塔里木河流域出山徑流水化學(xué)特征研究

王 建,韓海東,許君利*,李永山

塔里木河流域出山徑流水化學(xué)特征研究

王 建1,韓海東2,許君利1*,李永山1

(1.鹽城師范學(xué)院城市與規(guī)劃學(xué)院,江蘇 鹽城 224007；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000)

本文以區(qū)域地質(zhì)為背景,對(duì)塔里木河流域山區(qū)徑流水化學(xué)組分特征進(jìn)行分析,探討溶質(zhì)的來源及其控制因素.結(jié)果表明:塔里木河流域出山徑流水體以硅酸鹽巖的碳酸化溶濾水為主,離子類型為HCO3--Ca2+型,其次為SO42--(Ca2++Mg2+)混合型.南緣昆侖山/帕米爾高原各子流域的出山徑流中,TDS(溶解性總固體)和離子總量的加權(quán)平均值(權(quán)重為徑流量)分別為424.02 和356.20 mg/L,遠(yuǎn)高于北緣天山出山的相應(yīng)值(268.43和220.04mg/L),這是因?yàn)樘焐缴絽^(qū)分布大量的巖漿巖,抑制了區(qū)域水化學(xué)侵蝕強(qiáng)度.運(yùn)用吉布斯圖及因子分析等方法,確定出山徑流的水質(zhì)主要受硅酸鹽巖的碳酸化作用控制,其中南緣昆侖山/帕米爾高原水系不僅伴有蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化,還與天山阿克蘇河水系一樣,伴有碳酸鹽巖風(fēng)化.風(fēng)化過程中,硫化物氧化產(chǎn)生的H+抑制了碳酸化風(fēng)化,一定程度上限制了大氣CO2消耗,尤其是在有煤層、銅礦等硫化物分布的迪那河、喀拉玉兒滾河和喀什葛河流域.塔里木河流域出山徑流中除了F-和NO3-外,其他離子和總離子濃度均與冰川覆蓋率和融水占徑流比例之間存在良好的相關(guān)性.總離子濃度與冰川覆蓋率之間建立的指數(shù)擬合方程,符合我國西北干旱區(qū)出山水質(zhì)的特點(diǎn),但受自然與人為因素的制約,與全球尺度擬合的方程存在一定差異.

水化學(xué)組成；巖石風(fēng)化；冰川覆蓋率；塔里木河流域

地表徑流中的可溶性物質(zhì),主要源于化學(xué)與物理風(fēng)化對(duì)地球表層不同類型巖石的侵蝕[1],而侵蝕過程中,碳酸鹽和硅酸鹽碳酸化、硫化物氧化等化學(xué)風(fēng)化過程,不僅限于促進(jìn)地表物理侵蝕強(qiáng)度、吸收有利于加速巖石風(fēng)化強(qiáng)度的大氣CO2[2],減緩全球升溫[3],還可以改變水體的酸堿度與水質(zhì)狀況.這些研究涉及到溶質(zhì)的濃度、來源、遷移、富集及影響因素等諸多方面[4-5].在水資源匱乏的干旱區(qū)半干旱地區(qū),也開展了一些研究,如疏勒河、伊犁河、尼羅河[6-8]等.流域尺度上,從溶質(zhì)侵蝕與遷移的載體看,研究涉及到大氣降水、地下水、積雪融水等[1,9],鮮有涉及冰川融水.

塔里木盆地生態(tài)環(huán)境脆弱,作為中巴經(jīng)濟(jì)走廊經(jīng)濟(jì)建設(shè)重點(diǎn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)域之一,具有重要的地位和作用[10].一方面,由于區(qū)域氣候影響,出山徑流水量顯著增加[11-12];另一方面,因區(qū)域人類活動(dòng)強(qiáng)度的增大,地表水的水量與水質(zhì)均面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)[13].為此,對(duì)流域地表水水化學(xué)組成及影響因素方面已經(jīng)開展了一些研究,多集中于單條支流或者某一綠洲區(qū)河段的研究[14-15].但冰川融水作為地表徑流的重要補(bǔ)給源,是我國西北綠洲地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展急需的水資源保障,雖然被定性地指出對(duì)流域河流水質(zhì)具有顯著地影響[16-17],但均沒有定量化冰川在水質(zhì)形成與演化方面的作用.本文以區(qū)域地質(zhì)為背景,對(duì)塔里木河流域山區(qū)徑流水化學(xué)組分特征進(jìn)行分析,探討溶質(zhì)的來源及控制因素,尤其是冰川分布及其融水補(bǔ)給作用的影響,以期為塔河流域中下游綠洲經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

