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刁口河生态补水对湿地浅层地下水水化学特征的影响研究

2024-10-21 75 上传者：管理员

摘要：刁口河故道湿地浅层地下水是高度动态的复杂系统,分析其水化学特征及生态补水影响作用过程对科学管理地下水资源、保护故道湿地生态环境具有重要意义。本文通过野外水文地质调查,采集了相关地下水水样进行水质分析,结合数理统计方法,系统揭示了研究区水化学特征及生态补水改良过程。结果表明,研究区TDS值较高,Na+与Cl-为主控因子;水化学类型受海水入侵和生态补水的双重影响;近海区域在海水入侵作用影响下,地下水水化学类型以Na-Cl型为主;常态化生态补水过程对水化学组分进行了改善,丰富了水化学类型,减轻了海水入侵的影响,驱动水生态进入良性恢复进程。相关结果可为刁口河生态补水方案的优化提供一定参考。

关键词：
刁口河
地下水
水化学特征影响
水生态
生态补水
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刁口河是黄河优先启用的备用入海流路,其尾闾涵养着黄河三角洲国家级自然保护区内485km2的重要湿地,也是拟建黄河口国家公园内的重要生物联系通道。自1976年停止行河后,其水沙条件发生了巨大变化[1],生态环境受海洋动力作用及人类活动影响,逐步显现海岸线蚀退、河槽严重萎缩、土壤盐渍化等生态问题,对生态系统稳定及区域社会经济高质量发展形成威胁[2]。为保护黄河入海备用流路,2009年7月水利部黄河水利委员会提出启用刁口河流路,实施生态补水的伟大战略,并于2010年黄河调水调沙期对刁口河流路进行了生态补水[3]。通过实施生态补水工程,在一定程度上减轻了区域土壤盐渍化,受损敏感生境得到一定修复,湿地植被和水生鸟类多样性显著增加[4]。通过探索地下水水化学特征、起源演化,能准确了解地下水循环、水动力条件和环境变化的响应关系[5-6]。刁口河故道尾闾浅层地下水位埋藏深度较浅,可能会对生态补水有着强烈响应关系。以往的研究主要集中在海水入侵对浅层地下水环境的影响,而对生态补水影响下的地下水水化学特征和响应机理的研究较少[7-9]。因此,本文在刁口河故道设置了20处地下水采样井,通过数理统计、Piper三线图等方法,分析了该地区浅层地下水水化学特征及其空间分布规律,旨在为刁口河故道生态补水和湿地生态恢复提供科学参考。

1、研究区概况

研究区位于渤海湾南岸的山东省东营市境内,包括刁口河故道沿岸及湿地恢复区和影响区10km2范围,研究范围及监测井分布见图1。东营市属于温带季风气候区,多年平均降水量为525～640mm,降水主要集中在6—9月,年水面蒸发量为1890～2380mm,远大于年降水量,年平均气温为12.8℃。研究区水文地质单元地下水以疏松的孔隙水为主,浅层地下水主要赋存于第四系上部的冲积海积层中的松散沉积物孔隙含水层,粉砂和黏土质粉砂是地下水的赋存介质[10]。第四系沉积物由海源与陆源相互作用而成,厚度超400m。研究区的浅层地下水位深度为0.4～2.6m。降水和河流入渗是地下水的主要补给方式,蒸发是地下水的主要排泄方式,地下水自西南向东北低速流动[11-12]。

图1 研究范围及监测井分布

2、研究方法

研究区分3个区域布设20口监测井,其中刁口河一千二管理站设置一条垂直于刁口河河道的监测断面,每隔100m布设一口监测井,共布设12口监测井,断面长度1.2km;在区域2与区域3随机布设8口监测井。

