塔里木河流域出山径流水化学特征研究

王 建,韩海东,许君利*,李永山

塔里木河流域出山径流水化学特征研究

王 建1,韩海东2,许君利1*,李永山1

(1.盐城师范学院城市与规划学院,江苏 盐城 224007；2.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)

本文以区域地质为背景,对塔里木河流域山区径流水化学组分特征进行分析,探讨溶质的来源及其控制因素.结果表明:塔里木河流域出山径流水体以硅酸盐岩的碳酸化溶滤水为主,离子类型为HCO3--Ca2+型,其次为SO42--(Ca2++Mg2+)混合型.南缘昆仑山/帕米尔高原各子流域的出山径流中,TDS(溶解性总固体)和离子总量的加权平均值(权重为径流量)分别为424.02 和356.20 mg/L,远高于北缘天山出山的相应值(268.43和220.04mg/L),这是因为天山山区分布大量的岩浆岩,抑制了区域水化学侵蚀强度.运用吉布斯图及因子分析等方法,确定出山径流的水质主要受硅酸盐岩的碳酸化作用控制,其中南缘昆仑山/帕米尔高原水系不仅伴有蒸发盐岩风化,还与天山阿克苏河水系一样,伴有碳酸盐岩风化.风化过程中,硫化物氧化产生的H+抑制了碳酸化风化,一定程度上限制了大气CO2消耗,尤其是在有煤层、铜矿等硫化物分布的迪那河、喀拉玉儿滚河和喀什葛河流域.塔里木河流域出山径流中除了F-和NO3-外,其他离子和总离子浓度均与冰川覆盖率和融水占径流比例之间存在良好的相关性.总离子浓度与冰川覆盖率之间建立的指数拟合方程,符合我国西北干旱区出山水质的特点,但受自然与人为因素的制约,与全球尺度拟合的方程存在一定差异.

水化学组成；岩石风化；冰川覆盖率；塔里木河流域

地表径流中的可溶性物质,主要源于化学与物理风化对地球表层不同类型岩石的侵蚀[1],而侵蚀过程中,碳酸盐和硅酸盐碳酸化、硫化物氧化等化学风化过程,不仅限于促进地表物理侵蚀强度、吸收有利于加速岩石风化强度的大气CO2[2],减缓全球升温[3],还可以改变水体的酸碱度与水质状况.这些研究涉及到溶质的浓度、来源、迁移、富集及影响因素等诸多方面[4-5].在水资源匮乏的干旱区半干旱地区,也开展了一些研究,如疏勒河、伊犁河、尼罗河[6-8]等.流域尺度上,从溶质侵蚀与迁移的载体看,研究涉及到大气降水、地下水、积雪融水等[1,9],鲜有涉及冰川融水.

塔里木盆地生态环境脆弱,作为中巴经济走廊经济建设重点生态环境保护区域之一,具有重要的地位和作用[10].一方面,由于区域气候影响,出山径流水量显著增加[11-12];另一方面,因区域人类活动强度的增大,地表水的水量与水质均面临严峻考验[13].为此,对流域地表水水化学组成及影响因素方面已经开展了一些研究,多集中于单条支流或者某一绿洲区河段的研究[14-15].但冰川融水作为地表径流的重要补给源,是我国西北绿洲地区工农业发展急需的水资源保障,虽然被定性地指出对流域河流水质具有显著地影响[16-17],但均没有定量化冰川在水质形成与演化方面的作用.本文以区域地质为背景,对塔里木河流域山区径流水化学组分特征进行分析,探讨溶质的来源及控制因素,尤其是冰川分布及其融水补给作用的影响,以期为塔河流域中下游绿洲经济可持续发展和生态环境保护提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

地处欧亚大陆腹部,远离海洋,并发育我国第一大内陆河的塔里木河流域,面积102万km2,由天山南坡发育的阿克苏河、开都河—孔雀河、迪那河、渭干河、库车河和昆仑山/帕米尔高原发育的喀什噶尔河、叶尔羌河、和田河、克里雅河及车尔臣河等九大子流域,144条支流组成(图1).受区域环境变迁及农牧业快速发展而耗水的影响下,目前塔河干流73.2%的水量补给源于阿克苏河,和田河和叶尔羌河对塔河干流补给分别仅占23.2%和3.6%[13],且仅限于丰水期补给,逐渐演变为间歇性河流.流域降水多集中在南北缘高山区,山麓与平原区降水稀少,不足100mm,为此,区域植被稀疏,生态环境十分脆弱[18].