地處歐亞大陸腹部,遠(yuǎn)離海洋,并發(fā)育我國第一大內(nèi)陸河的塔里木河流域,面積102萬km2,由天山南坡發(fā)育的阿克蘇河、開都河—孔雀河、迪那河、渭干河、庫車河和昆侖山/帕米爾高原發(fā)育的喀什噶爾河、葉爾羌河、和田河、克里雅河及車爾臣河等九大子流域,144條支流組成(圖1).受區(qū)域環(huán)境變遷及農(nóng)牧業(yè)快速發(fā)展而耗水的影響下,目前塔河干流73.2%的水量補(bǔ)給源于阿克蘇河,和田河和葉爾羌河對(duì)塔河干流補(bǔ)給分別僅占23.2%和3.6%[13],且僅限于豐水期補(bǔ)給,逐漸演變?yōu)殚g歇性河流.流域降水多集中在南北緣高山區(qū),山麓與平原區(qū)降水稀少,不足100mm,為此,區(qū)域植被稀疏,生態(tài)環(huán)境十分脆弱[18].

選取主要支流的總面積為221176.41km2,占塔里木河流域面積的20.87%,其中冰川面積為23857.10km2,超過塔里木河流域冰川面積19877.65km2,這是因?yàn)楹笳呓y(tǒng)計(jì)僅限于國內(nèi)部分,但部分子流域境外也有冰川分布,如塔河主要支流阿克蘇河上游60%以上冰川發(fā)育在吉爾吉斯斯坦境內(nèi)[12].這些冰川主要分布在葉爾羌河、和田河、喀什噶爾河、克里雅河、阿克蘇河和渭干河等6大子流域(表1).多年平均徑流量為352.48×108m3,占塔里木河流域地表水資源量409.9×108m3[34]的85.99%,其中冰川融水約占42.47%,接近于高鑫等[11]對(duì)塔里木河流域冰川融水占徑流量評(píng)估值的41.5%,這說明選取的徑流采樣點(diǎn)對(duì)塔河流域出山徑流而言具有很好的代表性,同時(shí),冰川融水徑流可能是控制山區(qū)水化學(xué)侵蝕的關(guān)鍵要素和物質(zhì)遷移的主要載體.

圖1 塔里木河流域出山徑流水樣采集點(diǎn)空間分布

圖中1~34號(hào)采樣點(diǎn)信息詳見表1

表1 塔里木河流域主要支流冰川水文相關(guān)參數(shù)

1.2 區(qū)域地質(zhì)背景

依據(jù)全國地質(zhì)資料館公布的新疆1:50萬地質(zhì)圖,塔里木河流域北緣山區(qū)主要由南天山山脈的哈爾克山和虎拉山組成,二者一般以獨(dú)庫公路(庫車河河道)為界,前者發(fā)育阿克蘇河、喀拉玉兒滾河和渭干河,后者發(fā)育迪那河和開都河-孔雀河(簡稱:開孔河).哈爾克山有大量早泥盆世火山巖和陸源碎屑巖分布,其火山巖主要由中基性火山巖與中酸性火山巖構(gòu)成,巖石化學(xué)組成顯示為低鉀的鈣堿性玄武巖系列,上覆巖層主要是中泥盆統(tǒng)角度不整合的沉積巖.虎拉山主要由前寒武紀(jì)結(jié)晶基底和大量的古生代侵入巖組成,另有少量的前寒武紀(jì)侵入巖.其中早古生代侵入巖巖性主要為片麻狀花崗巖和片麻狀二云花崗巖,巖體具有高堿低鈣花崗巖的特征[35].

南緣西昆侖山/帕米爾高原地區(qū)巖漿巖活動(dòng)整體上相對(duì)較弱.區(qū)域基底主要由片麻巖及云母石英片巖等變質(zhì)巖組成,上部由少量寒武系的變質(zhì)巖及大量古生界以來的沉積層覆蓋,被多期巖漿巖穿插.其中,古生界沉積物主要由陸源碎屑沉積物和少量碳酸鹽巖構(gòu)成,中生界的侏羅系含煤碎屑沉積層主要分布在山間盆地,包含風(fēng)成黃土層的新生界沉積層主要分布在山麓及平原區(qū).穿插的巖漿巖以中性閃長巖構(gòu)成的大型巖基為主,屬于鈣堿系列,伴有酸性的花崗巖出露.另外,被新生界地層覆蓋的變質(zhì)巖基底中,普遍夾有大理巖[36].

