冰川冻土, 2021, 43(2): 568-579 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0034

冰冻圈水文与水资源

疏勒河源区水化学特征及其控制因素分析

杨琴,1,2, 韩添丁,1, 李向应3,4, 秦甲1,5, 成鹏6, 蒲红铮7

1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室,甘肃 兰州 730000

2.中国科学院大学,北京 100049

3.西北大学 陕西省地表系统与环境承载力重点实验室,陕西 西安 710127

4.西北大学 城市与环境学院,陕西 西安 710127

5.中国科学院 西北生态环境资源研究院 内陆河流域生态水文重点实验室,甘肃 兰州 730000

6.乌鲁木齐市 气象局,新疆 乌鲁木齐 830002

7.重庆理工大学 管理学院,重庆 400054

Hydrochemical characteristics and controlling factors in the source region of Shule River

YANG Qin,1,2, HAN Tianding,1, LI Xiangying3,4, QIN Jia1,5, CHENG Peng6, PU Hongzheng7

1.State Key Laboratory of Cryospheric Science,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

3.Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity,Northwest University,Xi’an 710127,China

4.College of Urban and Environmental Sciences,Northwest University,Xi’an 710127,China

5.Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basin,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

6.Urumqi Meteorological Bureau,Urumqi 830002,China

7.School of Management,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China

通讯作者: 韩添丁,研究员,主要从事寒区水文与环境研究. E-mail: tdhan@lzb.ac.cn

编委: 周成林

收稿日期: 2020-06-05   修回日期: 2020-08-26  

基金资助: 国家重点研发计划政府间国际创新合作专项.  2018YFE010010002
科技部科技基础资源调查专项.  2018FY100502
国家自然科学基金项目.  41771040.  41877156.  41671053
中国科学院战略性先导科技专项.  XDA19070501
甘肃省科技计划项目.  20JR5RA545
冰冻圈科学国家重点实验室开放基金项目.  SKLCS-OP-2020-12
重庆理工大学科研启动基金项目资助

Received: 2020-06-05   Revised: 2020-08-26  

作者简介 About authors

杨琴,硕士研究生,主要从事寒区水文与环境研究.E-mail:yangqin@lzb.ac.cn , E-mail:yangqin@lzb.ac.cn

摘要

以疏勒河源区为研究区,自2018年12月至2019年11月分别采集河水、泉水和雪样样品44个、4个和7个,综合运用Piper三线图、Gibbs图、离子比值法定性分析不同水体水化学特征及控制因素,利用质量平衡法(正向地球化学模型)量化不同来源对不同季节河水水化学成分的贡献率。结果表明:疏勒河源区不同水体水化学特征存在差异,TDS含量为泉水>河水>冰川融水>雪水,河水水化学类型冬季为HCO3--Mg2+⋅Ca2+型,春季为HCO3--Ca2+⋅Mg2+⋅Na+型,夏、秋季均为HCO3--Ca2+⋅Mg2+型,泉水和雪水分别为HCO3--Ca2+⋅Mg2+型、HCO3--Ca2+型;受多种因素共同影响,不同季节河水主离子时空变化均存在差异;河水和泉水水化学组成受岩石风化作用控制,主离子来源于以白云石为主的碳酸盐岩风化、硅酸盐岩风化和盐岩、石膏、硫酸盐矿物等蒸发岩溶解;正向地球化学模型计算结果表明冬春季河水阳离子主要来源于硅酸盐岩风化溶解,夏秋季碳酸盐岩对河水阳离子贡献率大于硅酸盐岩,总体河水阳离子主要来源于碳酸盐岩和硅酸盐岩风化。

