张家界地质公园的水化学特征分析

2015-12-22闫云霞

湖南师范大学自然科学学报 2015年1期

贺莉，闫云霞，颜明

(中国科学院地理科学与资源研究所，陆地水循环及地表过程重点实验室，中国北京 100101)

张家界世界地质公园位于中国湖南省张家界市武陵源境内，其造景地貌类型多样，被名为“张家界地貌”［1］.亚热带温暖湿润气候下的丰沛降水和强烈的溯源侵蚀作用是张家界峰林地貌形成的主要外动力之一［2］.然而，处于热带-亚热带湿润气候区的华南及华中地区为化学剥蚀模数的高值区［3-4］.长江水系河水水化学组成主要受岩石溶解作用的影响，仅鄱阳湖水系各支流及长江中下游部分小支流站点表现出既受大气降水成分影响又受岩石溶解作用影响的过渡性质［5］.为了更好地了解区域内降雨对岩石的溶解作用，本文以张家界世界地质公园中的地表河流金鞭溪和索溪(在索溪湖以上的河段)为研究对象，以周边水文站历史实测水化学数据为基础，结合野外采集样品的分析数据，分析区域内河水的水化学组成.

1 研究区概况

张家界砂岩峰林地质公园位于湖南西北部张家界市武陵源区境内，属西南云贵高原东北沿武陵山腹地的中低山区.地理位置为29°16'25″～29°24'25″N，110°22'30″～110°41'15″E，面积达398 km2.气候类型为中亚热带山地型季风湿润气候，年均气温14～15 ℃，1月日均温度为1～5 ℃，7月日均温度为23～27 ℃，平均无霜期240～300 d，年平均相对湿度为77%，年降雨量为1 200～1 600 mm，且相对集中于夏季，侵蚀能力强.

公园地处整体呈北东走向的武陵山脉东北部，属于中国三大地貌阶梯中第二与第三阶梯间的过渡地带.地貌类型以石英砂岩峰林地貌为主，其次为喀斯特地貌、侵蚀构造地貌、河谷堆积地貌.构成张家界砂岩峰林地貌的岩石主要有单一的石英砂岩和石英砂岩夹页岩层［6］.单一的石英砂岩为巨厚层，质纯，岩层厚度＞520 m，石英含量75%～95%，其胶结物多为铁质、硅质等，岩石化学性质在表生环境下十分稳定，具较强的抗蚀性［6］.石英砂岩夹页岩层存在于巨厚层石英砂岩中，其胶结物中含有钙质，抗风化侵蚀的能力较弱，易于风化剥蚀，造成崩塌.崩塌的岩块性脆而易裂，易被洪水带入河床［6］.主要水系属洞庭湖支流澧水上游一级支流溇水的次一级支流索溪水系，流域面积534 km2，全长68.3 km.金鞭溪是张家界国家森林公园里唯一的河流，全长约8 000 m，发源于朝天观下的土地娅，由西南流向东北，途中汇合了多条溪流，经水绕四门进入索溪峪后称为索溪，并由索溪流入溇水.多年平均流量2.89 m3/s，落差150 m，河道宽3～20 m，上游3～5 m.本文研究区的位置如图1所示.

图1 野外测量路线及测点分布示意图Fig.1 Field measurements and the measuring point distribution

在索溪湖以上的索溪河段和金鞭溪均没有布设控制水文站，索溪的出口控制站是双枫潭水文站，仅有流量等实测资料，因此在分析中并没有考虑双枫潭水文站.而公园周边水文站中，仅大庸水文站(1997年改为张家界水文站)和长潭河水文站有水质测验项，本文的实测资料即来源于长潭河水文站、大庸水文站和三江口水文站.长潭河水文站是溇水的流域出口控制站，水文控制面积4 913 km2，多年平均径流量为5.37 km3，径流模数为1.068 m/a;大庸水文站属长江流域澧水水系澧水，在1947—1954年的水文控制面积为4 751 km2，1955年以后的水文控制面积为4 627 km2，多年平均径流量4.86 km3，径流模数为1.051 m/a;三江口水文站是澧水的出口控制站，代表澧水流域内的离子组成.

2 野外调查及采样

于2012年4月进行了野外调查、样品采集和实验分析，野外测量历时6 d.本次野外考察的采集地点见图1.根据流域干支流情况布设采样点并采样［7］，并在野外现场测试pH 值，水化学分析由中国科学院地理科学与资源研究所的理化中心测试分析.干流采样点一般布置在支流汇入点的上下游;支流采样点一般布设在支流出口处，代表了整条支流的离子化学组成及其对干流的物质贡献.采样点基本覆盖了区域内的主要支流，包括甘溪、鸳鸯溪、龙尾溪、衫刀沟、琵琶溪等支流，共20 个测点，其中干流上共有测点11 个，支流测点9个，测点的分布范围为29°18'41″～29°22'30″N，110°25'50″～110°29'25″E.

