【毕业学位论文】（Word原稿）锡林河流域水体痕量元素研究-水资源保护与利用

分类号： 密级：公开 研 究 生 学 位 论 文 论文题目（中文） 锡林河流域水体痕量元素研究 论文题目（外文） on in in 究 生 姓 名 薛丽洋 学 科 、 专 业 环境科学与工程 环境工程 研究方向 水资源保护与利用 学位级别 硕 士 导师姓名、职称 张明 泉 教 授 吴锦奎 副 研究员 论文工作 起止年月 2011 年 5 月至 2013 年 5 月 论 文 提 交 日 期 2013 年 5 月 论 文 答 辩 日 期 2013 年 5 月 学 位 授 予 日 期 2013 年 6 月 校址：甘肃省兰州市 原 创 性 声 明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的 纸质版 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇 编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 本学位论文研究内容： 可以公开 不宜公开，已在学位办公室办理保密申请，解密后适用本授权书。 （请在以上选项内选择其中一项打 ） 论文作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： I 锡林河流域水体痕量元素研究 中文 摘要 天然水的化学成分是水在循环过程中与周围环境长期相互作用的结果 ， 因此天然水化学组成从一定程度上记录着水体形成 和 运移的历史 。水体中的 痕量 元素组成在很大程度上表征着水体环境质量状况、区域环境化学特征、水体元素分布及迁移转化的规律，对其特征的研究对于正确理解流域内地表水与大气降水和地下水的补给关系、河水的离子组成和来源具有重要意义。 锡林郭勒草原是世界范围内温带草原最有代表性的地区。 近年来，区域 生态环境已出现明显退化 并引起学术界和政府的广泛关注。干旱半干旱地区生态环境的退化和水资源的过度开发利用直接相关。 锡林 河流域 水文方面的研究很少 ，这给区域生态环境的恢复治理带来了一定困难。 本文是在 20062008 年连续 3 年对锡林河流域开展野外考察 和取样（ 24 个取样点， 416 个样品） ，取得第一 手水化学 数据资料的基础上， 利 用相关分析手段 如主成分分析法和聚类分析等 ，较全面 地 分析了锡林河流域痕量元素的时空分布特征，并尝试对其形成原因做了一定的解释 ，阐述了锡林河流域水体之间的转化关系 。主要研究结果和初步结论如下： (1)锡林河 河水 痕量元素平均浓度大部分在 0g 间，与松花江干流、长江干流和海水进行对比，映射出河水 中痕量元素的组成与地理位置密切相关。同时， 结合区域地下水和大气降水痕量元素平均浓度， 表明地表水同时受大气降水和地下水补给并主要依靠地下水补给。 (2)锡林河流域痕量元素年内、年际变化较稳定。地表水和地下水大部分元素变化趋势相似，年内浓度变化 表现为 5 月浓度较大， 8 月较小，主要原因是痕量元素在冬季 积雪中 富集，随着径流量增大，元素浓度被稀释。部分元素 浓度变化 有所不同，可能受到吸附作用或其他补给源的影响。年际间大部分元素在 2007年间浓度略小，主要是由于 07 年全年干旱，降水少，降水淋滤作用减小 ； 同时由于 流域 地表水主 要受地下水补给 ， 在 干旱年中 地表水和浅层地下水 补给 主要来源 于 深层地下水 ， 而 深层地下水 痕量元素 浓度明显低于 浅层 地下水，因此，地表水和地下水在 07 年同时表现出浓度降低。 (3)地表水痕量元素和常量元素浓度从上游到下游 大部分 呈上升趋势， 与地下水补给和 蒸发 作用 有关。各元素均在 8 处有不同程度的增加， 由于 地下水 的 侧向径流补给 及 人类活动的影响有关。 地下水从上游至下游方向，各元素均 现峰值， 可能与南岸不同岩性构造发生的水岩作用和人类生活有密切关系 ；垂直于锡林河方向由南向北 ， 元素浓度在 浓度变化明显 ，这是由于 此处受到的基岩裂隙水的补给； 深层地下水，大部分元素浓度较其他点位均低。 (4)使用主成分分析法对元素的相关性和主成分的分类，对元素的变化规律有了初步的判断，从而印证第四章各元素时间分布的结果，结果表明 大部分 元素相关，其中 B、 间高度相关，其变化趋势也相似。 主成分分析结果发现，元素变化主要受到岩石溶滤作用、土壤淋滤作用、周围采矿、 人为作用以及 大气降水作用的影响。 (5)通过聚类分析， 将 24 个点位分成为聚合区与发散区。 