盐城地区地表水化学空间特征及控制因素分析

引用本文

王建, 张华兵, 许君利, 彭俊. 盐城地区地表水化学空间特征及控制因素分析[J]. 环境科学, 2021, 42(10): 4772-4780.

WANG Jian, ZHANG Hua-bing, XU Jun-li, PENG Jun. Spatial Hydrochemical Characteristics and Controlling Factors of Surface Water in the Yancheng Area[J]. Environmental Science, 2021, 42(10): 4772-4780.

盐城地区地表水化学空间特征及控制因素分析

王建¹, 张华兵¹, 许君利¹, 彭俊²

1. 盐城师范学院苏北农业农村现代化研究院, 盐城 224007;
2. 滁州学院地理信息与旅游学院, 滁州 239000

收稿日期: 2021-02-20; 修订日期: 2021-04-02

基金项目: 国家自然科学基金项目(41471060)；中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室开放基金项目(SKLCS-OP-2020-7)

作者简介: 王建(1979~), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为水资源与环境, E-mail: wjshuigong@lzb.ac.cn

通信作者: 彭俊, E-mail: junpengdl@163.com

摘要: 地表水资源是东部沿海地区经济发展的基础之一，在高强度的人类活动影响下，广泛面临着水质异常及污染等问题.在调查采样的基础上，以区域地质为背景，通过Gibbs图、Pipper三线图、离子当量和摩尔比关系，利用数理统计，探讨盐城地区地表水的化学组成特征及控制因素.结果表明：①研究区地表水pH值偏低及TDS偏高，前者可能受人类活动排放的酸性有机污染物及土壤中厌氧生物分解形成的酸类物质的控制，后者呈显著地西低东高，北低南高的趋势.②溶质中阳离子以Na⁺为主，阴离子以HCO₃^-和Cl^-为主，水化学组成整体呈HCO₃-(Ca+Na)型为主，但次类型在不同区域存在显著差异.③因研究区淤积层主要以黏土、亚黏土和砂岩为主，地表水中可溶性物质主要来源于碳酸化作用引起的钠长石为主的硅酸盐岩碎屑物分解，并辅以碳酸化作用导致的碳酸岩分解.其中滩涂湿地扩张区还因地势低洼，地下水位浅，溶质显著地受蒸发-浓缩作用的影响，并伴有蒸发盐岩风化补给.④不同区域的地表水虽然受到人类活动的影响存在一定差异，但影响作用显著.特别是在废黄河区和滩涂湿地扩张区，水质不仅显著受到农业生产的影响，还受区域以化工为主的产业废水排放的作用.

关键词: 地表水水化学特征离子来源控制因素盐城地区

Spatial Hydrochemical Characteristics and Controlling Factors of Surface Water in the Yancheng Area

WANG Jian¹ , ZHANG Hua-bing¹ , XU Jun-li¹ , PENG Jun²

1. North Jiangsu Research Institute of Agricultural and Rural Modernization, Yancheng Teachers University, Yancheng 224007, China;
2. School of Geographic Information and Tourism, Chuzhou University, Chuzhou 239000, China

Abstract: Surface water resources are crucial to economic development in China's eastern coastal areas. Under the influence of intense human activities, problems such as abnormal water quality and pollution are very prominent. Here, the chemical composition of surface waters and their controlling factors were analyzed in the Yancheng area. The results showed that: ① The surface water pH is low and the concentrations of total dissolved solids(TDS) are high in the study area. pH is likely controlled by the acidic organic pollutants discharged by human activities as well as acidic substances formed by anaerobic decomposition in soils. TDS data showed low values in the west and high values in the east, and low values in north and high south of the study region. ② Cation content was dominated by Na⁺, anions were dominated by HCO₃^- and Cl^-, and, overall, hydrochemical composition was controlled by HCO₃-(Ca+Na), although there was significant variability between the different regions. ③ Because the silt layer in the region is mainly composed of clay, subclay, and sandstone, the soluble matter in surface water is mainly derived from the decomposition of Na-feldspar in silicate debris via carbonation, supplemented by carbonation. Due to the low-lying terrain and high groundwater level in the tidal flat area, solutes are significantly affected by evaporation-driven concentration alongside evaporite weathering replenishment. ④ Although the surface waters in different regions were found to be affected by human activities to varying degrees, the impact was always strong. In particular, in areas of tidal wetland expansion, water quality is not only affected by urban sewage and agricultural irrigation but also industrial wastewater discharge.

