宁夏清水河流域地表水水化学特征及高氟水成因机制

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.12.36

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (6): 462-473.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.12.36

宁夏清水河流域地表水水化学特征及高氟水成因机制

赵增锋¹(), 王楚尤¹, 邱小琮²^,^*(), 周瑞娟³, 杨强强¹, 赵睿智¹

1.宁夏大学土木与水利工程学院, 宁夏银川 750021
2.宁夏大学生命科学学院, 宁夏银川 750021
3.宁夏回族自治区生态环境监测中心, 宁夏银川 750000

收稿日期:2023-07-25 修回日期:2023-12-18 出版日期:2024-11-25 发布日期:2024-11-25
通信作者: 邱小琮
作者简介:赵增锋(1994—),男,博士研究生,研究方向为水土系统氟的环境行为及其与微生物互作机制。E-mail: 1402809127@qq.com
基金资助:
宁夏自然科学基金重点项目(2023AAC02026);宁夏高等学校一流学科建设(水利工程)项目(NXYLXK2021A03);宁夏回族自治区生态环境厅科研项目(2022015)

Hydrochemical characteristics of surface water and genetic mechanism of high fluorine water in Qingshui River Basin in Ningxia

ZHAO Zengfeng¹(), WANG Chuyou¹, QIU Xiaocong²^,^*(), ZHOU Ruijuan³, YANG Qiangqiang¹, ZHAO Ruizhi¹

1. School of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China
2. School of Life Science, Ningxia University, Yinchuan 750021, China
3. Ningxia Environment Monitoring Center, Yinchuan 750000, China

Received:2023-07-25 Revised:2023-12-18 Online:2024-11-25 Published:2024-11-25
Contact: QIU Xiaocong

摘要/Abstract

摘要：

为探明黄河流域宁夏段最具代表性的支流清水河流域地表水水化学控制因素和高氟水成因,于2022年平水期(5月)、丰水期(7月)和枯水期(12月)对清水河流域30个点位进行3次采样。分析水化学组分和氟的时空分布特征,解析高氟水的形成机制和富集机制,基于绝对因子分析—多元线性回归受体模型定量计算不同因素对流域地表水水化学组分的贡献。结果表明:清水河流域地表水呈弱碱性,总体上阴离子质量浓度表现为 $SO 4 2 -$ >Cl^-> $HCO 3 -$ ,阳离子质量浓度表现为Na⁺>Mg²⁺>Ca²⁺>K⁺;F^-质量浓度表现为枯水期>丰水期>平水期,支流>水库>干流;地表水水化学类型以SO₄-Cl-Na型为主,其次为SO₄-Cl-Ca-Mg型;蒸发浓缩、岩石风化、矿物溶解沉淀和阳离子交换吸附是控制高氟水形成的主要因素,气候、地形和水化学组分是控制高氟水富集的主要因素;自然因素是清水河流域地表水水化学的关键驱动因子,对研究区地表水水化学组分的贡献占77.56%,人为活动主要贡献了TP(59%)、 $SO 4 2 -$ (10%)和Ca²⁺(10%);自然物源对研究区地表水水化学组分的贡献表现为硫酸盐矿物风化>硅酸盐矿物风化>碳酸盐矿物风化>岩盐风化,其中 F^-的主要贡献源是硫酸盐矿物风化(56%)。

关键词: 清水河流域, 地表水, 水化学, 氟, 富集

Abstract:

The most representative samples were collected three times at 30 points in the Qingshui River Basin in Ningxia in level period(May), wet period(July) and dry period(December) of 2022 in order to explore the hydrochemical control factors and the causes of high-fluorine water in the Qingshui River Basin. The spatial and temporal distribution characteristics of hydrochemical components and fluorine was analyzed, the formation and enrichment mechanisms of high fluorine water were analyzed, and the contribution of different factors to the hydrochemical components of surface water in the basin was calculated by APCS-MLR. The results show that the surface water in Qingshui River Basin is weakly alkaline, the anion concentration was $SO 4 2 -$ >Cl^-> $HCO 3 -$ , and the cation concentration was Na⁺>Mg²⁺>Ca²⁺>K⁺. The F^- concentration was dry period > wet period > level period, tributary > reservoir > trunk stream. The main hydrochemical type of surface water is SO₄-Cl-Na type, followed by SO₄-Cl-Ca-Mg type. The formation of high fluorine water is controlled by evaporation and concentration, rock weathering, mineral dissolution and precipitation, cation exchange and adsorption, and the enrichment of high fluorine water is controlled by climate, terrain and hydrochemical composition. Natural factors are the key driving factors for the hydrochemistry of surface water in Qingshui River Basin, contributing 77.56% to the hydrochemical components of surface water in the study area, and human activities mainly contribute TP (59%), $SO 4 2 -$ (10%) and Ca²⁺ (10%).The contribution of natural sources to the hydrochemical components of surface water in the study area is as follows: sulfate mineral weathering > silicate mineral weathering > carbonate mineral weathering > rock salt weathering, and the main contribution source of F^- is sulfuric acid rock mineral weathering (56%).

