敦煌绿洲地下水微量元素分布特征及其成因

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00109

摘要/Abstract

摘要：

采用多元统计和水文地球化学分析对中国西北地区敦煌绿洲地下水微量元素分布特征及其成因进行了研究。结果表明：地下水中大多数微量元素含量较低，水质总体良好。地下水微量元素具有明显的地带分布规律，从山前洪积扇扇顶补给地带，到中下游细土平原径流排泄区，多数金属元素含量增加，部分在中游出现极大值。蒸发浓缩作用和水岩相互作用控制了研究区地下水中Sr、V、Cu、Zn、Ni和Cr等多种金属元素的溶解迁移；工农业生产对Be和Sc有明显的影响；Pb的分布体现了降水的元素输入特征；地下水中的氧化还原环境一定程度上控制了地下水中的Ba。

关键词: 敦煌绿洲, 微量元素, 多元统计分析, 地下水

Abstract:

Multivariate statistical methods and hydrogeochemical analysis were applied to study the distribution characteristics and its controlling factors of groundwater trace elements in Dunhuang oasis， Northwest China. The results showed that most of the trace elements were in low concentrations in groundwater， the groundwater quality is generally good. From the recharge zone of the top of the alluvial fan， to the runoff and drainage area of the fine soil plain in the middle and lower reaches， the content of most metal elements increased， and some of them appeared maximum values in the middle reaches. Sr， V， Cu， Zn， Ni and Cr were mainly derived from evaporation and weathering effects of the aquifer. While an anthropogenic source including agriculture pollution and industry were identified for Sc and Be. Meanwhile， the distribution of Pb reflects the input of atmospheric deposition， and the oxidizing/reducing conditions within the groundwater in some extent controlled the distribution of Ba.

Key words: Dunhuang Oasis, trace elements, multivariate statistical analysis, groundwater

中图分类号:

P342

何建华, 秦文华, 郭嘉兵, 陈沛源, 马金珠. 敦煌绿洲地下水微量元素分布特征及其成因[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 109-119.

Jianhua He, Wenhua Qin, Jiabing Guo, Peiyuan Chen, Jinzhu Ma. The characteristics of groundwater trace elements and its controlling factors in Dunhuang Oasis[J]. Journal of Desert Research, 2021, 41(2): 109-119.