Key words: surface water hydrochemical characteristics ion provenance controlling factors Yancheng area

因水文、地球化学和生物过程之间的相互作用, 进入河道/湖泊中的溶质经历了多重演化, 为此, 地表水体化学组成蕴含了流域内水-岩相互作用、污染和地壳表层成分的一些关键信息^{[1, 2]}.而水体组成演化过程中, 受径流来源、岩性、气候、植被和人类活动等作用, 大量的溶质可能发生积聚, 影响区域环境变迁^[3].对生态环境研究者和水资源管理者而言, 河流化学组成衍生的水质问题, 都是必须思考的一个基本要素, 因为它对环境保护及水资源开发利用具有十分重要意义^{[4, 5]}.在区域地质及人类活动的背景下, 对于沿海地区水质的研究, 多集中于工农业生产过程中的污染作用^[6]、地表水与地下水的转化、湿地沼泽化及盐碱化过程中水体化学组成的演变等^[7], 且从不同角度强调和揭示了水质在绿色生态经济发展过程中的功能与作用.

位于海陆交界、咸淡水交汇地带的盐城地区, 受地下水较浅及高蒸发的影响, 地表水体咸化问题十分突出, 混盐水体(含盐量500~30 000 mg·L^-1)分布广泛^{[6, 8]}, 这不仅影响区域生态系统的动态分布状况^[9], 也在一定程度上抑制了区域水资源的综合利用.同时, 地区大量的生活污水、工业与农业废水也可能显著改变地表水水质状况^[10].目前, 盐城水质的研究多局限于湿地保护区内生态演化受水盐的影响^[11]及区域地下水质状况^{[12, 13]}等.针对此区域的地表水质组成及成因控制的研究鲜有报道.本文以实测资料为基础, 围绕淮河流域下游河网交错, 即相对独立又存在水力联系的特点, 开展地表淡咸水过渡区的盐城地表水水化学空间差异性研究, 揭示水质的主要影响因素, 以期为区域湿地保护及绿色经济发展提供参考.

1 研究区概况

盐城位于江、河(黄河、淮河)、海(黄海)等交互作用下发育的淤积平原上, 平均海拔不足5 m, 地势平坦低洼, 水域和湿地面积分别占总面积的12.1%和26.8%.历史时期受气候变化的影响, 多次发生海进海退, 淡咸水演进变化.近千年来, 因黄河袭夺淮河水道的影响, 陆域水系发生多次变迁, 现属于淮河流域, 并在通榆运河的联通下, 南北水道相连.因与长江水系相通, 且位于淮河下游, 所以, 地表水补给显著受上游径流通量的影响, 多年平均地表径流量达29.57×10⁸ m³^[14].淮河和黄河流域中上游第四纪黄土、黏土及秦岭、大别山等火山岩风化物广泛分布, 受历史上淮河水系与黄河水系共同作用, 导致盐城地区形成黏土、亚黏土及砂岩等为主的巨厚淤积层^[13].

该区位于亚热带季风气候区与温带季风气候区过渡带上, 多年平均气温为13.7~14.8℃, 年降水量为900~1 100 mm, 与蒸发量基本相当^[15].独特的自然地理环境及社会发展, 导致盐城地区历史上旱、涝、盐渍化及水质异常等环境灾害频发.

2 材料与方法 2.1 样品采集与测试

针对盐城地区临海湿地分布广泛, 且以通榆运河为主导的河网相通特点, 结合人口与产业分布状况, 于2016年7月~2016年8月对全市的滩涂湿地扩张区(东台市和大丰区)、老市区(亭湖区和盐都区)、农业区(建湖县、阜阳县和射阳县)和废黄河区(滨海县和响水县)地表水进行空间采样, 共收集样品152个(图 1).取样采用500 mL聚乙烯瓶进行, 密封后进行避光低温保存.利用上海雷磁DDS-307A型电导率仪测定总溶解性固体含量(TDS), PHSJ-3F型pH计测定pH.阳离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺)和阴离子(F^-、Cl^-、SO₄^2-和NO₃^-)均在中国科学院冰冻圈国家重点实验室进行分析, 分别采用Dinex-600和ICS-1500型离子色谱仪测定.当离子浓度超过仪器测量上限时, 采用体积法稀释后再进行测定.整体上, 离子浓度测量的误差一般控制在1%以内.另外, 采用雷磁ZD-2型自动点位滴定仪对HCO₃^-进行滴定, 当水样pH高于8.2时, 以CO₃^2-=2×HCO₃^-的浓度比例换算.

