性，且相关系数分别为0.829、0.902，K⁺和Mg²⁺之间同样呈现出0.01水平的显著性，相关系数为0.741，表明离子间有显著的正相关关系。阴离子中， ${\text{HCO}}_3^{-}$ 与 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 之间相关系数为0.849，且呈现出0.01水平的显著性。同时，Na⁺与Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ ，K⁺与Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 之间呈现出0.01水平的显著性，反映了四种离子应该有大致相同的来源。此外， ${\text{HCO}}_3^{-}$ 与pH之间呈现出显著的负相关关系，相关系数为0.720。

氯离子主要来源于沉积岩中岩盐或其他氯化物的溶解、岩浆岩中含氯矿物的风化溶解和人为污染等。 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 主要来源于石膏或者其他硫酸盐的沉积岩的溶解。由表2可知，Na⁺与Cl⁻表现出显著相关，所以，Na⁺主要来自沉积岩中岩盐的溶解。由于Ca²⁺与 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 表现出相关性，表明Ca²⁺来源于碳酸盐类沉积物的溶解。

综合上述内容，推断出研究区河水离子主要来源是盐酸和碳酸盐类沉积物，盐类溶解带来河水的主要离子。

3.4. 水质评价

3.4.1. 饮用水卫生评价

参照《饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，评价研究区河流水资源的卫生标准及其一般化学指标(见图6)。氯化物国家标准为0~250 mg∙L⁻¹，硫酸盐国家标准为0~250 mg∙L⁻¹，pH国家标准为6.5~8.5，TDS国家标准为0~1000 mg∙L⁻¹，研究区所有样品均符合国家标准，可放心饮用，属于可饮用水。

Figure 6. Potable water hygienic standard index limit diagram

图6. 饮用水卫生标准指数限度图

3.4.2. 灌溉水水质评价

根据美国岩土工程实验室提出的标准，基于美国农业部(USDA)评价方法的灌溉水水质分类结果，采用以下两种方法，主要从SSP、SAR两种重要指标对灌溉水进行水质评价。首先，钠百分比SSP是判断钠危害的重要指标为钠百分比，即SSP，研究表明土壤结构和通透性均受其重要影响，SSP过高会严重危害以上各项 [15] 。流域水质根据SSP值可以分为优秀、良好、一般、较差和极差五种类型。其中优秀为SSP小于20%，良好在20%和40%之间，一般的范围为40%~60%，较差为60% ≤ SSP < 80%，极差表明SSP在80%以上 [16] 。

其次，通常利用钠吸附比进行评估灌溉水质，钠吸附比可以表现出灌溉水对土壤和农作物产生钠危害(或称碱危害)的程度。美国岩土实验室提出的标准是：优秀为SAR小于10，该种类型的水可以进行灌溉活动，其为低钠水；10 < SAR < 18为良好，表明其为中钠水，可灌溉含透水性较好的土壤；18 < SAR < 26表明该部分水质较差，为高钠水，进行灌溉活动后会对灌溉区产生明显的钠害；SAR > 26时为极高钠水，水质最差，不能用于灌溉。

由图7(a)可知，样品均落于极好—好区域，表明该河流水对该地区的钠危害较小，不会对该地区的土壤结构造成极大的破坏，该流域水质极好，适合用来进行灌溉活动。由图7(b)已知，样品均落于S1-C1区域。表明该河流水钠吸附比较小，该河流水为低钠水，即表明该河水可以用来进行灌溉，不会使该地区农田产生碱害。

综合考虑二者，表明该河流水符合灌溉水标准，可以用来进行灌溉活动，不会对土壤及农作物产生不良影响。

Figure 7. Evaluation diagram of irrigation water quality in the region of interest

图7. 研究区灌溉水水质评价图

4. 结论

1) 根据Piper图，研究区长江河河水主要为弱碱性，水化学类型主要为HCO₃-Ca型，并有少量Cl-Mg-Ca型。

2) 根据Gibbs图，研究区长江河河水化学组分主要受岩石风化作用影响。盐酸和碳酸盐类沉积物的溶滤为研究区主要离子的来源。

3) 参照《饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，饮用水水质评价结果表明，研究区河水卫生质量良好，可以用来饮用。灌溉水水质评价结果表明，研究区水样符合灌溉标准，可以用来进行灌溉活动，不会对土壤及农作物产生不良影响。

基金项目

宿州学院大学生创新创业训练计划项目(ZCXM23-011)，《金寨县长江河水文地球化学特征及水质评价》；2023国家级大学生创业实践项目，宿州千博地质技术服务有限公司；2023省级大学生创业实践项目，宿州地源地质技术服务有限公司。