关键词: 疏勒河源区 ; 水化学 ; 控制因素 ; 贡献率

Abstract

The source region of Shule River basin was selected as the study area, and the samples of river water, spring water and snow were collected between December in 2018 to November in 2019. Hydrochemical characteristics and controlling factors of different waters were analyzed qualitatively by Gibbs figure, Piper Triangular diagram and the ratio of ions. The contribution of rain (atmospheric), evaporite, carbonate, and silicate weathering in different seasons was quantified by mass budget equations of cations (the forward model). The results showed that the concentration of the total dissolved solids (TDS) was ordered by spring water>river water>glacier meltwater>snow water. Hydrochemical types of river water were HCO3--Mg2+⋅Ca2+ in winter, HCO3--Ca2+⋅Mg2+⋅Na+ in spring and HCO3--Ca2+⋅Mg2+ in summer and autumn. Hydrochemical types of spring water and snow water were HCO3--Ca2+ and HCO3--Ca2+⋅Mg2+, respectively. Due to the influence of many factors, the temporal and spatial variations of major ions in river water were different. Hydrochemical composition of river water and spring water was controlled by rock weathering, snow water was controlled by rock weathering and precipitation. The major ions of river water and spring water were derived from carbonate weathering which dominated by dolomite, silicate weathering and evaporite dissolution of halite, gypsum and sulfate minerals. The contribution of cations from atmospheric and rock weathering was different in different seasons. On the whole, the cations in river water were mainly derived from silicate weathering in winter and spring, the contribution ratio were 36.21% and 35.54%, respectively. The contribution ratio was ordered by carbonate>silicate>rain>evaporite in summer and carbonate>silicate>evaporite>rain in autumn. In general, the cations of river water mainly come from carbonate and silicate weathering.

Keywords: source region of Shule River ; hydrochemistry ; controlling factors ; contribution ratio

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本文引用格式

杨琴, 韩添丁, 李向应, 秦甲, 成鹏, 蒲红铮. 疏勒河源区水化学特征及其控制因素分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 568-579 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0034

YANG Qin, HAN Tianding, LI Xiangying, QIN Jia, CHENG Peng, PU Hongzheng. Hydrochemical characteristics and controlling factors in the source region of Shule River[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(2): 568-579 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0034

0 引言

河流是全球水循环重要组成部分,在元素地球化学循环中起着重要作用,不仅连接海陆间能量交换,且水化学特征能反映流域岩石风化过程及CO2消耗等信息1。自然界地表水体水化学组成受岩性、气候、地形、土壤、植被和人类活动共同影响2,岩石类型对水化学特征起决定作用3。由于地理环境制约,高寒山区受人类活动影响较小,水体化学物质含量能代表未受人类活动影响的水化学本底值4,可反映自然状况下水文地球化学特征。

气候变暖影响高寒山区径流水文过程,冰川退缩与多年冻土退化影响径流补给5-6,改变径流水化学组成。由于冰川运动及冰川融水高速冲刷等影响,冰川作用区物理化学风化速率远高于大陆平均水平,对冰川周围环境及生物地球化学循环具有重要影响7,亦改变冰雪融水补给型河流水化学特征。通过对乌鲁木齐河源8、克里雅河9河流水化学特征的研究表明,河水主离子浓度受流量影响,存在明显年内变化且与径流量呈相反趋势。补给特征亦影响河水水化学组成,研究表明,黑河上游化学物质含量季节变化主要受降水影响10,乌鲁木齐河上游丰水期河流水化学特征受降水、冰川融水和地下水共同影响11。通过定性分析发现新疆吉木乃诸河河水主离子来源于碳酸盐风化和含硫矿物的氧化12,额尔齐斯河源各离子变化影响因素不同13,乌鲁木齐河源区主离子来源于碳酸盐、黄铁矿和长石类矿物风化14,黑河流域河水水化学受方解石和石膏风化溶解影响15。定量分析表明雅鲁藏布江流域枯水期主离子主要来源于碳酸盐风化,阳离子贡献率达46.3%16,碳酸盐风化对湄公河阳离子贡献率达35.7%~72.3%17,而内陆河塔里木河流域则存在差异,以蒸发岩溶解为主,占阳离子总量的58.3%18。此外,相对于外流河,西北内陆河水化学特征具有较高的TDS19

目前疏勒河流域研究包括径流变化及气候因素影响20-23、径流模拟预测24、多年冻土分布及影响因素25-26、基流变化27等方面。虽对流域及上游水体水化学组成及控制因素进行相应研究28-29,但未对源区进行系统采样,具体分析不同季节河水水化学组成及控制因素,尤其对于不同来源对河水水化学组成贡献率研究较少。本文主要利用Gibbs图、Piper三线图和离子比值等方法定性分析疏勒河源区水体水化学组成及控制因素,利用质量平衡法定量分析不同来源对不同季节河水水化学组成的贡献率,可为疏勒河源区水化学研究提供基础资料,有助于理解疏勒河源区水文地球化学过程。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