图 1 地表水的采样点位置及pH值和TDS的空间差异状况 Fig. 1 Locations of the sampling points and the spatial difference between pH and TDS of surface waters

2.2 数据分析方法

对各区域地表水化学参数进行统计分析, 借助Arcgis10.4.1软件, 通过克里金插值分析研究区pH值和TDS空间差异.利用Origin 2018绘制Gibbs图、Pipper三线图、离子当量关系和摩尔比关系, 分析各区域水体中主要无机离子的来源及控制因素.进一步借助主成分分析法探讨离子的来源及其人类活动的影响.

3 结果与讨论 3.1 地表水的化学组成特征

盐城地区地表水pH值在6.08~9.60之间, 平均为6.79(表 1), 整体呈弱酸性, 显著区别于上游洪泽湖^[16]、南北两侧的长江^[17]和黄河流域^[18]以水岩交互作用为主导的弱碱性水体.它的空间差异也非常显著, 南侧受长江水系与海退作用、北侧受淮河及苏北灌溉总渠大量来水的影响, pH值较中部盐城老市区和建湖县显著地偏大[图 1(a)].水体中TDS在142 mg·L^-1(滨海县五汛镇)和7 030 mg·L^-1(东台市三仓镇)之间, 平均为576.04 mg·L^-1[图 1(b)], 显著高于长江流域(205.9 mg·L^-1)^[19]和黄河流域的平均值(453 mg·L^-1)^[18].区域内pH值偏低及TDS偏高的现象, 可能是因盐城地势低洼, 排水不畅, 地下水水位较浅, 厌氧生物水解酸化^[20]及人类污水排放所致; 另一方面TDS值还呈现出西低东高, 北低南高的趋势, 前者是由于滩涂湿地扩展区的海水渗侵作用或滩涂不断形成, 海退作用遗留咸化的海水及其蒸发残留物对近海陆域地表水的影响^[12], 后者可能是淮河上游水量补给, 稀释和降低废黄河区地表水中可溶性离子浓度所致.根据生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006), TDS超标率达9.87%, 主要集中在盐城东南部的滩涂湿地扩张区.

表 1 不同区域地表水的化学组成特征¹⁾ Table 1 Chemical composition parameter of surface waters in different regions

区域	指标	Na⁺	K⁺	Mg²⁺	Ca²⁺	F^-	Cl^-	SO₄^2-	NO₃^-	HCO₃^-	TDS	pH
老市区(n=54)	平均值	3.28	0.14	0.52	0.62	0.00	1.62	0.09	0.03	3.36	401.28	6.67
	最大值	42.79	0.47	4.87	1.46	0.01	32.26	0.55	0.15	26.60	4 690.00	9.60
	最小值	0.68	0.04	0.14	0.27	0.00	0.34	0.04	0.00	0.79	177.00	6.08
农业区(n=43)	平均值	2.42	0.15	0.49	0.78	0.00	1.21	0.08	0.04	3.21	330.67	6.79
	最大值	7.90	0.35	1.07	1.15	0.00	4.21	0.15	0.33	6.50	796.00	7.26
	最小值	0.78	0.06	0.25	0.45	0.00	0.32	0.04	0.00	1.87	152.00	6.40
废黄河区(n=22)	平均值	4.71	0.16	0.88	0.91	0.00	2.46	0.14	0.04	4.27	514.18	6.91
	最大值	49.45	0.57	5.55	1.45	0.00	24.85	1.41	0.12	14.39	3 410.00	7.31
	最小值	0.54	0.07	0.24	0.55	0.00	0.27	0.03	0.00	1.66	142.00	6.48
滩涂湿地扩张区(n=33)	平均值	11.34	0.37	1.33	0.87	0.00	8.48	0.24	0.06	5.42	1 223.00	6.89
	最大值	67.06	1.34	5.12	1.57	0.00	76.00	1.51	0.31	12.63	7 030.00	7.77
	最小值	0.73	0.15	0.27	0.48	0.00	0.08	0.03	0.00	2.30	219.00	6.45
盐城地区(n=152)	平均值	5.00	0.19	0.74	0.76	0.00	3.12	0.13	0.04	3.90	576.04	6.79
	最大值	67.06	1.34	5.55	1.57	0.01	76.00	1.51	0.33	26.60	7 030.00	9.60
	最小值	0.54	0.04	0.14	0.27	0.00	0.08	0.03	0.00	0.79	142.00	6.08
1)TDS单位为mg·L^-1, pH无量纲, 其余为mmol·L^-1

