塔拉河流域水文地球化学特征与水质评估

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Hydrogeochemical characteristics and water quality assessment of the Tara River Basin, Montenegro

　　

研究区域：黑山塔拉河流域是一个联合国教科文组织保护的山区岩溶系统，具有很高的生态和社会经济价值，日益受到旅游业、灌溉发展、基础设施扩张和潜在采矿活动的影响。研究焦点：本研究基于多年监测数据集（2018–2023），首次对流域进行了综合水文地球化学评估。研究人员应用了水化学指标、源岩推断技术、层次聚类分析（HCA）和主成分分析（PCA），以识别主要水文地球化学过程，评估生态状况，并评价灌溉适宜性。区域新水文见解：水化学主要受碳酸盐溶解控制，产生Ca–HCO₃和Ca–Mg–HCO₃水类型，硅酸盐风化具有次要影响。Ca²⁺/Mg²⁺比值（>2）表明方解石占主导，而较低值出现在低流量条件下。HCA识别出两个主要组，反映了水文情势以及岩性和人为输入的不同贡献。PCA（71.9%）揭示了四个主要过程：方解石溶解；硅酸盐风化、海洋气溶胶和人为输入的综合效应；与粪便污染相关的地下水贡献；以及硝酸盐相关的氧化还原过程。总体而言，水质良好，大多数参数指示良好的生态状况；然而，一次孤立的汞超标需要验证。灌溉适宜性仍有利（C1–C2，S1），突显了流域的农业潜力以及在敏感山区岩溶环境中持续长期监测的重要性。

**论文解读：黑山塔拉河流域水文地球化学特征与水质评估**

**研究背景与问题**

黑山塔拉河流域（Tara River Basin）是一个联合国教科文组织（UNESCO）保护的山区岩溶（karst）系统，具有极高的生态和社会经济价值。该流域因旅游业发展、灌溉工程扩建、基础设施（如高速公路）建设以及潜在的采矿活动而面临日益增加的压力。然而，此前对塔拉河流域的水文地球化学研究较为有限，缺乏对整个流域综合性的评估，尤其是对控制水化学的主要自然过程与人为影响的相对贡献、水质时空变异以及灌溉适宜性的系统认识。因此，开展这项研究旨在填补这一知识空白，为流域水资源可持续管理提供科学依据。

**研究内容与结论**

研究人员基于2018–2023年期间的多年度监测数据集，首次对塔拉河流域进行了集成水文地球化学评估。应用水化学指标、源岩推断技术（source-rock deduction）、层次聚类分析（HCA）和主成分分析（PCA），识别了主导的水文地球化学过程，评估了生态状况和灌溉适宜性。研究结论表明，水化学主要受碳酸盐溶解控制，形成Ca–HCO₃和Ca–Mg–HCO₃水类型，硅酸盐风化起次要作用。HCA将样本分为两组，反映了水文情势及岩性和人为输入的影响；PCA提取了四个主成分，解释了71.9%的总方差，分别对应方解石溶解、硅酸盐风化与人为输入、地下水贡献与粪便污染、以及硝酸盐相关的氧化还原过程。总体水质良好，但局部有机负荷和一次汞超标需关注；灌溉适宜性为C1–C2和S1级，表明无显著盐碱化风险。该研究为敏感山区岩溶环境的水资源管理提供了重要基线，论文发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