疏勒河流域位于青藏高原北部、祁连山西段,为河西走廊三大内陆河流域之一,地理位置介于92°11′~99°00′ E,38°00′~42°48′ N之间。研究区为疏勒河源区(图1),年均气温为-4.0 ℃,年均降水量为388.2 mm,主要集中在5—9月生长季,占全年降水量的90%30。区内尕河水文断面控制面积为4 210 km2,冰川面积为233.3 km2;苏里水文断面控制面积为1 908 km2,冰川面积为51.8 km2[31。研究区主要由疏勒南山、托勒南山和疏勒河谷地组成,地势东南高,西北低,河流为东南到西北流向。各时代地层出露较全,以下古生界海相火山岩为主体,上覆泥盆世以来的陆相或海陆交互相地层。在尕河一带由石英砂岩、粉砂岩、板岩、灰岩组成,托勒南山、疏勒南山下部以碎屑岩为主,上部以碳酸盐岩为主;苏里、尕河地区石炭系由砾岩、砂岩、粉砂岩、白云岩组成;二叠系岩性主要为红色砂岩和砾岩;三叠系为陆相碎屑岩;侏罗系为陆相含煤碎屑岩系。区域内矿藏资源包括非金属矿藏和金属矿藏,前者包括煤矿、硫磺、石膏、盐岩等,后者有铜和少量黄铁矿等。由于研究区人口分布较少,平均每平方公里不足一人,且均以放牧为主32,因此本文忽略人类活动对水化学特征的影响。

图1

图1   研究区位置及采样点分布示意图

Fig.1   Sketch map of the study area and the sampling sites


1.2 样品采集与分析

自2018年12月至2019年11月在疏勒河源区干支流共采集河水样品44个(2018年12月,2019年4月、7—8月和11月,分别采样7个、8个、19个和10个,用以代表疏勒河源区冬、春、夏、秋季河水水化学特征),泉水样品4个,雪样7个(10月采集),采样点位置及相关信息如图1表1所示。河水采样时选取自然流动处活水,并用水样将聚乙烯瓶清洗三次后取样,泉水在泉眼出露处采取,其取样方法和河水相同,均装入聚乙烯瓶中。雪样为降落在地表的新雪,用以代表降雪水化学特征,采样时戴一次性聚乙烯手套,先将新雪表层受污染部分去除,再采集远离地表的部分,雪样先采集在聚乙烯保鲜袋中,待自然融化后将雪水装入聚乙烯瓶中。样品采集时无连续降水事件发生。所有的水样在采集后立即封存,并运送至中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室低温保存,分析处理前取出。总溶解固体(TDS)和电导率(EC)的测定仪器为型号DDSJ-308A的电导率仪,其测定误差为±0.5%。pH由雷磁PHS-3E型pH计测定,精度为±0.01。阳离子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)和阴离子(SO42-、NO3-、Cl-)分别采用Dinex公司的DX-600离子色谱仪和ICS-2500离子色谱仪测定,测定误差均小于±1%,所有离子检测限度均为1 μg∙L-1[33。水溶液中CO32-与H+含量呈反比,当pH小于8.3时,CO32-含量可以忽略不计34,由于全部水样中pH最大值为8.26(表2),因此本文CO32-含量均忽略不计。HCO3-含量通过离子平衡计算35。TDS实测值和TDS计算值的相关性分析表明,两者相关系数为0.81,通过了0.01的显著性检验,表明本文数据质量是相对可靠的。

表1   采样点信息

Table 1  Sampling sites information

样品类型(样品数量)采样点经度/E纬度/N海拔/m样品数量备注
河水(n=44)R198°15′44″38°18′13″4 0881支流
R298°15′40″38°18′13″4 0881支流
R398°06′56″38°20′45″4 1604支流
R498°16′48″38°21′02″1支流
R598°25′45″38°27′16″3 8062支流
R698°18′45″38°27′28″3 8138干流
R798°11′20″38°33′15″3 7324干流
R898°02′31″38°40′15″3 6434干流
R998°05′49″38°43′42″4 0262支流
R1097°58′46″38°45′27″3 6102支流
R1197°48′01″38°48′29″3 4617干流
R1297°43′08″38°50′39″3 3904干流
R1397°39′06″38°52′33″3 3444干流
雪样(n=7)S198°15′52″38°18′10″4 0881
S298°15′59″38°20′14″3 9951
S398°06′56″38°20′45″4 1601
S498°25′45″38°27′16″3 8061
S598°18′45″38°27′28″3 8131
S698°05′49″38°43′42″4 0261
S797°48′01″38°52′33″3 4901
泉水(n=4)G197°44′03″38°49′36″3 4154