表 1 不同区域地表水的化学组成特征¹⁾ Table 1 Chemical composition parameter of surface waters in different regions

水体中阳离子的总浓度在0.73~75.52 mmol·L^-1, 平均为6.70 mmol·L^-1, 较世界各大河的平均值2.0 mmol·L^-1严重偏高^[21].其中K⁺浓度最小, 为0.19 mmol·L^-1, 仅占总阳离子的2.90%; 其次为Mg²⁺和Ca²⁺, 分别为0.74 mmol·L^-1和0.76mmol·L^-1, 占11.08%和11.36%; Na⁺在研究区地表水中居绝对支配地位, 平均为5.00 mmol·L^-1, 占74.67%(图 2).阴离子中HCO₃^-浓度最大, 平均为3.90 mmol·L^-1, 占54.22%; 其次为Cl^-, 为3.12 mmol·L^-1, 占43.46%; 而SO₄^2-和NO₃^-的浓度分别为0.13 mmol·L^-1和0.04 mmol·L^-1, 仅占1.80%和0.57%.整体上, 水化学组成整体呈HCO₃-(Ca+Na)型为主, 其中老市区、农业区及废黄河区的阳、阴离子的浓度大小顺序均遵循: Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺和HCO₃^->Cl^->SO₄^2->NO₃^-, 区别于滩涂湿地扩张区的顺序: Na⁺>Mg²⁺>Ca²⁺>K⁺和Cl^->HCO₃^->SO₄^2->NO₃^-.因长江径流, 尤其是黄海沿岸洋流携带的泥沙淤积, 导致滩涂湿地扩张区的面积逐渐增加, 海退过程中残留土壤中的海盐及较高的地下水位引起的沼泽化、盐渍化均可能促使地表富集大量可溶性盐^{[12, 22]}, 严重影响区域地表水体的化学组成, 尤其是盐城东南部的采样点145~150区域.

图 2 盐城地区不同区域水体的水化学Piper图 Fig. 2 Piper diagram for the chemical composition in the Yancheng area

3.2 溶质来源及控制因素分析 3.2.1 溶质来源

离子交换过程中(Ca²⁺+Mg²⁺)-(HCO₃^-+SO₄^2-)的量(离子当量, 下同)对应于碱长花岗岩碳酸化风化或白云石, 方解石和石膏等盐岩风化之外, 其他来源的Ca²⁺和Mg²⁺量; (Na⁺+K⁺)-Cl^-的量对应氯盐溶解产生Na⁺和K⁺之外的量, 当二者之间的斜率接近于-1(即y=-x)时, 表明水体中交换吸附反应是阳离子浓度变化的主要控制因素^[23].盐城地区地表水体的(Ca²⁺+Mg²⁺)-(HCO₃^-+SO₄^2-)与(Na⁺+K⁺)-Cl^-之间无良好的相关性, 尤其是滩涂湿地扩展区(图 3), 表明区域地表水体化学组成演化过程中, 阳离子交换作用较弱, 离子浓度变化主要受不同补给源的混合控制.同时, 图 3(b)的右下象限内[(Na⁺+K⁺)-Cl^->0, (Ca²⁺+Mg²⁺)-(HCO₃^-+SO₄^2-) < 0]分布了区域大部分水样, 说明Na⁺和K⁺在Ca²⁺和Mg²⁺上富集, 可能是研究区蒸发浓缩作用较强, 偏高的离子浓度, 一定程度上抑制了碳酸盐岩的溶解; 而黏土和亚黏土中富含钠钾长石的硅酸盐岩碎屑物, 受浅层地下水和产汇流缓慢的地表水影响, 风化补给显著.

