多雄藏布流域水化学特征及化学风化特征的分析

韩宇平， 王兆涵， 汪磊， 杨剑

(华北水利水电大学 水资源学院，河南 郑州 450046)

1 研究区域概况

关于河流水化学的研究对揭示元素地球化学循环有重要意义。目前，全球气候变化在加剧，高寒地区的气候变化幅度尤为显著[1-2]。研究高寒地区的水化学特征可掌握该地区流域内的化学风化特征、水中离子来源以及化学风化过程引起的CO2消耗量等关键信息[3-4]。由于青藏高原地区气候变化的加剧，导致该地区流域的水循环及融水冲刷速率加快，流域内的水化学组分、化学风化速率受到显著影响[5]。

多雄藏布位于世界“第三极”青藏高原最大河流雅鲁藏布江的中上游，是雅鲁藏布江的五大支流之一，同时也是雅鲁藏布江上游地区的最大支流。发源于日喀则市萨嘎县境内海拔5 500 m以上的冈底斯山脉，平均海拔4 700 m，流域面积19 697 km2，与雅鲁藏布江平行自西向东流淌，流经萨嘎、昂仁、拉孜，在拉孜县彭错林乡汇入雅鲁藏布江。多雄藏布流域位于东经85°42′～87°58′、北纬29°23′～29°43′，如图1所示，属于典型的高原河流，上游地区位于萨嘎县境内人烟稀少地区，受人类活动影响较小，其水化学特征与雅鲁藏布江干流的不同。多雄藏布的最大支流曲美藏布在昂仁县与拉孜县交界处的桑嘎村南汇入多雄藏布。多雄藏布流域下游拉孜气象站测得的多年平均气温7.2 ℃，多年平均最高气温14.5 ℃，多年平均最低气温0.32 ℃，冬无严寒，夏无酷暑，降水集中在7月和8月份，多为夜雨。文中的研究数据来源于多雄藏布下游拉孜县境内的水文站，多雄藏布流域多年平均降水量为340 mm，平均相对湿度33%。

2 研究区水样采集

于2019年4月与9月分别进行了1次野外采样，委托多雄藏布沿岸居民于2019年4月至9月分别采集径流样本1份。在野外采样现场用Horiba U-53便携式水质仪(Horiba.Ltd., Japan)测定了多雄藏布河水的温度、溶解性总固体(Total Dissolved Solids，TDS)质量浓度、pH值和溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)量。

沿多雄藏布设置了7个采样点，每个采样点每次采集2份样品。径流水样样品使用吊桶吊取封存在聚乙烯塑料采样瓶中，水样约装满采样瓶容积的三分之二。吊桶与采样瓶采样前均用河水润洗2～3次。采样样品在中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心测定。分别用电感等耦合离子原子发射光谱仪(Perkin Elmer,USA)和离子色谱仪(Dionex,USA)测定水样中阳离子和阴离子的质量浓度，碳酸氢根的质量浓度利用电荷平衡法后期求得。共测定径流样本20个。根据采样点的位置从东到西将样品依次编号为DX1～DX7，采样点位置如图1所示。DX2采样点位于多雄藏布最大支流曲美藏布下游，其余6个采样点均位于多雄藏布干流上。

3 分析方法

测定多雄藏布流域内径流的4月水样7份，9月水样7份，4至9月的河水样本各1份。运用舒卡列水化学分类方法分析多雄藏布的水化学特征，以便找到天然水质浓缩盐化过程中水质演化的规律，探究各离子之间的线性关系与相关程度，并利用Pearson相关系数表来研究多雄藏布流域的水化学特征与河水离子来源；利用Gibbs图[17]反映水中主要化学组分的来源及控制类型，由该图可知雅鲁藏布江流域的水化学控制类型主要为化学风化；使用Piper图反映水化学组分特点的同时也可区分出多雄藏布流域水中离子的风化来源。

