黑河源区西支流域水化学特征与土壤重金属空间结构及环境承载力评价

发布时间：2020-08-27 21:33

【摘要】：黑河发源于青藏高原东北部祁连山区南麓,全长821 km,流域面积约14.29万km2,是我国第二大内陆河。黑河源区地处祁连山腹地,属国家级自然保护区,也是全国50个重要生态服务功能区之一,具有不可替代的生物多样性和水源涵养功能。同时,黑河源区矿产资源丰富,区内矿业开发活动剧烈,对区域环境影响较大。在西北生态环境脆弱且极度缺水的条件下,黑河源区的水土资源将是联系整个流域生态-经济-社会的纽带,也是区域经济与环境可持续发展最主要的影响因素与限制因子。黑河源区水土环境的好坏直接决定着中下游生态环境的优劣、农作物与食品的安全以及水资源的开发利用方式,这对整个流域生态系统影响深远,而关于黑河源区水土环境的研究鲜有报道。此外,为保障黑河生态环境系统服务功能的正常发挥,矿业活动的开发强度必须限定在可控范围内,这就需要进行区域环境对矿产资源开发可承载能力的评价。本文既是对黑河源区西支流域水环境地球化学特征、土壤重金属空间结构特征及环境承载力评价的研究。本研究首先对黑河源区西支流域的5类水体(冰雪融水、泉水、河水、坑塘水和矿山废水)先后进行传统的水文地球化学特征与规律分析,结合环境质量标准对水质进行评价,并运用综合分析及同位素的手段揭示不同水体之间的相互联系。随后借助地统计学的方法对研究区未受采矿和人为活动影响的天然土壤进行重金属(Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb)结构特征与空间分布的分析,探讨其变异特征和变异的方向性；借助多元统计方法对各重金属间的关系进行分析后,在ArcGIS平台上使用距离权重反比法(IDW)进行了重金属的插值和可视化研究,并和矿山周边的土壤重金属含量进行了对比,以了解矿山生产对周边土壤环境的影响程度；最后运用环境质量标准、地累积指数(Igeo)、富集因子(EF)和潜在生态风险指数(PERI)进行了风险评价。在此基础上,选取主控的环境要素建立了以层次分析法为基础的评价指标体系和以综合指数模型为主的评价方法体系,对研究区水土环境可承载矿产资源开发强度及干扰的能力进行了评价,得到的主要结论如下：区域水环境特征及质量：受基岩风化作用主导,研究区内冰雪融水、泉水和河水的各种离子含量较低,并主要受大气降雨补给,水质较好；地表水与地下水水力联系密切,相互作用频繁。坑塘水和矿山废水的离子组分含量和TDS较高,个别样品存在极值,大部分属于微咸水,阴阳离子受控于岩石风化作用,并受到强烈的蒸发和浓缩作用,水质较差。5种水体离子组分平均含量矿山废水最高,坑塘水、冰雪融水、河水和泉水所含的各种组分浓度依次变小。土壤重金属含量与结构特征：(1)天然土壤的Cr、Ni、Zn、Pb及TOC的分布在自相关范围内主要受内在因子(气候、母质、地形、土壤类型等)的影响；而Cd、Mn、Cu和As受外在因子(矿业活动、农牧活动、交通污染和日常生活等)的影响较大。天然土壤中8种重金属及TOC在各个方向上半变异曲线变化趋势差异明显,使得在整个研究区内的空间变异都表现为各向异性大于各向同性,一方面体现出土壤高度的异质性,另一方面跟研究区地形地貌、黑河的流向和采样点的分布有关。(2)天然土壤中的重金属大都来源于基岩和母质,其中Cr、Ni和As关系紧密,Zn、Cd和Pb伴生现象显著,Mn和Cu的地球化学行为特征一致。由于热喀斯特地貌的存在使得TOC通过鳌合反应影响重金属的含量,特别是Ni。研究区内Cd的含量异常高,这是由于在灰岩风化及成土过程中,CO32-和Cd2+发生反应生成CdCO3沉淀造成的。基岩风化及成土过程中产生的大量细小颗粒物质对Cd2+的吸附,以及研究区矿业活动剥离表土和基岩,加速基岩的风化和成土过程也是造成土壤Cd含量较高的原因。受Cd含量较高的影响,研究区大部分都处于较高-高风险区。采矿活动对水土环境的影响：(1)研究区内的矿产资源勘探和开发活动剥离了大量的表土和基岩,在时间、降雨、温度和生物活动的影响下加速了基岩的风化和成土过程,致使矿山周边的土壤重金属含量增大。(2)地表水体受矿业活动影响较大,特别是含有矿山的小流域和周边有矿山分布的黑河干流主河道,离子增大和减小的响应趋势明显,离子随流程变化显著。由于地形切割强烈、海拔落差大、地表径流速度快,研究区内的地表水体自净能力较强,区域水环境现状总体良好。(3)对矿山周边的土壤进行分析发现,重金属含量异常之高,均值全部超过了天然土壤；8种重金属含量平均超天然土壤6.7倍,其中Pb高达25倍。对其进行土壤环境质量评价的结果表明,各重金属指标均存在超三类土标准的情况,其中Cd超标率为100%,最大约超70倍。水土环境承载力：(1)高海拔的冰川、尤其是流域分水岭附近的水土环境承载力较低,合计面积约359.17 km2,占研究区总面积的7.13%。这些区域海拔高,地形坡度起伏大,地貌类型以裸地、砾石和基岩为主,年平均气温低,植被、土壤和微生物群落不活跃,且时常有多年冻土发育,地表水和地下水流动不频繁。(2)水土环境承载力适中和相对较强的地区主要分布在海拔相对较低、坡度较缓的中低山、丘陵区、河谷地带以及平原。随着海拔的降低,地势逐渐趋于平坦,冻土逐渐消融、土壤层逐渐增厚,植被类型和覆盖度逐渐丰富,地表水和地下水的径流、交替、更新速率增大,可承载矿业活动影响和干扰的能力也随之升高。黑河源区西支流域水土承载力适中的区域面积达1408.45 km2,占研究区总面积的27.96%；承载力较强的区域面积达3269.76 km2,占64.91%。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X52;X53;X820
【图文】：

地形图,地形图,黑河,走廊南山

逦补建伟：黑河源区西支流域水化学特征与±巧重金属空间结构及环境承载力评价逡逑２．２地形地貌逡逑研究区海拔最低为２５８３邋ｍ邋（黑河河谷地带），最高处为４８１９邋ｍ邋（油葫芦大峰），山势高峻，地形切割强烈，高差８００￣１２００ｍ，最大达２０００多米。黑河河流流向为自西北向东南，走廊南山和托勒山（即青海省和甘肃省的交界处）逡逑区内成北西西－南东东向延伸研究区宏观地貌最大特点是东北边为北西至向的走廊南山，西南边为北西至东南向的托来山，山化间是中山或高山宽谷。逡逑－况？．０—Ｅ逦泌ｒ：ｙ．0－Ｅ逦！００’．０．0－Ｅ逦￣逡逑

地貌图,地貌图,黑河,走廊南山

水系图,水系图,地貌图,地形图

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【参考文献】