东江干流河水的来源_水质及水资源保护

1、中国生态农业学报2008年3月第16卷第2期C h i ne s e J ou rna l of Ec o2A g ri c u ltu re,M a rc h2008,16(2:367-372东江干流河水的来源、水质及水资源保护3鲁垠涛1唐常源2陈建耀3李发东1佐仓保夫4(1.日本千叶大学自然科学研究科日本千叶263-8522;2.日本千叶大学园艺学部日本千叶271-8510;3.中山大学广州510275;4.日本千叶大学理学部日本千叶263-8522摘要为了解东江河水的来源和水质状况,沿东江干流采集河水样品,分析河水中的主要离子浓度以及氢和氧的同位素比。结果表明,河水氢同位素比(D为-48

2、.9-39.8,氧同位素比(18O为-6.3-5.7。根据氢氧同位素的相关关系,以河源市和汝湖镇为界,将研究范围内的东江干流分为、和段。段和段河水主要来自流域内的大气降水,由于河水与含有较高氧同位素比的岩石发生氧元素交换,使段河水呈现氧同位素漂移。段河水主要来自象头山和罗浮山山区的降雨并通过地下水补给。由于河水本身的稀释作用,东江河水中各离子浓度很低。人类活动相对频繁的东江下游的离子总量远大于上游和中游地区,说明人类活动对东江河水存在着潜在的影响。东江河水的污染来源可分为点源污染和面源污染,针对这两种污染分别提出了相应的措施。另外,香港饮用水与北部山区的地下水有密切关系,为保持香港水源的良好水

3、质,应把保护北部山区的地下水列为战略重点。关键词东江同位素离子含量河水补给源水质水源保护中图分类号:T U991.11+1;X522文献标识码:A文章编号:1671-3990(200802-0367-06W a ter source,qua lity and aqua tic env i ronm en t protection of D ongji a ng R i ver LU Yin2Tao1,T ANG Chang2Yuan2,CHEN J ian2Yao3,L I Fa2Dong1,S AK URA Yasuo4(1.Graduate School of Science and Te

4、chnol ogy,Chiba University,Chiba263-8522,Japan;2.Faculty of Horticulture,Chiba University,Chiba271-8510,Japan;3.Zhongshan University,Guangzhou510275,China;4.Faculty of Science,Chiba University,Chiba263-8522,JapanAbstractI n order t o understand the s ource and quality of Dongjiang R iver,water sa mp

5、 leswere collected al ong the river and ma2 j or i on and stable is ot ope(18O and Dconcentrati ons measured.The18O andD of the sa mp ling sites vary fr om-6.3 -5.7and-48.9-39.8,res pectively.Based on the compositi on of18O andD,three parts(part,are identified al ong the river.The part,res pectively

6、 coincide with the upper,m iddle and l ower reaches of the river.The main s ource of the river water inandparts is p reci p itati on,and exchange of18O bet w een water and r ock occurs in part. R iver water in partis p ri m arily by gr ound water discharg which transfor med fr om p reci p itati on r

7、unoff in North Xiangt ou and Luo2 fu Mountain ranges.Maj or i on concentrati on is l ow due t o diluti on by the river,however,t otal i on content in part,where hu2 man activity ismore intense,is higher than that in partand,i m p lying a latent effect of hu man activity on Donjiang R iverwa2 ter.Pol

8、luti on s ources t o Donjiang R iver include point2s ource and diffuse2s ource.Some counter measures t o the polluti on phenome2 non are advanced in this paper.I n additi on,it is p rudent t o p r otect gr ound water syste m s of North Xiangt ou and Luofu Mountain ranges for best p reservati on of w

9、ater quality and potable water availability,es pecially t o Hong Kong.This is because gr ound water of North Xiangt ou and Luofu Mountain ranges is the main s ource of water for the l ower reach of Dongjiang R iver,which is the s ource of potable water supp ly f or Hong Kong.Key wordsDongjiang R ive

10、r,Stable is ot ope,I on concentrati on,R iver recharging s ource,W ater quality,W ater s ource p r otec2 ti on(Received Sep t.18,2006;accep ted Dec.27,2006收稿日期:2006-09-18接受日期:2006-12-27中国生态农业学报2008第16卷东江地处湿润热带地区,位于珠江三角洲的东部,是广东省重要的水系之一,其水资源极其丰富。东江河流年际径流量变化很小,年径流变差系数(CV最高出现在博罗地区,仅为0.351,这对水资源的利用极为有利。但