选取主要支流的总面积为221176.41km2,占塔里木河流域面积的20.87%,其中冰川面积为23857.10km2,超过塔里木河流域冰川面积19877.65km2,这是因为后者统计仅限于国内部分,但部分子流域境外也有冰川分布,如塔河主要支流阿克苏河上游60%以上冰川发育在吉尔吉斯斯坦境内[12].这些冰川主要分布在叶尔羌河、和田河、喀什噶尔河、克里雅河、阿克苏河和渭干河等6大子流域(表1).多年平均径流量为352.48×108m3,占塔里木河流域地表水资源量409.9×108m3[34]的85.99%,其中冰川融水约占42.47%,接近于高鑫等[11]对塔里木河流域冰川融水占径流量评估值的41.5%,这说明选取的径流采样点对塔河流域出山径流而言具有很好的代表性,同时,冰川融水径流可能是控制山区水化学侵蚀的关键要素和物质迁移的主要载体.

图1 塔里木河流域出山径流水样采集点空间分布

图中1~34号采样点信息详见表1

表1 塔里木河流域主要支流冰川水文相关参数

1.2 区域地质背景

依据全国地质资料馆公布的新疆1:50万地质图,塔里木河流域北缘山区主要由南天山山脉的哈尔克山和虎拉山组成,二者一般以独库公路(库车河河道)为界,前者发育阿克苏河、喀拉玉儿滚河和渭干河,后者发育迪那河和开都河-孔雀河(简称:开孔河).哈尔克山有大量早泥盆世火山岩和陆源碎屑岩分布,其火山岩主要由中基性火山岩与中酸性火山岩构成,岩石化学组成显示为低钾的钙碱性玄武岩系列,上覆岩层主要是中泥盆统角度不整合的沉积岩.虎拉山主要由前寒武纪结晶基底和大量的古生代侵入岩组成,另有少量的前寒武纪侵入岩.其中早古生代侵入岩岩性主要为片麻状花岗岩和片麻状二云花岗岩,岩体具有高碱低钙花岗岩的特征[35].

南缘西昆仑山/帕米尔高原地区岩浆岩活动整体上相对较弱.区域基底主要由片麻岩及云母石英片岩等变质岩组成,上部由少量寒武系的变质岩及大量古生界以来的沉积层覆盖,被多期岩浆岩穿插.其中,古生界沉积物主要由陆源碎屑沉积物和少量碳酸盐岩构成,中生界的侏罗系含煤碎屑沉积层主要分布在山间盆地,包含风成黄土层的新生界沉积层主要分布在山麓及平原区.穿插的岩浆岩以中性闪长岩构成的大型岩基为主,属于钙碱系列,伴有酸性的花岗岩出露.另外,被新生界地层覆盖的变质岩基底中,普遍夹有大理岩[36].

