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东平湖水化学特征及成因分析

张丽, 陈永金, 刘加珍, 逯尧, 刘承志, 许婕, 贾一灿, 吕军生. 东平湖水化学特征及成因分析[J]. 环境化学, 2021, 40(5): 1490-1502. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019122502
引用本文: 张丽, 陈永金, 刘加珍, 逯尧, 刘承志, 许婕, 贾一灿, 吕军生. 东平湖水化学特征及成因分析[J]. 环境化学, 2021, 40(5): 1490-1502. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019122502
ZHANG Li, CHEN Yongjin, LIU Jiazhen, LU Yao, LIU Chengzhi, XU Jie, JIA Yican, LYU Junsheng. Analysis on hydrochemical characteristics and causes of Dongping Lake[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(5): 1490-1502. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019122502
Citation: ZHANG Li, CHEN Yongjin, LIU Jiazhen, LU Yao, LIU Chengzhi, XU Jie, JIA Yican, LYU Junsheng. Analysis on hydrochemical characteristics and causes of Dongping Lake[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(5): 1490-1502. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019122502

东平湖水化学特征及成因分析

    通讯作者: Email:chenyongjin@lcu.edu.cn
  • 基金项目:
    国家科技支撑计划项目(2014BAC15B02),国家级大学生创新训练项目(201810447023,201910447022)和聊城大学大学生创新训练项目(cxcy2019y063)资助

Analysis on hydrochemical characteristics and causes of Dongping Lake

    Corresponding author: CHEN Yongjin, chenyongjin@lcu.edu.cn
  • Fund Project: National Science and Technology Support Program (2014BAC15B02), National Innovation Training Program for College Students (201810447023, 201910447022) and Innovation Training Program for College Students of Liaocheng University (cxcy2019y063)
  • 摘要: 地表水化学参数特征及其成因分析是地表水资源评价与管理的重要组成部分。为研究泰安市东平湖水化学特征及成因,采用空间插值、Piper三线图、Gibbs图以及相关性分析等方法,探讨了研究区不同月份、不同类型东平湖地表水水化学组份特征及影响因素、各离子的来源等问题。结果显示,东平湖湖水属于碱性水体,TDS时空分布差异显著,10月份总体浓度最高,8月份最低;6月湖区TDS含量从湖区东南向西北逐渐递增,10月从湖心向南北两侧逐渐递增。研究区湖水主要水化学类型由SO4-Na→SO4- Na·Ca·Mg→SO4-Ca型转变,该地区地表水的水化学类型易多变;水体中阳离子以Na+为主,Ca2+稍次之,阴离子以SO24为主;水体中K+和Na+来源于大气环流所携带的海盐,HCO3和Mg2+可能来自白云岩等碳酸盐岩或黑云母的风化溶解,SO24则主要来源于人类活动,少量来自石膏溶解, Ca2+则来源于钙长石的风化以及石膏的溶解。由此可见,东平湖水体离子组分基本来源于蒸发结晶,部分组分来源于岩石风化,大气降水的输入作用十分微弱。
  • 醛酮类羰基化合物是环境中一类重要污染物[1-4],是我国及世界许多国家和地区重点监测的环境污染物之一。环境中醛酮类化合物一次污染源主要来源于工业排放、植被释放、香烟烟雾、烹饪油烟以及化石燃料和植物燃烧[5-9] 等。大气中VOCs的光氧化反应是醛酮类羰基化合物二次排放的主要来源[10]。在水[11-12]、土壤和沉积物[13-14],尤其是大气[15-16]等介质中均有不同程度的检出。

    测定醛酮类羰基化合物主要有GC法[17]、GC/MS(/MS)法[7-18],毛细管电泳-紫外法[19]、HPLC法[13-15, 20]以及HPLC/MS法[12, 21]等。空气样品醛酮类化合物中最常用的方法是用涂敷2,4-二硝基苯肼(DNPH)的硅胶管采集,使目标物与DNPH在酸性介质中发生衍生化反应生成醛酮-DNPH腙衍生物,用反相液相色谱法分离,紫外检测器检测。

    LC对比GC和GC/MS法的缺点是分辨率低、分析时间长、溶剂用量大,但GC或GC/MS只能分析样品在进样系统不发生分解且能产生较高不受干扰色谱或质谱峰的羰基化合物或羰基化合物衍生物,而大部分高沸点羰基化合物衍生物容易分解,使得GC或GC/MS分析的目标物种类受到很大限制。LC-MS(/MS)对比LC-UV主要优势在于其选择性和灵敏度,但LC法仪器成本低、方法稳定性好也是其不可被替代的优势。Ochs等[22-23] 建立了RRLC-APCI(-)-MS/MS法测定31种羰基化合物,并与RRLC-UV法的线性、相关系数、检测限和灵敏度进行了比较,RRLC-UV法灵敏度更高;RRLC-APCI(-)-MS/MS检测限为0.71—10.3 µg·L−1,略低于RRLC-UV法,但方法定性准确更高。Zurek等[24]对比了APCI和ESI正离子模式下测定羰基化合物与4-二甲氨基-6-(4-甲氧基-1-萘基)-1,3,5-三嗪-2-肼(DMNTH) 的Hantzsch衍生反应产物。随着高分辨质谱技术的发展,化合物定性准确性又有了大幅提高。孟志娟等[25] 将Orbitrap GC-MS用于农产品中70种农药残留的快速筛查分析,陈溪等[26]用UPLC-Q-Orbitrap MS对水中112种药品及个人护理品进行了筛查和定量测定,112 种PPCPs 的定量限可达 0.002—0. 8 µg·L−1,准确性和灵敏度大大提高。目前还未发现使用液相色谱/高分辨质谱分析醛酮类化合物的报道。

    本论文深入研究了25种羰基化合物-DNPH衍生物的HPLC-UV、UPLC-ESI-MS/MS和UPLC-ESI-Q- Orbitrap MS的最佳分析条件,建立了各自对应分析方法,并对分析结果的分离度、分辨率、检出限、线性范围和定性准确性等分析特征进行了比较评价。使用3种方法分别对加标模拟样及天津市大气实际样品进行了分析测定,明确3种方法各自特点和适用范围,Orbitrap MS还可对样品中非靶标污染物进行准确识别,并可通过理化性质相似的已知浓度化合物响应因子比较,提供半定量结果,为复杂环境样品污染物精准识别和准确检测提供了有力技术支持。

    高效液相色谱仪,带二极管阵列检测器(Agilent1260,美国Agilent公司);超高效液相色谱-串联质谱仪,带电喷雾离子源(Agilent 1290/6460,美国Agilent公司);超高效液相色谱-电喷雾离子源-四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱仪(Ultimate 3000-Q Exactive Focuse,美国Thermo Fisher公司);N-EVAP111氮吹仪(Organomation公司);Milli-Q超纯水系统(美国Millipore公司);色谱柱1:Agilent ZORBAX Extend-C18,4.6 mm×250 mm,5 µm;色谱柱2 Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18,2.1 mm×100 mm,1.8 μm (美国Agilent公司);色谱柱3:Thermo Accucore RP-MS,2.1 mm×100 mm,2.6 µm(美国Thermo公司);Cleanert DNPH-Silica醛酮气体采样管 (200 mg·3mL−1)及臭氧去除管(240 mg·3mL−1)(天津艾杰尔飞诺美公司);0.22 µm尼龙水相针式滤膜(美国Supelco公司)。

    25种醛酮-DNPH标准溶液,15 mg·L−1(美国ChemTek公司),分别为甲醛、乙醛、丙烯醛、丙酮、糠醛、丙醛、巴豆醛/丁烯醛、丁酮、甲基丙烯醛、丁醛、苯甲醛、异戊醛、环己酮、戊二醛、戊醛、对,间,邻-甲基苯甲醛、甲基异丁基酮、己醛、2,5-二甲基苯甲醛、庚醛、辛醛、壬醛和癸醛的DNPH衍生物;16种醛酮类标准液1000 mg·L−1(包括甲醛、乙醛、丙烯醛、丙酮、丙醛、丁烯醛、丁酮、丁醛、苯甲醛、异戊醛、戊醛、对,间,邻-甲基苯甲醛、己醛、2,5-二甲基苯甲醛,CHEM SERVICE公司),其余9种醛酮为标准品,均为色谱纯 (DIKMA公司);2,4-二硝基苯肼(DNPH) (99.5%,百灵威公司);甲醇、乙腈(液相色谱纯,MERCK公司);超纯水,经Milli-Q超纯水器纯化得到。

    分别取9种醛酮类标准品用乙腈配制成质量浓度为1000 mg·L−1的混合储备溶液,与16种醛酮类标准溶液一起,各取100 µL于10 mL容量瓶中,用乙腈定容,配制成10 mg·L−1的25种醛酮类混合标准工作溶液,低于4 ℃冰箱保存。

    环境空气按照HJ 683—2014和EPA TO-11的规定采集样品,在真空泵的作用下,气体样品经除臭氧小柱去除臭氧后,用 DNPH柱吸附,样品中醛酮类化合物与DNPH发生衍生化反应。采样流量0.5 L·min−1,采气体积100 L。采样管用密封帽将两端管口封闭,放入避光密封袋中,低于4 ℃保存,时间不超过7 d。

    用乙腈洗脱采样管,洗脱方向与采样时气流方向相反,将洗脱液收集于5 mL容量瓶中,用氮吹仪浓缩至≤0.5 mL(液相色谱法浓缩至≤1.0 mL),若存在未溶解的橘红色颗粒物,用少量乙腈溶解,乙腈含量应≤0.5 mL,用纯水定容至1.0 mL,混匀,经针头过滤器过滤,滤液收集于2 mL棕色样品瓶中,待测。

    (1)色谱柱1;柱温:40 ℃;流动相:A相为纯水,B相为乙腈;检测波长:360 nm;进样量:10 μL。流速:1.0 mL·min−1

    (2)梯度洗脱程序:0—15 min,60%B; 15—23 min,60%—100%B;23—34 min,100%B;34—34.1 min,100%—60%B;34—36 min,60%B。