3 结果分析

3.1 水文站离子化学特征

根据澧水水系11 个水文站多年径流量、含沙量和离子总量及集水面积估算，澧水流域内的离子径流模数为153.0 t/(km2·a)，离子径流量为2.573 Mt，多年平均悬移质侵蚀模数469.2 t/(km2·a)，矿化度多年平均值大于190 mg/L［8］.根据溇水流域内水文站(上游南岔站和出口长潭河站)资料分析可知，河流穿行于石灰岩高山深谷中，风化壳较厚，径流深大于1 000 mm，化学剥蚀十分强烈，离子径流模数均在200～235 t/(km2·a)以上，矿化度大于190 mg/L［9］.这说明溇水流域的化学剥蚀强度大于澧水流域的平均化学剥蚀强度.

表1 同样表明，溇水长潭河站的离子径流模数大于200 t/(km2·a)，大于澧水三江口站的离子径流模数156 t/(km2·a)，也大于我国河流离子径流模数的均值44.2 t/(km2·a)［10］.溇水流域内的矿化度达到190 mg/L(表2)，大于世界河流的平均值(64.35 mg/L)及我国大中河流的均值166 mg/L(其他主要河流的离子总量为140～400 mg/L)，也大于长江大通站的多年平均值(162 mg/L)和洞庭湖水系河水的平均矿化度(160 mg/L)，接近淮河蚌埠站多年均值207 mg/L［10-12］.以上分析均表明，溇水流域内的离子径流模数和矿化度在澧水流域属偏大的流域.

洞庭湖水系各地4～10月多年平均降雨量为800～1 200 mm，占年总量的65%～70%，因此4～10月是洞庭湖水系各区化学剥蚀的高峰期［8，12］.然而，澧水由于河水补给来源单一(主要是降水)，流域面积小，因此流域内水体交换、调节均匀.此外，风化壳和土壤因长期遭受淋溶而缺乏易溶盐类，致使丰、枯年淋溶物质相差不大，河水化学组成较稳定，各主要离子含量的年内、年际变化小，Cl－、(K++Na+)离子含量几乎无明显变化，同时，矿化度一般枯水期稍高于洪水期，但年际变化不大，大体上随年径流量的大小在较小范围内变动［9］.水文站的数据(表2)同样表明，3 个水文站在4～10月的离子径流模数约占多年平均离子径流模数的70%，4～10月的多年平均径流量占多年平均径流量的比重约为75%，即汛期河水矿化度与全年河水矿化度相差不大，汛期径流量占全年径流量的比值与离子径流量占全年离子径流量的比值接近.因此，索溪流域在4～10月河水的矿化度与全年的也相差不大.

表1 水文站的离子径流量等特征值Tab.1 Characteristics of ion runoff of hydrological stations

表2 水文站的离子组成及径流量的季节变化Tab.2 Ion composition and seasonal variation of runoff at hydrological stations

从3 个测站的水化学组成看(表3)，优势阳离子是Ca2+，约占阳离子总量的41%～72%，优势阴离子是，约占阴离子总量的84%～98%.各主要离子质量浓度关系为ρ(Cl－)，ρ(Ca2+)＞ρ(K+)+ρ(Na+)＞ρ(Mg2+).总体看来，溇水的离子组成与澧水的离子组成基本一致.

岩石风化是控制河流离子组成的主要因素，河流汇水区母岩类型的不同组合造成不同河流阴阳离子组成差异［13］.Hu 等［14］对我国长江、黄河、雅鲁藏布江、澜沧江及鸭绿江等的水化学研究指出，中国河流水的离子组成主要受碳酸盐岩和蒸发岩溶蚀作用的影响，受铝硅酸盐岩风化作用的影响不如前两者明显.Ca2+和Mg2+来源于碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发岩的风化，Na+和K+来源于蒸发岩和硅酸盐岩的风化，和Cl－来自蒸发岩，而溶解性硅酸盐来自硅酸盐岩风化.张家界石英砂岩中SiO2质量分数为79.40%～97.20%，而生物碎屑灰岩中SiO2质量分数为1.9%～4.9%［12-13］.含SiO2多的石英砂岩通常比含SiO2少的灰岩抗风化侵蚀能力强;含CaO 多的岩体比含CaO 少的岩体更容易被流水溶蚀和侵蚀，这也是石英砂岩和生物碎屑灰岩差异风化的原因所在［15-16］.张家界砂岩峰林地貌上的风化壳中，SiO2的含量较高，Al2O3、Fe2O3的含量较低，而硅铝率、硅铁率较高.从表3 也可知，区域内的阴离子主要为碳酸氢根，阳离子主要是钙离子，因此区域的离子化学组成主要受碳酸盐岩风化控制.