1.3 样品采集与分析

针对塔里木河流域9大子流域的众多支流主要发源于南北缘山区冰川融水的特点,结合前人地表径流研究成果多基于新疆水文观测站的因素,水样收集一般在水文站附近.本文于2016-07-14~2016- 08-09和2018-07-06~2018-07-27两个时段,对31个水文站(采样点)附近各进行一次取样(图1).为降低误差,计算过程中取各采样点2次采样的平均值进行分析.其中盆地北缘天山出山径流共设12个水样断面,包括:渭干河(支流木扎提河破城子1、卡拉苏河卡拉苏2、卡木斯浪河卡木鲁克3、库车河兰干站4、黑孜河黑孜站5)、阿克苏河(支流台兰河台兰8、托什干河沙里桂兰克9、昆马力克河协和拉10)、喀拉玉儿滚河(11)、开都河(支流大山口12、黄水沟13)和迪那河(14);南缘昆仑山/帕米尔高原共设19个水样断面,包括:叶尔羌河(卡群18及支流塔什库尔干河伊尔列黑15、提兹那甫河玉孜门勒克16和江卡17)、和田河(支流喀拉喀什河托满19和乌鲁瓦提21、皮山河皮山站20、玉龙喀什河同古孜洛克22)、昆仑山小河(克里雅河努努买买提兰干站23、尼雅河尼雅24、策勒河策勒站25)、喀什葛尔河(支流盖孜河克勒克站27、喀拉库里河喀拉库里28、克孜河牙师29、库山河沙曼站30、维他克河维他克32、克孜河卡拉贝利32和小支流卡浪沟吕克河卡浪沟吕克33、依格孜牙河克孜勒塔克34).取样分别采用80和500mL聚乙烯瓶密封保存,前者用于阴阳离子分析,后者用于pH值、电导率(EC)和溶解性总固体(TDS)测定及HCO3-滴定.另外,阿克苏河支流昆马力克河青冰滩72号冰川(样点编号6)和柯柯雅河科其喀尔冰川(样点编号7)、喀什葛尔河支流盖孜河卡尔塔马克冰川(样点编号26)的融水径流水化学数据,分别源于赵爱芳等[21]、Wang等[17]和赵华标等[29]研究的平均值.

样品在野外进行避光保存,运回后立即放于-15 ℃低温冷库中.室内分析前,样品在室温下自然融化,利用上海雷磁DDS-307A型电导率仪测定EC和TDS,PHSJ-3F型pH计测定pH值.阳离子(Na+、K+、Mg2+和Ca2+)和阴离子(F-、Cl-、SO42-和NO3-)分别采用Dinex-600 离子色谱仪和ICS-1500离子色谱仪进行测定.需要说明的是离子浓度超过仪器测量上限时,采用质量法稀释后测定.阴阳离子的测定误差一般低于1%.另外,HCO3-采用雷磁ZD-2型自动点位滴定仪滴定,其中个别样品pH>8.2时,1mol CO32-计为2mol HCO3-进行计算.为了验证样品测定的可靠性,采用式(1)计算阴阳离子的电荷平衡误差[37],结果均在-3.75%~3.18%之间,在±4%之内,可用于进一步分析.

2 结果与分析

2.1 塔里木河流域出山径流水化学组成特征

剔除径流包含关系的6、17、26、27和29号采样点数值后(图1),塔里木河流域主要出山河水以径流量为权重的加权平均水化学组成(式2)如表2.各子流域pH值介于7.58~8.32之间,平均为7.84,呈弱碱性.TDS浓度在190.96(阿克苏河)~561.5mg/L (迪那河)之间,平均为353.75mg/L.阳离子中,Ca2+质量浓度最大(42.80mg/L),其次为Na+、Mg2+,分别为26.48和9.88mg/L,K+浓度最小(1.74mg/L).阴离子中HCO3-浓度最大,为112.93mg/L,其次为SO42-、Cl-,分别为75.35和24.03mg/L,NO3-和F-浓度非常低,浓度分别仅为1.31和0.18mg/L.从各离子质量浓度占比的角度而言,流域出山径流的阳离子主要以Ca型和Ca+Na混合型为主,阴离子主要以HCO3型和SO4型为主,为此,按照前苏联学者舒卡列夫水化学类型划分方法,流域出山径流水体以岩石的碳酸化溶滤水为主,离子类型为Ca-HCO3型,其次为(Ca+Mg)- SO4混合型(图2).对比而言,南缘昆仑山/帕米尔高原各子流域的出山径流中,TDS和离子总量的加权平均值(权重为径流量)分别为424.02和356.20 mg/L,远高于北缘天山出山径流的相应值(268.43和220.04mg/L),这是因为天山山区大量分布的岩浆岩[35],抑制了区域水化学侵蚀强度.

式中:为离子浓度,mg/L,或pH值;为径流量,m3/S;为子流域序号(=1,2,3,……);为子流域中第采样点.