图 3 盐城地区地表水的离子交换过程中(Ca²⁺+Mg²⁺)- (HCO₃^-+SO₄^2-)与(Na⁺+K⁺)-Cl^-的关系 Fig. 3 Relationships between(Ca²⁺+Mg²⁺)-(HCO₃^-+SO₄^2-) and (Na⁺+K⁺)-Cl^- in the ion-exchange process of surface waters in the Yancheng area

将地表不同水体中的可溶性离子划分为蒸发-浓缩, 岩石风化和大气降水作用3类端元的补给, 一般是通过Gibbs图进行^{[24, 25]}.当溶质中Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)或Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)比率接近1, 且TDS≈10 mg·L^-1偏低时, 反映了大气降水补给为主的情形, 散点分布于图 4的右下角; 当Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)或Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)比率小于0.5, 且TDS介于70~300 mg·L^-1时, 通常反映了水岩交互作用/化学侵蚀与风化的影响, 占据图中心区偏左侧位置.当Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)或Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)比率逼近1, 且TDS明显较大, 则通常反映蒸发较降水严重偏强, 水体中溶质呈蒸发结晶/浓缩的现象, 土壤易发生盐碱化, 散点分布于图的右上角^[24].

图 4 盐城地区不同区域地表水体的Gibbs图 Fig. 4 Gibbs diagram of surface waters in different regions in the Yancheng area

盐城地区多年平均降水量为1000~1 100 mm, 基本与蒸发量相当^[11], 导致区域大气降水影响基本可以忽略(图 4).老市区、农业区及废黄河区的采样点多位于岩石风化作用带, 这是因为历史时期古长江、古淮河、古黄河及古沂沭河带来大量的陆相碎屑物构成了盐城地区巨厚的松散沉积层, 经多次海侵海退作用, 富集了大量的Na盐和Ca盐^[12], 在地势平坦低洼, 河网众多, 产汇流缓慢的情境下, 矿物质的水解与碳酸化作用充分所致, 也是导致区域地表水中HCO₃^-居支配地位的重要原因[式(1)~(2)].滩涂湿地扩张区除了岩石风化作用外, 还显著地受到蒸发-浓缩作用的影响[图 4(b)], 这应该与研究区水域及水利设施用地4 817 km², 占总面积的28.45%, 蒸发作用强烈, 且低洼区的沼泽化、盐渍化作用严重等因素有关.

(1)

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3.2.2 侵蚀模式

因岩石风化是控制区域地表水体水质的重要过程之一, 利用Mg²⁺/Na⁺与Ca²⁺/Na⁺和HCO₃^-/Na⁺与Ca²⁺/Na⁺之间的量比关系确定不同类型盐岩风化对研究区的影响^{[18, 26]}.盐城地区地表水化学组成主要受硅酸盐岩风化控制[图 5(a)], 与上游淮河支流沙颍河类似^[26].淮河流域中上游分布大量第四纪黄土、黏土及秦岭南侧、大别山北侧火山岩风化物, 经历史时期淮河水系与黄河水系共同作用, 随径流迁移后, 导致淮河平原淤积大量黏土、亚黏土及砂岩等, 其中的长石碎屑经碳酸化作用[式(1)和式(3)], 不仅导致研究区化学侵蚀以硅酸盐侵蚀为主, 还引起Ca²⁺、Na⁺和HCO₃^-占比严重偏大, Na⁺/Cl^-和HCO₃^-/(Ca²⁺+Mg²⁺)的量比平均达1.60和2.59, 后者显著高于碳酸盐分布广泛的长江流域(1.88)^[19]和黄土发育的黄河流域(1.33)^[18]的比值, 说明区域碳酸化作用十分强烈.