表3 测站的水化学组成特征Tab.3 Hydro-chemical composition of hydrological stations

3.2 野外测点的离子化学特征

用三角组分图解法来分析所测得的水化学数据，可将不同化学组分类型的水明显区分开来，以体现出河水溶质成分来源［17］.因此，根据公园内各测点水样的离子组成(表4)，将测点离子质量浓度点绘在阳离子Ca2+—Mg2+—(K++Na+)三角组分图中(图2).总体上看，优势离子是Ca2+，然后依次是，SiO2，Na+，Mg2+和K+.具体来说，Ca2+质量浓度最高的3 条支流依次为衫刀沟、鸳鸯溪和甘溪(大于20 mg/L);琵琶溪与龙尾溪的钙离子质量浓度最小，约为5 mg/L;金鞭溪Ca2+含量整体相对较低，索溪上游部位的钙离子含量与金鞭溪类似，在甘溪汇入后受其影响，钙离子含量剧增，在索溪湖水库入口处，钙离子质量浓度达到32 mg/L.各支流的质量浓度区别不大，基本为10～20 mg/L，其中，甘溪上游部位的含量最大，金鞭溪上游和衫刀沟上游部位的含量也相对较高.衫刀沟上游部位的SiO2质量浓度超过15 mg/L，其余各点的SiO2质量浓度基本为5～15 mg/L.金鞭溪上游部位测点的Na+质量浓度较大，其余测点的值都为1～3 mg/L.金鞭溪上游和衫刀沟上游部位测点的Mg2+质量浓度较大，其余测点的值都为1.5～2.5 mg/L，琵琶溪的Mg2+质量浓度最小，为1.23 mg/L.金鞭溪上游部位测点的K+质量浓度较大，其余的都为0.5～1.5 mg/L.需要指出的是，金鞭溪上游部位的测点P10 和P11 在森林公园入口附近，尤其P10 点是在森林公园外，附近居民较多，对测点数据影响较大.由表2 分析可知，索溪流域在4～10月的河水矿化度与全年的河水矿化度相差不大.因此，本次野外测量的主要离子含量基本可以代表区域内各干支流在年内的离子化学组成.由此可知，衫刀沟、鸳鸯溪和甘溪的离子含量整体较高，其中以衫刀沟的离子含量最高;而琵琶溪和龙尾溪的离子含量相对较小.

表4 野外实测各测点的主要离子质量浓度(单位:mg/L)Tab.4 Ion content of each measuring point of the field survey(Unit:mg/L)

测点P8 位于索溪干流上，紧邻索溪湖入口，同时也位于武陵源景区的出口，因此该测点基本可以包含索溪上游所有支流的情况.选择该点为该峰林地貌公园的出口控制站(图2).与表3 的对比分析表明，测点P8 的钙离子含量与长潭河水文站的实测数据接近，Mg2+、Na+、K+离子相对偏少，同时，离子的含量比水文站数据稍大.

受气候、水文各要素的季节变化和地貌、土壤格局的综合影响，洞庭湖水系的矿化度、离子径流模数、侵蚀模数具有同一分布规律，即均有自外围山区向洞庭湖平原东北部递减的总趋势［12］.上述水文站数据的分析也表明，溇水流域内的离子径流模数和矿化度在澧水流域属偏大的流域，而位于索溪出口的测点P8 的钙离子含量与长潭河水文站的实测数据接近.因此，要估算地质公园索溪的离子径流量，采用澧水流域内11 个水文站计算得到的多年平均的离子径流模数将偏小，而采用溇水长潭河站的数据将更为合理.

图2 河水主要阳离子的离子三角组分图Fig.2 Ion triangle component diagram of major cations

区域内年离子径流量的计算公式为

其中，W区为年离子径流量(t)，F 为流域面积(km2)，Rs为年离子径流模数(t/km2).

采用溇水流域长潭河站的平均离子径流模数210.0 t/(km2·a)，而峰林地貌公园的出口控制站p8 测点的控制流域面积约为70.9 km2，可以估算出地质公园区域内每年的离子径流量约为15 kt.其中，Ca2+，Mg2+，Na+和K+的平均质量浓度分别为19.3，2.1，2.4 和1.3 mg/L，而SO2－4 和SiO2的平均质量浓度分别为14.6 mg/L和9.3 mg/L;Ca2+和的平均质量浓度绝对值较大，是决定地质公园内金鞭溪和索溪河水水化学特征的优势离子.