虽然河水中可溶性物质主要来源于区域不同岩石类型的侵蚀,但即使岩性相似的河流之间,因气候、水文、地貌及下垫面等因素影响,出山径流水化学组成也差异极大[9,38].塔里木河流域各子流域出山径流水化学组成如图2,出山径流分别仅占北缘天山出山径流1.55%和2.40%的喀拉玉儿滚河和迪那河均属于(Ca+Mg)-SO4混合型.开都河(大山口12和黄水沟13)水化学组成属于典型的Ca - HCO3型.渭干河5个支流采样点中,支流木扎提河的破城子(1)、喀拉苏(2)和卡木鲁克(3)中,前二者属于Ca-HCO3型,后者属于Ca-SO4型;支流库车河属于(Ca+Mg)-SO4混合型;支流黑孜河属于Na-SO4型.流量占近一半的阿克苏河中,青冰滩72号冰川、科其喀尔冰川及托什干河(沙里桂兰克9)均属于Ca - HCO3型;台兰河和昆马力克河(协和拉10)属于(Ca+Mg)-SO4混合型.南缘昆仑山/帕米尔高原中,径流量较小的克里雅河、尼雅河和策勒河分别是(Ca+Na)-HCO3型、(Ca+Mg)-SO4混合型和Na-SO4型;径流占比18.79%的喀什葛尔河中,盖孜河的卡尔塔马克冰川(26)和克勒克(27)、喀拉库里河、库山河和维他克河属于Ca-HCO3型,克孜河的牙师(29)和卡拉贝利(31)属于Ca-SO4型,而克孜河的卡浪沟吕克河支流及依格孜牙河分别属于Na-SO4型和(Ca+Mg)-SO4混合型.和田河所有出山径流采样点、叶尔羌河干流卡群(18)和支流提兹那甫河的玉孜门勒克(16)采样点均属于Ca-HCO3型,而叶尔羌河支流塔什库尔干河和提兹那甫河的江卡站分别属于Na-SO4型和(Ca+Na)- HCO3型.

表2 塔里木河流域主要子流域的水化学组成特征

注:离子(F-、Cl-、NO3-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+)及TDS的浓度单位均为mg/L;A和B分别为流域面积和冰川面积,单位均为km2;GR和R分别为冰川融水和断面多年平均径流,单位均为×108m3.

图2 塔里木河流域出山径流中溶质Piper三线图(%)

2.2 溶质来源与侵蚀模式

对湖泊、河流和雨水等样本分析,Gibbs将地表水中的离子来源归结为3类:蒸发-结晶、岩石风化和大气降水[2].通过TDS与Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/ (Cl-+HCO3-)之比对3类端元的贡献进行区分,低TDS(TDS≈10mg/L)和Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+ HCO3-)比率接近1的样品,反映了干湿沉降(大气降水)补给居支配地位的情形,并占据了吉布斯图的右下角(图3);当TDS 介于70~300mg/L时,且Na+/ (Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)比率小于0.5时,反映了水—岩相互作用/化学风化的影响,并占据图左侧的中心区域.当TDS显著偏大,且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)比率接近1,一般反应区域蒸发大于降水,径流中溶质呈蒸发结晶/浓度的现象,散点落在图的右上角[4,21,37].

塔里木河流域出山径流的水样TDS介于128.6~878.5mg/L之间,Cl-/(Cl-+HCO3-)比率在0.01~ 0.62之间(平均为0.23),Na+/(Na++Ca2+)比率为0.01~ 0.71(平均为0.39),为此,散点主要分布在吉布斯图的左侧中心区域(图3),表明岩石风化是控制水质的主要水化学过程.一方面,地处欧亚大陆腹地的天山和昆仑山山区,降水主要依靠水汽受高大山体阻挡而爬升所致,而气溶胶中可溶性物质多集中于近地面一定高程内的低海拔区[39],且研究区远离绿洲为主题的人类活动区域,一般源于降水补给的可溶性物质占比低于10%[17],否定了山区径流溶质主要源于降水的可能性.同时,与多数岩石风化形成的可溶性物质相比,海水中Cl-的浓度较高,且在依靠海洋水汽输送形成降水的区域,可以通过Cl-与其他元素之间的物质的量比来评估大气输入量[40].塔里木河流域南北缘出山径流中(Na++K+)/Cl-的比值分别为2.0和1.97,且南缘Na+/Cl-(1.88)和K+/Cl-(0.12)的平均当量比,和北缘Na+/Cl-(1.76)和K+/Cl-(0.21)均明显高于海洋气溶胶的平均当量比(Na+/Cl-= 0.85和K+/Cl-= 0.0176),也表明海洋气溶胶的输入对塔里木河流域南北缘山区贡献非常低,区域大气降水的盐分输入可以不予考虑.另一方面,径流形成的冰川分布区具有较高海拔,低温也极大限制了蒸发结晶(浓缩)作用对溶质浓度变化的影响.