图/表 11

参考文献 42

1	凌新颖，马金珠，于海超，等.基于Bossel指标体系对敦煌盆地水资源可持续利用评价［J］.节水灌溉，2018（10）：42-46.
2	姜转芳，颉耀文，李汝嫣，等.永昌县绿洲时空变化过程［J］.兰州大学学报（自然科学版），2018，54（2）：239-244.
3	桑学锋，张明泉，王浩，等.敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理［J］.兰州大学学报（自然科学版），2007，43（3）：18-22.
4	李文赞，严平，刘永刚，等.库姆塔格沙漠东北缘浅层地下水补给来源［J］.中国沙漠，2011，31（6）：1617-1622.
5	张明泉，赵转军，曾正中.敦煌盆地水环境特征与水资源可持续利用［J］.干旱区资源与环境，2003，17（4）：71-77.
6	杨俊仓，施锦，陈伟涛.敦煌西湖湿地演化趋势及保护对策［J］.兰州大学学报（自然科学版），2014，50（5）：716-721.
7	赵玮，马金珠，何建华.党河流域敦煌盆地地下水补给与演化研究［J］.干旱区地理，2015，38（6）：1134-1141.
8	邢文乐，马瑞，孙自永，等.敦煌盆地地下水水化学特征及水质评价［J］.地质科技情报，2016，35（5）：196-202.
9	Ma J，He J，Qi S，et al.Groundwater recharge and evolution in the Dunhuang Basin，northwestern China［J］.Applied Geochemistry，2013，28：19-31.
10	Edmunds W M，Guendouz A H，Mamou A，et al.Groundwater evolution in the Continental Intercalaire aquifer of southern Algeria and Tunisia：trace element and isotopic indicators［J］.Applied Geochemistry，2003，18（6）：805-822.
11	Leung C M，Jiao J J.Heavy metal and trace element distributions in groundwater in natural slopes and highly urbanized spaces in Mid-Levels area，Hong Kong［J］.Water Research，2006，40（4）：753-767.
12	Rattan R K，Datta S P，Chhonkar P K，et al.Long-term impact of irrigation with sewage effluents on heavy metal content in soils，crops and groundwater：a case study［J］.Agriculture，Ecosystems & Environment，2005，109（3/4）：310-322.
13	赵长影，于伟涛，魏巍，等.微量元素与眼病［J］.中国地方病防治杂志，2014，29（6）：415-417.
14	任淑芬，张学林.吉林省饮水中微量元素与克山病［J］.地方病通报，1992，7（3）：77-79.
15	Nakaji S，Fukuda S，Sakamoto J，et al.Relationship between mineral and trace element concentrations in drinking water and gastric cancer mortality in Japan［J］.Nutrition & Cancer，2001，40（2）：99-102.
16	Khan T A.Trace elements in the drinking water and their possible health effects in Aligarh City，India［J］.Journal of Water Resource & Protection，2011，3（7）：522-530.
17	Calderon R L.The epidemiology of chemical contaminants of drinking water［J］.Food & Chemical Toxicology，2000，38（）：S13-S20.
18	刘天骄，张春雷，钱家忠，等.淮南煤田老矿区地下水微量元素多元统计研究［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2011，34（1）：119-122.
19	蒋方媛，韩绘芳，陈加红，等.地下水微量元素与同位素特征对海水入侵和地下水起源的指示意义：以深圳市宝安区为例［J］.东华理工大学学报（自然科学版），2009，32（3）：253-260.
20	文冬光，林良俊，孙继朝，等.中国东部主要平原地下水质量与污染评价［J］.地球科学：中国地质大学学报，2012，37（2）：220-228.
21	刘普幸，张锐，吴三雄.敦煌绿洲近54 a气候变化特征研究［J］.干旱区资源与环境，2010，24（7）：98-102.
22	孔令峰，周斌.敦煌盆地地下水补、径、排条件及动态特征［J］.地下水，2015（5）：52-53，57.
23	桑学锋.敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理［D］.兰州：兰州大学，2006.
24	栗振廷，杨军耀.地下水过度开采引起的六价铬污染问题研究［J］.节水灌溉，2016（12）：64-67.
25	Cloutier V，Lefebvre R，Therrien R，et al.Multivariate statistical analysis of geochemical data as indicative of the hydrogeochemical evolution of groundwater in a sedimentary rock aquifer system［J］.Journal of Hydrology，2008，353（3）：294-313.
26	Helena B，Pardo B，Vega M，et al.Temporal evolution of groundwater composition in an alluvial aquifer （Pisuerga River，Spain） by principal component analysis［J］.Water Research，2000，34（3）：807-816.
27	Edmunds W，Tyler S.Unsaturated zones as archives of past climates： toward a new proxy for continental regions［J］.Hydrogeology Journal，2002，10（1）：216-228.
28	Banner J L，Musgrove L，Capo R C.Tracing groundwater evolution in a limestone aquifer using Sr isotopes： effects of multiple sources of dissolved ions and mineral-solution reactions［J］.Geology，1994（22）：687-690.
29	Li G，Feng X，Li Z，et al.Mercury emission to atmosphere from primary Zn production in China［J］.Science of the Total Environment，2010，408（20）：4607-4612.
30	Zoller W H，Gladney E S，Duce R A.Atmospheric concentrations and sources of trace metals at the South pole［J］.Science，1974，183（4121）：198-200.
31	Sutherland R A.Bed sediment-associated trace metals in an urban stream，Oahu，Hawaii［J］.Environmental Geology，2000，39（6）：611-627.
32	Hakanson L，Jansson M.Principles of Lake Sedimentology［M］.Berlin，Germany：Springer，1983.
33	龙圣喜.铍的污染与危害［J］.铁道劳动安全卫生与环保，1988（1）：54-56.
34	Viisimaa L，Veiderma M，HÖdregÄrv H.Trace elements in phosphate rock and fertilizers ［J］.Analytical Sciences，1991，7（）：1161-1163.
35	Tiwari R N，Mishra S，Pandey P.Study of major and trace elements in groundwater of Birsinghpur Area，Satna District Madhya Pradesh，India［J］.International Journal of Water resources and Environmental Engineering，2013，5（7）：380-386.
36	Cheng H，Hu Y.Lead （Pb） isotopic fingerprinting and its applications in lead pollution studies in China：a review［J］.Environmental Pollution，2010，158（5）：1134-1146.
37	Cong Z，Kang S，Zhang Y，et al.Atmospheric wet deposition of trace elements to central Tibetan Plateau［J］.Applied Geochemistry，2010，25（9）：1415-1421.
38	Han Y，Jin Z，Cao J，et al.Atmospheric Cu and Pb deposition and transport in lake sediments in a remote mountain area，northern China［J］.Water，Air，and Soil Pollution，2007，179（1）：167-181.
39	向晓晶，王建力，李俊云.重庆芙蓉洞岩溶系统中钡元素地球化学特征［J］.湖北农业科学，2011（17）：3510-3525.
40	Gilkeson R H，Cartwright K，Cowart J B.Hydrogeologic and geochemical studies of selected natural radioisotopes and barium in groundwater in Illinois［R］.
	U.S.Department of Energy Office of Scientific and Technical Information.Research Report No.180 （final），1983，6，63.
41	Hatch J R，Leventhal J S.Relationship between inferred redox potential of the depositional environment and geochemistry of the Upper Pennsylvanian （Missourian） Stark Shale Member of the Dennis Limestone，Wabaunsee County，Kansas，USA［J］.Chemical Geology，1992，99（1/3）：65-82.
42	Lewan M D.Factors controlling the proportionality of vanadium to nickel in crude oils［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta，1984，48（11）：2231-2238.