    (1)色谱柱2;柱温:40 ℃;流动相 A:1 mmol·mol−1乙酸铵/水溶液;流动相B:乙腈;流速:0. 3 mL·min−1;进样量:10 µL。

    (2)梯度洗脱程序:0—18 min,60%—70%B;18—23 min,70%—90%B;23—26 min,90%B;26—26.1 min,95%—60%B;26.1—30 min,60%B。

    (3)质谱条件:离子源:ESI,负离子模式;干燥气流量:10 L·min−1,温度:300 ℃;毛细管电压:4000 V;监测方式:MRM(多反应监测)。优化后得到25种醛酮腙的MRM条件见表1

    表 1  目标化合物的多反应监测条件
    Table 1.  MRM parameters for target compounds
    序号No.化合物缩写Compound abbreviation化合物Compound分子式Molecular formula母离子Precursor ions(m/z)子离子Product ions(m/z)碎裂电压/VFragmenter碰撞能/eVCE
    1DNPH2,4-二硝基苯肼2,4-dinitrophenylhydrazineC6H6N4O4197137608
    167.14
    2FA甲醛-DNPHFormaldehyde-DNPHC7H6N4O4209163.11000
    151.10
    3AA乙醛-DNPHAcetaldehyde-DNPHC8H8N4O422346.110016
    163.10
    4ACR丙烯醛-DNPHAcrolein-DNPHC9H8N4O4235158.21004
    163.128
    5PA丙醛-DNPHPropionaldehyde-DNPHC9H10N4O4237.146.110020
    163.116
    6AK丙酮-DNPHActone-DNPHC9H10N4O4237.146.110020
    122.00
    7CA巴豆醛/丁烯醛-DNPHCrotonaldehyde-DNPHC10H10N4O4249.1172.11004
    46.212
    8MA甲基丙烯醛-DNPHMethacrolein-DNPHC10H10N4O4249.146.210012
    172.14
    9BK丁酮-DNPHButanone-DNPHC10H12N4O4251.1152.11008
    122.016
    10BA丁醛-DNPHButylaldehyde-DNPHC10H12N4O4251.1152.11008
    122.016
    11IVA异戊醛-DNPHIsovaleraldehyde-DNPHC11H14N4O4265.1152.110012
    163.14
    12VA戊醛-DNPHValeraldehyde-DNPHC11H14N4O4265.1152.110012
    163.14
    132-FA糠醛-DNPH2-Furaldehyde-DNPHC11H8N4O527546.110012
    228.04
    14CHK环己酮-DNPHCyclohexanone-DNPHC12H14N4O4277.1247.21004
    231.112
    15HEXA己醛-DNPHHexaldehyde-DNPHC12H16N4O4279.1152.010012
    122.028
    16MIBK甲基异丁基酮-DNPHMethyl Isobutyl Ketone-DNPHC12H16N4O4279.1152.010012
    122.028
    17BZA苯甲醛-DNPHBenzaldehyde-DNPHC13H10N4O4285.146.210020
    163.120
    18HEPA庚醛-DNPHHeptaldehyde-DNPHC13H18N4O4293.1152.110012
    163.24
    19o-TA邻-甲基苯甲醛-DNPHo-Tolualdehyde-DNPHC14H12N4O4299.1162.91008
    252.18
    20,21p,m-TA对,间-甲基苯甲醛-DNPHp,m-Tolualdehyde-DNPHC14H12N4O4299.1162.91008
    252.18
    22OA辛醛-DNPHOctanal-DNPHC14H20N4O4307.1152.110020
    163.08
    23DMBA2,5-二甲基苯甲醛2,5-Dimethylbenzaldehyde-DNPHC15H14N4O4313.1181.014020
    163.020
    24NA壬醛-DNPHNonanal-DNPHC15H22N4O4321.1152.014020
    46.156
    25DA癸醛-DNPHDecanal-DNPHC16H24N4O4335.2152.114020
    163.08
    26GA戊二醛-DNPHGlutaraldehyde-DNPHC17H16N8O8459.1182.114012
    179.08
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    (1)色谱柱3;柱温:40 ℃;流动相A:1 mmol·mol−1乙酸铵/水溶液;流动相B:乙腈;流速:0.3 mL·min−1;进样量:10 µL。

    (2)梯度洗脱:0—5 min, 50% B; 5—15 min, 50%—60% B; 15—20 min, 60%—70% B; 20—24 min, 70%—80% B; 24—25 min, 80%—95% B; 25—28 min, 95% B; 28—28.1 min, 95%—50% B; 28.1—30 min, 50% B。

    (3)离子化模式:HESI电离源;扫描模式:负离子模式;毛细管温度: 325 ℃;加热温度: 350 ℃;鞘气: N2,流速 40 arb;辅助气: N2,流速10 arb;喷雾电压:2800 V; 透镜电压:60 V。

    (4)扫描模式:全扫描/数据依赖二级(Full MS/dd-MS2)用于筛查、定性和定量,Full MS参数:分辨率 70000,自动增益控制目标(AGC target) 1×106,最大驻留时间(maximum IT) 100 ms,扫描范围 m/z50—600;dd-MS2参数:分辨率17500,AGC target2×105,最大驻留时间60 ms,动态排除8.0 s;NCE/Stepped NCE 25、45、65,Loop count 3,Isolation window 1.0 m/z。

    对25种浓度为150 µg·L−1羰基化合物-DNPH混合标准溶液用3种分析仪器在优化的质谱条件下分别进行分离测定,通过优化各自的最佳流动相梯度,各自分别考察了柱1:Agilent ZORBAX Extend-C18、柱2:Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18和柱3:Thermo Accucore RP-MS的分离效果。25种目标物中含丙烯醛、丙酮、糠醛;环己酮、戊二醛、异戊醛、戊醛;邻,间,对-甲基苯甲醛等3组难分离物质。

    UV法用化合物的特征紫外吸收波长以及其保留时间定性,大部分化合物最佳吸收波长均为360 nm,难分离物质需要单标辅助定性,否则容易造成目标峰识别错误,这对化合物分离的要求更高。通过调整流动相梯度,只有柱1能够实现所有化合物识别(对,间-甲基苯甲醛能够在峰顶分离,环己酮和戊二醛分离最差,仅能分辨出是两种物质接近共流出),其他两根色谱柱均完全不能实现这两组难分离物质对的识别,因此UV法选择柱1进行分析测定。

    质谱法均为串联超高效液相色谱,色谱柱容量比常压液相色谱小,溶剂效应影响较大,因此待分析物质溶剂中有机相比例不能高于流动相的初始比例,否则容易出现色谱峰变形,使分离变差。柱2和柱3均为超高压液相色谱柱,适用于质谱的分析。通过优化各自最佳的分离条件,两根色谱柱在各自质谱仪上分辨率相差不大,最终MS/MS法选择柱2,Orbitrap MS法以柱3为分析柱。柱2和柱3除对,间-甲基苯甲醛不能实现分离外,其余化合物在30 min之内均可获得良好的分离度和尖锐对称的色谱峰形.

    由于MS/MS法是以特征离子对和保留时间定性、特征子离子定量,Orbitrap MS法以保留时间和具有精确质量数的二级特征碎片离子定性、母离子定量,因此对,间-甲基苯甲醛合并定量外,其他保留时间接近化合物均可不受对方干扰,即可准确定性定量。具体色谱分析条件优化结果见1.5节,本研究3根色谱柱25种目标物出峰顺序略有不同,具体见图1—(a),(b),(c)。

    图 1  25种醛酮腙标样UV色谱图/质谱图(a)UV色谱图;(b)Orbitrap MS提取母离子质谱图;(c)MS/MS 提取离子质谱图.
    Figure 1.  Chromatograms of 25 carbonyl derivatives: (a) by UVD; (b) by Orbitrap MS; and (c) by MS/MS.

    羰基化合物-DNPH结构使得ESI离子源采用正/负离子模式都有可能,通过负离子模式以甲醇−1 mmol/mol乙酸铵/水溶液为流动相,正离子模式以甲醇−0.1%甲酸/水溶液为流动相,在MS/MS法分别优化最佳子离子及最佳离子响应、最佳framgenger和CE值,Orbitrap MS优化了最佳NCE值条件下,测定各自ESI(+/−)模式下的分离度和响应值,结果发现在相同的分离情况下,负离子模式对大多数目标物具有更高的响应值。图2即为MS/MS法ESI(+/−)总离子流图的比较。Orbitrap MS ESI(+/−)母离子提取质谱图对比发现同样是ESI(−)比ESI(+)具有更高的响应值,更适合分析25种醛酮类羰基化合物。具体质谱分析优化条件结果见1.5节。

    图 2  25种醛酮腙标样ESI(+/−)-MS/MS总离子流比较
    Figure 2.  TIC abundance comparison of 25 carbonyl hydrazones by ESI(+/−)-MS/MS

    分别量取一定量的羰基化合物-DNPH标准溶液于1.0 mL棕色进样瓶中,用纯水定容,混匀。配制成质量浓度分别为0.45、0.75、1.50、3.00、4.50、7.50、15.0、30.0、45.0、75.0、150、300、450、750、1500 µg·L−1的标准系列,在各自优化的色谱和质谱条件下,UV以目标物色谱峰面积、MS/MS法以母离子对应的定量子离子峰面积、Orbitrap MS以母离子的提取色谱峰面积为纵坐标,以目标物的质量浓度为横坐标,绘制标准曲线,具体线性范围、相关系数测定结果见表2。由测定结果可见,3组曲线相关系数r均大于 0.990,UV法比MS/MS法线性范围更宽,UV法所有目标物在15—1500 µg·L−1内线性关系良好,而MS/MS法线性最高点仅为300 µg·L−1。Orbitrap MS法测定浓度最低,约为0.45—300 µg·L−1。方法检出限测定按照HJ168—2010规定的方法,采用向空白醛酮采样管中加标的方式(不同检测方法加标量分别为各化合物线性最低点对应的量,按采样量为100 L,定容体积为1.0 mL计算),测定7组模拟样品,按照样品测定方法进行测定,并计算标准偏差,以3.14倍标准偏差计算方法检出限,测定结果见表2。由表2可见,各目标物检出限 UV法略高于MS/MS法,分别在0.12—0.40 µg·m−3和0.08—0.60 µg·m−3之间,Orbitrap MS法最低,在1.1—13 ng·m−3之间,更适用于环境低浓度样品的测定。