**主要技术方法**

研究样本来自黑山水文气象与地震研究所（Institute of Hydrometeorology and Seismology of Montenegro）的监测项目，共9个采样点，包括塔拉河干流5个站点（Trebaljevo、Mojkovac下游、Crna Poda下游、?ur?evi?a Tara–Splavi?te、??epan Polje）、一条支流（Veru?a河）、一个泉水（Gojakovi?a Vrela）以及两个钻孔（Mate?evo和Ravnjak）。共采集85个水样，经电荷平衡误差（CBE%）检验后剔除21个不可靠样本，保留64个用于后续分析。分析参数包括主要离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、HCO₃^?、SO₄^2?、Cl^?）及物理化学指标（pH、电导率EC、总溶解固体TDS、溶解氧DO、生化需氧量BOD₅、化学需氧量COD-Mn、总有机碳TOC、营养盐等）。采用源岩推断技术（Hounslow, 1995）辅助解释水化学成因；对11个参数进行Box-Cox变换和标准化后，应用Q型HCA（Ward法，平方欧氏距离）和PCA（KMO=0.6，Bartlett检验显著，Horn平行分析确认保留4个主成分）。灌溉适宜性基于电导率（EC）、钠吸附比（SAR）和镁危害（MH）评估，参考USSL和FAO标准。

**研究结果**

**4.1 一般水文地球化学**
通过Piper图和水化学分析，识别出塔拉河流域的水类型主要为Ca–HCO₃和Ca–Mg–HCO₃，反映碳酸盐（方解石和白云石）溶解的主导作用。Ca²⁺/Mg²⁺摩尔比>2指示方解石占优，低流量条件下该比值降低，表明地下水（来自岩溶表层带）贡献增加，释放更多Mg²⁺。相关分析证实Ca²⁺与HCO₃^?强正相关（r=0.760），Na⁺与K⁺的相关性（r=0.336）指示硅酸盐矿物（如钠长石、钾长石）的风化作用，Na⁺与Cl^?的相关性（r=0.467）可能反映海洋气溶胶输入，而Cl^?与NO₃^?的弱相关（r=0.273）指向人为源（化粪池、化肥）。

**4.2 源岩推断**
应用源岩推断技术（Hounslow, 1995）确认了水化学的成因。所有样品的Na⁺/(Na⁺+Cl^?)>0.5，表明钠来自钠长石风化和离子交换，而非岩盐溶解；Ca²⁺/(Ca²⁺+SO₄^2?)>0.5指示钙主要来自碳酸盐和硅酸盐，石膏贡献可忽略；HCO₃^?/总阴离子>0.8以及TDS<500 mg/L支持硅酸盐和碳酸盐风化的主导作用。

**4.3 层次聚类分析**
Q型HCA（阈值欧氏距离15）将64个样本分为两个主组（I和II），组I进一步分为两个亚组（1和2）。MANOVA检验显示组间差异显著（Pillai's Trace, p<0.001）。组I样本具有较高的Ca²⁺、HCO₃^?、EC等，主要位于塔拉河干流，受碳酸盐溶解和人为输入影响；亚组1包含更多来自Trebaljevo和Mojkovac下游的样本，表现出较高的Na⁺、K⁺、NO₃^?、NH₄⁺等，反映硅酸盐风化和局部人为活动（废水、农业）的综合影响；亚组2以??epan Polje和Veru?a河样本为主，水质较好，EC较高，主要受碳酸盐溶解控制。组II包含Gojakovi?a Vrela泉水，矿化度最低，受人为影响最小。水位与EC的负相关（r=–0.683）表明水文情势（地下水贡献）是分组的关键因素。

**4.4 主成分分析**
PCA提取了4个主成分，累计解释71.9%的方差。主成分1（29.56%）具有高载荷的HCO₃^?、Ca²⁺和EC，解释为方解石溶解过程。主成分2（17.13%）具有高载荷的K⁺、SO₄^2?、Cl^?和Na⁺，反映硅酸盐风化、海洋气溶胶和人为输入（农业、废水）的综合效应。主成分3（14.23%）以Mg²⁺和NH₄⁺高载荷为特征，指示低流量时地下水贡献增加（白云石溶解）和局部粪便污染（稀释能力降低）。主成分4（10.98%）具有pH高正载荷和NO₃^?负载荷，可能与硝酸盐消耗相关的氧化还原过程（如反硝化）有关。