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表2   疏勒河源区各水体水化学特征值

Table 2  Hydrochemical characteristic values of river water, spring water and snow water in the source region of Shule River

水样(样品数量)季节(样品数量)特征值Ca2+Mg2+Na+K+SO42-NO3-Cl-HCO3-TDSECpH水化学类型
河水(n=44)春(n=8)最大值76.6837.00151.103.30129.111.4856.93656.57881.001 718.007.39HCO3--Ca2+⋅Mg2+⋅Na+
最小值25.1617.6816.351.529.880.256.735.25338.00658.007.13
中值44.4425.5325.061.9733.100.4920.27253.55424.50933.637.25
均值46.9125.6743.472.2443.770.6424.16294.58479.63824.507.26
夏(n=19)最大值123.2772.50247.323.96168.341.5993.18949.671 118.002 170.007.74HCO3--Ca2+⋅Mg2+
最小值20.929.268.880.826.140.192.27176.00109.80208.006.62
中值63.8727.7621.961.5421.910.7310.64354.04396.00915.587.51
均值76.5533.6841.801.7249.620.7219.59420.84471.08772.007.53
秋(n=10)最大值142.0992.64251.744.45173.241.7737.641 332.93725.001 377.007.54HCO3--Ca2+⋅Mg2+
最小值61.9918.6415.411.3611.060.417.31293.63228.00434.007.17
中值94.5643.7332.912.0828.770.7817.18532.94337.50719.507.34
均值94.3447.0955.492.3449.640.8518.04583.00379.10640.507.33
冬(n=7)最大值64.7533.0339.792.67146.177.26150.07350.46544.00959.008.06HCO3--Mg2+⋅Ca2+
最小值26.3615.988.231.095.520.265.07162.38179.20316.007.72
中值33.6624.3423.661.9324.440.5824.16243.88475.00664.577.87
均值40.0424.8424.651.9244.641.6231.52239.81376.31839.007.83
雪水(n=7)最大值1.900.060.240.140.410.120.156.4311.6722.108.26HCO3--Ca2+
最小值0.740.040.190.060.030.040.022.912.144.097.87
中值1.310.040.220.100.080.080.054.675.0411.768.04
均值1.290.040.220.090.130.090.071.016.209.568.01
泉水(n=4)最大值172.5254.3629.503.5286.171.0029.25747.38728.001 418.007.58HCO3--Ca2+⋅Mg2+
最小值95.3235.1815.731.4530.920.308.56431.61440.00835.007.11
中值99.9842.1925.882.4461.820.4015.06489.91665.501 180.007.31
均值116.9543.4824.252.4660.180.5216.98539.70624.751 233.507.27

注:阴阳离子和TDS的单位均为mg∙L-1,EC的单位为μS∙cm-1

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2 结果与分析

2.1 各水体水化学组成及其类型

疏勒河源区各水体水化学组成主要特征值如表2所示。河水四季TDS均值介于376.31~479.63 mg∙L-1间,泉水、雪水均值分别为624.75 mg∙L-1、6.20 mg∙L-1。王彩霞等36于2012—2013年消融季在老虎沟12号冰川末端采集融水径流,结果表明冰川融水径流TDS均值为61.40 mg∙L-1,对比发现,不同水体TDS顺序为泉水>河水>冰川融水>雪水,表明河水受地下水和冰雪融水共同补给影响。河水四季EC均值介于640.50~839.00 μS∙cm间,泉水、雪水均值分别为1 233.50 μS∙cm-1、9.56 μS∙cm-1。河水四季pH均值介于7.26~7.83间,泉水、雪水均值分别为7.27和8.01,呈弱碱性。河水春、夏、秋季阳离子平均质量浓度依次为Ca2+>Na+>Mg2+>K+,冬季为Ca2+>Mg2+>Na+>K+,四季阴离子质量浓度均为HCO3->SO42->Cl->NO3-;雪水阳离子浓度依次为Ca2+>Na+>Mg2+>K+,阴离子浓度大小为HCO3->SO42->NO3->Cl-;泉水阴阳离子质量浓度大小顺序与冬季河水相同,可能与冬季以地下水补给为主有关。