11、其年内径流量变化较大,使东江在1年内受汛期和旱期两方面的影响。在中等干旱年,东江的缺水问题仍很严重,由此引起的咸潮问题受到广泛关注。资料显示,东江咸潮在南支流已上溯30k m,北干流上溯19k m。除东江流域降雨量减少这一主要原因外,流域内的无序挖沙、南海海平面上升及生产和生活用水的增加也加剧了咸潮的上溯。另外,近年来都市化和人类污染导致了东江河水的逐渐恶化2,8。针对这一现象,从1996年开始,国内对东江水质进行了一系列的研究。如张海星3曾分析和探讨了东江源区水资源的开发利用状况、主要水环境问题、破坏与污染因素、危害及变化趋势;金辉4,5详细分析了东江东莞段和河源段20世纪90年代中后期的水

12、质状况,并在此基础上研究和探讨了东江东莞段水质的季节变化规律及其水质变化趋势;陈静生等6的研究表明,在珠江水系之中,东江的离子总量最低,并提出了东江水中的离子有部分来自海洋气溶胶的补给。一般来说,河水的补给来源是雨水,但Fritz9等曾研究加拿大W ils on河在一次降雨期间的流量和氧同位素比随时间的变化关系,发现即便是流量高峰期间,河水的大部分仍来自于地下水。由此说明河水的直接补给来源分为雨水和地下水两种。本研究通过分析河水中的氢和氧同位素比以及主要离子浓度,阐明东江河水来源、水质及其污染来源的特点,并提出保护东江河水的建议。1研究区概况与研究方法1.1东江流域水文地质概况东江是珠江的主要

13、支流之一,地理坐标为东经113°52115°52,北纬22°3325°14。东江的上游有两条支流,分别为东源浔乌水和西源九曲河,都发源于赣南。源头河水向南流进入广东省境内,然后汇入枫树坝水库;在河源县有支流新丰江注入,南流至龙川县五合附近折向西南,下游经珠江三角洲,到狮子洋出虎门入海。东江的主要支流有新丰江、西枝江、增江等,其流经的城市有河源、惠州、东莞等。本文的研究范围从东源县柳城镇到惠州市汝湖镇,即东江的中游,大体上自东北向西南与纬线呈50°角的形状(图1。东江全长523km,河道的平均坡降为0.39,流域面积为33200km2,占全珠江流

14、域面积7.3%。东江年径流总量为280亿m3, 占珠江总径流量的图1东江干流流向及采样点示意图Fig.1Sa mp le points and fl ow directi on of Dongjiang R iver8.3%,夏季最丰,干流径流量占全年径流量的51.7%;冬季最少,只占7.6%。流域内多年平均雨量为15002400mm,平均1750mm,变差系数0.22。降雨分布一般中下游比上游多,西南多,东北少。东江流域多年平均蒸发量10001400mm,平均1200mm,区域分布为西南多,东北少。东江上、中游发源于晚侏罗世,下古生界地层较发育,上中生界地层及中、新界地层分布较少,多为变质岩

15、或轻度变质,主要有长石石英砂岩、粉砂岩、片岩、页岩等,石灰岩多出现在干流两岸地区。东江下游发源于晚侏罗世,发育于第四纪,中生界侏罗系的上统地层从西到东广泛分布,为火山岩系的英安斑岩、安山玢岩、凝灰岩等。新生代第三系红色砂岩层分布于龙川、河源、惠州等地,多呈盆地沉积,丘陵地貌。在东江流域,北东走向的深圳断裂和罗浮山断裂分别从南东侧和北西侧通过,构成整个地质构造的基本格局。断裂构造造成了燕山期花岗岩侵入,并散布各处。在整个流域中,高程50500m的丘陵及低山区约占78.1%,高程50m 以下的平原地区约占14.4%,高程500m以上的山区约占7.5%。由于流域内的地形、气候、植被和成土母质等自然条