4 水化学特征分析

多雄藏布沿线的水化学数据见表1。

由表1知：4月份枯水期，多雄藏布河水呈现弱碱性，平均pH值为7.79；9月份丰水期，该河水为弱酸性，平均pH值为6.73，这个结果与多雄藏布流域不均衡的降水分布有关，丰水期降水量为枯水期的8～9倍；4月与9月溶解性总固体(TDS)质量浓度平均值分别为262、142 mg/L；4月份阴离子质量浓度为183.30 mg/L，阳离子质量浓度为66.08 mg/L，9月份阴离子质量浓度为109.55 mg/L，阳离子质量浓度为39.71 mg/L。

图2 多雄藏布干湿两季水样中八大离子的质量浓度

图3 TDS的组分构成箱线

图4 多雄藏布流域径流水样中离子的质量浓度逐月变化趋势

Pearson相关系数表直观展示了径流中主要离子、TDS、pH值之间的相关关系，计算多雄藏布径流样本中离子的质量浓度在干湿两季的平均值得出Pearson相关系数，结果见表2。

表2 多雄藏布径流水样中主要离子与理化指标的相关系数

5 离子来源

水体中的离子自然来源一般有3类：降水、蒸发浓缩与化学风化。此前开展的雅鲁藏布江流域的水化学研究表明[8]，雅鲁藏布江流域的离子来源主要受化学风化作用的控制。河水中的离子有5种来源，具体如下：

[X]河水=X降水+X蒸发岩风化+X碳酸盐岩风化+X硅酸盐岩风化+X人类活动。

(1)

5.1 大气降水输入

X降水输入=F[Cl-]降水/([X]海水/[Cl-]降水)。

(2)

式中：各离子浓度均为摩尔浓度，单位为μmol/L；F=P/(P-E)，P为多雄藏布流域年降水量，E为流域多年平均蒸发量。计算结果见表3。

表3 多雄藏布流域降水输入主要离子的季节性变化情况 %

表3显示：K+的摩尔浓度受降水输入影响较大，其余主要阳离子的降水输入量均在丰水期的较枯水期的有所增加，年均降水的离子贡献率为3.05%，占离子总量的比例很小。所以，降水不是多雄藏布径流中离子的主要来源。

5.2 化学风化输入

进一步分析多雄藏布流域的水化学组分来源，构建Piper图，如图5所示。图5(Piper图)中将阴阳离子三角图与菱形图结合了起来，可区分出不同离子的风化来源，这在水化学研究中应用广泛[20]。

图5 多雄藏布河水的Piper图

硅酸盐岩风化主要释放Na+与K+(来源于铝硅酸盐、钠长石、钾长石)和Ca2+与Mg2+(钙镁硅酸岩)，径流中钙镁硅酸盐岩石中Ca2+和Na+的质量浓度比值及Mg2+和Na-的质量浓度比值参考HREN M T[22]的研究结果分别取0.55与0.30；径流中少量的Ca2+与Mg2+由碳酸盐岩风化贡献。

为定量研究化学风化对多雄藏布河水中离子的贡献比例，判断蒸发岩风化、碳酸盐岩风化及硅酸盐岩风化对河水中离子的贡献占比，根据Piper图(图5)和各离子质量浓度的相关性分析结果，结合多雄藏布当地地质条件[23-24]，计算上述3种化学风化对河水中离子的贡献比例，单位均为mol/L。具体如下：

1)蒸发岩风化。按照流域内石膏溶解与黄铁矿氧化对离子的贡献各占一半，具体离子贡献情况见下式。

[Cl-]蒸发岩=[Cl-]河水-[Cl-]降水=[Na+]蒸发岩，

(3)

(4)

(5)

2)硅酸盐岩风化的离子贡献情况如下：

[Na+]硅酸盐岩=[Na+]河水-[Na+]硅酸盐岩-

[Na+]蒸发岩，

(6)

[K+]硅酸盐岩=[K+]河水-[K+]降水，

(7)

(8)

3)碳酸盐岩风化的离子贡献情况如下：

[Ca2+]碳酸盐岩=[Ca2+]河水-[Ca2+]降水-[Ca2+]蒸发岩-[Ca2+]硅酸盐岩，

(10)

[Mg2+]降水-[Mg2+]硅酸盐岩)([Na+]河水+[K+]河水+2[Ca2+]河水+2[Mg2+]河水)-1。

(11)