    表 2  不同方法测定25种醛酮类化合物线性方程、相关系数、方法检出限比较
    Table 2.  Comparison of linear equations, correlation Coefficients, method detection limits of 25 carbonyl derivatives by different methods
    化合物compoundHPLC-UV法HPLC-ESI-MS/MS法HPLC-ESI-Q-Orbitrap MS法
    线性方程Linear equations线性范围/ (µg·L−1)Linear range相关系数r检出限/ (µg·m−3)MDL线性方程Linear equations线性范围/(µg·L−1)Linear range 相关系数r检出限/ (µg·m−3)MDL线性方程Linear equations线性范围/(µg·L−1)Linear range 相关系数r检出限/ (ng·m−3)MDL
    FAy=0.362x+0.8073.0—15000.9990.12y=226x+55.615—3000.9990.15y=7.43e6x+2.026e60.75—3000.9997.5
    AAy=0.267x+0.6707.5—15000.9990.15y=259x+1307.5—3000.9970.08y=1.0917x−3.05360.75—3000.9994.6
    2-FAy=0.0981x+0.25615—15000.9990.25y=143x+1817.5—3000.9960.08y=1.06e7x−6.78e60.75—3000.9996.5
    ACRy=0.231x+0.67915—15000.9990.15y=213x+80.27.5—3000.9940.08y=1.47e6x−1.57e60.75—3000.9994.5
    AKy=0.209x+0.48615—15001.0000.16y=121x+1767.5—3000.9950.08y=6.87e6x−1.16e61.50—3000.99915
    PAy=0.207x+0.52415—15000.9990.16y=430x+5457.5—3000.9970.08y=1.16e7x−5.58e60.75—3000.9998.5
    CAy=0.182x+0.36515—15000.9990.20y=342x+3967.5—3000.9970.08y=1.53e7x−5.54e60.75—1500.9999.1
    MAy=0.184x+0.72215—15000.9990.20y=352x+2907.5—3000.9990.08y=1.51e7x−6.12e50.45—3000.9995.1
    BKy=0.153x+0.33815—15000.9990.21y=764x−10.67.5—3000.9940.08y=7.04e6x−3.74e61.50—3000.99915
    BAy=0.160x+0.38815—15000.9990.21y=889x+1097.5—3000.9980.08y=1.47e7x−9.78e40.75—3000.9997.5
    BZAy=0.125x+0.25515—15000.9990.25y=165x+70.315—3000.9980.15y=1.58e7x-4.47e60.45—75.00.9994.5
    CHKy=0.0911x+0.31030—15000.9990.28y=191x+17230—3000.9980.30y=7.20e6x-2.61e60.45—1500.9993.8
    IVAy=0.113x+1.1630—15000.9990.30y=538x+1097.5—3000.9980.08y=3.14e7x−9.02e60.45—3000.9994.1
    GAy=0.191x+1.1030—15000.9990.30y=1939x15497.5—3000.9980.08y=1.69e7x−2.16e61.50—75.00.99915
    VAy=0.119x+1.3330—15000.9990.35y=798x+29.37.5—3000.9990.08y=1.50e7x+1.90e60.45—3000.9994.5
    o−TAy=0.105x+1.5030—15000.9990.38y=325x+27630—3000.9950.30y=1.63e7x−6.86e60.75—75.00.9995.5
    p−TAy=0.0879x+0.49630—15000.9990.38y=567x+28360—6000.9970.60y=2.66e7x+4.00e61.5—1500.9995.5
    m−TAy=0.121x−0.004730—15000.9990.38
    MIBKy=0.120x+0.25830—15000.9990.38y=838x+3467.5—3000.9980.08y=1.09e7x−6.70e60.45—3000.9994.5
    DMBAy=0.102x+0.92730—15000.9990.40y=278x+26630—3000.9980.30y=1.48e7x−4.44e60.45—75.00.9993.5
    HEXAy=0.0951x+0.24130—15000.9990.40y=521x+26615—3000.9930.15y=1.58e7x+6.15e60.45—3000.9993.8
    HEPAy=0.108x+0.37815—15000.9990.20y=509x+1117.5—3000.9970.08y=1.53e7x+2.39e60.45—3000.9992.5
    OAy=0.0954x+0.19215—15000.9990.20y=553x+7387.5—3000.9960.08y=1.74e7x−4.66e60.45—75.00.9991.1
    NAy=0.0897x+0.11715—15001.0000.21y=638x+1167.5—3000.9940.08y=1.81e7x−2.58e60.45—75.00.9991.1
    DAy=0.0840x+0.70915—15000.9990.21y=854x+3087.5—3000.9970.08y=1.82e7x+2.24e60.45—75.00.9991.1
     | Show Table
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    向3个6组空白醛酮采样管口分别加入25种醛酮标准混合溶液,按照样品采集方法,用高纯氮气代替实际样品,模拟采集环境空气中醛、酮类化合物,连续采样 1 h,制成加标量分别为75 ng的模拟样品,按照样品测定方法进行测定,计算加标回收率平均值和相对标准偏差。具体测定结果见表3。25种目标物的UV法、MS/MS法和Orbitrap MS测得平均回收率范围分别为68.9%—98.8%,67.9%—97.6%和66.5%—107%,相对标准偏差范围分别为4.9%—10%,6.9%—18%和5.6%—11%,精密度和准确度均能够满足测定要求。

    表 3  UV法、MS/MS法和Orbitrap法精密度、准确度和实际样品测定结果比较
    Table 3.  Comparison of the accuracy, precision and real sample test results by UV, MS/MS and Orbitrap methods respectively
    化合物Compound加标样/% Spiked sample(n=6)样品1/(µg·m−3) Sample 1样品2/(µg·m−3) Sample 2
    UVMS/MSOrbitrap MSUVMS/MSOrbitrap MSUVMS/MSOrbitrap MS
    回收率RecoveryRSD回收率RecoveryRSD回收率RecoveryRSD
    FA94.710.490.31297.97.12.312.062.252.452.702.56
    AA98.87.390.78.11078.92.051.781.961.801.761.92
    2-FA83.67.186.17.988.55.6NDND0.052NDND0.017
    ACR75.87.567.96.974.16.2ND0.1460.136NDND0.049
    AK81.37.470.31274.5113.273.133.802.782.672.84
    PA90.95.689.51394.57.10.330.250.3000.250.220.229
    CA84.15.978.78.881.58.9NDND0.10NDND0.013
    MA85.36.680.29.183.37.8NDND0.033NDND0.016
    BK77.49.778.61566.56.70.640.7020.6560.350.410.364
    BA68.95.575.68.285.37.90.410.4680.4770.220.260.235
    BZA91.15.692.59.697.49.7NDND0.114NDND0.043
    CHK75.68.870.71486.78.2ND0.460.048NDND0.040
    IVA80.97.478.91794.89.9ND0.120.108NDND0.027
    GA71.79.872.51877.111NDNDNDNDNDND
    VA79.35.875.11299.47.5ND0.330.274ND0.120.117
    o−TA79.34.980.11198.48.1NDND0.015NDNDND
    p−TA92.97.697.6121018.7NDND0.009NDNDND
    m−TA90.56.7NDND
    MIBK82.25.478.48.877.76.2NDND0.040NDND0.015
    DMBA90.87.191.21693.28.6NDND0.024NDND0.007
    HEXA84.87.683.48.879.49.2ND0.400.3340.500.630.536
    HEPA86.57.378.31181.07.8ND0.160.1920.310.290.322
    OA93.28.487.89.390.95.70.470.540.5180.830.780.895
    NA90.96.788.71086.49.12.292.122.404.454.374.84
    DA93.47.992.21590.47.70.430.310.3360.770.710.820
      注:ND., 未检出.  ND., not detected.
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    将所建立的方法应用于来自天津市区某采样点于2020年3月9日(样品1)和3月27日(样品2)采集的环境空气样品,采用相同的前处理方法,制备好的试样分别分成3份,使用不同分析仪器针对25种羰基化合物分别进行了定性和定量测定。

    测定结果见根据测定结果可知,2个样品中除戊二醛未检出、样品2苯甲醛未检出外,Orbitrap法24种目标物均有检出,且其保留时间及一级母离子精确质量数测定值与理论值相差均<5×10−6,二级质谱5个碎片与筛查谱库离子碎片一致,测得24种目标物平均浓度在0.007—4.84 µg·m−3之间,其中浓度最高分别为丙酮、甲醛、乙醛、壬醛和己醛,浓度均高于1.00 µg·m−3;浓度最低依次是甲基苯甲醛、甲基丙烯醛、糠醛、丁烯醛和甲基异丁基酮。3种方法UV法和MS/MS法检出的化合物均远少于Orbitrap法,UV法检出最少。3种方法均能检出的目标物相对偏差均小于20%。