16、件极其复杂,所以土壤构成也极其复杂。流域内土壤主要分为4大类,分别为壤土、沙质土、水稻土、冲积土。平原地区沿江两岸主要为水稻土和冲积土,丘陵山区主要为泥炭土,丘陵地区主要为红壤、黄壤、紫色土和潮沙泥土等。流域内土壤容重适中,通透性能好,普遍呈酸性反应,自然肥力较高。1.2取样及分析方法于2005年7月从东江上游东源县开始,沿干流863第2期鲁垠涛等:东江干流河水的来源、水质及水资源保护河道每隔一段采集河水样(图1。采样瓶为100 mL塑料瓶,在每个采样点用相应的河水润洗3遍以上。河水中的主要离子浓度以及氢和氧的同位素比(D和18O在日本千叶大学的水质实验室分析。主要离子(Na+、K+、Ca2+

17、、Mg2+、Cl-、S O2-4、NO-3、NH+4使用岛津公司的离子色谱(CT O-10A分析,HCO-3浓度用酸滴定法(0.01molL-1的H2S O4测定。在分析前分别用锌还原法10和CO2-H2O交换法对水样进行前处理,经过高真空提纯后使用质谱仪(Finnigan MAT Delta S分析氢和氧的同位素比。2结果与分析为了便于了解各采样点的位置,以东源县柳城镇东江口为距离零点,采样点和东源县柳城镇东江口之间的河流长度定为相对流经距离(Si。即:S i=L i-L0(1式中,L为东源县柳城镇东江口到源头的河流长度,Li为第i个采样点到源头的河流长度。Si值越大,采样点的流经距离越大。

18、采样点位置及其Si值见表1。表1采样点位置及其Si值Tab.1Space of sa mp ling sites and itsS i values样品号Sa mp le code 地点SiteS i(km样品号Sa mp le code地点SiteS i(km0柳城镇L iuchengzhen09古竹桥Guzhuqiao1081蓝口镇Lankouzhen1510观音阁Guanyinge1322黄田镇Huangtianzhen3011泰美Tai m ei1573义和镇Yihezhen4412汝湖镇Ruhuzhen2024仙塘镇Xiantangzhen5513惠州市Huizhoushi2175河

19、源市(新Heyuanshi(ne w6814博罗县Boluoxian2396河源市(东Heyuanshi(east6815马斯坝下Masibaxia2727河源市(混Heyuanshi(m ixture6816石龙镇Shil ongzhen2948临江镇L injiangzhen83表中的“新”、“东”、“混”分别表示河水来自于新丰江支流、东江干流以及二者的混合水。“Ne w”,“east”and“m ixture”mean the water sa m2 p led fr om Xinfengjiang and Dongjiang reaches and the m ixture of th

20、e both.2.1同位素的特征及河水的来源氢同位素(D和氧同位素(18O是经常被使用的氢和氧同位素11。由于氢和氧是水本身的组成原子,所以其同位素对研究地表水和地下水的补给来源是非常有效的示踪剂。Craig12首次得出了大气降水中D与18O的关系式:D=818O+10。该公式表明大气降水中D和18O比值间为线性关系,由此式得出的直线称为“全球大气降水线(G MWL”。分析结果表明,研究区域内河水的D测值介于-48.9-39.8之间,18O测值介于-6.3-5.7之间。被测样品的值都处于全球大气降水线右下侧,表明被测定河水最初主要是来源于大气降水。大气降水的氢和氧同位素组成有4种效应:纬度效应

21、(随着纬度升高,D和18O值下降、大陆效应(从海岸向大陆内部,D和18O值下降、高度效应(随高度增加,D和18O值下降及季节效应7。由于被测定河水的最初来源为大气降水,所以河水的氢氧同位素值受到上述4种效应的影响。根据图2中氢氧同位素的相关关系以及上述4种效应,以河源市和汝湖镇为分界点,把河流分为、段。各段河水的D和18O的相关关系为:段:D=8.472218O+9.8453(2段:D=-4.878518O-70.648(3段:D=9.161818O+9.5632(4图2东江河水氢、氧同位素比值与大气降水线之间的关系Fig.2Relati on bet w een G MWL and rati

22、 o ofD t o18O f or strea m water in Dongjiang R iver963中国生态农业学报2008第16卷段河水的曲线接近大气降水线,说明这段河水的直接补给来源是大气降水。结合水文地质条件综合分析,此段河水受纬度效应、高度效应及大陆效应的综合影响,河水的D和18O值和Si之间没有明显的相互关系。段河水的D和18O的值均位于大气降水线之下,说明该段河水的补给来源为大气降水。另外,这段河水出现了氧同位素漂移现象。根据前面所述,东江流域的降水量大于蒸发量,所以蒸发作用不是产生氧同位素漂移的主要原因。结合区域地质条件,认为该段河水和周围岩层的石灰岩或花岗岩发生氧同位