图3 塔里木河流域出山径流中溶质来源途径的吉布斯图

鉴于矿物风化是控制研究区域水质的过程之一,通过Mg2+/Na+~Ca2+/Na+和HCO3-/Na+~Ca2+/Na+之间物质的量关系绘制南北缘出山径流区的不同岩石类型风化控制图(图4),说明区域水质主要受到硅酸盐岩风化控制,符合山区有大量低钾的钙碱性岩浆岩分布的特点[32-33].但图4a表明Mg2+/Na+£1时,南缘昆仑山/帕米尔高原的出山径流多分布于1:1线的右下方,说明还存在显著的蒸发盐岩风化.这是由于山麓和山前平原存在棕钙土、漠土及含有氯化物和硫酸盐的盐土[41]分布,其主要构成是蒸发岩,即石膏及水溶盐类含量高.而图4b表明HCO3-/Na+³1时,阿克苏河和南缘大部分支流分布于1:1线的左上方,说明还存在碳酸盐岩风化,这是因为阿克苏河上游及昆仑山/帕米尔高原存在古生界碳酸盐和白云岩构成的陆源碎屑沉积层,及新生界变质岩基底中大理岩[36].

利用(Ca2++ Mg2+)–(HCO3-+SO42-)与(Na++ K+) -Cl-的物质的量关系图评估研究区离子的交换状况(图5),前者对应于除白云石、方解石和石膏等盐岩风化或碱长花岗岩碳酸化风化之外,其他反应释放的Ca2+和Mg2+的数量;后者对应氯盐溶解产生Na++K+之外的Ca2+和Mg2+的数量.根据Dedzo等[42]的研究,如果阳离子交换反应均在水中进行,则(Ca2++ Mg2+) –(HCO3-+SO42-)与(Na++ K+) -Cl-之间的斜率必须等于-1(即= -).塔里木河流域各子流域出山径流的(Ca2++Mg2+) –(HCO3-+SO42-)与(Na++ K+) -Cl-给出-0.9045的斜率(2=0.931),表明阳离子交换是区域水质演化的重要水化学过程之一.值得注意的是,大部分水样位于右下象限内[(Na++K+)- Cl->0,(Ca2++Mg2+)–(HCO3-+SO42-)<0],表明Na++K+在Ca2++Mg2+上富集,印证了研究区除了径流溶质除了来自钙镁长石的风化作用,还来源于大量富含钠钾长石的硅酸盐岩的风化作用.

图4 塔里木河流域出山径流中不同岩石类型风化控制差异

图5 塔里木河流域出山径流的阳离子交换过程中(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)与(Na++K+)-Cl-的关系

硅酸盐碳酸化风化(式3)、碳酸盐岩的溶解(式4~5)及来自大气中CO2在水中分解(式6)等化学反应,都可以产生天然水中的HCO3-[9,43].利用HCO3-/(HCO3-+SO42-)的物质的量比来进一步确定相关离子的形成机制,即化学反应源于岩石矿物的硫化物氧化或碳酸化作用驱动.当HCO3-/ (HCO3-+ SO42-)比值接近1时,代表大气CO2溶于水后,产生的H+引起碳酸化反应,进而促进岩石风化;当比值接近0.5时,说明是碳酸化和硫化物氧化(式7)共同作用的偶联反应,促进岩石风化[37].塔里木河流域出山径流中以流量为权重,HCO3-/ (HCO3-+SO42-)加权平均的比值为0.70,这表明径流的水化学侵蚀主要受硅酸盐岩和碳酸盐岩的碳酸化作用支配,但风化过程受硫化物氧化反应产生H+的制约(表3).其中开都河硫化物氧化反应最弱,HCO3-/(HCO3-+SO42-)比值平均为0.93,水体中SO42-物质的量平均仅为HCO3-的56.5%,这主要是因为天山山脉的虎拉山硫化物分布较少[35]所致;喀拉玉儿滚河受煤层及铜矿、迪那河受花岗岩及石油开发、喀什葛尔河受金矿、铜矿、硫矿及铍矿等大量含硫化合物分布等因素影响[35],导致3个子流域的HCO3-/(HCO3-+SO42-)比值分别为0.40、0.54和0.45,出山径流中SO42-平均物质的量分别为HCO3-的151.01%、83.87%和124.33%,硫化物氧化作用可以严重影响区域碳酸化反应发生,制约了地球化学反应消耗CO2.