Key words: Qingshui River Basin, surface water, hydrochemistry, fluorine, enrichment

中图分类号:

赵增锋, 王楚尤, 邱小琮, 周瑞娟, 杨强强, 赵睿智. 宁夏清水河流域地表水水化学特征及高氟水成因机制[J]. 地学前缘, 2024, 31(6): 462-473.

ZHAO Zengfeng, WANG Chuyou, QIU Xiaocong, ZHOU Ruijuan, YANG Qiangqiang, ZHAO Ruizhi. Hydrochemical characteristics of surface water and genetic mechanism of high fluorine water in Qingshui River Basin in Ningxia[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(6): 462-473.

图/表 11

图1 采样点位分布图

Fig.1 Distribution of sampling points

表1 不同水期地表水水化学参数统计分析

Table 1 Statistical analysis of hydrochemical parameters of surface water in different water periods

水期	数值类型	pH	EC/ (mS·cm^-1)	质量浓度/(g·L^-1)							质量浓度/(mg·L^-1)
水期	数值类型	pH	EC/ (mS·cm^-1)	TDS	Cl^-	$SO 4 2 -$	$HCO 3 -$	Ca²⁺	Mg²⁺	Na⁺	K⁺	F^-	TP
平水期	Max	9.76	38.50	21.43	12.53	8.79	0.24	0.20	0.43	5.50	86.00	2.75	0.19
	Min	7.70	0.51	0.30	0.05	0.09	0.01	0.01	0.03	0.03	2.00	0.31	0.03
	Ave	8.06	8.04	4.73	0.80	3.26	0.10	0.10	0.14	0.81	8.55	1.12	0.07
	SD	0.42	7.24	4.11	2.26	2.23	0.05	0.05	0.11	1.00	14.99	0.54	0.03
	CV	0.05	0.90	0.87	2.83	0.68	0.50	0.50	0.79	1.23	1.75	0.48	0.43
丰水期	Max	8.20	18.23	9.82	23.15	6.28	0.29	0.54	0.97	3.58	36.18	2.66	0.08
	Min	7.50	0.66	0.36	0.02	0.17	0.08	0.03	0.04	0.04	4.01	0.52	0.01
	Ave	7.79	6.61	3.54	1.41	2.40	0.18	0.24	0.25	1.26	15.24	1.26	0.03
	SD	0.16	4.22	2.32	4.14	1.53	0.06	0.16	0.21	0.89	7.83	0.44	0.02
	CV	0.02	0.64	0.66	2.94	0.64	0.33	0.67	0.84	0.71	0.51	0.35	0.67
枯水期	Max	7.94	30.90	36.90	12.44	15.83	1.08	0.65	0.54	1.77	153.43	4.22	0.14
	Min	7.17	0.46	0.39	0.05	0.15	0.17	0.05	0.02	0.02	1.82	0.40	0.02
	Ave	7.48	4.85	4.91	0.73	3.32	0.30	0.20	0.13	0.41	10.40	1.37	0.05
	SD	0.18	5.72	6.74	2.24	3.21	0.16	0.14	0.14	0.38	27.24	0.88	0.03
	CV	0.02	1.18	1.37	3.07	0.97	0.53	0.70	1.08	0.93	2.62	0.64	0.60

表1 不同水期地表水水化学参数统计分析

Table 1 Statistical analysis of hydrochemical parameters of surface water in different water periods

