某灌区泉水碳酸氢根离子时空变化规律.docx

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某灌区泉水碳酸氢根离子时空变化规律

某灌区泉水碳酸氢根离子时空变化规律

某发展提水灌溉后，由往日的荒塬变为农业区，但由于过量灌溉和某特殊的生态环境，在开发区域系统资源，取得一定经济效益和社会效益的同时，地面塌陷加大了区域生态压力，引起了生态系统的失衡限制了农业生产水平的提高，而其中最严重的问题就是滑坡。

对于滑坡的研究从未间断过，但随着问题的深入，研究难度加大，近年来关于黑方台黄土滑坡的研究进展缓慢，然而滑坡问题却日益严重。

文章通过测试某灌区泉水中碳酸氢根离子的含量来探测黑方台滑坡的特征及其成因，为改善现有状况提出建设性意见和基础依据。

甘肃省永靖县盐锅峡境内的黑方台，是刘家峡和盐锅峡库区移民安置区。

自上世纪60年代末期人工提取黄河水进行大规模灌溉以来，造成台面大面积强烈湿陷，规模不一的滑坡接连不断，形成密集的滑坡群[文献]。

造成这一现状的原因，研究普遍认为大面积的灌溉引起某区地下水位抬升。

很多研究也都围绕着灌溉以及地下水等宏观方面展开，但往往忽视了湿陷过程中，黄土中阴离子的微量变化与滑坡之间的紧密关系。

由于典型黄土具有湿陷性，在灌溉引起的黄土湿陷最终导致滑坡过程中，往往会导致土壤内部结构的变化。

而黄土又富含碳酸钙，碳酸钙作为胶结物的主要成分之一，对黄土的稳定性有重要的作用。

在研究黄土滑坡时，如果能够探讨出滑坡过程中阴离子的行为，就有可能揭示由灌溉引起的黄土滑坡发生机理，为减少滑坡产生提供科学依据。

1.1研究背景

黑方台由黑台和方台两块组成，原本是连在一起的黄河第四级阶地，后被虎狼沟切割分开。

西侧为面积较小的方台，东侧是面积较大的黑台。

位于盐锅峡水库及流经水库黄河的北岸的黑方台10km的台缘地带分布有大小、新老滑坡40多个，滑坡区分两个大的滑坡区:

黑台区和方台区。

方台区可分为3个小区，方台西南面滑坡Ⅵ区有滑坡3处，编号1~3；方台东南面滑坡Ⅶ区有滑坡5处，编号4~8;方台东北面滑坡Ⅷ区有滑坡5处，编号9~13。

而黑台区又分为5个小区，虎狼沟东北方向滑坡Ⅰ区有滑坡3处，编号为14~16；黄河北岸滑坡Ⅱ区有滑坡7处，编号17~23；黄茨凸岸滑坡Ⅲ区有滑坡2处，编号为24～25；焦家河湾滑坡Ⅳ区有滑坡8处，编号为26～33；磨石沟滑坡Ⅴ区有滑坡11处，编号34~44。

滑坡分布如图1所示。

黑方台为典型的黄土塬，据野外调查及有关资料，黑方台地层由新到老可分为：

①上更新统黄土（Q3）：

灰黄色，成分以粉粒为主，土质均一、疏松多孔，厚25～50m；②中更新统冲积物（Q2）：

可分为2层，上部为厚4～17m的黏土层，下部为砂卵石层，约2～5m；③白垩系河口群（Khk）：

为紫红色～暗红色泥岩、砂质泥岩。

透水性差的黏土层构成了上更新统黄土的底部隔水层，从而造成灌溉条件下塬区地下水位的抬升。

黑方台滑坡是由灌溉引起的，正因为如此在一个小流域内，由于具有相同的滑坡结构，在同一外力作用下，会暴发一系列呈现群体分布的滑坡;滑坡剪出口的位置较高，是形成高速、远程滑坡的根本原因。

滑面后部由湿陷裂缝发展而来，中前部往往是黄土与红黏土层的接触面。

滑坡的发育与黄土湿陷、液化密切相关。

基于以上黑方台滑坡的特征，一系列的研究围绕其展开，并取得了一定的成果。

图1.1

1.2研究现状

对于黑方台地区滑坡的研究从未间断过，无论是从宏观方面还是微观方面都取得了一定的研究成果，也提出了具有建设性的建议。

但现阶段的研究并非十分全面也不完善。

整体来说，围绕黑方台展开的研究主要侧重在灌区以及地下水与滑坡之间的关系，从宏观方面解释了滑坡产生的机理与发育规律并就此提出防护措施。

另外对于碳酸氢根离子的研究局限在特定的领域，如石油业、制革业、生物业等等，很少与地质方面有所联系；但碳酸氢根离子的检测技术确一直不断地在发展，并取得十分不错的成果。