    本研究通过优化流动相梯度、最佳离子化模式和离子对、最佳碰撞能量等色谱质谱条件,建立了分别用HPLC-UV、UPLC-ESI-MS/MS和UPLC-ESI-Q-Orbitrap MS法同时测定空气中25种醛酮类羰基化合物的分析方法并进行了比较。研究结果表明3种检测方法线性相关系数、精密度和准确度均良好,MS方法定性准确性高,检出限较UV法低,而Orbitrap MS法最低,可达ng·m−3水平。UV法适用于检测相对高浓度样品,线性范围最宽;MS/MS法适用于测定中等浓度样品;而Orbitrap MS法适用于环境中低浓度样品检测,同时通过分析碎片离子,根据裂解规律、母离子和子离子精确质量,还可扩展筛查其他可能存在的非靶标羰基化合物。3种方法应用于实际样品测定发现Orbitrap MS法能够准确定性定量测定的化合物种类最多,UV法最少,但3种法均能检出的目标物相对偏差均小于20%。3种方法各有侧重,相互补充,为环境醛酮类羰基化合物准确定性定量提供了完善的技术手段,同时为其他适用于液相色谱和液相色谱质谱测定的化合物方法建立提供了可靠的例证。

  • 图 1  东平湖湿地采样点的位置分布图

    Figure 1.  Distribution of sampling points in the wetland of Dongping LakeDongping Lake

    图 2  不同月份水体TDS含量箱体图

    Figure 2.  Box Chart of TDS Content in Different Months

    图 3  不同月份水体TDS空间分布特征

    Figure 3.  spatial distribution characteristics of TDS in different months

    图 4  不同月份水体的水化学piper图

    Figure 4.  Piper diagram of water chemistry in different months

    图 5  东平湖水化学Gibbs图

    Figure 5.  Gibbs chart of Dongping Lake

    表 1  东平湖4个月份的水化学参数

    Table 1.  Hydrochemical parameters of Dongping Lake in different months

    月份水温/℃TemperaturepHTDS/(mg·L−1)电导率/(μS·cm−1)ConductivityK+s/(mg·L−1)Na+/(mg·L−1)Ca2+/(mg·L−1)Mg2+/(mg·L−1)Cl/(mg·L−1)SO24/(mg·L−1)CO23/(mg·L−1)HCO3/(mg·L−1)
    4月169.0675115013574138932525148
    6月288.00722144635045411012716154
    8月307.49656131525754351812563167
    10月218.1980695533171241071673150
    月份水温/℃TemperaturepHTDS/(mg·L−1)电导率/(μS·cm−1)ConductivityK+s/(mg·L−1)Na+/(mg·L−1)Ca2+/(mg·L−1)Mg2+/(mg·L−1)Cl/(mg·L−1)SO24/(mg·L−1)CO23/(mg·L−1)HCO3/(mg·L−1)
    4月169.0675115013574138932525148
    6月288.00722144635045411012716154
    8月307.49656131525754351812563167
    10月218.1980695533171241071673150
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    表 2  各月份水化学参数相关系数矩阵

    Table 2.  Monthly matrix of correlation coefficients of hydrochemical parameters

    MonthindexTDSK+Na+Ca2+Mg2+CO23HCO3ClSO24
    4月K+−0.042
    Na+0.0010.627**
    Ca2+0.445**−0.281−0.319*
    Mg2+−0.0640.719**0.667**−0.231
    CO230.0630.391*0.524**0.0080.518**
    HCO30.386*0.706**0.603**0.0390.622**0.396*
    Cl−0.0650.650**0.563**−0.0210.841**0.428**0.477**
    SO24−0.0410.840**0.668**−0.362*0.857**0.517**0.676**0.650**
    6月K+−0.843**
    Na+−0.352*0.438**
    Ca2+−0.912**0.867**0.312*
    Mg2+−0.904**0.853**0.534**0.800**
    CO23−0.595**0.790**0.2550.645**0.676**
    HCO3−0.842**0.839**0.401*0.899**0.808**0.638**
    Cl−0.882**0.946**0.511**0.885**0.939**0.762**0.854**
    SO24−0.926**0.887**0.511**0.892**0.963**0.703**0.836**0.956**
    8月K+0.495**
    Na+0.613**0.463**
    Ca2+−0.320*−0.03−0.184
    8月Mg2+0.015−0.089−0.14−0.394*
    CO230.056−0.0810.326*−0.351*−0.062
    HCO30.2720.621**−0.018−0.1580.07−0.357*
    Cl0.363*0.270.652**−0.184−0.0680.2090.12
    SO24−0.131−0.523**−0.1780.1650.155−0.117−0.324*−0.079
    10月K+0.121
    Na+0.010.203
    Ca2+0.188−0.104−0.223
    Mg2+−0.1830.006−0.002−0.390*
    CO230.020.03−0.1090.177−0.11
    HCO30.083−0.0940.1340.1110.110.183
    Cl0.356*0.2760.080.034−0.0110.016−0.08
    SO24−0.313*0.0420.168−0.1960.585**−0.0670.051−0.018
      ** P<0.01, P<0.05.
    MonthindexTDSK+Na+Ca2+Mg2+CO23HCO3ClSO24
    4月K+−0.042
    Na+0.0010.627**
    Ca2+0.445**−0.281−0.319*
    Mg2+−0.0640.719**0.667**−0.231
    CO230.0630.391*0.524**0.0080.518**
    HCO30.386*0.706**0.603**0.0390.622**0.396*
    Cl−0.0650.650**0.563**−0.0210.841**0.428**0.477**
    SO24−0.0410.840**0.668**−0.362*0.857**0.517**0.676**0.650**
    6月K+−0.843**
    Na+−0.352*0.438**
    Ca2+−0.912**0.867**0.312*
    Mg2+−0.904**0.853**0.534**0.800**
    CO23−0.595**0.790**0.2550.645**0.676**
    HCO3−0.842**0.839**0.401*0.899**0.808**0.638**
    Cl−0.882**0.946**0.511**0.885**0.939**0.762**0.854**
    SO24−0.926**0.887**0.511**0.892**0.963**0.703**0.836**0.956**
    8月K+0.495**
    Na+0.613**0.463**
    Ca2+−0.320*−0.03−0.184
    8月Mg2+0.015−0.089−0.14−0.394*
    CO230.056−0.0810.326*−0.351*−0.062
    HCO30.2720.621**−0.018−0.1580.07−0.357*
    Cl0.363*0.270.652**−0.184−0.0680.2090.12
    SO24−0.131−0.523**−0.1780.1650.155−0.117−0.324*−0.079
    10月K+0.121
    Na+0.010.203
    Ca2+0.188−0.104−0.223
    Mg2+−0.1830.006−0.002−0.390*
    CO230.020.03−0.1090.177−0.11
    HCO30.083−0.0940.1340.1110.110.183
    Cl0.356*0.2760.080.034−0.0110.016−0.08
    SO24−0.313*0.0420.168−0.1960.585**−0.0670.051−0.018
      ** P<0.01, P<0.05.
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  • [1] 李小倩, 刘运德, 周爱国, 等. 长江干流丰水期河水硫酸盐同位素组成特征及其来源解析 [J]. 地球科学-中国地质大学学报, 2014(11): 1547-1554.

    LI X Q, LIU Y D, ZHOU A G, et al. Characteristics of sulfate isotopic composition of river water in the main stream of the Yangtze River and its source analysis [J]. Journal of Earth Science-China University of Geosciences, 2014(11): 1547-1554(in Chinese).

    [2] 黄丽, 张心昱, 袁国富, 等. 我国典型陆地生态系统水化学离子特征及空间分布 [J]. 环境科学, 2019, 40(5): 2086-2093.

    HUANG L, ZHANG X Y, YUAN G F, et al. Characteristics and spatial distribution of hydrochemical ions in typical terrestrial ecosystems of China [J]. Environmental Science, 2019, 40(5): 2086-2093(in Chinese).

    [3] 王亚平, 王岚, 许春雪, 等. 长江水系水文地球化学特征及主要离子的化学成因 [J]. 地质通报, 2010, 29(Z1): 446-456.

    WANG Y P, WANG L, XU C X, et al. Hydrogeochemical characteristics and chemical genesis of major ions in the Yangtze river system [J]. Geological Bulletin, 2010, 29(Z1): 446-456(in Chinese).

    [4] 曾妍妍, 周金龙, 贾瑞亮, 等. 新疆祁漫塔格地区地表水水化学特征及成因分析 [J]. 干旱区资源与环境, 2017, 31(6): 64-70.

    ZENG Y Y, ZHOU J L, JIA R L, et al. Analysis of surface water and water chemistry characteristics and genesis of Qimantage Area in Xinjiang [J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2017, 31(6): 64-70(in Chinese).

    [5] 孙英, 周金龙, 乃尉华, 等. 新疆喀什噶尔河流域地表水水化学季节变化特征及成因分析 [J]. 干旱区资源与环境, 2019, 33(8): 128-134.

    SUN Y, ZHOU J L, NAI W H, et al. Characteristics and causes of seasonal variation of surface water and water chemistry in the Kashgar River Basin of Xinjiang [J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2019, 33(8): 128-134(in Chinese).

    [6] 朱世丹, 张飞, 张海威. 艾比湖流域河流水化学季节特征及空间格局研究 [J]. 环境科学学报, 2018, 38(3): 892-899.

    ZHU S D, ZHANG F, ZHANG H W. Study on seasonal characteristics and spatial pattern of river water chemistry in aibi lake basin [J]. Chinese Journal of Environmental Science, 2018, 38(3): 892-899(in Chinese).

    [7] 王修华, 曹建华, 吴夏, 等. 漓江流域河流水体离子组成特征及来源 [J]. 水文, 2019, 39(3): 68-74. doi: 10.3969/j.issn.1000-0852.2019.03.012

    WANG XH, CAO JH, WU X, et al. Characteristics and sources of ion composition of river waters in Minjiang River Basin [J]. Hydrology, 2019, 39(3): 68-74(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-0852.2019.03.012

    [8] 沈贝贝, 吴敬禄, 吉力力·阿不都外力, 等. 巴尔喀什湖流域水化学及同位素空间分布及环境特征 [J]. 环境科学, 2020, 41(1): 173-182.