1.3 樣品采集與分析

針對(duì)塔里木河流域9大子流域的眾多支流主要發(fā)源于南北緣山區(qū)冰川融水的特點(diǎn),結(jié)合前人地表徑流研究成果多基于新疆水文觀測站的因素,水樣收集一般在水文站附近.本文于2016-07-14~2016- 08-09和2018-07-06~2018-07-27兩個(gè)時(shí)段,對(duì)31個(gè)水文站(采樣點(diǎn))附近各進(jìn)行一次取樣(圖1).為降低誤差,計(jì)算過程中取各采樣點(diǎn)2次采樣的平均值進(jìn)行分析.其中盆地北緣天山出山徑流共設(shè)12個(gè)水樣斷面,包括:渭干河(支流木扎提河破城子1、卡拉蘇河卡拉蘇2、卡木斯浪河卡木魯克3、庫車河蘭干站4、黑孜河黑孜站5)、阿克蘇河(支流臺(tái)蘭河臺(tái)蘭8、托什干河沙里桂蘭克9、昆馬力克河協(xié)和拉10)、喀拉玉兒滾河(11)、開都河(支流大山口12、黃水溝13)和迪那河(14);南緣昆侖山/帕米爾高原共設(shè)19個(gè)水樣斷面,包括:葉爾羌河(卡群18及支流塔什庫爾干河伊爾列黑15、提茲那甫河玉孜門勒克16和江卡17)、和田河(支流喀拉喀什河托滿19和烏魯瓦提21、皮山河皮山站20、玉龍喀什河同古孜洛克22)、昆侖山小河(克里雅河努努買買提蘭干站23、尼雅河尼雅24、策勒河策勒站25)、喀什葛爾河(支流蓋孜河克勒克站27、喀拉庫里河喀拉庫里28、克孜河牙師29、庫山河沙曼站30、維他克河維他克32、克孜河卡拉貝利32和小支流卡浪溝呂克河卡浪溝呂克33、依格孜牙河克孜勒塔克34).取樣分別采用80和500mL聚乙烯瓶密封保存,前者用于陰陽離子分析,后者用于pH值、電導(dǎo)率(EC)和溶解性總固體(TDS)測定及HCO3-滴定.另外,阿克蘇河支流昆馬力克河青冰灘72號(hào)冰川(樣點(diǎn)編號(hào)6)和柯柯雅河科其喀爾冰川(樣點(diǎn)編號(hào)7)、喀什葛爾河支流蓋孜河卡爾塔馬克冰川(樣點(diǎn)編號(hào)26)的融水徑流水化學(xué)數(shù)據(jù),分別源于趙愛芳等[21]、Wang等[17]和趙華標(biāo)等[29]研究的平均值.

樣品在野外進(jìn)行避光保存,運(yùn)回后立即放于-15 ℃低溫冷庫中.室內(nèi)分析前,樣品在室溫下自然融化,利用上海雷磁DDS-307A型電導(dǎo)率儀測定EC和TDS,PHSJ-3F型pH計(jì)測定pH值.陽離子(Na+、K+、Mg2+和Ca2+)和陰離子(F-、Cl-、SO42-和NO3-)分別采用Dinex-600 離子色譜儀和ICS-1500離子色譜儀進(jìn)行測定.需要說明的是離子濃度超過儀器測量上限時(shí),采用質(zhì)量法稀釋后測定.陰陽離子的測定誤差一般低于1%.另外,HCO3-采用雷磁ZD-2型自動(dòng)點(diǎn)位滴定儀滴定,其中個(gè)別樣品pH>8.2時(shí),1mol CO32-計(jì)為2mol HCO3-進(jìn)行計(jì)算.為了驗(yàn)證樣品測定的可靠性,采用式(1)計(jì)算陰陽離子的電荷平衡誤差[37],結(jié)果均在-3.75%~3.18%之間,在±4%之內(nèi),可用于進(jìn)一步分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 塔里木河流域出山徑流水化學(xué)組成特征

剔除徑流包含關(guān)系的6、17、26、27和29號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)值后(圖1),塔里木河流域主要出山河水以徑流量為權(quán)重的加權(quán)平均水化學(xué)組成(式2)如表2.各子流域pH值介于7.58~8.32之間,平均為7.84,呈弱堿性.TDS濃度在190.96(阿克蘇河)~561.5mg/L (迪那河)之間,平均為353.75mg/L.陽離子中,Ca2+質(zhì)量濃度最大(42.80mg/L),其次為Na+、Mg2+,分別為26.48和9.88mg/L,K+濃度最小(1.74mg/L).陰離子中HCO3-濃度最大,為112.93mg/L,其次為SO42-、Cl-,分別為75.35和24.03mg/L,NO3-和F-濃度非常低,濃度分別僅為1.31和0.18mg/L.從各離子質(zhì)量濃度占比的角度而言,流域出山徑流的陽離子主要以Ca型和Ca+Na混合型為主,陰離子主要以HCO3型和SO4型為主,為此,按照前蘇聯(lián)學(xué)者舒卡列夫水化學(xué)類型劃分方法,流域出山徑流水體以巖石的碳酸化溶濾水為主,離子類型為Ca-HCO3型,其次為(Ca+Mg)- SO4混合型(圖2).對(duì)比而言,南緣昆侖山/帕米爾高原各子流域的出山徑流中,TDS和離子總量的加權(quán)平均值(權(quán)重為徑流量)分別為424.02和356.20 mg/L,遠(yuǎn)高于北緣天山出山徑流的相應(yīng)值(268.43和220.04mg/L),這是因?yàn)樘焐缴絽^(qū)大量分布的巖漿巖[35],抑制了區(qū)域水化學(xué)侵蝕強(qiáng)度.