表3 各子流域中HCO3-/(HCO3- + SO42-)的平均物质的量比

2.3 塔里木河流域出山径流主要离子来源分析

塔里木河流域各子流域溶质主要源于硅酸盐岩风化,为了进一步分析主要离子来源,对水化学组分进行主成分因子分析[14],并通过最大方差法旋转,得到因子载荷矩阵(表4).塔里木河流域出山径流中EOF1荷载主要分布在Na+、K+、Mg2+、F-、Cl-、HCO3-和少量SO42-部分;EOF2荷载主要分布在Ca2+和SO42-部分,其次是Mg2+、F-和Cl-部分;EOF3荷载主要分布在NO3-和HCO3-部分.考虑研究区水化学侵蚀以硅酸盐岩风化侵蚀为主,伴有蒸发岩水解和碳酸盐风化侵蚀.所以,解释方差贡献率50.86%的EOF1应表征云母、长石等硅酸盐岩风化侵蚀,包含水解侵蚀(式8)、碳酸化(式6)及硫化物氧化(式7)形成H+驱动的侵蚀;解释方差贡献率17.66%的EOF2应表征区域以膏盐为代表的蒸发盐岩溶解侵蚀,这与除了喀拉玉儿滚河和昆仑山诸小河外,各子流域均与存在大中型石膏矿有关,但南缘昆仑山/帕米尔水系以CaSO4风化为主,辅以MgSO4风化,而北缘天山水系蒸发岩中CaSO4很少,主要以钾镁质盐岩风化为主;解释方差贡献率11.77%的EOF3在NO3-和HCO3-部分有较大荷载,前者因山区人口密度小,几乎无农业灌溉相关的无机化肥、土壤有机氮、生活污水[15]等方面补给,所以可能来源于气溶胶中氮氧化物沉降,但在研究区水体中占比不足1%,可以忽略不计,为此EOF3应表征区域碳酸盐岩为代表的风化侵蚀,这与山区第四系沉积物中含有碳酸盐岩碎屑有关[35-36,44].

表4 塔里木河流域出山水系中径流水化学组分的因子分析载荷矩阵

2.4 冰川对水化学组成的影响

关于冰川融水补给为主的河流中,可溶性物质浓度与通量的影响,Hodson等[45]尝试在溶质与流域面积或流量之间建立幂函数数值关系,但塔里木河流域出山径流中总离子及各个离子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO3、SO42-和HCO3-)浓度与采样点海拔、流域面积、冰川面积、径流量和冰川融水量之间均无显著相关关系,可能是这些参数没有良好地呈现冰川对溶质的作用,为此,尝试构建冰川覆盖率、融水占出山径流的比例与溶质浓度之间的关系.结果表明除了浓度较小的K+、F-和NO3-外,总离子及其他离子浓度均与二者之间存在良好的相关性(表5).兼顾参数获取的便捷性,本文更倾向于冰川覆盖率作为评估各子流域溶质浓度的参数,这是因为冰川覆盖率不仅可以影响融水补给量、河道径流量,还是区域气候、地形、海拔等自然要素的综合反应.

表5 各子流域的水化学组成参数与冰川覆盖率和冰川融水占比的相关系数

注:**表示sig<0.01;*表示sig<0.05.