为进一步确定水化学组成特征,利用Piper三线图37和舒卡列夫分类确定其水化学类型,即毫克当量百分数大于25%的离子参与水化学分类。如图2所示,河水、泉水、雪水阴离子(除个别点)均靠近HCO3-端元,HCO3-为优势阴离子。阳离子分布存在差异,冬季阳离子介于Ca2+、Mg2+端元之间,当量浓度占阳离子总量的均值分别为38.14%和41.13%,水化学类型为HCO3--Mg2+⋅Ca2+型;春季河水样点存在偏向Na++K+轴的趋势,Ca2+、Mg2+、Na++K+占阳离子总量的37.44%、35.87%和26.69%,为HCO3--Ca2+⋅Mg2+⋅Na+型;夏、秋季河水和泉水阳离子分布相对聚集,Ca2+、Mg2+分别占阳离子总量的46.89%和33.76%、45.22%和35.88%、54.81%和34.54%,水化学类型均为HCO3--Ca2+⋅Mg2+型;雪水阳离子靠近Ca2+端元,当量浓度占阳离子总量的均值为79.08%,其水化学类型为HCO3--Ca2+型。

图2

图2   疏勒河源区不同水体主要离子的Piper图

Fig.2   Piper figures of river water, spring water and snow water in the source region of Shule River


2.2 河水主要离子浓度的时空变化特征

2.2.1 季节变化特征

以研究区不同时间取样的均值代表河水主要离子季节变化(图3)。TDS含量冬季最低,春至秋季呈递减趋势,可能由于春季积雪融化,携带大量富集主离子的粉尘进入河流29,春季存在高值;夏季径流量增加至最大值20,冰川融水径流溶解质含量在此期间增加后逐渐减少38,虽然冰川融水径流、地下水和降水补给增加溶解质的补给量,但径流量增加造成的稀释作用更显著,因此其浓度降低。阳离子Ca2+、Mg2+浓度变化相同,冬季至秋季呈增加趋势,变化范围分别为40.04~94.34 mg∙L-1和24.84~47.09 mg∙L-1。Na+在夏季略微下降,整体亦呈增加趋势。K+含量较低,变化范围为1.72~2.34 mg∙L-1,其变化与Na+一致,均在夏季出现略微下降。阴离子HCO3-浓度较高,冬季至秋季呈增加趋势,变化范围为239.81~583.00 mg∙L-1。SO42-四季变化不大,介于43.77~49.64 mg∙L-1,夏秋季相对较高。Cl-冬季至秋季呈下降趋势,最小值为18.04 mg∙L-1。NO3-浓度较低,其浓度在冬季最大。综上,除Cl-和NO3-,各离子浓度均值均在秋季达到最大值。

图3

图3   疏勒河源区河水主要离子浓度季节变化

Fig.3   Seasonal variation of major ions concentrations in the source region of Shule River


2.2.2 空间变化特征

河水主离子浓度变化是径流量、水-岩相互作用、水文地质条件、补给来源等多种因素混合作用结果,在不同的空间位置其浓度存在差异性。源区河水主离子空间变化如图4~5所示,根据海拔高度和地质条件,将采样点划分为三类:R1~R7(>3 700 m)、R8~R10和R11~R13(<3 500 m)取样点。源区冬季径流为地下水补给20,径流变化稳定,除Ca2+、HCO3-,其余离子浓度在R11~R13样点均值相对高于R1~R7取样点。干流采样点各离子浓度(除HCO3-)沿水流方向呈增加趋势,可能为冬季水流相对缓慢,水-岩相互作用增加河水溶解质浓度。春季积雪融水携带积雪表面尘埃物质进入河水,增加河水溶解质含量。对比发现,R1~R7取样点主离子浓度相对高于R11~R13样点,可能是因为海拔较高的R1~R7样点对于积雪融水的补给更为敏感。夏秋季除NO3-,其余离子均在R8~R10地理位置处达到最大值,其中,Ca2+、Mg2+、HCO3-和SO42-在R8~R10取样点的浓度均大于其余样点,当河水流经碳酸盐岩和硫酸盐岩区域时会产生较多的Ca2+、Mg2+、HCO3-和SO42-,说明该区域可能分布相对较多的碳酸盐岩和硫酸盐岩矿物。结合地质地貌图,苏里乡镇附近分布泥盆-三叠系构造层39,存在碳酸盐岩、石膏层和煤层40,进一步佐证上述结论。此外,由于煤层中硫化物的存在,SO42-亦有部分来源于硫化物氧化溶解。夏季干流采样点各离子浓度(除Ca2+、NO3-)沿水流方向呈减小趋势,秋季(除Cl-、SO42-)亦呈减小趋势。