(3)

图 5 盐城不同区域地表水中岩石风化类型控制 Fig. 5 Controls on rock weathering types in surface waters in different regions of the Yancheng area

事实上, 老市区、农业区及废黄河区还伴有显著的碳酸盐岩侵蚀[图 5(b)], 这是因为区域淤积层中, 不仅含有长石矿物, 还存在碳酸盐矿物(方解石和白云石等).另外, 滩涂湿地扩张区除伴有碳酸盐岩风化外, 还伴有蒸发盐岩风化[图 5(a)], 这应该与区域受蒸发-浓缩作用的原因一致.

进一步, 剔除显著的离散点(老市区的采样点36和51, 滩涂湿地扩张区的采样点124、148和149)后, 盐城地区地表水中(Ca²⁺+Mg²⁺)与HCO₃^-和(HCO₃^-+SO₄^2-)之间均存在显著的正相关关系, 综合考虑淤积层以黏土、亚黏土和砂岩为主, 中上游Ca²⁺和Mg²⁺主要源于碳酸盐岩风化^[26], 且(Ca²⁺+Mg²⁺)/(HCO₃^-)和(Ca²⁺+Mg²⁺)/(HCO₃^-+SO₄^2-)的比值平均分别为0.77和0.72, 散点位于y=x的右下方[图 6(a)和6(b)], 即Ca²⁺+Mg²⁺偏小, 说明研究区钙/镁长石分布较少或侵蚀作用微弱[式(3)], Ca²⁺和Mg²⁺主要源于碳酸盐岩风化[式(2)].当碳酸盐岩碳酸化时, SO₄^2-/HCO₃^-和(Ca²⁺+Mg²⁺)/HCO₃^-的比值分别为0和1; 当碳酸盐岩硫酸化时, SO₄^2-/HCO₃^-和(Ca²⁺+Mg²⁺)/HCO₃^-的比值分别为1和2^[18].盐城地区不同区域水体中SO₄^2-/HCO₃^-和(Ca²⁺+Mg²⁺)/HCO₃^-的平均比值分别介于0.05~0.08和0.82~1.00之间(图 7), 说明研究区碳酸盐以碳酸化分解为主[式(2)], 上游平顶山、登封等含煤田开采及其他人类活动排放的硫化物对碳酸盐岩风化也具有一定的辅助作用[式(4)~(5)], 但除了滩涂湿地扩张区的个别点外, 影响相对较弱.事实上, 研究区Na⁺+K⁺的量也不能被Cl^-+NO₃^-平衡, 二者比率平均为1.64, 远大于1, 散点位于y=x的左上方[图 6(c)和6(d)], 说明区域存在显著的硅酸盐岩中钠/钾长石的风化[式(1)], 且Na⁺/K⁺的平均值为25.69, 所以, 区域硅酸盐风化应该以钠长石为主, 这与淮河上游最大支流沙颍河流域基本一致^[26].

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图 6 盐城地区地表水中主要离子的量对比 Fig. 6 Comparison of the main ion equivalents in surface waters in the Yancheng area

图 7 盐城地表水中(Ca²⁺+Mg²⁺)/HCO₃^-和SO₄^2-/HCO₃^-的比值关系 Fig. 7 Relationships between the ratio of(Ca²⁺+Mg²⁺)/HCO₃^- and SO₄^2-/HCO₃^- in surface waters in the Yancheng area

3.3 人类活动的影响

人类活动对溶质影响的途径主要有生活污水、大气干湿沉降、农业活动和工业废水排放等, 一般以后二者为主, 主要表现在水体中Na⁺、Cl^-、SO₄^2-和NO₃^-等溶质浓度的变化^{[27, 28]}, 但Na⁺、Cl^-、SO₄^2-还可能显著地受盐岩的水化学侵蚀影响, 因此, 常用NO₃^-/Na⁺与Cl^-/Na⁺的比值关系来确定污染物的来源^{[25, 29]}.近年来, 污水处理能力的提高和环保意识的提高, 盐城的老城区、农业区及废黄河区地表水体中无机盐虽然主要受岩石风化的影响, 但受人类活动的影响仍十分显著, 其中老市区和农业区, 地表水显著地受生活污水及灌溉废水的影响(图 8), 而废黄河区和滩涂湿地扩张区的地表水不仅受到农业灌溉的影响, 还因区域以煤化工、钨钼和水泥等为重点产业, 经济高速发展的同时, 工业废水排放影响较为突出.