    SHEN B B, WU J L, GELILI A, et al. Spatial chemistry and isotopic spatial distribution and environmental characteristics of the Balkhash Lake Basin [J]. Environmental Science, 2020, 41(1): 173-182(in Chinese).

    [9] 唐玺雯, 吴锦奎, 薛丽洋, 等. 锡林河流域地表水水化学主离子特征及控制因素 [J]. 环境科学, 2014, 35(1): 131-142.

    TANG X W, WU J K, XUE L Y, et al. Characteristics and controlling factors of surface hydrogen main ions in Xilin River basin [J]. Environmental Science, 2014, 35(1): 131-142(in Chinese).

    [10] 张智博, 刘涛, 伍青山, 等. 东平湖湿地土壤有机碳分布特征及其影响因素 [J]. 人民黄河, 2019, 41(7): 92-96, 147. doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.07.020

    ZHANG Z B, LIU T, WU Q S, et al. Distribution characteristics of soil organic carbon and its influencing factors in Dongping Lake wetland [J]. Yellow River, 2019, 41(7): 92-96, 147(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.07.020

    [11] 张菊, 何振芳, 董杰, 等. 东平湖表层沉积物重金属的空间分布及污染评价 [J]. 生态环境学报, 2016, 25(10): 1699-1706.

    ZHANG J, HE Z F, DONG J, et al. Spatial distribution and pollution assessment of heavy metals in surface sediments of Dongping Lake [J]. Chinese Journal of Eco-Environment, 2016, 25(10): 1699-1706(in Chinese).

    [12] 宋立明, 李艳琴. 东平湖表层沉积物的理化特性及分布特征研究 [J]. 安徽农业科学, 2011, 39(12): 7425-7427. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2011.12.182

    SONG L M, LI Y Q. Physicochemical properties and distribution characteristics of surface sediments in Dongping Lake [J]. Anhui Agricultural Sciences, 2011, 39(12): 7425-7427(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2011.12.182

    [13] 杨丽伟, 张菊, 邓焕广, 等. 东平湖底泥重金属污染及其对摇蚊分布的影响 [J]. 应用与环境生物学报, 2016(4): 680-688.

    YANG L W, ZHANG J, DENG H G, et al. Heavy metal pollution in the sediment of Dongping Lake and its influence on the distribution of chironomids [J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2016(4): 680-688(in Chinese).

    [14] 路亚坤, 刘加珍, 陈永金, 等. 东平湖湖滨带不同植被类型下春季土壤CO2通量研究 [J]. 中国农学通报, 2012, 28(28): 8-14. doi: 10.3969/j.issn.1000-6850.2012.28.002

    LU Y K, LIU J Z, CHEN Y J, et al. Study on CO2 flux in spring under different vegetation types in Dongping Lake lakeside [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2012, 28(28): 8-14(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-6850.2012.28.002

    [15] 路亚坤, 刘加珍, 陈永金, 等. 温带湖泊周边湿地原生草地与人工林土壤碳释放差异性分析 [J]. 生态环境学报, 2013(4): 605-610. doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2013.04.010

    LU Y K, LIU J Z, CHEN Y J, et al. Difference analysis of soil carbon release from native grassland and plantation in temperate lakes [J]. Chinese Journal of Ecology, 2013(4): 605-610(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2013.04.010

    [16] 路明, 刘加珍, 陈永金. 东平湖环境问题的影响因素与综合治理分析 [J]. 安徽农业科学, 2012, 40(9): 5490-5492. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2012.09.149

    LU M, LIU JZ, CHEN YJ. Influencing factors and comprehensive management analysis of environmental problems in Dongping Lake [J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2012, 40(9): 5490-5492(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2012.09.149

    [17] 靖淑慧, 刘加珍, 陈永金, 等. 氢氧稳定同位素对东平湖枯水期水环境的指示作用 [J]. 南水北调与水利科技, 2019, 17(1): 120-129, 149.

    JING S H, LIU J Z, CHEN Y J, et al. Indicative effect of hydrogen and oxygen stable isotope on water environment in Dongping Lake during dry season [J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2019, 17(1): 120-129, 149(in Chinese).

    [18] 冯若昂, 刘加珍, 陈永金, 等. 枯水期东平湖N、P空间自相关及环境影响分析 [J]. 环境工程, 2018, 36(8): 176-182.

    FENG R A, LIU J Z, CHEN Y J, et al. Analysis of N and P space autocorrelation and environmental impact in Dongping Lake during dry season [J]. Environmental Engineering, 2018, 36(8): 176-182(in Chinese).

    [19] 孙栋, 段登选, 王志忠, 等. 东平湖水质监测与评价 [J]. 淡水渔业, 2006(4): 13-16. doi: 10.3969/j.issn.1000-6907.2006.04.003

    SUN D, DUAN D X, WANG Z Z, et al. Water quality monitoring and evaluation in Dongping Lake [J]. Freshwater Fisheries, 2006(4): 13-16(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-6907.2006.04.003

    [20] 后希康, 高伟, 徐鹏, 等. 流域社会经济发展对山东省东平湖水环境影响评估及优化调控 [J]. 湖泊科学, 2014, 26(2): 313-321. doi: 10.18307/2014.0219

    HOU X K, GAO W, XU P, et al. Evaluation and optimization of water environment impact of Dongping Lake in Shandong Province by socio-economic development [J]. Journal of Lake Science, 2014, 26(2): 313-321(in Chinese). doi: 10.18307/2014.0219

    [21] 冷春梅, 董贯仓, 王亚楠, 等. 南水北调运行初期东平湖浮游植物群落特征分析 [J]. 水产学杂志, 2019, 32(1): 22-27. doi: 10.3969/j.issn.1005-3832.2019.01.005

    LENG C M, DONG G C, WANG Y N, et al. Analysis of phytoplankton community characteristics in Dongping Lake in the early stage of operation of South-to-North Water Transfer Project [J]. Journal of Fisheries of China, 2019, 32(1): 22-27(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1005-3832.2019.01.005

    [22] 殷山红, 张智博, 肖燕, 等. 东平湖菹草-上覆水-沉积物系统中汞、砷的赋存特征 [J]. 环境化学, 2019, 38(3): 635-643. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2018051203

    YIN S H, ZHANG Z B, XIAO Y, et al. The occurrence characteristics of mercury and arsenic in the equator-overlying water-sediment system of Dongping Lake [J]. Environmental Chemistry, 2019, 38(3): 635-643(in Chinese). doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2018051203

    [23] 梁莉莉, 于泉洲, 邓焕广, 等. 基于时序NDVI的东平湖菹草(Potamogeton crispus L.)遥感提取及时空格局 [J]. 湖泊科学, 2019, 31(2): 529-538. doi: 10.18307/2019.0221

    LIANG L L, YU Q Z, DDENG H G, et al. Remote sensing extraction of temporal and spatial patterns of Potamogeton crispus L. based on time series NDVI [J]. Journal of Lake Science, 2019, 31(2): 529-538(in Chinese). doi: 10.18307/2019.0221

    [24] 朱红豆, 刘晓, 于泉洲, 等. 近30年东平湖湿地景观格局演变研究 [J]. 山东国土资源, 2019, 35(6): 44-49.

    ZHU H D, LIU X, YU Q Z, et al. Study on the landscape pattern evolution of Dongping Lake wetland in recent 30 years [J]. Land and Resources in Shandong, 2019, 35(6): 44-49(in Chinese).

    [25] 王瑷玲, 刘洁, 王彩艳, 等. 1987-2009年东平湖湿地时空演变及其驱动力 [J]. 中国人口·资源与环境, 2014(s3): 160-163.

    WANG Y L, LIU J, WANG C Y, et al. Temporal and spatial evolution and driving forces of Dongping Lake wetland from 1987 to 2009 [J]. China Population • Resources and Environment, 2014(s3): 160-163(in Chinese).

    [26] 陈诗越, 董杰, 张重阳. 东平湖生态环境现状及流域可持续发展对策研究 [J]. 安徽农业科学, 2007, 35(5): 1436-1437. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2007.05.090

    CHEN S Y, DONG J, ZHANG C Y. Study on the present situation of Dongping Lake ecological environment and countermeasures for sustainable development of watershed [J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2007, 35(5): 1436-1437(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2007.05.090

    [27] 王新锐, 梁秀娟, 肖长来, 等. 白城市潜水水化学特征及成因分析 [J]. 水电能源科学, 2019, 37(3): 37-41.

    WANG X R, LIANG X J, XIAO C L, et al. Chemical characteristics and genesis analysis of diving water in Baicheng City [J]. Hydroelectric Energy Science, 2019, 37(3): 37-41(in Chinese).

    [28] 叶慧君, 张瑞雪, 吴攀, 等. 六盘水矿区关键带岩溶水水化学演化特征及驱动因子 [J]. 地球科学, 2019, 44(9): 2887-2898.

    YE H J, ZHANG R X, WU P, et al. Chemical evolution characteristics and driving factors of karst water in key zones of Liupanshui mining area [J]. Geoscience, 2019, 44(9): 2887-2898(in Chinese).

    [29] 朱谱成, 耿新新, 马琳娜, 等. 悖牛川上中游区地下水水化学特征及其成因分析 [J]. 科学技术与工程, 2018, 18(19): 162-169. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2018.19.025

    ZHU P C, GENG X X, MA L N, et al. Hydrochemical characteristics of groundwater and its genesis in the upper and middle reaches of Xiniuchuan basin [J]. Science, Technology and Engineering, 2018, 18(19): 162-169(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2018.19.025

    [30] HAN G L, LIU C. Water geochemistry controlled by carbonate dissolution: A study of the river waters draining karst-dominated terrain, Guizhou Province, China [J]. Chemical Geology, 2004, 204(1/2): 1-21. doi: 10.1016/j.chemgeo.2003.09.009
    [31] 文泽伟, 汝旋, 谢彬彬, 等. 龙江-柳江-西江流域的水化学特征及其成因分析 [J]. 环境化学, 2016, 35(9): 1853-1864. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2016.09.2016013002

    WEN Z W, RU X, XIE B B, et al. Hydrochemical characteristics and genesis analysis of Longjiang-Liujiang-Xijiang river basin [J]. Environmental Chemistry, 2016, 35(9): 1853-1864(in Chinese). doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2016.09.2016013002

    [32] 靖淑慧. 东平湖湖水蒸发对水环境影响的氢氧同位素解释[D]. 聊城: 聊城大学, 2019.