图4

图4   疏勒河源区河水阳离子空间变化

注:图例中的浓度值为该离子浓度最大值的一半

Fig.4   Spatial variation of river water cations in the source region of Shule River (The concentration value in the legend is half of the maximum concentration of the ion)


图5

图5   疏勒河源区河水阴离子空间变化

注:图例中的浓度值为该离子浓度最大值的一半

Fig.5   Spatial variation of river water anions in the source region of Shule River (The concentration value in the legend is half of the maximum concentration of the ion)


3 讨论

3.1 水体主要离子来源及控制因素

利用Gibbs图定性分析水体水化学组分的来源41,其中Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/(Cl-+HCO3-)采用质量浓度比。由图6可知,疏勒河源区四季河水基本均处于Gibbs图中部偏左侧,TDS介于100~1 000 mg∙L-1,Na+/(Na++Ca2+)比值冬、春、夏、秋季均值分别为0.37、0.43、0.31和0.31,Cl-/(Cl-+HCO3-)比值分别为0.18、0.16、0.04和0.04,表明河水水化学离子组分主要受岩石风化作用控制,个别点偏离岩石风化,其地理位置处于图4中Na+高值区,其TDS亦较大,蒸发作用可能是局地离子浓度和TDS较大的原因。此外,泉水与河水分布相似,受岩石风化作用控制,表明地下水补给对河水的重要影响。雪水由岩石风化和大气降水共同控制。利用Na标准化的摩尔比值42分析河水和泉水主要受何种岩石风化溶解的影响,确定其控制端元。硅酸盐岩风化产生的Ca2+/Na+和Mg2+/Na+摩尔浓度比值分别为0.35±0.15和0.24±0.12,碳酸盐岩风化为50±20和20±8,蒸发岩为0.17±0.09和0.02±0.0143。如图7所示,疏勒河源区各季河水和泉水基本均位于硅酸盐岩和碳酸盐岩控制端元之间,表明主要受硅酸盐岩和碳酸盐岩风化溶解的共同控制,而蒸发岩溶解对两者的影响相对较小。

图6

图6   疏勒河源区不同水体主要离子的Gibbs图

Fig.6   Gibbs figure of river water, spring water and snow water major ions in the source region of Shule River


图7

图7   疏勒河源区Na标准化摩尔比值混合端元图

Fig.7   The scatter diagram of normalized Na+ and other ions in river water and spring water in the source region of Shule River


水体中离子间相互关系可以反映离子来源44-45图8为疏勒河源区水体主要离子当量浓度比值图。(Ca2++Mg2+)/(Na++K+)可判别不同岩石风化的相对强度18,如图8(c)所示,河水和泉水样点基本均靠近Ca2++Mg2+一侧,暗示碳酸盐岩风化溶解对水体的影响强于蒸发岩。Ca2++Mg2+与HCO3-散点图基本依附于1∶1等值线[图8(a)],表明河水和泉水Ca2+、Mg2+主要源于碳酸盐岩矿物风化46,且仍有部分存在其他来源。水体(Ca2++Mg2+)/(HCO3-+SO42-)比值大于1,指示Ca2+、Mg2+主要源于碳酸盐矿物溶解,比值小于1指示硫酸盐或硅酸盐溶解,等于1则指示既有碳酸盐矿物溶解,又有硅酸盐矿物溶解28,可进一步确定其来源。河水仅有个别点远离1∶1等值线,其余样点和泉水均接近1∶1等值线且多位于其下方[图8(b)],表明河水和泉水Ca2+、Mg2+既有碳酸盐矿物溶解,又有硅酸盐矿物溶解。通过相关性分析,冬春季SO42-和Cl-相关性显著(P<0.01),两者具有同源性,夏秋季SO42-与Ca2+、Mg2+间相关性较强(P<0.05),进一步说明Ca2+、Mg2+部分来源于石膏和含Mg2+硫酸盐矿物等蒸发岩溶解。