图 8 不同区域水体中NO₃^-/Na⁺与Cl^-/Na⁺的关系 Fig. 8 Relationships between NO₃^-/Na⁺ and Cl^-/Na⁺ in the surface waters of different regions

事实上, 影响地表水体化学组成的物质, 不仅限于无机盐离子浓度的变化, 还受农业生产过程中的有机磷、有机氯, 工业废水中酚类、醛类, 生活污水中碳水化合物、蛋白质等物质影响, 这些物质分解产生的酸类溶解物, 不仅可以改变水体的酸碱程度, 还可以促进水岩反应^{[30, 31]}.为此, 利用主成分分析法(最大四次方值法旋转), 进一步探讨包含pH和主要无机离子在内的不同区域地表水组成的控制因素, 分别获取3个主成分(EOF), 方差累积贡献率在76.60%~86.71%(表 2), 基本解释了水体中可溶性物质的绝大部分信息.

表 2 盐城不同区域水化学主成分分析¹⁾ Table 2 Principal component analysis of water chemistry in different regions of Yancheng area

类别	老市区			农业区			废黄河区			滩涂湿地扩张区			盐城地区
类别	EOF1a	EOF2a	EOF3a	EOF1b	EOF2b	EOF3b	EOF1c	EOF2c	EOF3c	EOF1d	EOF2d	EOF3d	EOF1	EOF2	EOF3
第一产业	—	—	—	-0.13	-0.08	0.77	0.30	-0.25	0.84	0.14	-0.05	0.91	—	—	—
第二产业	—	—	—	0.01	0.82	0.37	-0.04	0.88	0.19	-0.23	0.79	0.37	—	—	—
第三产业	—	—	—	0.01	0.81	0.29	-0.10	0.02	0.47	-0.32	0.29	0.13	—	—	—
Na⁺	0.97	-0.10	-0.03	0.45	0.62	0.16	0.97	-0.07	0.03	0.89	0.01	-0.36	0.96	-0.06	-0.05
K⁺	0.91	0.22	0.16	0.95	-0.24	-0.02	0.94	0.17	-0.09	0.95	0.04	-0.24	0.93	0.05	-0.05
Mg²⁺	0.98	-0.12	-0.05	0.95	0.06	-0.25	0.99	-0.02	0.04	0.94	0.02	-0.30	0.95	0.00	0.00
Ca²⁺	0.86	0.12	0.02	0.00	-0.05	-0.86	0.31	0.76	-0.22	0.85	-0.15	0.07	0.67	0.35	0.08
Cl^-	0.96	-0.12	-0.05	0.96	-0.13	-0.07	0.97	-0.05	0.03	0.69	0.55	0.21	0.87	-0.16	0.10
SO₄^2-	0.94	-0.08	-0.07	0.64	0.51	0.13	0.96	-0.14	0.04	0.83	0.36	0.11	0.91	-0.12	0.09
NO₃^-	0.12	0.79	0.20	0.32	-0.50	0.19	-0.14	0.85	-0.29	-0.40	-0.84	0.07	-0.02	0.91	-0.09
HCO₃^-	-0.03	0.08	0.98	0.67	-0.18	0.38	0.97	0.15	-0.03	0.74	-0.19	0.38	0.51	0.46	0.14
pH	0.22	-0.78	0.12	0.37	0.24	-0.64	0.31	-0.32	-0.81	0.34	0.22	-0.68	0.30	-0.04	0.94
方差贡献率/%	59.39	16.03	10.44	41.99	18.73	15.88	54.67	19.03	13.01	54.33	15.74	14.17	57.30	13.51	9.66
1)老市区地表水采样过程中, 因河网及地下排污管道密集, 未考虑行政区划, 因此, 多数样品没有对应产业值; 第一产业对应的值为采样点位于乡镇的单位面积上产业值, 计算时采用的单位为万元·km^-2, 第二和第三产业类似处理计算; “—”表示文章中没有相关数据

表 2 盐城不同区域水化学主成分分析¹⁾ Table 2 Principal component analysis of water chemistry in different regions of Yancheng area