    JING S H. Hydrogen and oxygen isotopic interpretation of the impact of evaporation of Dongping Lake on water environment[D]. Liaocheng: Liaocheng University, 2019(in Chinese).

    [33] 郭巧玲, 熊新芝, 姜景瑞. 窟野河流域地表水-地下水的水化学特征 [J]. 环境化学, 2016, 35(7): 1372-1380. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2016.07.2015110301

    GUO Q L, XIONG X Z, JIANG J R. Hydrochemical characteristics of surface water and groundwater in Kuye River Basin [J]. Environmental Chemistry, 2016, 35(7): 1372-1380(in Chinese). doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2016.07.2015110301

    [34] 王海雷, 郑绵平. 青藏高原湖泊水化学与盐度的相关性初步研究 [J]. 地质学报, 2010, 84(10): 1517-1522.

    WANG H L, ZHENG M P. Preliminary study on the correlation between water chemistry and salinity in lakes on the qinghai-tibet plateau [J]. Acta Geologica Sinica, 2010, 84(10): 1517-1522(in Chinese).

    [35] 何锦, 张幼宽, 赵雨晴, 等. 鲜水河断裂带虾拉沱盆地断面地下水化学特征及控制因素 [J]. 环境科学, 2019, 40(3): 1236-1244.

    HE J, ZHANG Y K, ZHAO Y Q, et al. Groundwater chemical characteristics and control factors of the section of Yanlatuo basin in Xianshuihe fault zone [J]. Environmental Science, 2019, 40(3): 1236-1244(in Chinese).

    [36] ATTAR A. Global environment: Water, air and geochemical cycles [J]. International Journal of Environmental Studies, 2013, 70(1): 155-156. doi: 10.1080/00207233.2012.753739
    [37] 寇永朝, 华琨, 李洲, 等. 泾河支流地表水地下水的水化学特征及其控制因素 [J]. 环境科学, 2018, 39(7): 3142-3149.

    KOU Y C, HUA K, LI Z, et al. Hydrochemical characteristics and control factors of surface water groundwater in tributary of Jing river [J]. Environmental Science, 2018, 39(7): 3142-3149(in Chinese).

    [38] 王鹏, 尚英男, 沈立成, 等. 青藏高原淡水湖泊水化学组成特征及其演化 [J]. 环境科学, 2013,34(3): 874-881.

    WANG P, SHANG Y N, SHEN L C, et al. Characteristics and evolution of water chemistry of freshwater lakes on the Qinghai-Tibet Plateau [J]. Environmental Science, 2013,34(3): 874-881(in Chinese).

    [39] 陈星, 郑刘根, 姜春露, 等. 安徽淮北临涣矿区地表水水化学及硫氢氧同位素组成特征 [J]. 地球与环境, 2019, 47(2): 177-185.

    CHEN X, ZHENG L G, JIANG C L, et al. Characteristics of hydrochemistry and sulfur, hydrogen and oxygen isotope composition of surface water in Linhuan mining area, Huaibei, Anhui Province [J]. Earth and Environment, 2019, 47(2): 177-185(in Chinese).

    [40] 刘加珍, 陈永金, 陈诗越, 等. 东平湖湿地水质动态及其净化功能分析 [J]. 南水北调与水利科技, 2014, 12(4): 57-61,101.

    LIU J Z, CHEN Y J, CHEN S Y, et al. Analysis of water quality dynamics and purification function of wetland in Dongping Lake [J]. South-to-North Water Diversion and Water Conservancy Technology, 2014, 12(4): 57-61,101(in Chinese).

    [41] 胡尊芳, 孙建峰, 宋印胜, 等. 基于云模型的东平湖枯水期地下水水质评价 [J]. 水资源保护, 2016, 32(5): 74-78. doi: 10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.015

    HU Z F, SUN J F, SONG Y S, et al. Evaluation of groundwater quality in the dry season of Dongping Lake based on cloud model [J]. Water Resources Protection, 2016, 32(5): 74-78(in Chinese). doi: 10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.015

    [42] 柳凤霞, 史紫薇, 钱会, 等. 银川地区地下水水化学特征演化规律及水质评价 [J]. 环境化学, 2019, 38(9): 2055-2066. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019043003

    LIU F X, SHI Z W, QIAN H, et al. Evolution law of groundwater chemical characteristics and water quality evaluation in Yinchuan Area [J]. Environmental Chemistry, 2019, 38(9): 2055-2066(in Chinese). doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019043003

    [43] 杨森, 李义连, 姜凤成, 等. 高店子幅水化学特征及水质评价 [J]. 地质科技情报, 2019, 38(2): 226-234.

    YANG S, LI Y L, JIANG F C, et al. Hydrochemical characteristics and water quality evaluation of Gaodianzi section [J]. Geological Science and Technology Information, 2019, 38(2): 226-234(in Chinese).

    [44] 王强民, 孙洁, 刘基, 等. 神府榆矿区地表水化学特征及水环境质量评价 [J]. 干旱区资源与环境, 2018, 32(9): 190-195.

    WANG QM, SUN J, LIU J, et al. Chemical characteristics of surface water and water environmental quality evaluation in Shenfuyu mining area [J]. Resources and Environment in Arid Areas, 2018, 32(9): 190-195(in Chinese).

    [45] 任孝宗, 李建刚, 刘敏, 等. 浑善达克沙地东部地区天然水体的水化学组成及其控制因素 [J]. 干旱区研究, 2019, 36(4): 791-800.

    REN X Z, LI J G, LIU M, et al. Hydrochemical composition of natural water body and its controlling factors in the eastern part of Hunshandak sandy land [J]. Arid zone research, 2019, 36(4): 791-800(in Chinese).

    [46] 刘久潭, 周丹, 高宗军, 等. 青岛西海岸新区地下水水化学特征及水质评价 [J]. 山东科技大学学报(自然科学版), 2019, 38(2): 14-24.

    LIU J T, ZHOU D, GAO Z J, et al. Groundwater chemical characteristics and water quality evaluation in west coast new area of Qingdao [J]. Journal of Shandong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2019, 38(2): 14-24(in Chinese).

    [47] 范广群, 张德忠, 张建明, 等. 银川平原水体氢氧同位素及主要水化学参数特征 [J]. 干旱区研究, 2018, 35(5): 1040-1049.

    FAN G Q, ZHANG D Z, ZHANG J M, et al. Characteristics of hydrogen and oxygen isotopes and main hydrochemical parameters in water body of Yinchuan plain [J]. Arid Zone Research, 2018, 35(5): 1040-1049(in Chinese).

    [48] 李瑞, 张飞, 高宇潇, 等. 艾比湖区域地表水水化学特征干湿季变化及其控制因素 [J]. 冰川冻土, 2016, 38(5): 1394-1403.

    LI R, ZHANG F, GAO Y X, et al. Water chemical characteristics and control factors of surface water in Aibi Lake region in dry and wet seasons [J]. Journal of Glacial Permafrost, 2016, 38(5): 1394-1403(in Chinese).

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-25
  • 刊出日期:  2021-05-27
张丽, 陈永金, 刘加珍, 逯尧, 刘承志, 许婕, 贾一灿, 吕军生. 东平湖水化学特征及成因分析[J]. 环境化学, 2021, 40(5): 1490-1502. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019122502
引用本文: 张丽, 陈永金, 刘加珍, 逯尧, 刘承志, 许婕, 贾一灿, 吕军生. 东平湖水化学特征及成因分析[J]. 环境化学, 2021, 40(5): 1490-1502. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019122502
ZHANG Li, CHEN Yongjin, LIU Jiazhen, LU Yao, LIU Chengzhi, XU Jie, JIA Yican, LYU Junsheng. Analysis on hydrochemical characteristics and causes of Dongping Lake[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(5): 1490-1502. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019122502
Citation: ZHANG Li, CHEN Yongjin, LIU Jiazhen, LU Yao, LIU Chengzhi, XU Jie, JIA Yican, LYU Junsheng. Analysis on hydrochemical characteristics and causes of Dongping Lake[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(5): 1490-1502. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019122502

东平湖水化学特征及成因分析

基金项目:
国家科技支撑计划项目(2014BAC15B02),国家级大学生创新训练项目(201810447023,201910447022)和聊城大学大学生创新训练项目(cxcy2019y063)资助

摘要: 地表水化学参数特征及其成因分析是地表水资源评价与管理的重要组成部分。为研究泰安市东平湖水化学特征及成因,采用空间插值、Piper三线图、Gibbs图以及相关性分析等方法,探讨了研究区不同月份、不同类型东平湖地表水水化学组份特征及影响因素、各离子的来源等问题。结果显示,东平湖湖水属于碱性水体,TDS时空分布差异显著,10月份总体浓度最高,8月份最低;6月湖区TDS含量从湖区东南向西北逐渐递增,10月从湖心向南北两侧逐渐递增。研究区湖水主要水化学类型由SO4-Na→SO4- Na·Ca·Mg→SO4-Ca型转变,该地区地表水的水化学类型易多变;水体中阳离子以Na+为主,Ca2+稍次之,阴离子以SO24为主;水体中K+和Na+来源于大气环流所携带的海盐,HCO3和Mg2+可能来自白云岩等碳酸盐岩或黑云母的风化溶解,SO24则主要来源于人类活动,少量来自石膏溶解, Ca2+则来源于钙长石的风化以及石膏的溶解。由此可见,东平湖水体离子组分基本来源于蒸发结晶,部分组分来源于岩石风化,大气降水的输入作用十分微弱。