式中:為離子濃度,mg/L,或pH值;為徑流量,m3/S;為子流域序號(hào)(=1,2,3,……);為子流域中第采樣點(diǎn).

雖然河水中可溶性物質(zhì)主要來源于區(qū)域不同巖石類型的侵蝕,但即使巖性相似的河流之間,因氣候、水文、地貌及下墊面等因素影響,出山徑流水化學(xué)組成也差異極大[9,38].塔里木河流域各子流域出山徑流水化學(xué)組成如圖2,出山徑流分別僅占北緣天山出山徑流1.55%和2.40%的喀拉玉兒滾河和迪那河均屬于(Ca+Mg)-SO4混合型.開都河(大山口12和黃水溝13)水化學(xué)組成屬于典型的Ca - HCO3型.渭干河5個(gè)支流采樣點(diǎn)中,支流木扎提河的破城子(1)、喀拉蘇(2)和卡木魯克(3)中,前二者屬于Ca-HCO3型,后者屬于Ca-SO4型;支流庫車河屬于(Ca+Mg)-SO4混合型;支流黑孜河屬于Na-SO4型.流量占近一半的阿克蘇河中,青冰灘72號(hào)冰川、科其喀爾冰川及托什干河(沙里桂蘭克9)均屬于Ca - HCO3型;臺(tái)蘭河和昆馬力克河(協(xié)和拉10)屬于(Ca+Mg)-SO4混合型.南緣昆侖山/帕米爾高原中,徑流量較小的克里雅河、尼雅河和策勒河分別是(Ca+Na)-HCO3型、(Ca+Mg)-SO4混合型和Na-SO4型;徑流占比18.79%的喀什葛爾河中,蓋孜河的卡爾塔馬克冰川(26)和克勒克(27)、喀拉庫里河、庫山河和維他克河屬于Ca-HCO3型,克孜河的牙師(29)和卡拉貝利(31)屬于Ca-SO4型,而克孜河的卡浪溝呂克河支流及依格孜牙河分別屬于Na-SO4型和(Ca+Mg)-SO4混合型.和田河所有出山徑流采樣點(diǎn)、葉爾羌河干流卡群(18)和支流提茲那甫河的玉孜門勒克(16)采樣點(diǎn)均屬于Ca-HCO3型,而葉爾羌河支流塔什庫爾干河和提茲那甫河的江卡站分別屬于Na-SO4型和(Ca+Na)- HCO3型.

表2 塔里木河流域主要子流域的水化學(xué)組成特征

注:離子(F-、Cl-、NO3-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+)及TDS的濃度單位均為mg/L;A和B分別為流域面積和冰川面積,單位均為km2;GR和R分別為冰川融水和斷面多年平均徑流,單位均為×108m3.

圖2 塔里木河流域出山徑流中溶質(zhì)Piper三線圖(%)

2.2 溶質(zhì)來源與侵蝕模式

對(duì)湖泊、河流和雨水等樣本分析,Gibbs將地表水中的離子來源歸結(jié)為3類:蒸發(fā)-結(jié)晶、巖石風(fēng)化和大氣降水[2].通過TDS與Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/ (Cl-+HCO3-)之比對(duì)3類端元的貢獻(xiàn)進(jìn)行區(qū)分,低TDS(TDS≈10mg/L)和Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+ HCO3-)比率接近1的樣品,反映了干濕沉降(大氣降水)補(bǔ)給居支配地位的情形,并占據(jù)了吉布斯圖的右下角(圖3);當(dāng)TDS 介于70~300mg/L時(shí),且Na+/ (Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)比率小于0.5時(shí),反映了水—巖相互作用/化學(xué)風(fēng)化的影響,并占據(jù)圖左側(cè)的中心區(qū)域.當(dāng)TDS顯著偏大,且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)比率接近1,一般反應(yīng)區(qū)域蒸發(fā)大于降水,徑流中溶質(zhì)呈蒸發(fā)結(jié)晶/濃度的現(xiàn)象,散點(diǎn)落在圖的右上角[4,21,37].