水期	数值类型	pH	EC/ (mS·cm^-1)	质量浓度/(g·L^-1)							质量浓度/(mg·L^-1)
水期	数值类型	pH	EC/ (mS·cm^-1)	TDS	Cl^-	$SO 4 2 -$	$HCO 3 -$	Ca²⁺	Mg²⁺	Na⁺	K⁺	F^-	TP
平水期	Max	9.76	38.50	21.43	12.53	8.79	0.24	0.20	0.43	5.50	86.00	2.75	0.19
	Min	7.70	0.51	0.30	0.05	0.09	0.01	0.01	0.03	0.03	2.00	0.31	0.03
	Ave	8.06	8.04	4.73	0.80	3.26	0.10	0.10	0.14	0.81	8.55	1.12	0.07
	SD	0.42	7.24	4.11	2.26	2.23	0.05	0.05	0.11	1.00	14.99	0.54	0.03
	CV	0.05	0.90	0.87	2.83	0.68	0.50	0.50	0.79	1.23	1.75	0.48	0.43
丰水期	Max	8.20	18.23	9.82	23.15	6.28	0.29	0.54	0.97	3.58	36.18	2.66	0.08
	Min	7.50	0.66	0.36	0.02	0.17	0.08	0.03	0.04	0.04	4.01	0.52	0.01
	Ave	7.79	6.61	3.54	1.41	2.40	0.18	0.24	0.25	1.26	15.24	1.26	0.03
	SD	0.16	4.22	2.32	4.14	1.53	0.06	0.16	0.21	0.89	7.83	0.44	0.02
	CV	0.02	0.64	0.66	2.94	0.64	0.33	0.67	0.84	0.71	0.51	0.35	0.67
枯水期	Max	7.94	30.90	36.90	12.44	15.83	1.08	0.65	0.54	1.77	153.43	4.22	0.14
	Min	7.17	0.46	0.39	0.05	0.15	0.17	0.05	0.02	0.02	1.82	0.40	0.02
	Ave	7.48	4.85	4.91	0.73	3.32	0.30	0.20	0.13	0.41	10.40	1.37	0.05
	SD	0.18	5.72	6.74	2.24	3.21	0.16	0.14	0.14	0.38	27.24	0.88	0.03
	CV	0.02	1.18	1.37	3.07	0.97	0.53	0.70	1.08	0.93	2.62	0.64	0.60

图2 清水河流域F-质量浓度空间分布图

Fig.2 Spatial distribution of fluorine concentration in Qingshui River Basin

图3 清水河流域不同水期及水系类型的水化学Piper图

Fig.3 Piper chart of hydrochemistry of different water stages and water system types in Qingshui River Basin

表2 不同水期及水系类型F-与水化学参数Person相关分析

Table 2 Correlation analysis between F- and hydrochemical parameter person in different water stages and water system types

类型	水化学参数	各水化学参数间相关系数
类型	水化学参数	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺	Na⁺	Cl^-	$SHCO 4 2 -$	$HCO 3 -$	TDS	pH	EC	TP
平水期	F^-	0.29	-0.09	0.56^*	0.57^**	0.55^**	0.50^**	-0.05	0.54^**	0.02	0.60^**	-0.25
丰水期		0.03	0.29	0.23	0.55^**	0.33	0.58^**	-0.22	0.53^**	0.14	0.50^**	0.07
枯水期		0.41^*	0.20	0.64^**	0.33	0.65^**	0.81^**	0.58^**	0.75^**	-0.05	0.75^**	0.11
干流		0.39^**	0.36^*	0.18	0.51^**	0.20	0.58^**	-0.16	0.67^**	-0.30^*	059^**	0.08
支流		0.38	-0.08	0.74^**	0.18	0.44^*	0.72^**	0.64^**	0.70^**	0.16	058^**	-0.16
水库		0.01	0.17	0.28	0.42^**	0.20	0.65^**	0.30	0.59^**	-0.21	0.43^*	-0.11
全年		0.27^**	0.14	0.57^**	0.34^**	0.43^**	0.68^**	0.39^**	0.66^**	-0.10	0.56^**	-0.07
	Ca²⁺	1	0.47^**	0.46^**	0.38^**	0.18	0.48^**	0.29^**	0.45^**	-0.31^**	0.38^**	-0.18
	Mg²⁺		1	0.33^**	0.64^**	0.15	0.44^**	-0.07	0.45^**	0.06	0.56^**	-0.02
	K⁺			1	0.44^**	0.65^**	0.63^**	0.54^**	0.83^**	0.07	0.73^**	-0.07
	Na⁺				1	0.38^**	0.45^**	-0.21^*	0.46^**	0.12	0.74^**	-0.12
	Cl^-					1	0.41^**	0.23^*	0.53^**	0.15	0.53^**	-0.08
	$SO 4 2 -$						1	0.29^**	0.91^**	-0.08	0.84^**	0.16
	$HCO 3 -$							1	0.43^**	-0.39^**	0.08	-0.16
	TDS								1	0.00	0.89^**	0.09
	pH									1	0.18	0.17
	EC										1	0.06
	TP											1

表2 不同水期及水系类型F-与水化学参数Person相关分析

Table 2 Correlation analysis between F- and hydrochemical parameter person in different water stages and water system types