English Abstract

  • 湖泊和河流是生活、农业和工业用水的重要来源之一,作为海洋和陆地物质循环的关键性纽带,在全球生物地球化学循环中起着关键作用[1]。水体离子组成主要受蒸发-结晶、风化作用、侵蚀、大气降水以及人类活动等因素的影响,且离子间存在一定的相关关系[2],相关研究指出,我国东部地区如长江等水系主要离子化学特征受碳酸盐和蒸发岩矿物影响较大[3],西部地区如新疆祁漫塔格地区[4],喀什噶尔河流域[5]以及艾比湖流域[6]受岩石风化溶解和蒸发-浓缩作用的影响较大,其他区域如漓江流域,岩石风化溶解对河水中主要离子的影响较大,另外还受一定的人类活动的影响[7]。水体中的化学离子是水化学研究的重要内容,水化学组成是水体在大气、土壤等循环过程中与其所处的周边环境长时间相互作用的结果[8],其成分组成可以对地表风化作用过程和水体自身的迁移和转化过程具有一定的指示作用,而且还可以反映区域水化学元素的来源、组成及含量特征[59],水化学组成成分已经成为影响社会发展和人类生存的重要问题而受到普遍关注。

    近几年来,对于东平湖环境方面研究的学者较多,主要集中于土壤、沉积物以及水体同位素等方面[10-18],但是针对其水化学方面的探索却鲜有报道。在过去的几十年里,东平湖水类型由碳酸盐型(CCaCCa)转变成为硫酸盐型(SCaSCa[19],溶解性硫酸盐变成该地表水中重要的组分,硫酸根参与了碳酸盐岩风化过程,与大气中CO2的释放过程有着密切的关系,从而对全球碳循环产生影响,所以,硫酸盐的来源解析是需要关注的问题[1],另外,离子组成的来源也至关重要。

    本文运用空间插值法、数理统计法、Piper三线图、箱型图、相关系数分析以及Gibbs图等方法分析了东平湖主要的水化学参数特征及成因,不但对浅水湖泊与多河流水环境的关系研究具有理论意义,也对缓解北方部分地区水资源短缺问题具有重要的战略意义[20],比如为南水北调东线工程河流-湖泊水资源的合理配置提供科技支撑;除此之外,还可以为今后研究我国东平湖区域以及其他地区地表水的水化学变化、水质特征、合理利用以及对水资源的保护提供依据。

  • 东平湖(35°30′—36°20′N,116°00′—116°30′E)位于山东东平县的西部[21],地处黄河与汶河冲积平原相交的条状洼地处[16],东通清河,西连黄河,北起清河口门,南至金线岭围堤,是山东省第二大淡水湖,形似锤[22],湖区总面积约627 km2,常年水面124.3 km2,平均水深2.5 m,蓄水总量3亿m3,东平湖分老湖区与滞洪区两部分,中以二级湖堤分开[23]。老湖区在东北部,面积约209 km2,常年蓄水,即一般所称的东平湖。研究区湖泊所在地为暖温带大陆性半湿润季风气候[24],年均气温为13.30 ℃,年均降水量为640.50 mm[25]。东平湖作为山东省第二大湖泊以及南水北调东线工程重要的调蓄枢纽,在黄河洪峰削峰蓄洪、南水北调工程蓄水、保障区域生态环境安全等方面都具有重要作用[26]

  • 先后于2018年4月、6月、8月、10月对东平湖及周边进行实地考察并进行水质监测和采集,野外采样区域主要包括东平湖湖区、柳长河、小清河、大清河及黄河等,采集水样数量分别为76、84、84、85个。在出发之前都先做好采样点与调查点位置图(图1),对于湖周的水样采集可以利用校对好的GPS测量仪沿湖取点采集,使用采水器进行采水,首先利用便携式温度计(采用美国M316P型便携式电导率仪)测量水温、用TDS测量仪测量TDS等参数,用pH计(采用国产SX620型便携式酸度计)测量pH,随后再用聚乙烯透明塑料瓶采集现场水样用签字笔做好标记,且注意采样前至少润洗3次塑料瓶,随时记录好周边的环境,对于湖心样品的采集要用同样的方法乘船采集。带回实验室的水样进行检测时,首先对水样进行过滤,将过滤好的水样装瓶备用,然后进行水化学组成(Na+ 、Ca2+、Mg2+、K+HCO3CO23SO24、Cl)的分析测试:Na+ 、K+用火焰光度计进行测定,CO23、HCO采用双指标滴定法测定,C1采用硝酸银滴定法测定,Ca2+、Mg2+SO24采用EDTA容量法等。

    根据实际地形和野外调查的GPS数据运用ArcGIS 10绘制采样点示意图,运用ArcGIS 10中的普通克里格插值方法(Kriging)进行空间插值;运用piper三线图图软件绘制的piper图;运用Origin 2015绘制的箱型图;运用SPSS 18软件统计的相关系数矩阵;运用Excel 2010 绘制的Gibbs图以及其他图表。

  • 通过对不同时期东平湖水化学组成进行分析得(表1),4月阳离子质量浓度由大到小依次为Na+ > Ca2+ > Mg2+ >K+,阴离子质量浓度由大到小依次为SO24>HCO3>Cl>CO23。阳离子质量浓度的平均值依次为57、41、38、3 mg·L−1,阴离子质量浓度平均值依次为252、148、93、5 mg· L−1。6月阳离子质量浓度由大到小依次为Na+>Ca2+>Mg2+>K+,阴离子质量浓度由大到小依次为SO24>HCO3>Cl>CO23。阳离子质量浓度的平均值依次为50、45、41、3 mg· L−1,阴离子质量浓度平均值依次为271、154、101、6 mg· L−1。8月阳离子质量浓度由大到小依次为Na+ > Ca2+ > Mg2+ >K+,阴离子质量浓度由大到小依次为SO24>Cl>HCO3>CO23.阳离子质量浓度的平均值依次为57、54、35、2 mg·L−1,阴离子质量浓度的平均值依次为256、181、167、3 mg·L−1。10月阳离子质量浓度由大到小依次为Ca2+>Na+>Mg2+>K+,阴离子质量浓度由大到小依次为SO24>HCO3>Cl>CO23。阳离子质量浓度的平均值依次为71、31、24、3 mg· L−1,阴离子质量浓度平均值为167、150、107、3 mg·L−1

    4月和8月SO24含量接近,说明这两个月湖区水质状况近似;10月份 Ca2+含量最高,这主要由于大清河上游河水中钙离子含量较高;8月Cl含量最高,分析原因发现,8 月降雨量增加以及湖区旅游活动频繁,Cl会在降水形成的地表径流的作用下从地表土壤进入湖区,再者8月份该地区旅游业较发达人为的增加了湖水的Cl含量。

    pH和TDS是反应水中酸碱综合平衡和溶质质量的指标。由表1可知,4月的平均TDS为751 mg·L−1,电导率为1501 μS·cm−1,6月平均TDS为722 mg·l−L,电导率为1446 μS·cm−1,8月平均TDS为656 mg·L−1,电导率为1315 μS·cm−1,10月平均TDS为806 mg·L−1,电导率为955 μS·cm−1。一般情况下,电导率越高,盐分越高,TDS越高。在不同的采样地点所测得的TDS的最大值和最小值相差较大,但是从总体水平上看,各个季节的相差水平不大,其中电导率在一年中前几个月差别略微,但10月数值显著降低。就pH看,4月水体pH9.06,6月pH8.00,8月pH7.49,10月pH8.19,由此可知,研究区水体pH数值在7—9范围附近波动,4月水体的碱性最大,6、8月由于降水等原因数值明显下降,呈现弱碱性,10月pH又略微提高,总体来看呈现碱性且在丰水期有下降趋势,淡水和微咸水各占54.5%和45.5%[27]。研究区域在采样期间温度均保持在20 ℃左右,湖面蒸发较大,且随着湖水温度的不断提高和湖面蒸发的不断增大,各种化学离子浓度亦呈现出不断升高的趋势。

  • TDS能够代表水中溶质质量的综合特征[28],具有一定的代表性,若单独分析各离子会相对繁琐,此外,TDS和电导率相关性极高[29],且pH和水温的变化不明显,因此只选择TDS进行分析。

    为了排除异常值对数据的干扰,并有效比较数据的分布规律,用Origin 2015软件将所得数据绘制于箱形图中,分析东平湖水中 TDS 含量统计特征[29]。从图2中可以看出,不同月份水体的 TDS 值分布存在较明显差别,从整体来看,8月TDS值范围分布的最为集中且水体TDS含量最少,为710—785 mg·L−1,6月分布最为分散,TDS范围为635—899 mg·L−1,其次为4月,其TDS范围为710—785 mg·L−1,水体TDS在10月份含量最高,其范围为786—836 mg·L−1,分析各月的离散程度,可知各研究月份东平湖水水体TDS都存在远离四分位值达1.5倍四分位距的异常值。研究区水体的TDS值均高于世界主要大河的均值(283 mg·L−1)[30],也高于文泽伟等[31]研究的龙江-柳江-西江流域4月份和10月份的TDS均值(分别为204.81 mg·L−1和234.20 mg·L−1)。