统计项		地下水(n=19)				地表水(n=4)				WHO 限值	中国Ⅲ类水限值
统计项		最低	最高	平均	变异系数/%	最低	最高	平均	变异系数/%	WHO 限值	中国Ⅲ类水限值
微量元素	Be	1.51	6.85	3.95	44.04	2.00	3.10	2.53	22.93	0.2	≤2
	Sc	1.56	6.71	3.79	107.70	1.70	2.55	2.06	19.57
	V	2.03	92.60	23.87	86.57	4.49	15.00	9.79	44.82
	Cr	9.73	80.00	40.19	43.11	18.40	23.40	21.02	11.47	50	≤50
	Co	0.09	0.62	0.23	56.73	0.06	0.26	0.16	56.19		≤50
	Ni	4.53	21.50	8.07	49.64	2.67	5.03	3.70	27.39	20	≤20
	Cu	16.90	70.60	32.64	43.48	13.30	22.10	17.12	24.97	2 000	≤1 000
	Zn	10.80	47.90	28.50	37.16	13.10	19.10	15.67	17.51	3 000	≤1 000
	Rb	0.89	5.62	2.64	51.89	1.31	1.96	1.62	17.61
	Sr	542	4586	2217	54.05	571	1 388	889	42.15
	Ba	12.10	74.30	31.53	44.40	31.30	65.30	49.53	29.87	700	≤700
	Mo	1.80	37.20	8.77	95.55	3.56	5.59	4.51	21.34	70	≤70
	U	6.09	40.80	22.29	46.16	4.99	19.40	10.59	61.47	10
	Pb	0.07	0.36	0.16	46.87	0.07	0.26	0.14	63.34		≤10
pH		6.82	8.30	7.66	5.00	7.95	8.60	8.35	3.56		6.5—8.5
EC		733	4 330	1 834	50.91	614	1419	930	39.14