23、素交换的可能性很高。段河水的D和18O的曲线几乎与大气降水线平行,蒸发作用不明显。但其变化和流向正好相反(流向为从样品12到样品16。在此段,东江干流的流向发生变化,由上游和中游的东北西南流向变为下游的东西流向,不存在纬度差和高度差,因此氢氧同位素的变化与纬度和高度无关。图2显示D和18O的变化趋势与降雨的大陆效应相反,随河水的流动逐渐变轻,说明此段河水的补给来源含有较轻的氢氧同位素。从气象因素来看,由于东江流域的降雨主要受由南向北的气流带来的水汽的影响,所以该区域的地下水受大气降水的影响,氢氧同位素比由南向北逐渐变轻。从地理因素看,该段河流右岸有象头山(高程约1023m和罗浮山(高程约128

24、0m连成一列。山上的降雨受高度的影响,氢和氧同位素比低于平原地区。综上所述,可以判断东江下游河水最初来自于象头山和罗浮山区域的降水,然后通过地下水得到补给。2.2东江河水的水化学特征图3为东江河水pH值和EC值的流程变化图。东江全程河水呈中性或微碱性,pH平均7.6。pH 最高为8.5,出现在上游的仙塘镇,最低为7.18,出现在下游的石龙镇。段和段河水pH除在仙塘镇处突然升高外,其他样品间几乎无明显变化。但段河水pH呈明显的变化规律,即随Si增大而减小。段处于经济高度发展的地区,形成了以电子、轻纺、机械、食品、化工为主的轻型工业生产体系,目前各地工矿企业废水未经处理直接排泄现象仍很严重,这可能

25、导致段河水pH呈下降趋势 。图3东江河水pH值和EC值的沿程变化图Fig.3Variati ons of pH and EC al ong Dongjiang R iver河水EC值无明显变化规律,除了最大值168.4Sc m-1外,其余值均低于120Sc m-1,可见河水中溶解的离子含量很少。最大的EC值处于河源市的中心部,从图3中可以看出,该处河水的EC值明显高于其他地方。根据现场调查,该采样点的周围设有体育场、米厂和矿厂等。各种设施的废水排放可能是造成EC突然升高的主要原因,同时说明点源废水的排放对附近河水产生显著的影响。东江河水溶存的离子空间变化见图4。东江河水中各离子含量均很低,离子

26、浓度的空间变化基本上呈现两种特点:一种是段和段之间变化不明显,段的离子浓度随Si值增大而增大(如Cl-、Na+和S O2-4。另一种是3段河水均无明显变化(如HCO-3、Ca2+和Mg2+。从东江的地理和社会特征来看,、段河水处于山区,城市发展较缓慢;而段河水处于平原,是经济高度发展的地区,人为影响较大。综上所述,可把东江河水中的离子分为两种,第一种是HCO-3、Ca2+和Mg2+离子,其浓度反映了河水的自然性质,主要受自然地质条件影响,人为活动对其影响较小;另一种是Cl-、Na+和S O2-4离子,不仅和自然地质因素有关,同时也受到人为因素的影响,可做为评价河水污染的重要指标。在EC值最大的

27、河源市中心部,河水中的Cl-、Na+浓度也高于其他的采样点。由于城市生活污水和工业废水中含有高浓度的Na+,所以可认为该处的Na+来自于污水排放,这也进一步证明了污染点源对其附近的河水产生显著的影响。东江流量从中游到下游逐渐增大。在采样期间,河源站的平均流量为482m3s-1,博罗站的平均流量为768m3s-1。表2列出了单位时间内流073第2期鲁垠涛等:东江干流河水的来源、水质及水资源保护图4东江河水中C l-、HCO-3、S O2-4、Na+、Ca2+和M g2+浓度的沿程变化图Fig.4Variati ons of Cl-,HCO-3,S O2-4,Na+,Ca2+and Mg2+con

28、centrati ons al ong Dongjiang R iver表2单位时间内流经东江河源站和马斯坝下站的离子总量经东江河源市站、马斯坝下站的离子总量,下游(斯坝下的离子总量远大于上游(河源站。其中以Cl-、Na+、NO-3和NH+4离子变化最为明显。NO-3和NH+4离子是评价人类活动影响的重要指标,这两种离子总量的增加说明人类活动(特别是面源污染对东江水资源产生了影响,只是由于河水本身的稀释作用,在浓度方面影响表现并不明显。2.3东江污染的来源及保护东江水质的战略东江流域地表水是主要的供水来源。1994年地表水供水量为38.17亿m3,占总供水量的96.4%,而地下水供水量仅占2.