公式(3)—(11)中：[X]为相应离子来源贡献的该离子的摩尔浓度；[TZ+]为相应风化类型贡献的正电荷的摩尔浓度。

经上述公式计算得出多雄藏布4月和9月的化学风化离子输入比例，如图6所示。

图6 3种化学风化输入离子比例变化

图6中：蒸发岩与降水输入多雄藏布与雅鲁藏布江干流的离子情况大致相同，不同之处主要体现在：

1)就枯水期来说，多雄藏布水中由硅酸盐岩风化输入径流的离子占比明显比雅鲁藏布江干流的大(多雄藏布的为46.64%，雅鲁藏布江干流的为28.60%)。同时，硅酸盐岩风化输入离子的占比也是雅鲁藏布江各支流占比中最大的。

2)多雄藏布径流水样中碳酸盐岩风化输入离子占比较雅鲁藏布江干流的小，4月与9月的占比分别为32.39%与38.76%，同时期雅鲁藏布江干流上游的占比平均值分别为63.10%和62.55%。

5.3 化学风化速率

结合多雄藏布的径流量资料与流域面积(19 697 km2)和WU W等总结的流域化学风化速率计算方法[25]，得到以下公式(离子的质量浓度单位是mg/L)：

(12)

(13)

由式(12)—(13)计算出多雄藏布流域的岩石年均风化速率见表4。

表4 流域内岩石化学风化速率 t/(km2·月)

表4中显示，丰水期岩石的化学风化速率明显高于枯水期的，枯水期岩石的化学风化速率大于雅鲁藏布江干流的。

6 1976—2019年多雄藏布流域的水化学特征的变化规律

1973年，西藏科考队进行第一次西藏综合科考；2006年，HUANG X等[11]对多雄藏布流域的水化学组分进行了测定；2013年，中科院地理科学与资源研究所课题组对多雄藏布进行了考察[12]；以及本次2019年度对多雄藏布的2次采样，根据这些科考测定、考察、采样所得的数据分析雅鲁藏布江上游的多雄藏布流域1976—2019年的水化学组分以及化学风化情况变化。查阅已有的研究成果，选取了采样月份相近的4次研究成果进行对比分析，具体见表5。

表5 多雄藏布流域中主要离子的质量浓度变化 mg/L

重复以上方法计算多雄藏布流域的化学风化速率(假设流量和流域面积保持不变)，计算出各年份的年平均离子来源占比，具体结果见表6。由表6可知：多雄藏布流域降水贡献的离子占比一直很小，蒸发岩与碳酸盐岩风化贡献的离子占比上升，硅酸盐岩风化对离子贡献的比例下降。

表6 多雄藏布40年来离子来源占比变化 %

7 结论

2)多雄藏布流域内的降水与人类活动对河流中离子含量的变化影响较小，降水输入比例最大的离子是K+。

3)枯水期的硅酸盐岩风化平均贡献率大于丰水期的，枯水期碳酸盐岩风化对径流中离子的贡献率小于丰水期的。多雄藏布流域离子摩尔浓度的变化趋势与雅鲁藏布江的相同。

4)枯水期硅酸盐岩风化输入径流的离子占比明显比雅鲁藏布江干流的大(输入多雄藏布流域的离子占比为46.6%，输入雅鲁藏布江干流的离子占比为28.6%)，同时，多雄藏布流域硅酸盐岩风化贡献的离子占比是雅鲁藏布江各支流中最大的；碳酸盐岩风化贡献的离子占比较雅鲁藏布江干流的小，4月与9月分别为32.39%与38.76%，同时期雅鲁藏布江干流碳酸盐风化贡献的离子占比分别为63.10%和62.55%。

5)4月和9月，多雄藏布流域硅酸盐岩风化速率分别为0.355、0.510 t/(km2·月)，碳酸盐岩风化速率分别为0.202、0.566 t/(km2·月)，大于雅鲁藏布江干流的。

6)多雄藏布流域40年来气温上升趋势十分显著，离子来源于蒸发岩和碳酸盐岩风化的占比上升、来源于硅酸盐岩风化的占比下降。