塔里木河流域出山徑流的水樣TDS介于128.6~878.5mg/L之間,Cl-/(Cl-+HCO3-)比率在0.01~ 0.62之間(平均為0.23),Na+/(Na++Ca2+)比率為0.01~ 0.71(平均為0.39),為此,散點(diǎn)主要分布在吉布斯圖的左側(cè)中心區(qū)域(圖3),表明巖石風(fēng)化是控制水質(zhì)的主要水化學(xué)過程.一方面,地處歐亞大陸腹地的天山和昆侖山山區(qū),降水主要依靠水汽受高大山體阻擋而爬升所致,而氣溶膠中可溶性物質(zhì)多集中于近地面一定高程內(nèi)的低海拔區(qū)[39],且研究區(qū)遠(yuǎn)離綠洲為主題的人類活動(dòng)區(qū)域,一般源于降水補(bǔ)給的可溶性物質(zhì)占比低于10%[17],否定了山區(qū)徑流溶質(zhì)主要源于降水的可能性.同時(shí),與多數(shù)巖石風(fēng)化形成的可溶性物質(zhì)相比,海水中Cl-的濃度較高,且在依靠海洋水汽輸送形成降水的區(qū)域,可以通過Cl-與其他元素之間的物質(zhì)的量比來評(píng)估大氣輸入量[40].塔里木河流域南北緣出山徑流中(Na++K+)/Cl-的比值分別為2.0和1.97,且南緣Na+/Cl-(1.88)和K+/Cl-(0.12)的平均當(dāng)量比,和北緣Na+/Cl-(1.76)和K+/Cl-(0.21)均明顯高于海洋氣溶膠的平均當(dāng)量比(Na+/Cl-= 0.85和K+/Cl-= 0.0176),也表明海洋氣溶膠的輸入對(duì)塔里木河流域南北緣山區(qū)貢獻(xiàn)非常低,區(qū)域大氣降水的鹽分輸入可以不予考慮.另一方面,徑流形成的冰川分布區(qū)具有較高海拔,低溫也極大限制了蒸發(fā)結(jié)晶(濃縮)作用對(duì)溶質(zhì)濃度變化的影響.

圖3 塔里木河流域出山徑流中溶質(zhì)來源途徑的吉布斯圖

鑒于礦物風(fēng)化是控制研究區(qū)域水質(zhì)的過程之一,通過Mg2+/Na+~Ca2+/Na+和HCO3-/Na+~Ca2+/Na+之間物質(zhì)的量關(guān)系繪制南北緣出山徑流區(qū)的不同巖石類型風(fēng)化控制圖(圖4),說明區(qū)域水質(zhì)主要受到硅酸鹽巖風(fēng)化控制,符合山區(qū)有大量低鉀的鈣堿性巖漿巖分布的特點(diǎn)[32-33].但圖4a表明Mg2+/Na+￡1時(shí),南緣昆侖山/帕米爾高原的出山徑流多分布于1:1線的右下方,說明還存在顯著的蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化.這是由于山麓和山前平原存在棕鈣土、漠土及含有氯化物和硫酸鹽的鹽土[41]分布,其主要構(gòu)成是蒸發(fā)巖,即石膏及水溶鹽類含量高.而圖4b表明HCO3-/Na+31時(shí),阿克蘇河和南緣大部分支流分布于1:1線的左上方,說明還存在碳酸鹽巖風(fēng)化,這是因?yàn)榘⒖颂K河上游及昆侖山/帕米爾高原存在古生界碳酸鹽和白云巖構(gòu)成的陸源碎屑沉積層,及新生界變質(zhì)巖基底中大理巖[36].

利用(Ca2++ Mg2+)–(HCO3-+SO42-)與(Na++ K+) -Cl-的物質(zhì)的量關(guān)系圖評(píng)估研究區(qū)離子的交換狀況(圖5),前者對(duì)應(yīng)于除白云石、方解石和石膏等鹽巖風(fēng)化或堿長花崗巖碳酸化風(fēng)化之外,其他反應(yīng)釋放的Ca2+和Mg2+的數(shù)量;后者對(duì)應(yīng)氯鹽溶解產(chǎn)生Na++K+之外的Ca2+和Mg2+的數(shù)量.根據(jù)Dedzo等[42]的研究,如果陽離子交換反應(yīng)均在水中進(jìn)行,則(Ca2++ Mg2+) –(HCO3-+SO42-)與(Na++ K+) -Cl-之間的斜率必須等于-1(即= -).塔里木河流域各子流域出山徑流的(Ca2++Mg2+) –(HCO3-+SO42-)與(Na++ K+) -Cl-給出-0.9045的斜率(2=0.931),表明陽離子交換是區(qū)域水質(zhì)演化的重要水化學(xué)過程之一.值得注意的是,大部分水樣位于右下象限內(nèi)[(Na++K+)- Cl->0,(Ca2++Mg2+)–(HCO3-+SO42-)<0],表明Na++K+在Ca2++Mg2+上富集,印證了研究區(qū)除了徑流溶質(zhì)除了來自鈣鎂長石的風(fēng)化作用,還來源于大量富含鈉鉀長石的硅酸鹽巖的風(fēng)化作用.

