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

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.12.36

Abstract

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

CLC Number:

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.

Figures/Tables 11

Fig.1 Distribution of sampling points

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

References 51

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