统计项		地下水(n=19)				地表水(n=4)				WHO 限值	中国Ⅲ类水限值
统计项		最低	最高	平均	变异系数/%	最低	最高	平均	变异系数/%	WHO 限值	中国Ⅲ类水限值
微量元素	Be	1.51	6.85	3.95	44.04	2.00	3.10	2.53	22.93	0.2	≤2
	Sc	1.56	6.71	3.79	107.70	1.70	2.55	2.06	19.57
	V	2.03	92.60	23.87	86.57	4.49	15.00	9.79	44.82
	Cr	9.73	80.00	40.19	43.11	18.40	23.40	21.02	11.47	50	≤50
	Co	0.09	0.62	0.23	56.73	0.06	0.26	0.16	56.19		≤50
	Ni	4.53	21.50	8.07	49.64	2.67	5.03	3.70	27.39	20	≤20
	Cu	16.90	70.60	32.64	43.48	13.30	22.10	17.12	24.97	2 000	≤1 000
	Zn	10.80	47.90	28.50	37.16	13.10	19.10	15.67	17.51	3 000	≤1 000
	Rb	0.89	5.62	2.64	51.89	1.31	1.96	1.62	17.61
	Sr	542	4586	2217	54.05	571	1 388	889	42.15
	Ba	12.10	74.30	31.53	44.40	31.30	65.30	49.53	29.87	700	≤700
	Mo	1.80	37.20	8.77	95.55	3.56	5.59	4.51	21.34	70	≤70
	U	6.09	40.80	22.29	46.16	4.99	19.40	10.59	61.47	10
	Pb	0.07	0.36	0.16	46.87	0.07	0.26	0.14	63.34		≤10
pH		6.82	8.30	7.66	5.00	7.95	8.60	8.35	3.56		6.5—8.5
EC		733	4 330	1 834	50.91	614	1419	930	39.14

元素	浅层水(N=11)			深层水(N=8)
元素	最低	最高	平均	最低	最高	平均
Be	2.36	7.04	4.50	1.51	6.35	3.41
Sc	2.87	20.90	5.51	1.56	6.71	3.49
V	8.20	92.60	24.82	2.03	39.30	20.24
Cr	23.60	80.00	44.11	9.73	56.00	32.27
Co	0.13	0.44	0.23	0.09	0.62	0.23
Ni	3.99	21.50	7.30	5.88	12.70	8.30
Cu	16.90	70.60	28.64	21.10	49.60	34.85
Zn	17.90	47.90	26.72	10.80	45.10	28.45
Rb	0.89	5.45	2.45	1.32	5.62	3.03
Sr	940	4586	2114	542	3825	2067
Ba	12.10	74.30	32.04	12.40	54.40	31.41
Mo	2.18	37.20	11.73	1.80	8.29	4.46
U	10.40	40.80	21.18	6.09	40.30	22.46
Pb	0.07	0.21	0.12	0.10	0.36	0.20

元素	浅层水(N=11)			深层水(N=8)
元素	最低	最高	平均	最低	最高	平均
Be	2.36	7.04	4.50	1.51	6.35	3.41
Sc	2.87	20.90	5.51	1.56	6.71	3.49
V	8.20	92.60	24.82	2.03	39.30	20.24
Cr	23.60	80.00	44.11	9.73	56.00	32.27
Co	0.13	0.44	0.23	0.09	0.62	0.23
Ni	3.99	21.50	7.30	5.88	12.70	8.30
Cu	16.90	70.60	28.64	21.10	49.60	34.85
Zn	17.90	47.90	26.72	10.80	45.10	28.45
Rb	0.89	5.45	2.45	1.32	5.62	3.03
Sr	940	4586	2114	542	3825	2067
Ba	12.10	74.30	32.04	12.40	54.40	31.41
Mo	2.18	37.20	11.73	1.80	8.29	4.46
U	10.40	40.80	21.18	6.09	40.30	22.46
Pb	0.07	0.21	0.12	0.10	0.36	0.20

主成分	PC1	PC2	PC3	PC4
pH	-0.259	0.863	-0.140	-0.025
Be	0.488	0.716	-0.082	0.247
Sc	0.124	0.719	0.362	0.365
V	0.927	0.118	-0.184	0.033
Cr	0.774	0.195	-0.152	0.082
Co	0.739	0.081	0.393	-0.113
Ni	0.881	-0.224	-0.088	0.185
Cu	0.882	-0.210	-0.252	0.049
Zn	0.814	0.043	-0.058	-0.170
Rb	0.463	0.078	0.301	0.485
Sr	0.841	-0.008	-0.068	-0.331
Ba	-0.127	0.031	0.851	-0.265
Mo	0.514	0.213	-0.130	-0.578
U	0.677	-0.224	0.563	-0.139
Pb	0.296	-0.575	0.049	0.538
特征值	6.289	2.361	1.598	1.338
方差贡献率/%	41.924	15.743	10.650	8.922
累积方差贡献率/%	41.924	57.667	68.318	77.240