圖4 塔里木河流域出山徑流中不同巖石類型風(fēng)化控制差異

圖5 塔里木河流域出山徑流的陽離子交換過程中(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)與(Na++K+)-Cl-的關(guān)系

硅酸鹽碳酸化風(fēng)化(式3)、碳酸鹽巖的溶解(式4~5)及來自大氣中CO2在水中分解(式6)等化學(xué)反應(yīng),都可以產(chǎn)生天然水中的HCO3-[9,43].利用HCO3-/(HCO3-+SO42-)的物質(zhì)的量比來進(jìn)一步確定相關(guān)離子的形成機(jī)制,即化學(xué)反應(yīng)源于巖石礦物的硫化物氧化或碳酸化作用驅(qū)動(dòng).當(dāng)HCO3-/ (HCO3-+ SO42-)比值接近1時(shí),代表大氣CO2溶于水后,產(chǎn)生的H+引起碳酸化反應(yīng),進(jìn)而促進(jìn)巖石風(fēng)化;當(dāng)比值接近0.5時(shí),說明是碳酸化和硫化物氧化(式7)共同作用的偶聯(lián)反應(yīng),促進(jìn)巖石風(fēng)化[37].塔里木河流域出山徑流中以流量為權(quán)重,HCO3-/ (HCO3-+SO42-)加權(quán)平均的比值為0.70,這表明徑流的水化學(xué)侵蝕主要受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的碳酸化作用支配,但風(fēng)化過程受硫化物氧化反應(yīng)產(chǎn)生H+的制約(表3).其中開都河硫化物氧化反應(yīng)最弱,HCO3-/(HCO3-+SO42-)比值平均為0.93,水體中SO42-物質(zhì)的量平均僅為HCO3-的56.5%,這主要是因?yàn)樘焐缴矫}的虎拉山硫化物分布較少[35]所致;喀拉玉兒滾河受煤層及銅礦、迪那河受花崗巖及石油開發(fā)、喀什葛爾河受金礦、銅礦、硫礦及鈹?shù)V等大量含硫化合物分布等因素影響[35],導(dǎo)致3個(gè)子流域的HCO3-/(HCO3-+SO42-)比值分別為0.40、0.54和0.45,出山徑流中SO42-平均物質(zhì)的量分別為HCO3-的151.01%、83.87%和124.33%,硫化物氧化作用可以嚴(yán)重影響區(qū)域碳酸化反應(yīng)發(fā)生,制約了地球化學(xué)反應(yīng)消耗CO2.

表3 各子流域中HCO3-/(HCO3- + SO42-)的平均物質(zhì)的量比

2.3 塔里木河流域出山徑流主要離子來源分析

塔里木河流域各子流域溶質(zhì)主要源于硅酸鹽巖風(fēng)化,為了進(jìn)一步分析主要離子來源,對(duì)水化學(xué)組分進(jìn)行主成分因子分析[14],并通過最大方差法旋轉(zhuǎn),得到因子載荷矩陣(表4).塔里木河流域出山徑流中EOF1荷載主要分布在Na+、K+、Mg2+、F-、Cl-、HCO3-和少量SO42-部分;EOF2荷載主要分布在Ca2+和SO42-部分,其次是Mg2+、F-和Cl-部分;EOF3荷載主要分布在NO3-和HCO3-部分.考慮研究區(qū)水化學(xué)侵蝕以硅酸鹽巖風(fēng)化侵蝕為主,伴有蒸發(fā)巖水解和碳酸鹽風(fēng)化侵蝕.所以,解釋方差貢獻(xiàn)率50.86%的EOF1應(yīng)表征云母、長石等硅酸鹽巖風(fēng)化侵蝕,包含水解侵蝕(式8)、碳酸化(式6)及硫化物氧化(式7)形成H+驅(qū)動(dòng)的侵蝕;解釋方差貢獻(xiàn)率17.66%的EOF2應(yīng)表征區(qū)域以膏鹽為代表的蒸發(fā)鹽巖溶解侵蝕,這與除了喀拉玉兒滾河和昆侖山諸小河外,各子流域均與存在大中型石膏礦有關(guān),但南緣昆侖山/帕米爾水系以CaSO4風(fēng)化為主,輔以MgSO4風(fēng)化,而北緣天山水系蒸發(fā)巖中CaSO4很少,主要以鉀鎂質(zhì)鹽巖風(fēng)化為主;解釋方差貢獻(xiàn)率11.77%的EOF3在NO3-和HCO3-部分有較大荷載,前者因山區(qū)人口密度小,幾乎無農(nóng)業(yè)灌溉相關(guān)的無機(jī)化肥、土壤有機(jī)氮、生活污水[15]等方面補(bǔ)給,所以可能來源于氣溶膠中氮氧化物沉降,但在研究區(qū)水體中占比不足1%,可以忽略不計(jì),為此EOF3應(yīng)表征區(qū)域碳酸鹽巖為代表的風(fēng)化侵蝕,這與山區(qū)第四系沉積物中含有碳酸鹽巖碎屑有關(guān)[35-36,44].

