实测中领会岩性差异对漓江水化学性质的影响

刘科成

水循环是高一《地理》必修课的基本内容。虽然分布在陆地上的天然水只占全球水储量的3.47%，但它在自然环境中的作用非常巨大，供应了人类生产生活必需的淡水。陆地天然水中溶解有许多化学元素，其来源和含量受很多因素影响。天然水在与大气、土壤、植被、岩石等接触过程中，将许多物质溶解并挟持进来，参与到水循环中。然而，陆地天然水的化学性质主要还是由它们所流经地区的岩石性质决定。那么，岩性差异如何影响天然水化学性质的变化？一次去桂林旅游，选取漓江流经的花岗岩地区和石灰岩地区进行了现场数据采集，在分析漓江水化学性质的差异中，真实领会了桂林喀斯特地形地貌的形成原因。

一、漓江样点的选择和测试方法

众所周知，漓江是一条地表河流，发源于我国南岭中越城岭的猫儿山，汇入珠江的支流西江。漓江全长164km，流经地区属亚热带季风气候区，年平均气温18～19℃，年降水量1 686.5～2 182.5mm，年蒸发量为1 263～1 566mm。漓江流域气候湿热，雨量充沛。上游流经花岗岩地区，中下游流经石灰岩地区，是我国典型的岩溶地貌分布区。2014年6月，以桂林为首的中国南方喀斯特第二期项目申遗成功，桂林山水亦荣登世界自然遗产名录。

2016年暑假，在领略峰丛峰林、孤峰平原的漓江风光和桂林山水时，选择漓江上游的新寨村（距离桂林市30km）和中游的桂林市作为研究地点。在每个地点上，沿着漓江水流方向各选择4个样点，现场观测漓江水化学的变化情况。实时测量使用仪器包括：便携式Multiline3430多参数自动监测仪，分辨率分别为0.1℃、0.01pH单位和1μs/cm，用来监测水温、pH值和电导率三个变量；碱度计，用来测量HCO3-和Ca2+含量变量。

二、结果与讨论

漓江在新寨村流经花岗岩地区，而在桂林市流经石灰岩地区。花岗岩主要是由石英（SiO2）、长石和云母等硅酸盐类矿物质组成，而石灰岩主要是由方解石（CaCO3）矿物质组成。因此，漓江流经这两个地区的天然水化学性质表现出很大差异（如表1）。

从表1测量的数据中，可清楚地看出所测量五个变量的变化情况。

第一，水温。漓江水温从上游向下游方向有逐渐增大的趋势。这与漓江自北向南所流经地区的气温和土温等有很大关系，自然会影响其余参数的动态变化。

第二，pH值。pH值是表示溶液酸性或碱性程度的数值，也是水化学性质的基本参数。在大多数天然水中（pH=6～10），酸度主要由二氧化碳与水形成的碳酸构成。新寨地区（样点XZ1～XZ4）pH处于6.1～6.5，偏酸性。表明水中含有较多的游离二氧化碳，随着二氧化碳的水解，水质偏酸性。桂林地区（样点GL1～GL4）pH基本都大于7，普遍偏碱性，这是典型岩溶水pH的特点。表明岩溶地区由于碳酸盐岩（主要包括石灰岩和白云岩）的强碱弱酸性使天然河水的pH多呈弱碱性。另外，水解的二氧化碳溶解易溶的石灰岩矿物方解石（CaCO3）使水质趋向于饱和，消耗二氧化碳，使pH动态上升。

第三，电导率。电导率是测定水中盐类含量的相对指标，能够反映天然水中离解成分的总浓度。实验数据表明：漓江在流经花岗岩地区时，电导率偏低一些，处于55～83μs/cm。流经石灰岩地区时，电导率急剧增高，达到109～163μs/cm。这反映水中可溶性盐类含量的逐渐累积过程和流经不同岩性区含量显著变化的差异。与漓江中下游石灰广布岩且与它的易溶岩性有很大关系。

第四，HCO3-。HCO3-是天然水中所含的一种主要阴离子，由碳酸岩矿物与含有CO2的水作用而形成。从表1可看出，新寨花岗岩地区的漓江水HCO3-大多小于1mmol/L，桂林石灰岩地区HCO3-普遍大于1mmol/L。这说明石灰岩比花岗岩更易受水化学风化的影响。漓江中下游流域纯石灰岩分布广泛，石灰岩在CO2和 H2O 的参与下非常容易发生岩溶作用，造成HCO3-成为河流中最主要的阴离子。研究得到如下推論：在流经岩溶地区，漓江水中HCO3-含量在阴离子中最高，占阴离子的总量高达90%；而在流经新寨地区的只有40%。

第五，Ca2+。Ca2+是天然水中所含的一种主要阳离子。漓江流经桂林地区时，水中的Ca2+含量较高，在19.66～22.29 mg/L之间。新寨地区则要低很多，在2.31～9.56mg/L之间。这一结果有助于证实如下推论：漓江岩溶地区阳离子中Ca2+含量最高，可占阳离子总量的85 %以上；而在新寨区可能只有60%。桂林地区由于石灰岩分布厚度大，质地纯，是我国典型的岩溶地区。因此，流经该地区的地表水和地下水普遍偏碱、含Ca2+高等特点。水的化学成分主要来源于碳酸盐矿物的溶解，其它盐类成分很少，成为典型的岩溶水，主要属于HCO3-—Ca2+型水。新寨地区由于花岗岩分布（花岗岩主要由石英、长石和云母等硅酸盐类矿物组成）。因此，水中SiO2含量相对较高。这是二者岩性不同使得流经此区的漓江从上游至中下游，水中主要离子含量表现出显著差异的原因。

三、结论

岩石的矿物组分是影响天然水化学性质的主要物质来源。漓江在新寨村流经花岗岩地区，在桂林市流经石灰岩地区。因此，它们的水化学表现出显著的差异。新寨地区水化学主要体现为偏酸性、HCO3-和电导率较低、SiO2含量较高等特点。桂林地区水化学主要体现为偏碱性、HCO3-和电导率较高、Ca2+含量较高等特点，属于典型的HCO3-—Ca2+岩溶水。结合已有资料可知，天然水在流经碳酸盐岩分布地区的天然河流时，其阴阳离子通常以HCO3-和Ca2+为主导。

通过实验，明确了漓江能够在流经桂林地区时形成 “山青、水秀、石美、洞奇”的典型岩溶（喀斯特）地形地貌的主要原因：这里分布的石灰岩是一种非常易溶且残留物很少的岩石，流经该地区的漓江水能够把岩石溶解并带走。因此，水中含有的主要离子来源于石灰岩的HCO3-和Ca2+，由此也形成了桂林地区地上地下都存在喀斯特侵蚀和沉积景观。花岗岩的组成矿物石英和长石等抗风化能力都非常强，其结构和构造致密。因此，它们往往保持高大而奇峰独立的特点。我国很多高大的名山，例如，黄山、泰山、华山等，大多由花岗岩形成。

最后，需要说明的是，天然水的成分非常复杂，除了流经地区的岩性是一个非常重要的影响因素外，大气、土壤、植被以及人类活动对水化学的影响也非常显著。所以，研究一个地区天然水的水化学性质，必须全面考虑其所流经地区的各种因素，才能得出更加全面的结论。▲

作者单位：重庆市西南大学附属中学高2018级13班（400700）