图8

图8   疏勒河源区主要离子比值

注:1:1等值线为y=x函数线,表明比率为1

Fig.8   Propotion of major ions in the source region of Shule River (The 1:1 contour line is the function image of y=x, which indicate the ratio of 1)


Mg2+/Ca2+和Na+/Ca2+一般用来判断水体中碳酸盐岩矿物的溶解,一般两者均相对较低的水体以方解石溶解为主,较高Mg2+/Ca2+比值和较低Na+/Ca2+比值的水体以白云石溶解为主15。冬季Na+/Ca2+和Mg2+/Ca2+比值分别为0.27~1.03和0.54~1.58,春季为0.23~1.34和0.60~1.53,夏季为0.14~0.88和0.37~2.35,秋季为0.22~1.78和0.48~1.09,泉水为0.14~0.24和0.53~0.82,具有相对较高的Mg2+/Ca2+比值和较低的Na+/Ca2+比值,表明河水和泉水中碳酸盐岩溶解均以白云石风化溶解为主,研究区白云岩的存在进一步佐证此结论。

当蒸发岩溶解对水化学组成起主要作用时,Cl-与Na++K+的比值应等于147图8(d)所示,94%的样点比值均靠近Na++K+侧,Na++K+显著高于Cl-,表明除蒸发岩溶解,河水、泉水Na+、K+主要来源于硅酸盐岩矿物溶解。

综上,疏勒河源区河水和泉水主离子来源于以白云石为主的碳酸盐岩风化、硅酸盐岩风化溶解和盐岩、石膏、含Mg2+硫酸盐等蒸发岩溶解。

3.2 不同来源对河水溶解组分的贡献率

河水溶解组分来源于大气降水、岩石风化(蒸发岩、硅酸盐岩和碳酸盐岩)和人为输入,利用质量平衡法(正向和反向地球化学模型)可定量计算不同来源对河水离子的贡献率48,本文通过正向地球化学模型进行估算。河水中化学离子X的质量平衡方程如下所示49-50

Xriv=(Xrain+(Xeva+(Xcar+(Xsil+(Xanth

式中:riv表示河水;rain表示大气降水;eva、car、sil分别表示蒸发岩、碳酸盐岩和硅酸盐岩矿物;anth表示人类活动,其单位均为摩尔浓度。由于疏勒河源区受人类活动影响较小,因此(Xanth忽略不计。

3.2.1 大气降水

大气输入对于河流溶质载荷的影响可通过该地雨雪的化学成分来衡量51。利用2018年6月至8月十米塔降水和2019年10月降雪数据,结合相关研究数据(表3),校正大气降水输入。由于降水中Cl-来源简单,主要来源于海盐离子,常用于校正降水其余离子对地表水水化学贡献值。经过校正的大气降水阳离子浓度(Xrain为:(Xrain=(X/Cl-rain×(Cl-rain,其中(X/Cl-rain表示降水中主要阳离子与Cl-的比值,(Cl-rain表示降水中Cl-浓度。用河水中Cl-的最小值(63.83 umol∙L-1)表示大气降水对河水Cl-的输入,即(Cl-rain=63.83 umol∙L-1。估算均值见表4,冬、春、夏、秋季大气输入分别占河水阳离子总量的均值为15.21%、12.29%、12.95%和7.32%。

表3   疏勒河源区降水水化学组成 (umol∙L-1)

Table 3  Hydrochemical composition of precipitation in the source region of Shule River

位置时间(年-月)Ca2+Mg2+Na+K+SO42-Cl-HCO3-文献来源
苏里2009-04—2009-10155.00166.6752.1751.2840.6359.151 618.0321
苏里2012-11—2013-11279.4557.94204.8850.2390.31128.9720
尕河2009-04—2009-10177.50125.0026.0917.9520.8336.62554.1021
十米塔2018-06—2018-0868.298.6019.195.873.6810.06154.39本文
源区*2019-1032.241.839.412.431.331.9816.50本文

注:*表明为源区7个雪水数据均值。

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表4   疏勒河源区不同季节河水阳离子不同来源贡献率

Table 4  The contribution of cations from different sources in the source region of Shule River