    根据研究区湖区TDS空间插值变化(图3)可得,4月至10月东平湖湖区TDS空间分布差异较大。从4月湖区TDS的空间分布图可知,柳长河入湖口处TDS含量最低,在673.40—722.24 mg·L−1 之间,而湖区TDS最高,出现在湖心岛东侧水域和腊山附近,并且围绕最高值形成了一个高值区[32],该区域菹草生长旺盛而且面积狭小,水流速度缓慢,使得水中溶解大量物质。6月湖区TDS含量由西北向东南呈递减趋势,最小值位于大清河入湖口处,为245 mg·L−1,这说明大清河上游河水中溶解性物质较少,TDS含量较低;最高值出现在小清河出湖口附近,该处由于大量湖水流经此处而且水域面积狭小,造成水中物质沉积,水速相对变缓;导致湖区西部水域 TDS含量较高的原因是由于湖区采沙和开挖航道活动频繁,使得底泥中的溶解性物质大量的溶解到湖水中[32]。8月份图像中呈现出从西北向东南延伸的条带状高值区,在大清河入湖口处和戴庙镇附近水域TDS值最低,说明该处水流速度快,水中溶解物质较少。10月份湖区TDS呈现南北两侧高,中间低的趋势,最低值出现在大清河入湖口处,研究期间大清河属于汛期,河水水量较多,大量的河水从上游涌入湖区,且该河水TDS含量低,流动速度较快,停留时间短,使得入湖口处TDS含量较低;最高值出现在小清河出湖口处和柳长河入湖口处,柳长河是南水北调东线工程从南四湖向东平湖输水的主要河道,在7月初邓楼和八里湾泵站停止工作[32],导致该水域水流速度慢,水中溶解物较多,湖区北部水域狭窄,大量湖水从此处流出,导致北部水体停留时间较长,所以这两处水域 TDS含量较高,表明南水北调工程对东平湖有改善水质的作用。

  • 图4得出,4月湖水的主要水化学类型是SO4-Na、SO4-Ca·Mg 型;河水的主要水化学类型是SO4-Ca、HCO3·SO4-Ca型;大坝水的主要水化学类型是SO4-Ca型。6月湖水的主要水化学类型为SO4-Na·Ca·Mg 型;河水的主要水化学类型是SO4-Na·Ca·Mg 型;大坝水的主要水化学类型是SO4-Ca型。8月湖水的主要水化学类型是SO4-Na、SO4-Ca·Mg 型;河水的主要水化学类型是SO4-Ca 型;大坝水的主要水化学类型是SO4-Ca型。10月湖水的主要水化学类型为SO4-Ca 型;河水的主要水化学类型是HCO3·SO4-Ca 型;大坝水的主要水化学类型是SO4-Ca型。在所分析的水样中,阳离子Na+含量最高,Ca2+稍次之,阴离子SO42-含量最高,研究区水域优势阳离子和窟野河流域地表水[33]相同,阴离子却不同,且只有4月份河水的水化学类型与之相似。湖泊水化学的类型一般会遵循碳酸盐型-硫酸钠型-硫酸镁型-氯化物型的演化规律[34],所以根据水化学类型可以确定东平湖已经处于湖泊演化的中间阶段,属于较为成熟的湖泊。

  • 通过水化学参数相关性分析,可大致推断出各离子之间的关系及来源[35]。用SPSS 18软件统计数据,大致可知,TDS与各离子之间的相关系数较为密切。各月份水化学参数相关系数矩阵见表2.

    由4月的数值可以得出,K+和Na+、Mg2+、Cl之间都具极显著相关性;HCO3和Na+、K+、Mg2+的相关性系数较大。由6月的数值可以得出,TDS和K+、Ca2+、Mg2+CO23HCO3、ClSO24都有着极显著负相关性,相关性系数依次为−0.843、−0.912、−0.904、−0.595、−0.842、−0.882、−0.926,说明这些离子对TDS的贡献较大,尤其是Ca2+、Mg2+SO24相关系数均在−0.9以上,说明这3种离子对TDS的贡献起着决定性的作用。在8月中,Ca2+CO23的相关性系数较大。在10月中,TDS与ClSO24显著相关,SO24和Mg2+的相关性较强,为0.585,其他各离子之间没有极显著相关性。

    由相关性分析可得,K和Na普遍具有较强的相关性,具有相似的来源,东平湖水4月Cl/Na数值为1.61,6月Cl/Na值为2.03,8月Cl/Na值为3.20,10月Cl/Na值为3.49,要高于世界海水比值(Cl/Na=1.15)[36],这表明大气环流所携带的海盐对湖水离子组分贡献率很大,并且一年内随月份增加贡献率趋势逐渐增大。K+一般来源于云母、钾长石等的风化,湖水水体中K/Na比值在4个月份的变化范围为0.041—0.084,平均值为0.061,表明研究区Na明显比K高,说明对于一部分钾长石可能并未完全风化,其风化程度很低[3]。研究区HCO3和Mg2+可能来源于白云岩等碳酸盐岩或黑云母的风化溶解,对于SO24,在6月与Ca2+的相关性为0.892,4月份是显著负相关,其他月份均没有明显的相关性,表明除了6月强烈的风化作用使得部分石膏溶解,主要还是来源于人类活动,说明人类活动对水化学的影响在枯水期较汛期更显著一些[37]。硅酸岩流域水体中的Ca2+主要来源于钙长石的风化[38],在10月其作为湖水的主要阳离子,表明钙长石风化也是区域主要的风化过程,同时也说明大清河上游河水中钙离子含量较高。

    东平湖地区地表水类型较复杂多变,阴离子硫酸盐的浓度很高,主要原因是强烈的蒸发作用蒸发岩溶解等以及外源贡献[39],其中主要是由于东平湖附近工矿业或者是农业种植等人为活动的影响带来的有机污染物所致[40-41],农业生产中使用农药、化肥、农膜、农作物秸秆,农村生活污水、生活垃圾及畜禽养殖造成的污染等会对地表水环境造成污染,[42]该研究区的部分离子来源与高店子幅地表水[43]和神府榆矿区[44]窟野河类型以及任孝宗[45]等研究的浑善达克沙地东部地区天然水体也有类似之处,但与泾河支流地表水[37]类型有较大差异,主要因后者水体阴离子中Cl含量较高。

  • 在不考虑人为因素下,Gibbs模式图解常用来识别自然水体中各离子的起源,如岩石风化、大气降水和蒸发结晶作用[46]。Gibbs半对数坐标图纵坐标为对数坐标,表示水体中溶解性离子TDS的总量;横坐标为普通坐标,用Na+/(Na++Ca2+)或Cl/(Cl+HCO3−)的比值表示。从整体上来看,在Gibbs图(图5)中,水样点多分布在图的中上部,TDS值较高,大多在600—800之间,Na+/(Na++Ca2+)或Cl /(Cl+HCO3−)比值在0.2—0.8之间分布不等,表明东平湖及其周边水体各离子的来源基本上都来自蒸发结晶,部分来自岩石风化,大气降水的输入作用十分微弱;另外大部分水样的水化学组成分布在Gibbs图内,但也有部分水样在Gibbs图外[37],说明水化学组分还受到一定程度的季风气候和人为干扰的影响[44]

    对于东平湖水在4月,阴阳离子比值大都分布在0.2—0.7之间分布,有较高TDS范围,以蒸发结晶影响为主,以岩石风化作用为辅;对于湖周边的河水则主要受岩石风化以及人为活动的影响;大坝(主指戴村坝)则主要受人为活动的影响。在6月,对于东平湖水及其周边河水阳离子比值分布较为集中,且TDS含量很高,表示该地表水阳离子主要受强烈的蒸发作用,而对于阴离子比值则较为分散,比值在0.2—0.6范围内,同样的TDS含量很高,说明该处地表水阴离子来源较为分散,同时受岩石风化、蒸发结晶和人类活动影响的作用。然而8月的阴阳离子起源恰好和6月相反:阳离子多来自岩石风化,阴离子多来自蒸发结晶,对于10月,阳离子比值数据点往右偏移,因此研究区水化学受蒸发浓缩作用的影响强于岩石风化作用,湖水相对于河水受蒸发浓缩作用更明显,而由阴离子比值图则可以看出研究区水化学主要受岩石风化和人为因素的影响,并且阳离子比值要明显大于阴离子比值,说明了阴阳离子的起源具有明显的差别。

    研究区各水体在Gibbs图上分布相对集中,表明不同水体的离子成分有相同的来源、补给源,且相互之间水力联系密切[47]。研究区水体离子组分主要来源于蒸发结晶,部分组分来源于岩石风化, 大气降水的输入作用十分微弱,且由于地表水的水-岩作用时间短,二氧化碳供给充分,因而来自岩石风化的部分多来自于碳酸盐岩风化。该地区4月和10月为春秋季节,降水较少,径流量及降水量减少,地表水被稀释作用影响较小,同时受到人为活动的影响较大;6月和8月为夏季,降水较多,流量和降水的增加稀释了人为因素对水体造成的影响[16],所以对于东平湖地区,人为活动的影响春秋季节大于夏季。此结果与李瑞[48]、朱世丹[6]等研究的艾比湖区域地表水化学来源类似,说明地表水化学起源都大同小异。

  • (1)东平湖地表水整体呈现碱性,地表水阳离子中Na+和Ca2+占主导地位,阴离子中SO24占主导地位;研究区地表水TDS和总硬度总体偏高,TDS时空分布差异显著,8月份的TDS值明显低于其他3个月份,10月份总体浓度最高,6月湖区TDS含量从湖区西北向东南逐渐递减,10月从湖心向南北两侧逐渐递增。对于TDS的研究得南水北调东线工程的通水有利于东平湖湖水环境的改善。

    (2)研究区地表水湖水的主要水化学类型由SO4-Na→SO4-Ca·Mg→SO4-Ca型转变;河水的主要水化学类型是SO4-Ca、SO4-Ca·Mg 型;大坝水的主要水化学类型是SO4-Ca型。水体K+ 和Na+来源于大气环流所携带的海盐,HCO3和Mg2+可能来源于白云岩等碳酸盐岩或黑云母的风化溶解,SO24则主要来源于人类活动,少量来自石膏溶解, Ca2+则来源于钙长石的风化以及石膏的溶解。

    (3)研究区水体离子组分主要来源于蒸发结晶,部分组分来源于岩石风化,大气降水的输入作用十分微弱,另外受到人为活动的影响较大。

参考文献 (48)

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