类型	水化学参数	各水化学参数间相关系数
类型	水化学参数	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺	Na⁺	Cl^-	$SHCO 4 2 -$	$HCO 3 -$	TDS	pH	EC	TP
平水期	F^-	0.29	-0.09	0.56^*	0.57^**	0.55^**	0.50^**	-0.05	0.54^**	0.02	0.60^**	-0.25
丰水期		0.03	0.29	0.23	0.55^**	0.33	0.58^**	-0.22	0.53^**	0.14	0.50^**	0.07
枯水期		0.41^*	0.20	0.64^**	0.33	0.65^**	0.81^**	0.58^**	0.75^**	-0.05	0.75^**	0.11
干流		0.39^**	0.36^*	0.18	0.51^**	0.20	0.58^**	-0.16	0.67^**	-0.30^*	059^**	0.08
支流		0.38	-0.08	0.74^**	0.18	0.44^*	0.72^**	0.64^**	0.70^**	0.16	058^**	-0.16
水库		0.01	0.17	0.28	0.42^**	0.20	0.65^**	0.30	0.59^**	-0.21	0.43^*	-0.11
全年		0.27^**	0.14	0.57^**	0.34^**	0.43^**	0.68^**	0.39^**	0.66^**	-0.10	0.56^**	-0.07
	Ca²⁺	1	0.47^**	0.46^**	0.38^**	0.18	0.48^**	0.29^**	0.45^**	-0.31^**	0.38^**	-0.18
	Mg²⁺		1	0.33^**	0.64^**	0.15	0.44^**	-0.07	0.45^**	0.06	0.56^**	-0.02
	K⁺			1	0.44^**	0.65^**	0.63^**	0.54^**	0.83^**	0.07	0.73^**	-0.07
	Na⁺				1	0.38^**	0.45^**	-0.21^*	0.46^**	0.12	0.74^**	-0.12
	Cl^-					1	0.41^**	0.23^*	0.53^**	0.15	0.53^**	-0.08
	$SO 4 2 -$						1	0.29^**	0.91^**	-0.08	0.84^**	0.16
	$HCO 3 -$							1	0.43^**	-0.39^**	0.08	-0.16
	TDS								1	0.00	0.89^**	0.09
	pH									1	0.18	0.17
	EC										1	0.06
	TP											1

图4 清水河流域不同水期及不同水系的Gibbs图

Fig.4 Gibbs map of different water periods and different water systems in Qingshui River Basin

图5 清水河流域F-质量浓度与矿物饱和指数关系

Fig.5 Relation between F- concentration and mineral saturation index in Qingshui River Basin

图6 清水河流域不同水期及不同水系F-质量浓度与SAR关系图

Fig.6 Relationship between F- concentration and SAR in different water periods and water systems in Qingshui River Basin

图7 清水河干流F-质量浓度变化趋势

Fig.7 Trend of fluoride concentration in the main stream of Qingshui River

表3 清水河流域地表水旋转成分矩阵

Table 3 Rotation composition matrix of surface water in Qingshui River Basin

项目	各因子中不同项目的载荷
项目	APCS1	APCS2	APCS3	APCS4	APCS5
TDS	0.69	0.41	0.42	0.25	0.19
Cl^-	0.22	0.05	0.93	0.04	-0.05
$SO 4 2 -$	0.78	0.43	0.21	0.14	0.23
$HCO 3 -$	0.26	-0.02	0.18	0.89	-0.11
Ca²⁺	0.18	0.77	0.01	0.38	-0.16
Mg²⁺	0.11	0.87	0.11	-0.18	0.06
K⁺	0.44	0.34	0.66	0.38	-0.01
Na⁺	0.32	0.63	0.36	-0.48	-0.16
F^-	0.92	0.01	0.20	0.10	-0.14
TP	0.04	-0.06	-0.04	-0.08	0.97
特征值	2.39	2.21	1.73	1.43	1.11
贡献率/%	23.85	22.13	17.26	14.32	11.14
累计贡献率/%	23.85	45.98	63.24	77.56	88.70

表3 清水河流域地表水旋转成分矩阵

Table 3 Rotation composition matrix of surface water in Qingshui River Basin

项目	各因子中不同项目的载荷
项目	APCS1	APCS2	APCS3	APCS4	APCS5
TDS	0.69	0.41	0.42	0.25	0.19
Cl^-	0.22	0.05	0.93	0.04	-0.05
$SO 4 2 -$	0.78	0.43	0.21	0.14	0.23
$HCO 3 -$	0.26	-0.02	0.18	0.89	-0.11
Ca²⁺	0.18	0.77	0.01	0.38	-0.16
Mg²⁺	0.11	0.87	0.11	-0.18	0.06
K⁺	0.44	0.34	0.66	0.38	-0.01
Na⁺	0.32	0.63	0.36	-0.48	-0.16
F^-	0.92	0.01	0.20	0.10	-0.14
TP	0.04	-0.06	-0.04	-0.08	0.97
特征值	2.39	2.21	1.73	1.43	1.11
贡献率/%	23.85	22.13	17.26	14.32	11.14
累计贡献率/%	23.85	45.98	63.24	77.56	88.70

图8 不同物源对清水河地表水主要离子贡献率

Fig.8 The main ion contribution rate of surface water in Qingshui River from different provenance

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宁夏清水河流域地表水水化学特征及高氟水成因机制

Hydrochemical characteristics of surface water and genetic mechanism of high fluorine water in Qingshui River Basin in Ningxia

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