表4 塔里木河流域出山水系中徑流水化學(xué)組分的因子分析載荷矩陣

2.4 冰川對(duì)水化學(xué)組成的影響

關(guān)于冰川融水補(bǔ)給為主的河流中,可溶性物質(zhì)濃度與通量的影響,Hodson等[45]嘗試在溶質(zhì)與流域面積或流量之間建立冪函數(shù)數(shù)值關(guān)系,但塔里木河流域出山徑流中總離子及各個(gè)離子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO3、SO42-和HCO3-)濃度與采樣點(diǎn)海拔、流域面積、冰川面積、徑流量和冰川融水量之間均無顯著相關(guān)關(guān)系,可能是這些參數(shù)沒有良好地呈現(xiàn)冰川對(duì)溶質(zhì)的作用,為此,嘗試構(gòu)建冰川覆蓋率、融水占出山徑流的比例與溶質(zhì)濃度之間的關(guān)系.結(jié)果表明除了濃度較小的K+、F-和NO3-外,總離子及其他離子濃度均與二者之間存在良好的相關(guān)性(表5).兼顧參數(shù)獲取的便捷性,本文更傾向于冰川覆蓋率作為評(píng)估各子流域溶質(zhì)濃度的參數(shù),這是因?yàn)楸ǜ采w率不僅可以影響融水補(bǔ)給量、河道徑流量,還是區(qū)域氣候、地形、海拔等自然要素的綜合反應(yīng).

表5 各子流域的水化學(xué)組成參數(shù)與冰川覆蓋率和冰川融水占比的相關(guān)系數(shù)

注:**表示sig<0.01;*表示sig<0.05.

圖6 冰川覆蓋率與總?cè)苜|(zhì)通量擬合曲線

塔里木河流域出山徑流中總離子濃度與冰川覆蓋率的指數(shù)關(guān)系擬合(式9),2=0.52(圖6),隨冰川覆蓋率減小,水體中總離子濃度呈指數(shù)式增加趨勢.當(dāng)冰川覆蓋率=0時(shí),總離子濃度為410.95mg/L,接近(半)干旱區(qū)發(fā)育的尼羅河(375.25mg/L)和黃河(453.28mg/L)[8]干流的濃度值.這主要是因?yàn)楦吆牡貐^(qū),受氣溫較低的限制,地表植被貧乏,凍融作用形成松散的碎屑物質(zhì)孔隙度大,易發(fā)生水巖作用所致.較塔里木河流域11665條冰川[27]而言,收集水樣數(shù)量較少,且采樣點(diǎn)控制流域的冰川覆蓋率較低,為此,盡可能地收集了全球其他冰川作用區(qū)流域(包括斯瓦爾巴特群島[45-48]、阿爾卑斯山[43,45,49]、格林蘭[40]、喜馬拉雅山南坡[2,9]、喀喇昆侖山[50]及中國境內(nèi)冰川[4,51-54])已有的冰川覆蓋率與總離子濃度的數(shù)據(jù),全球總離子濃度與冰川覆蓋率的指數(shù)關(guān)系擬合線(方程10),較干旱區(qū)的塔里木河流域偏左下.當(dāng)冰川覆蓋率=0時(shí),總離子濃度為307.47mg/L,小于塔里木河流域的評(píng)估值(410.95mg/L),這是由于北極、喜馬拉雅山及阿爾卑斯山等地區(qū)冰川屬于海洋型冰川,融水強(qiáng)度大導(dǎo)致水巖作用時(shí)間短所致,塔里木河流域冰川融水占比與出山徑流的總離子濃度及TDS也驗(yàn)證這一點(diǎn),但接近全球50條大河的總離子濃度均值280.24mg/L[8],說明擬合結(jié)果可以接受;當(dāng)覆蓋率= 100%時(shí),擬合方程9和10計(jì)算的總離子濃度分別為24.99和12.53mg/L,與我國西北祁連山七一冰川[53]、科其喀爾冰川[55],及喜馬拉雅山[2,9]、阿爾卑斯山[38]、斯瓦爾巴特群島[45]和格林蘭島[40]等冰川的冰面河或冰川冰內(nèi)總離子濃度相近,這進(jìn)一步說明空間尺度上利用冰川覆蓋率估算冰川作用區(qū)河道中可溶性離子濃度的可能性.方程之間的差異,可能受制于兩個(gè)方面的因素:一是巖性、水巖反應(yīng)類型及時(shí)間、下墊面等自然因素的影響;二是樣品數(shù)量相對(duì)不足的人為因素制約,如塔里木河流域擁有過萬條冰川及其發(fā)育的144條支流,而采樣和收集用于分析的支流不足25%;同時(shí)也表明,如要較準(zhǔn)確評(píng)估區(qū)域性河流中可溶性物質(zhì)通量或水化學(xué)侵蝕強(qiáng)度時(shí),因巖性、蒸發(fā)、降水等因素的影響,可能還需建立區(qū)域性擬合方程,具體還有待進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論