12，以及 5、 先聚合，视为同一补给源，基本上受 岩石风化作用和蒸发结晶作用的共同影响 ，外界的影响较小。与降水发生二次聚合，说明降水还受到远处其他水汽的补给。与 生第三次聚合，表明此处受外界影响较大。与 散，由于 到山区基岩裂隙水的补给， 能受到更远处水源的补给，此结果与第四章个元素空间分布结果一致。 关键词： 锡林河 ， 痕量元素 ， 时空 变化 ， 水文化学 ，补给特征 on in in he of of As a of to a of To a of in of of of on of or in a in ol is In of As we of of is to of of on it a of is on by 24 471 006 008 It of to be a of of in as (1)of of is in 0gis to In to of in it on at (2)is of of of is of of is is ay in in is of of a of is be by or 007, to At in of is is of in is a 007. (3)of of of is on to is to To in 7S8 of of to at 4 to is to on at to to at 9, is of In 5 8 (4)CA of we of to of s at B、 Li As a of is by (5)24 by 13, G5 8 as is by a is by of 4, G7 13, is 9 10, 9, 10, is of s at 录 中文摘要 . I . 一章 绪论 . 1 题依据及意义 . 1 题背景 . 1 究意义 . 3 内外研究现状及发展趋势 . 3 外研究现状 . 3 内研究现状 . 5 域研究现状及存在问题 . 6 究内容与技术路线 . 7 究内容 . 7 术路线 . 7 第二章 锡林河流域概况 . 9 然环境概况 . 9 域位置 . 9 候特征 . 9 形地貌 . 10 壤特征 . 11 被特征 . 11 文、地质概况 . 12 质 . 12 文 . 13 然经济概况 . 14 第三章 数据来源和研究方法 . 15 据来源 . 15 样点布置 . 15 样方法 . 16 品的分析测试 . 17 究方法 . 18 布类型判断方法 . 18 数的计算 . 18 成分分析法 . 19 类分析 . 20 第四章 锡林河流域水体痕量 元素的浓度分析 . 22 量元素浓度特征分析 . 22 表水中的痕量元素浓度特征 . 22 下水中痕量 元素浓度特征 . 23 林河不同水体中痕量元素浓度对比分析 . 25 量元素时空分布特征 . 27 表 水痕量元素的时空分布 . 27 下水痕量元素的时空分布 . 30 量元素浓度分布特征 . 34 表水常 量元素浓度分布特征 . 35 下水常量元素浓度分布特征 . 37 章小结 . 38 第五章 锡林河流域痕量元素水化学 成因分析 . 41 量元素与常量元素相关性分析 . 41 林河流域主成分分析 . 44 林河流域聚类分析 . 47 章小结 . 48 第六章 结论 . 49 要结论 . 49 新点 . 50 在问题与研究展望 . 50 参考文献 . 51 在学期间的研究成果 . 57 致谢 . 58 图件目录 表 1元素分类及含量界限 . 1 图 1技术路线图 . 8 图 2锡林河流域示意图 . 9 图 2锡林河流域年内降水分布 . 10 图 2锡林河流域径流的年内分布 . 13 图 3采样点分布图 . 15 表 3采样点描述一览表 . 16 表 3降雨量及径流量统计表 . 17 表 3水环境背景值数据概率分布类型检验方法 . 19 表 4锡林河地表水中痕量元素含量特征表 . 22 表 4锡林河流域地下水中痕量元素含量特征表 . 24 表 4锡林河流域与其他水环境痕量元素含量对照表 . 26 表 4锡林河地表水中痕量元素浓度特征与其他水环境痕量元素含量对照 . 27 图 4锡林河地表水痕量元素浓度的时间变化 . 28 图 4锡林河水痕量元素浓度的空间变化 . 30 图 4锡林河流域地下水痕量元素浓度时间变化分布图 . 31 图 4锡林河地下水痕量元素浓度的空间变化 . 33 表 4锡林河常规水化学离子浓度及水化学类型统计表 . 34 图 4锡林河河水主 离子浓度空间变化特征 . 35 图 4地表水 势图 . 36 图 4锡林河地下水主离子浓度空间变化特征 . 37 图 4地下水 势图 . 38 表 5锡林河流域各元素相关系数矩阵 . 42 表 5各元素显著性关系统计表 . 