29、8%。因此,保护东江地表水资源非常重要。依据上述分析,东江水质的污染可分为点源污染和面源污染。点源污染主要集中在城市附近的河段,如河源市内的河水中EC值的突增,另外惠州市的工业污染水排放也相当严重2。面源污染主要表现为农田化肥和农药用量的激增引起水质的恶化。据此,从以下3方面阐述东江污染的来源和控制措施。虽然东江本身的稀释作用对弱化污染起到了重要的作用,但点源污水排放引起的河水污染仍很明显。根据东江流域多年污染源统计资料和水污染特征,流域内排污口的类型主要为明渠和涵管,多为全年排放,而且工业废水的比例呈逐年增加趋势。根据珠江水利网的水资源公报,2004年东江流域污水排放量达到10.48亿t,其

30、中工业及建筑业废水排放量为6.65亿t,城镇居民生活污水排放量为3.07亿t,第三产业废水排放量为0.76亿t。这些废水中有7.68亿t排入东江。另外,东江流域内城市生活污水的处理率严重不足,许多城市无生活污水处理厂,居民用水均直用直排,造成河水水质的污染日趋严重。因此,加快流域内各城市污水处理厂的建设,增加污水处理能力,是今后流域内水污173372 中国生态农业学报 2 00 8 + 第 16 卷 染控制的重点之一 。另外 , 鉴于工业污水排放量比 例的增加 , 做好环保监督机制 , 保证各工厂主要污 染物的达标排放也不容忽视 。 东江流域内的农业依然占主要地位 ,据 1997 年 统计 ,

31、 流域内农业人口 412. 51 万人 , 占总人口的 2 55. 7% ; 农业 耕 地 面 积 298. 44 万 hm , 人 均 耕 地 2 0. 72 hm 。农 药 和 化 肥 平 均 用 量 达 30. 9 kg - 2 1 hm ,是河水的主要面污染源 。面源污染对东江 流域水质所造成的危害主要发生在汛期 , 伴随着降 雨径流 ,流域地表的污染物如农田里的农药 、 化肥 、 城镇垃圾废弃物等被冲入河中 ,污染物在河流中释 放、 溶解 ,使水体遭受污染 。虽然面源污染具有分 布范围广 , 难控制的特点 , 通过毒农药的更新换代 和加强化肥施用的环境安全管理等措施 , 仍可达到 控

32、制污染继续扩大的效果 。 从 1960 年开始 , 东江成为香港的主要饮用水 源 ,目前担负着 700 万人的生活用水供应 。香港供 水的汲水口处于东江下游 ( ,属于城市经济高 段 速发展的地区 ,也是上述点源和面源影响最为明显 的地区 。因此 ,必须在局部流域采取有效的保护水 质措施 。另外 , 根据河水来源的分析 , 此段河水直 接来源于北部象头山和罗浮山的地下水 , 说明香港 饮用水与北部山区的地下水密切相关 。因此 , 为保 护香港的饮用水安全 , 从长远的意义来看 , 应建立 两个山脉地区地下水保护的有效机制 。 水中的 NO3 和 NH4 离子总量远大于上游 , 说明人 类活动对

33、东江水质产生潜在的威胁 。目前 , 由于河 水本身的自净能力削弱了人类活动的影响效果 , 但 人类活动 (特别是面源污染 对东江水资源的影响 仍应引起高度重视 。 东江河水的污染来源分为点源和面源 , 为保护 河水水质 ,应从这两个方面采取措施 , 控制 、 减弱东 江河水的污染 。香港饮用水与北部山区地下水有 密切关系 , 为保持香港饮用水的良好水质 , 应把该 流域北部山区地下水的保护列为重点 。 参考文献 1 刘昌明 ,何希吾 . 中国 21 世纪水问题方略 M . 北京 : 科学出版社 , 1996: 163 - 165 2 袁继森 . 东江流域水质污染与水环境保护对策研究 J . 惠

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