图6 冰川覆盖率与总溶质通量拟合曲线

塔里木河流域出山径流中总离子浓度与冰川覆盖率的指数关系拟合(式9),2=0.52(图6),随冰川覆盖率减小,水体中总离子浓度呈指数式增加趋势.当冰川覆盖率=0时,总离子浓度为410.95mg/L,接近(半)干旱区发育的尼罗河(375.25mg/L)和黄河(453.28mg/L)[8]干流的浓度值.这主要是因为高寒的地区,受气温较低的限制,地表植被贫乏,冻融作用形成松散的碎屑物质孔隙度大,易发生水岩作用所致.较塔里木河流域11665条冰川[27]而言,收集水样数量较少,且采样点控制流域的冰川覆盖率较低,为此,尽可能地收集了全球其他冰川作用区流域(包括斯瓦尔巴特群岛[45-48]、阿尔卑斯山[43,45,49]、格林兰[40]、喜马拉雅山南坡[2,9]、喀喇昆仑山[50]及中国境内冰川[4,51-54])已有的冰川覆盖率与总离子浓度的数据,全球总离子浓度与冰川覆盖率的指数关系拟合线(方程10),较干旱区的塔里木河流域偏左下.当冰川覆盖率=0时,总离子浓度为307.47mg/L,小于塔里木河流域的评估值(410.95mg/L),这是由于北极、喜马拉雅山及阿尔卑斯山等地区冰川属于海洋型冰川,融水强度大导致水岩作用时间短所致,塔里木河流域冰川融水占比与出山径流的总离子浓度及TDS也验证这一点,但接近全球50条大河的总离子浓度均值280.24mg/L[8],说明拟合结果可以接受;当覆盖率= 100%时,拟合方程9和10计算的总离子浓度分别为24.99和12.53mg/L,与我国西北祁连山七一冰川[53]、科其喀尔冰川[55],及喜马拉雅山[2,9]、阿尔卑斯山[38]、斯瓦尔巴特群岛[45]和格林兰岛[40]等冰川的冰面河或冰川冰内总离子浓度相近,这进一步说明空间尺度上利用冰川覆盖率估算冰川作用区河道中可溶性离子浓度的可能性.方程之间的差异,可能受制于两个方面的因素:一是岩性、水岩反应类型及时间、下垫面等自然因素的影响;二是样品数量相对不足的人为因素制约,如塔里木河流域拥有过万条冰川及其发育的144条支流,而采样和收集用于分析的支流不足25%;同时也表明,如要较准确评估区域性河流中可溶性物质通量或水化学侵蚀强度时,因岩性、蒸发、降水等因素的影响,可能还需建立区域性拟合方程,具体还有待进一步研究.

3 结论

3.1 塔里木河流域出山径流水体以硅酸盐岩的碳酸化溶滤水为主,离子类型为Ca-HCO3型,其次为(Ca+Mg)-SO4混合型.南缘昆仑山/帕米尔高原各子流域的出山径流中,TDS和离子总量的加权平均值(权重为径流量)分别为424.02和356.20mg/L,远高于北缘天山出山径流的相应值(268.43和220.04mg/ L),这是因为天山山区大量分布的岩浆岩,抑制了区域水化学侵蚀强度.

3.2 出山径流的水质主要受硅酸盐岩和碳酸盐岩的碳酸化作用支配.南缘昆仑山/帕米尔高原水系不仅伴有蒸发盐岩风化,还与天山阿克苏河水系一样,伴有碳酸盐岩风化.风化过程受硫化物氧化产生的H+影响,一定程度上抑制了碳酸化风化,并限制了大气CO2消耗.

3.3 塔里木河流域出山径流中主要离子浓度显著受冰川覆盖率和融水强度的影响.建立的总离子浓度与冰川覆盖率拟合方程,符合我国西北干旱区出山径流水质的特点,但受自然与人为因素的制约,与全球尺度拟合的方程存在一定差异.

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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,江苏东海人,副教授,博士,主要从事寒区水资源与环境研究.发表论文40余篇.

2020-08-19

国家自然科学基金资助项目(41871055);甘肃省自然科学基金资助项目(17JR5RA314)

* 责任作者, 副教授, xujunli05@lzb.ac.cn