2023年6月27日,水利部黄河水利委员会利用黄河调水调沙有利时机,在利津断面流量达到2860m3/s时启动崔家节制闸和神仙沟引黄闸,向刁口河流路及一千二自然保护区进行补水,累计补水3273万m3。为分析生态补水对刁口河故道浅层地下水水化学类型的影响,将2023年划分为3个时期,分别为补水前期(3—6月)、补水期(7—9月)、补水后期(10—12月)。在不同时期采集浅层地下水样,每次采集22个水样(监测井20个,刁口河1个,海水1个),共计采集220个水样。采样前对观测井进行吹扫,并于水位以下0.5m处采集。现场通过多参数测量仪(WTW Multi3410)测量地下水温度、pH值和氧化还原电位(Eh)。对于分析主要阳离子的地下水样用HNO3酸化至pH<2,未酸化的地下水样用于主要阴离子分析。所有水样在运输过程中都储存于4℃的便携冰柜中,实验室储存于4℃的冰箱中。

水质分析项目包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-、CO32-、NO3-及溶解性总固体(TDS)。主要阳离子采用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent7800ICP-MS)测定,Cl-、SO42-、NO3-采用离子色谱法测定(Dionex ICS-6000),HCO3-和CO32-通过酸碱滴定法测定,TDS通过重量分析法测定。

利用SPSS软件对水文化学参数进行显著性检验和皮尔逊相关性分析,利用Aquachem 2014软件绘制Piper三线图,分析其水化学类型,利用Origin8.0软件绘制相关系数矩阵图。

3、结果与分析

3.1 水化学参数统计特征

对220个水样相关水化学参数进行统计分析,结果见表1。由表1可知,整个刁口河故道TDS浓度较高,变化幅度较大,最小为2.03g/L,最大为14.87g/L;整个研究区域的地下水样本中,从整体上看,Na+>Mg2+>Ca2+>K+、Cl->HCO3->SO42->CO32-,说明各区域地下水水化学特征具有一定的相似性,较高的Na+和Cl-表明研究区盐渍化程度较高,呈现典型的海水入侵的水化学特征;K+、Na+、Ca2+、Cl-在刁口河河道内变化幅度较大,且多集中于生态补水期7—9月,说明生态补水对故道内以上4种离子的浓度影响较大;区域1浅层地下水Na+、Cl-和TDS浓度最高,其中Na+平均浓度为2.49g/L,Cl-平均浓度为3.44g/L,TDS平均浓度为6.49g/L;区域3浅层地下水K+、Ca2+、Mg2+、CO32-浓度最高,其中K+平均浓度为203.55mg/L,Ca2+平均浓度为422.67mg/L,Mg2+平均浓度为510.59mg/L,CO32-平均浓度为30.43mg/L;HCO3-与SO42-在各区域间平均浓度差别较小。区域1位于北部自然保护区一千二管理站东侧,距离渤海仅有5.8km。由于刁口河故道在2010年前处于停止行河状态,长期缺少淡水补给,且故道入海口两侧存在开放式海岸(部分未修筑防潮坝),地表沉积物颗粒大,构成了海水入侵的最佳通道,故此该区出现了Na+、Cl-和TDS浓度的最大值;区域2和区域3位于刁口河河道径流补给区,受海水入侵影响较小,且2010年后的常态化生态补水活动对浅表地下水水化学环境进行了改善,缓解了土壤积盐作用,浅表地下水中的Na+、Cl-和TDS浓度较小。

3.2 水化学参数相关性分析

对220个水样相关水化学参数进行Pearson相关性分析,结果见图2。由图2可知,TDS与Na+、Mg2+、Cl-及SO42-浓度呈现显著正相关性,且相关系数均大于0.9(P<0.01),这表明刁口河故道浅层地下水的水化学参数由Na+、Mg2+、Cl-及SO42-组成,是影响TDS的主要离子,其中Na+、Cl-与TDS间的相关系数高达0.994、0.999,说明两种离子对TDS起决定作用。以上4种离子之间也具有较高相关性,可能具有相同来源,属于同类水文地质化学过程。结合地质勘探结果,刁口河故道常见矿物资源为岩盐(含NaCl)、白云石[含CaMg(CO3)2]与钠长石(含Na2Al2Si6O6),其风化溶解是Na+、Cl-和Mg2+的主要来源。HCO3-、CO32-与其他水化学参数之间的关系较弱,均小于0.5(P<0.01),这表明两种离子可能来源于不同的水文地质化学过程。