1.2.1灌区

某灌区滑坡因其危害严重，己经得到业界广泛的关注。

经过大量的研究，目前，人们广泛认可漫灌是诱发黑方台灌区地面塌陷的主要因素。

将黑方台塬面的土壤分为耕作层、犁底层、心土层、母质层4层。

实验表明漫灌除了导致缝隙渗漏水外还会在土壤犁底层产生大量重力水。

而在心土层部分缝隙渗漏水集中在局部。

实验还表明这种灌溉方式改变了土壤的质地和结构，阻碍入渗过程中水分子的运动方式，从而造成地表形成淹水，导致灌溉水流在土壤的一定深度内产生深层渗漏或缝隙渗漏。

漫灌导致的地面淹水在短期内形成发生地下潜蚀所需要的水流，最终发生了潜蚀，导致灌区地面塌陷。

灌溉还会在许多方面产生影响。

在灌溉作用下，黑方台台塬的黄土有充分的水分供应，这种情况下回促使原生矿物水解转化为粘粒，进而在土壤层一定深度中粘粒含量增高形成次生粘化层。

在灌溉条件下，土壤中粘粒具有分散转移的条件，硅酸盐粘粒分散于水，形成悬浮液，随渗漏水向下形成淀积粘化层，淀积粘化层会减少了自由水通过的孔隙，使土体变得致密结实，而土壤渗透性能减弱。

在某土壤中还有发生钙积作用，主要是碳酸盐在土壤中溶解、移动并淀积为钙积层。

而灌溉会使土壤渗透水的浸润深度加大，这样会把处于常年淀积处的易深解的盐分淋洗出去，而最难溶解的盐分（主要是碳酸钙）残留在原地，形成钙层或钙积层。

钙积作用会堵塞土壤中的毛细水孔隙，降低土壤的入渗性能，最终使土壤变得紧实。

另外在灌溉条件下黄土湿度会增加，由于石膏、碳酸钙等盐类耐水性弱，导致土壤中的胶结物质将溶解或分散，进而加固凝聚力将减小或消失，最终黄土抗剪强度降低，地面塌陷。

而在宏观方面，灌溉后，田面普遍会发生龟裂，其裂缝往往可触及到犁底层，如果犁底层较浅的，裂缝将直接穿过犁底层。

在二次灌溉时，水会通过裂缝进入心土层和母质层进而成为潜蚀水流，引发潜蚀，最终造成地面塌陷。

关于灌区灌溉与滑坡之间的研究不仅于此，得到的成果也十分喜人，但有很多方面可以继续深入研究。

1.2.2碳酸氢根离子

碳酸氢根离子不仅存在于水溶液中，在土壤以及血浆中也有分布。

水溶液中的碳酸盐主要指碳酸根、碳酸氢根、碳酸；通过测定它们在水溶液中的含量，有利于人们分析地层水的种类、硬度等指标，这是油田水质分析的重要部分。

对人们评估油田价值和开采油田有着重要的意义。

在制革方面碳酸氢根离子的检测也十分重要，由于制革用水的硬度对成品革质量的影响巨大。

所以时时检测制革水中碳酸氢根离子的含量，并及时根据监测结果对制革用水水质进行适当的调整，将有利于生产出更好的皮革。

土壤中可溶盐的含量会对植物的发芽和正常生长产生直接的影响，其中就碳酸钠和碳酸氢钠的危害最大。

过量的碳酸氢根离子不仅会影响植物中蛋白质的合成和呼吸作用，而且也会降低植物对营养成分的吸收，最终发生失绿现象。

因此，监测生活用水、河水、灌溉水等于植物生长密切相关的水样中的碳酸氢根离子的含量对研究植物的生长有重要意义。

另外，位于血浆中的血清碳酸氢根离子是重要的缓冲剂，也是体内是否酸碱失衡的重要标志；在临床方面还是诊断和治疗呼吸性中毒的重要标志。

由上可见碳酸氢根离子的检测具有重大的意义。

目前，碳酸氢根离子的检测方法也多种多样。

对于不同情况，有着不同的检测方法。

例如适合实验室操作的化学滴定法，该法虽然比较传统但技术十分成熟，运作起来简单快捷；以生产有色化合物的显色反应为基础的比色发，这种方法虽然操作简单、成本低、精度高，但对显色反应和反应条件要求较高；而色谱法集分析、分离于一体；优点十分多，不足的地方在于测试结果定性能力差，该法是现代化学分离分析领域的主流方法之一并且还在不断的发展中；还有双电极法等等适用于不同环境下的碳酸氢根离子检测方法。