3.1 塔里木河流域出山徑流水體以硅酸鹽巖的碳酸化溶濾水為主,離子類型為Ca-HCO3型,其次為(Ca+Mg)-SO4混合型.南緣昆侖山/帕米爾高原各子流域的出山徑流中,TDS和離子總量的加權(quán)平均值(權(quán)重為徑流量)分別為424.02和356.20mg/L,遠(yuǎn)高于北緣天山出山徑流的相應(yīng)值(268.43和220.04mg/ L),這是因?yàn)樘焐缴絽^(qū)大量分布的巖漿巖,抑制了區(qū)域水化學(xué)侵蝕強(qiáng)度.

3.2 出山徑流的水質(zhì)主要受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的碳酸化作用支配.南緣昆侖山/帕米爾高原水系不僅伴有蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化,還與天山阿克蘇河水系一樣,伴有碳酸鹽巖風(fēng)化.風(fēng)化過程受硫化物氧化產(chǎn)生的H+影響,一定程度上抑制了碳酸化風(fēng)化,并限制了大氣CO2消耗.

3.3 塔里木河流域出山徑流中主要離子濃度顯著受冰川覆蓋率和融水強(qiáng)度的影響.建立的總離子濃度與冰川覆蓋率擬合方程,符合我國西北干旱區(qū)出山徑流水質(zhì)的特點(diǎn),但受自然與人為因素的制約,與全球尺度擬合的方程存在一定差異.

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Hydrochemical characteristics of the mountain runoff in Tarim River Basin, China.

WANG Jian1, HAN Hai-dong2, XU Jun-li1*, LI Yong-shan1

(1.School of Urban and Planning, Yancheng Teachers University, Yancheng 224007, China；2.State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)., 2021,41(4)：1576~1587

On the basis of regional geology, the reasons for the formation of hydrochemical components of the Mountain Runoff were analyzed, and the source of solutes and their controlling factors were discussed in Tarim River Basin, China. The results showed that the mountainous runoff was mainly composed of carbonated dissolving water of silicate rock with the dominant ion type of calcium bicarbonate (Ca-HCO3) and the secondary type of calcium/magnesium sulfate (Ca/Mg-SO4) mixture. The weighted averages of the total dissolved solids (TDS) and the total number of ions in the mountainous runoffs in the Kunlun Mountains and Pamirs Plateau were 424.02 and 356.20mg/L, respectively, which were much higher than the values of 268.43 and 220.04mg/Lin the Tianshan Mountains, respectively. The differences were mainly due to that a large number of magmatic rocks spread over the Tianshan Mountains, which reduced the erosive intensity of regional hydrochemistry. With the combination of the methods of Gibbs diagram and factor analysis, it was determined that the water quality of mountain runoffs was mainly controlled by silicate weathering. The water system in the Kunlun Mountain and Pamirs Plateau was not only accompanied by evaporative salt rock weathering but also by carbonate rock weathering similar to that in the Aksu River system in Tianshan Mountains. During the weathering process, the H+produced by sulfide oxidation inhibited the carbonation weathering, which lowered the atmospheric CO2consumption to a certain extent, especially in the Dina, Kara Yuergun and Kashgar River basins rich in coal seams and copper mines. With the exception of fluorine (F-) and nitrate (NO3-), the concentrations of the other ions and the total ions all presented strong correlation with the rate of glacier coverage rate and the ratio of the glacial meltwater to surface runoff in the Tarim River basin. The fitted exponential equation established between the concentration of the total ion and the rate of glacier coverage conformed to the characteristics of mountain water quality in the arid area of northwest China. Nevertheless, under the interference of natural and anthropogenic processes, there existed a certain difference between the equations fitted in the Tarim River basin and on a global scale.

hydrochemical composition；rock weathering；glacier coverage；Tarim River Basin

X523

A

1000-6923(2021)04-1576-12

王 建(1979-),男,江蘇東海人,副教授,博士,主要從事寒區(qū)水資源與環(huán)境研究.發(fā)表論文40余篇.

2020-08-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41871055);甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(17JR5RA314)

* 責(zé)任作者, 副教授, xujunli05@lzb.ac.cn