表1 黄河刁口河故道浅层地下水水化学参数的统计特征值

3.3 水化学类型及其空间分布

对渤海、刁口河河道、区域1、区域2及区域3范围内的220个水样进行水化学类型分析,结果见图3。由图3(a)可知,生态补水前刁口河河道内水化学类型为Na-Cl型;区域1内12个监测井内水样多分布于Piper图的7区,原生盐度均超过50%,浅层地下水离子以碱金属阳离子和强酸阴离子为主,Cl-与Na+占绝对优势,水化学类型多为Na-Cl型;区域2与区域3多为NaMg-Cl型及Na-Mg-Ca-Cl型。由图3(b)可知,生态补水期刁口河河道水化学类型为Na-Ca-Mg-Cl型和CaNa-Mg-Cl型;区域1水化学类型由Na-Cl型转变为NaMg-Cl、Na-Mg-Ca-Cl、Mg-Ca-Na-Cl等多种水化学类型,河道淡水补给导致近海区域地下水化学类型更加多元化,并整体趋向于9区,具有较为明显的改善效果;区域2与区域3多为Mg-Ca-Na-Cl型及Mg-Na-Ca-Cl型,同时K+、SO42-、HCO3-的质量浓度有明显提升。由图3(c)可知,生态补水期后,刁口河河道内水化学类型为Na-Mg-Cl型;区域1水化学类型由Na-Cl型转变为NaMg-Cl、Na-Cl两种水化学类型,水化学类型重回较为单一模式,整体趋向回撤至7区;区域2与区域3为MgCa-Na-Cl型、Mg-Na-Ca-Cl型及Mg-Ca-Cl型,同时K+、SO42-、HCO3-的质量浓度有下降趋势。由图3(d)可知,整个监测过程中,刁口河故道区域受海水入侵和生态补水的双重影响,近海区域作为生态补水的排泄区,由于靠近渤海,地下水化学类型以Na-Cl型为主;刁口河河道作为生态补水的径流区是改善故道区域浅层水化学组分的重要渠道,在补水期间,显著减轻了海水入侵的影响,驱动水化学类型向多种类型转变,趋于良性恢复过程;清水沟流路河道作为生态补水的补给区,在与刁口河流路相接区域(利津崔庄护滩附近)通过侧流补渗的方式影响了周边地下水水化学类型,但影响范围较小,仅在黄河汛期大流量来水时(7—8月)通过生态补水方式进行长距离输水补给,改善故道末端水生态环境。

图2 黄河刁口河故道浅层地下水水化学参数相关性系数矩阵

图3 不同时期刁口河故道水化学类型piper图

4、结语

本文揭示了刁口河湿地浅层地下水水化学特征及生态补水的改良作用。受海水入侵影响,该区域水化学类型单一且以Na-Cl型为主,TDS值较高。常态化生态补水过程对浅层水化学组分进行了改善,丰富了水化学类型,减轻了海水入侵的影响,驱动水生态进入良性恢复进程。但由于补水时间特定且较短,影响了湿地水生态恢复改良作用的持续发挥,因此建议在每年3月底至4月初开展一次生态补水,提升湿地水生态环境的改良效果。

参考文献:

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[3]周振,宫晓东,薛菲.黄河刁口河流路浅层地下水位及其水化学特征空间分布[C]//中国水利学会2017学术年会论文集. 2017:1067-1073.

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基金资助:国家重点研发计划项目(2022YFC3204305); 黄委优秀青年人才科技项目(HQK-202301);

文章来源:周振,宫晓东,陈萍.刁口河生态补水对湿地浅层地下水水化学特征的影响研究[J].水资源开发与管理,2024,10(10):52-57.