**4.5 水质评估**
根据黑山政府法规（2019a），大部分理化参数（如DO、BOD₅、TOC、NH₄⁺、NO₂^?、PO₄^3?、重金属）处于高生态状况或良好状况。主要偏差出现在BOD₅、TOC、NH₄⁺、NO₂^?和PO₄^3?，尤其在Kola?in（Trebaljevo）和Mojkovac下游，反映市政废水和农业活动的影响。锌（Zn）浓度普遍处于良好状况（4.2–173 μg/L），可能与地质背景和前采矿活动有关。在??epan Polje检测到一次汞（Hg）超标（1.3 μg/L，限值0.07 μg/L），需进一步验证是否为局部或偶发事件。总体而言，水质自上游向下游逐渐恶化，但地下水（Gojakovi?a Vrela）质量最佳。

**4.6 灌溉适宜性**
基于USSL分类，所有水样属于低盐度（C1）或中盐度（C2）等级，钠吸附比（SAR）均为S1（低钠），镁危害（MH）均低于50 meq/L，符合FAO灌溉水质指南（EC<700 μS/cm）。因此，塔拉河流域的地表水和地下水适合灌溉，无盐碱化或钠害风险，尤其适合种植马铃薯、玉米、小麦等耐盐作物。

**讨论与结论**

讨论部分强调了水化学主要由自然过程（碳酸盐溶解、硅酸盐风化）控制，人为影响（废水、农业）仅在局部地区（如Kola?in）显著，且总体上强度较低。季节性水文变化（基流与洪水）显著影响矿化度和水化学类型。研究结论指出，塔拉河流域水质总体良好，灌溉适宜性优越，但需关注未来采矿、基础设施和气候变化带来的潜在压力，建议加强监测，特别是对汞和优先污染物的跟踪，以及改善污水处理系统。

**翻译研究结论部分**
塔拉河流域是黑山环境和社会经济最敏感的水系统之一，因其独特的生态价值、联合国教科文组织保护地位、水电潜力、旅游业增长、规划中的灌溉发展以及对采矿活动的重新关注。在此背景下，理解地表水和地下水的来源、水文地球化学过程及水质对于平衡资源保护与可持续经济发展至关重要。本研究基于多年监测数据集，结合水化学特征描述、多变量统计分析、生态状况评估和灌溉适宜性评价，首次对塔拉河流域进行了综合水文地球化学评估。结果表明，水化学组成主要受自然过程控制，特别是碳酸盐溶解，导致Ca–HCO₃和Ca–Mg–HCO₃水类型占主导。流量季节性波动强烈影响矿化模式，反映低流量条件下地下水贡献增加，而硅酸盐风化在由角斑岩和石英角斑岩组成的区域发挥局部次要作用。多变量统计分析证实了碳酸盐风化和地下水贡献对水化学的主导作用，同时揭示了局部且强度较低的人为影响，与有机负荷、营养盐富集和痕量金属出现相关。尽管大多数理化参数指示水质良好，但若干有机负荷、营养盐和锌浓度指标对应良好生态状况。??epan Polje的一次孤立汞超标需要定向验证和加强下游监测，特别是考虑到上游压力的累积影响和流域内历史的多金属矿化。水化学特征表明灌溉条件良好，所有样本属于盐度C1或C2类和钠吸附S1类，镁危害未超推荐阈值。根据FAO灌溉水质指南，低盐度水平进一步证实了地表水和地下水资源对可持续农业利用的适宜性。尽管当前发现表明水质总体保持良好，但未来与采矿活动、废水排放、基础设施发展和气候驱动的水文变异性相关的压力可能增加流域敏感部分的环境脆弱性。因此，未来管理应优先加强集成断面的监测，特别是在水文极端事件期间，定期控制采矿相关污染物和优先物质，改善市政污水系统和面源污染控制，并在基础设施开发中实施保护措施。本研究的解释受限于常规监测计划的较低采样频率和缺乏额外示踪剂以更好地解析地下水–地表水相互作用和污染物路径。因此，未来研究应包括更高频率的季节性采样、扩大对痕量金属和新兴污染物的监测，以及应用同位素和基于过程的方法来增进对敏感山区盆地水文地球化学动态的理解。