来源贡献率/%
大气降水15.2112.2912.957.32
蒸发岩17.5918.0511.7512.89
硅酸盐岩36.2135.5437.2937.30
碳酸盐岩30.9934.1238.0142.49

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3.2.2 蒸发岩溶解

研究区内蒸发岩主要包括盐岩(NaCl)和石膏(CaSO4),假设Cl-均来源于大气降水和蒸发岩溶解,蒸发岩溶解产生等量的Na+和Cl-,则(Na+eva=(Cl-eva=(Cl-riv-(Cl-rain;假设SO42-来源于大气降水和石膏(CaSO4),则(Ca2+eva=(SO42-eva=(SO42-riv-(SO42-rain。结果表明研究区冬、春、夏、秋季蒸发岩溶解的Ca2+、Na+浓度总和分别占河水阳离子总量的17.59%、18.05%、11.75%和12.89%。

3.2.3 硅酸盐岩风化

假设河水中Na+主要来源于大气降水、蒸发岩和硅酸盐岩溶解,则硅酸盐岩风化对于河水Na+的贡献为:(Na)sil=(Na)riv-(Na)rain-(Na)eva。由于蒸发岩、碳酸盐岩溶解的K+很少,因此假设K+除大气输入外均来源于硅酸盐岩风化。采用硅酸盐岩端元浓度比值(Ca2+/Na+sil=0.35和(Mg2+/Na+sil=0.2436,估算硅酸盐风化对河水Ca2+、Mg2+的贡献752,计算方程为:(Ca2+sil=(Ca2+/Na+sil×(Na+sil,(Mg2+sil=(Mg2+/Na+sil×(Na+sil。计算得到冬季R12样点硅酸盐岩贡献率为负值,可能为忽略NaCl以外氯化物含量所带来的不确定性52。冬、春、夏、秋季硅酸盐岩风化对河水阳离子贡献率均值分别为36.21%、35.54%、37.29%和37.30%。

3.2.4 碳酸盐岩风化

碳酸盐岩对于河水Ca2+、Mg2+、Na+、K+的贡献率可通过排除法得到,即:(∑cation)car%=100-(∑cation)rain%-(∑cation)eva%-(∑cation)sil%,结果显示,冬、春、夏、秋季碳酸盐岩对河水阳离子贡献率分别为30.99%、34.12%、38.01%和42.49%。

综上,各季河水中阳离子主要来源于碳酸盐岩和硅酸盐岩风化,两者贡献率达到67.20%~79.79%,其次为蒸发岩,贡献率为11.75%~18.05%,大气降水的贡献率相对最小,这与Na标准化的摩尔比值分析结论相符。

4 结论

(1)疏勒河源区各季河水TDS均值介于376.31~479.63 mg∙L-1间,不同水体TDS顺序为泉水>河水>冰川融水>雪水。河水中HCO3-为绝对优势阴离子,阳离子以Ca2+、Mg2+为主,春季水化学类型为HCO3--Ca2+⋅Mg2+⋅Na+型,夏、秋季为HCO3--Ca2+⋅Mg2+型,冬季为HCO3--Mg2+⋅Ca2+型。

(2)疏勒河源区河水主离子浓度存在季节变化,除Cl-、NO3-,其余离子冬季至秋季均呈增加趋势,秋季浓度最高;空间上,受多种因素共同影响,不同季节河水主离子浓度的空间变化存在差异。

(3)疏勒河源区河水和泉水水化学组成受岩石风化控制,主要来源于以白云石为主的碳酸盐岩风化、硅酸盐岩风化和盐岩、石膏、含Mg2+硫酸盐矿物等蒸发岩溶解。雪水受岩石风化和大气降水共同控制。

(4)不同来源对各季河水阳离子贡献率不同,通过正向地球化学模型估算得出疏勒河源区冬春季河水阳离子来源均以硅酸盐岩风化溶解为主,贡献率分别为36.21%、35.54%;夏季贡献率为碳酸盐岩(38.01%)>硅酸盐岩(37.29%)>大气降水(12.95%)>蒸发岩(11.75%),秋季为碳酸盐岩(42.49%)>硅酸盐岩(37.30%)>蒸发岩(12.89%)>大气降水(7.32%),总体上河水阳离子主要来源于碳酸盐岩和硅酸盐岩矿物风化。

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