43 表 5各主成分解释方差及所占比例 . 45 表 5各主成分与化学成分和指标的权数 . 45 图 5锡林河流域各点位相关性树状图 . 47 兰州大学硕士研究生学位论文 锡林河流域水体痕量元素的研究 1 第一章 绪论 题依据及意义 题背景 痕量元素通常指在给定系统中含量很低的那些元素 1。在岩石、土壤 、 水体等任何自然体中至少含有两类化学元素，一类是在自然体中含量较大的元素，通常称为常量元素，另一类为含量较小的元素，称为微（痕）量元素 2，两者浓度相差很大，通常相差 23 个数量级 。 在 分析化学 中，痕量元素指的是“某一 元素 在 样本 中需测量到 原子 规模 的 浓度 小于 100是“这个 元素 在每 克 的 样本 中含量少于 100 微克 (g，1g=110 。 在常见的地球化学文献中 3，人们常将地壳中除氧（ O）、氢（ H）、硅（ 铝（ 铁（ 钙（ 镁（ 钠（ 钾（ K）、铊 （ 10 种元素（它们的总重量丰度共占 99左右）以外的其他元素统称微量元素或痕量元素、杂质元素、副元素、稀有元素、次要元素等。 它们在岩石或矿物中的含量一般在 1或 下，含量单位常以 微克 (g， 1g=110 纳克 (110示。 1974 年， O将含量等于或小于 1000g 的任何一种元素称为痕量元素。 水文学或水文地质学中，一般将除常 量 元素，即 氧（ O）、氢（ H）、硫（ S）、氯（ 钙（ 镁（ 钠（ 钾（ K） 外的其它 元素，根据浓度的不同，称为 微量元素 或痕量元素 2。 具体分类如表 1示。 痕量元素为含量等于或小于 100g 的元素。 痕量元素的测定目前一般使用高分辨 电感耦合等离子体质谱仪 (可直接检出 的 痕量元素 一般为 20 种 左右 (B、U、 V、 右 。 这其 中在一般水体中， 浓度一般大于 100g ，但在讨论中还是将其归为痕量元素。 表 1元素分类及含量界限 4 元素 含量界限（ %） 界限（ 常量元素 1100 104106 微量元素 10010000 痕量元素 1100 超痕量元素 液中的有机碳可溶解各种形态的 素，从而与各元素发生络合；同时在 34的研究中发现尼永流域在潮湿环境下风化作用过程和离子的化学迁移与强降水和高温关系不兰州大学硕士研究生学位论文 锡林河流域水体痕量元素的研究 5 大，主要受到常规和痕量元素以及硅 的同位素的作用影响。其次，水位的涨落对水体痕量元素的影响很大， 35对阿根廷的桑博龙邦湾水体痕量元素的比对发现高、低水位时期，金属痕量元素的浓度会发生变化，主要影响因素是高水位时期局部的生物作用。 36研究特伦托河痕量元素发现，痕量元素可在水体中形成凝聚物，这些凝聚物不是简单地凝聚成悬浮物，而是伴随着很多化学变化形成复杂的化合物，并通过潮汐自上游向下游移动、沉积，最终形成岩石或胶体。此外， 7通过对痕量元素浓度的季节性分析发现大多数离子的浓度在夏 季都略高于冬季，是由于在缓流季节水 子容易溶解于水中；但 在冬季较高的原因是 紊流 流的河水中容易形成的氢氧化物胶体悬浮于水中，经过 径的过滤器，将很多的悬浮颗粒过滤，使之含量较低。最后，尽管大部分水中的痕量元素都是来自于自然界，但也要重视直接和间接人为因素的影响 3843。 随着痕量元素的逐渐深入，伴随而生了多种水化学统计学方法 44。 45利用多种统计学分析方法，对深圳近海地下水进行研究 ， 发现主成分分析法印证了水体的氧化性可以抑制水体中痕量元素的氧化 还原反应， Q 模型因子分析法说明地下水中痕量元素很大程度取决于土壤的类型和含水量，聚类分析法则验证了冬季和夏季各地下水采样点的相关性不发生变化。 内研究现状 在我国，由于痕量元素与人体的生命健康有很大的关系，因此在生物医药方面取得了较多的研究成果，王明远 46将地壳、土壤、植物、活质、海水、人体的化学元素平均丰度取自然对数值后，在普通方格纸上作图，发现地壳与土壤、地壳与活质、土壤与植物，海水与人、地壳与人的元素丰度呈线性正相关关系，表明活质、植物和人的元素平均丰度的增减变化趋势与地壳、土壤、海 水的元素平均丰度的增减变化趋势基本上是一致的。 水文领域的研究 非常少 ， 刘志光等 47定义 “ 痕量 ” 元素，主要是指元素周期表上的副族元素 ， 即 过渡 元素 ， 这样，既可包括对环境影响的金属，又避免把铝这种金属称为 “ 痕量金属 ” 。实际上元素周期表上的过 渡 元素，除了钛、钒、铬、溴、镉等二十种金属外 ， 还包括锕系和镧系约六十余种元素。成春奇 48通过矿区地下水系统的新生界松散层类孔隙含水层、煤系下伏岩溶含水层微量元素进行了比较，建立了微量元素组分参与的水化学判别模式。矿区微量元素进行系