对于碳酸氢根离子的检测方法还在不断地更新中。

1.3研究意义

滑坡在黄土地区非常常见，因其对交通、水利、农田等方面造成危害十分深远已经引起了十分广泛的注视。

滑坡产生的危害主要在耕地方面，一次滑坡就能使非常大面积的耕地遭到破坏。

根据不完全的统计，我国因滑坡毁坏的耕地至少达86km2，而大量耕地遭到破坏又进而阻碍受灾地区农业的生产和发展，对农民生活造成严重的影响;另一方面，滑坡对水利水电工程的危害也极为严重，特别是对水库而言，它不仅能加剧水库淤积，降低水库综合效益，缩短水库寿命，而且还很有可能造成电站的毁坏，甚至威胁大坝及其下游居民的安全;滑坡在交通运输方面也构成极大的危胁，小规模的滑坡有可能造成铁路路基上拱、下沉或平移，大型滑坡则会掩埋、摧毁路基或线路，以致破坏铁路桥梁、隧道等工程。

在陕西、甘肃等西北省区，由于黄土广泛分布，因此由黄土滑坡引起的危害极其严重，针对这种情况，国内众多学者都对黄土滑坡进行了研究，基于这种情况对黑方台滑坡群进行分析研究具有十分重要的意义。

（l）黑方台滑坡群位于我国黄土高原地区，而我国黄土具有厚度大，分布广的特点，因此其滑坡的类型十分典型。

通过对黑方台滑坡群的研究，联系理论与实际探讨其环境条件、形成条件、稳定性评价、空间预报以及防治措施等，将会促进滑坡学科的发展，具体有重大的理论价值。

（2）黄土滑坡作为黄土地区最为常见的表生地质灾害之一，其特点十分明显，对于其发生的准确时间通常很难预测，并且黄土滑坡在发生的时候速度很快、能量巨大、破坏力极强。

通过深入开展黄土滑坡的基本特征的研究，能够提高人们对黄土滑坡灾害的认识以及在防灾减灾等方面具有着重要的理论和现实意义。

研究结果不仅有益于改善自然环境，而且对保护人民生活和生产建设有重要作用，还能确保该区域的经济迅速发展。

（3）位于甘肃省永靖县盐锅峡境内的黑方台，其滑坡属于叠瓦式的黄土滑坡；滑坡发生时，一方面掩盖了有限的耕地资源;另一方面，当滑体冲入黄河时会引起的巨大涌浪淹没对岸的大片良田，并将大量泥沙冲入黄河，使黄河河床逐年升高，一旦突降暴雨，很容易引起水灾，给当地人民群众的生命和财产安全带来危害，使得该区的群众恐慌，民心不稳，影响了该区正常的生活秩序和社会秩序，有效的防治滑坡在安定民心方面有重要的意义。

（4）对于频繁发生黄土滑坡的黑方台地区，滑坡的稳定性分析、滑坡预测预报和防治具有非常重要的政治经济意义。

由于西部大开发思想的逐步深入，城乡建设、交通建设、水电设施建设得到了迅猛的发展。

而由于该区滑坡灾害日益剧增，严重影响了各种建设的顺利实施，会时时刻刻影响人们的生活，这将严重阻碍社会经济的正常发展，因此，应将滑坡预测预报和防治当成一种政策来抓，将它与经济建设、国家发展相联系，统筹安排，分步实施，充分发挥滑坡研究工作的指导意义。

2测试和样品

2.1取样

取样的工作在12月、1月、3月和4月分别开展，按照图1.1中提前踏勘好的点进行。

到达现场后，利用干净的矿泉水瓶取足量的浸出液用盖子封好并标号装袋。

2.2测试方法

根据土工试验方法标准中碳酸根和碳酸氢根离子的测定方法进行测试。

2.2.1仪器设备

1酸式滴定管:

容量25ml，最小分度值为0.05ml

2分析天平：

称量200g，最小分度值0.0001g

3其他设备:

移液管、锥形瓶

2.2.2试验试剂

1甲基橙指示剂（0.1%）:

称0.1g甲基橙溶于100ml纯水中

2酚酞指示剂（0.5%）:

称取0.5g酚酞溶于50ml乙醇中用纯水稀释至100ml

3硫酸标准溶液:

溶解3ml分析纯浓硫酸于适量纯水中，然后继续用纯水稀释至100ml

4硫酸标准溶液的标定:

称取预先在160~180℃烘干2~4h的无水碳酸钠3份，每份0.1g。

精确至0.0001g，放入3个锥形瓶中，各加入纯水20~30ml，再各加入甲基橙指示剂2滴，用配制好的硫酸标准溶液滴定至溶液由黄色变为橙色为终点，记录硫酸标准溶液用量，按下式计算硫酸标准溶液的准确浓度。

式中：

——硫酸标准溶液浓度（mol/L）

——硫酸标准溶液用量（ml）

——碳酸钠的用量（g）

——碳酸钠的摩尔质量（g/mol）

计算至0.0001mol/L。

3个平行滴定，平行误差不大于0.05ml，取算术平均值。

2.2.3实验步骤

用移液管吸取试样浸出液25ml，注入锥形瓶中，加酚酞指示剂2~3滴，摇匀，试液如不显红色，表示无碳酸根存在，如果试液显红色，即用硫酸标准溶液滴定至红色刚褪去为止，记下硫酸标准溶液用量，准确至0.05ml。

在加酚酞滴定后的试液中，再加甲基橙指示剂1~2滴，继续用硫酸标准溶液滴定至试液由黄色变为橙色为终点，记下硫酸标准溶液用量，准确至0.05ml。

2.3结果计算

按下式计算碳酸氢跟离子含量

——重碳酸根的质量摩尔浓度，mmol/kg

——重碳酸根的含量，g/kg

——甲基橙为指示剂滴定硫酸标准溶液的用量ml

——酚酞为指示剂滴定硫酸标准溶液的用量ml

——硫酸标准溶液的浓度，mol/L

——制浸出液加纯水量，ml

——试验时吸取土浸出液量，ml

——烘干土质量，g

0.061——重碳酸根的摩尔质量，g/mol

2——1mol/L硫酸可与2mol重碳酸根反应

3结果和分析

根据实验过程，将得到的数据进行汇总，并按需要做成图表进行分析。

3.1结果

将得到的碳酸氢根离子含量与对应的泉号绘制成图3.1。

根据分区的情况，按分区中的平均碳酸氢根离子含量与对应的区域绘制碳酸氢根离子空间分布图3.2。

将24号、32号、37号泉当独提取出来，绘制碳酸氢根离子时间分布图3.3。

图3.1

图3.2

图3.3

3.2分析

根据图3.1中，碳酸氢根离子空间分布图，明显可见大部分泉号的碳酸氢根离子含量都分布在100~150mg/L，只有Q8、Q11不足100mg/L。

其中Q12、Q14、Q24、Q27、Q32的碳酸氢根离子含量明显高于其他泉号。

按照分区绘制的碳酸氢根离子空间分布图3.2中，总体上碳酸氢根离子含量都位于100~150mg/L，相对而言Ⅶ区和Ⅷ区的平均值会比其他区低些，这两个区域滑坡的情况较其他区也较轻。

其中Ⅳ区的碳酸氢根含量最高，根据图1也可以明显看出该区黄土滑坡的情况最为严重、面积也最大。

而以基岩滑坡为主的Ⅱ区和Ⅲ区，明显比磨石沟滑坡Ⅴ区碳酸氢根离子含量高，图1.1中Ⅱ区和Ⅲ区的滑坡面积也比磨石沟滑坡Ⅴ区大，情况也较严重。

根据当独提取出来24号、32号、37号泉，绘制的碳酸氢根离子时间分布图3.3。

可以看出Q24、Q37中的碳酸氢根离子含量大体是随着时间呈增长的趋势，这与黑方台滑坡一直不断十分相切。

而Q32除了1月份的碳酸氢根离子含量急剧下降，其他月份都在150mg/L左右，这与32号泉位于滑坡最为严重的Ⅳ区情况贴切。

而根据这张图可以推测黑方台地区碳酸氢根离子的含量总体上将会呈现上升的趋势，未来通过碳酸氢根离子的时时检测，将对未来滑坡的预测有所帮助。

4结论

经过一系列的实验以及结果分析，可以发现试样中的碳酸氢根离子与某灌区滑坡有紧密的联系。

对于滑坡发生频率较高发布较广的地区，试样中的碳酸氢根离子含量明显较高；并且随着时间增长，碳酸氢根离子的浓度也呈稳定上升的趋势。

根据这一结果，提醒我们要时时做好黑方台地区碳酸氢根离子浓度的检测，为预告滑坡的发生以及居民的安置提前做好准备工作。

对于黑方台地区滑坡的研究工作还在继续，仍有许多问题等待解决。