盐城地区及各区域的地表水中, EOF1解释方差贡献率在41.99%~59.39%之间, 依据Gibbs图分析, 应表征的是自然状况下源于岩石风化部分的溶质.对于人口约800人·km^-2的老市区, EOF2a表征人类活动的影响, 对污水排放代表性离子NO₃^-具有较大荷载外, 还对pH(区域平均值为6.67)荷载, 说明生活生产排放的碳水化合物、蛋白质等有机物, 分解形成的酸可以有效地促进区域地表水酸化^{[20, 32]}; EOF3a解释方差贡献率为10.44%, 主要荷载HCO₃^-, 可能是人类活动排放CO₂等大气污染物沉降影响地表水质^[18].农业区的EOF2b解释方差贡献率为18.73%, 对Na⁺、SO₄^2-和NO₃^-具有较大荷载外, 对区域第二和第三产业荷载显著, 应是人类工业活动及日常生活排放的酸性物质作用, 并引起以钠长石为主的硅酸盐岩分解而影响地表水质; 而EOF3b对Ca²⁺和pH值有较大荷载时, 对第一产业也具有显著荷载, 推测是农作物生长过程中吸收大量水分, 引起溶质浓缩后, Ca²⁺发生沉淀, 同时, 农作物腐殖质厌氧分解过程中形成的有机酸^{[30, 31]}, 导致水体向酸性发展.废黄河区EOF2c解释方差贡献率达19.03%, 在NO₃^-和Ca²⁺有较大荷载, 并对第二产业荷载显著, 但对HCO₃^-荷载较弱, 应该是区域大量分布的化工产业酸性废水排放, 促进了区域钙长石分解反应的进行; EOF3c仅在pH值和第一产业方面荷载, 推测可能类似农业区的EOF3b, 土壤中厌氧生物分解有机质形成的酸类物质影响水体的酸度.滩涂湿地扩张区, EOF2d对Cl^-和NO₃^-荷载显著, 并对第二产业具有较强荷载, 应与废黄河区EOF2c类似, 受区域煤化工、钨钼和水泥等重点产业布局有关; 而表征pH值和第一产业的EOF3d, 成因也应与废黄河区的EOF3c的成因一致.

整个区域上, EOF2表征了NO₃^－为代表的人类活动污染物排放, 解释方差贡献率13.51%, 并在Ca²⁺和HCO₃^-方面具有一定荷载, 说明盐城地区人类活动对地表水水质影响较为显著, 并促进碳酸盐岩的溶解; 但荷载pH的EOF3, 解释方差贡献率为9.66%, 对主要无机盐离子荷载并不显著, 可能是上述人类活动排放的酸性有机污染物或土壤中厌氧生物分解有机质形成的酸类物质所致.

4 结论

(1) 盐城地区地表水pH偏低及TDS偏高, 后者呈显著的西低东高, 北低南高的趋势.阳离子以Na⁺为主, 阴离子以HCO₃^-和Cl^-为主, 水化学组成整体呈HCO₃-(Ca+Na)型为主, 但辅助类型在不同区域存在显著差异.

(2) 因研究区淤积层主要以黏土、亚黏土和砂岩为主, 地表水中可溶性物质主要来源于碳酸化作用引起的钠长石为主的硅酸盐岩碎屑物分解补给, 并辅以碳酸化作用导致的碳酸盐岩分解补给.其中滩涂扩张区还因地势低洼, 地下水位偏高, 显著地受蒸发-浓缩作用影响, 伴有蒸发盐岩风化补给.

(3) 不同区域的地表水虽然受到人类活动的影响存在一定差异, 但影响显著, 特别是废黄河区和滩涂湿地扩张区, 不仅受到农业灌溉的影响, 还受工业废水排放的作用, 促进盐岩的溶解.而人类活动排放的酸性有机污染物及土壤中厌氧生物分解有机质形成的酸类物质严重影响地表水的pH值, 引起区域水体整体呈弱酸性, 尤其是在人口密集的老市区, 显著区别于南北两侧的长江、黄河水体及淮河中上游的弱碱性水体.为此, 建议区域经济发展的同时, 不仅要完善工业布局, 减少废水排放, 还要科学发展绿色现代农业, 同时, 加强工业废水及生活污水处理能力.

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环境科学 2021, Vol. 42 Issue (10): 4772-4780	PDF