近50年来雅鲁藏布江流域水化学特征变化及成因分析

2021-05-18汪磊杨剑王兆涵韩宇平

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2021年2期

汪磊, 杨剑, 王兆涵, 韩宇平

(1.华北水利水电大学水资源学院,河南郑州 450046；2.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室,河南郑州 450046)

河流是海陆物质能量交换的重要途径,在地球化学元素循环中起到尤为重要的作用,其水化学特征也反映出流域内岩石化学风化的强弱以及化学风化过程所消耗的CO2量等重要信息[1-2]。水循环系统是气候系统的重要组成部分,气候变化和人类活动是影响流域水文循环过程的两大驱动因素[3-4]。近50年来,全球气候正经历着显著的变化,我国青藏高原的冰川退缩明显,冰川退缩变化及融水冲刷等导致该地区的水循环加剧,青藏高原的物质化学循环和化学风化速率都受到了显著的影响[5-6]。

雅鲁藏布江发源于西藏自治区西南部的喜马拉雅山中段北麓的杰马央宗冰川,流域全长约2 057 km,流域面积为240 480 km2,流域平均海拔高程在4 000 m以上,是世界上海拔最高的一条大河[7-8]。1973年对青藏高原综合科学考察,使人类首次了解到雅鲁藏布江流域的水化学特征,但限于当时的条件,仅对考察取得的河流水化学分析资料作了一些初略的介绍[9]。后来KAWASHIMA M[10]分析了雅鲁藏布江干流河水、融雪水、温泉等的化学组成；马明等[11]在雅鲁藏布大峡谷科考时,测定了其下游河水的离子组分；HREN M T等[12]和HUANG X等[13]先后分析了雅鲁藏布江流域河水的化学成分；刘昭[14]对雅鲁藏布江中游拉萨—林芝段河水进行监测,并分析了其化学特征。

近年来,雅鲁藏布江流域的自然条件和气候因素都发生了明显的变化[15-16]；且20世纪80年代末期的“一江两河”工程和21世纪的“西部大开发”战略等人类活动也在改变流域的下垫面条件,尤其是改变流域内的土地覆被条件[17-18],由此带来的影响也越来越大。因此,分析近50年雅鲁藏布江流域水化学特征的变化,并阐明其主要影响因素,对认识流域的水化学特征及演化规律具有重大的科学意义。本文基于2015年的监测数据并结合现有研究成果分析流域近50年水化学时空特征的演变及其影响因素。

1 研究区域与方法

1.1 样点布设及类型

基于流域的地质特征和地貌特征,并兼顾各流域内支流汇入位置,样点均匀的布设于雅鲁藏布江流域的干支流上,如图1所示。在各采样点,均采集降雨、降雪、融冰、井水和温泉等不同样品。

图1 雅鲁藏布江流域及样点分布

1.2 样品分析及数据搜集

表1 近50年雅鲁藏布江流域水化学成分比较

续表

2 结果与讨论

2.1 水化学特征季节性差异分析

雅鲁藏布江流域离子空间分布情况如图2所示。由图2(a)可知,流域内阳离子的总质量浓度丰水季节均低于枯水季节。其中：上游降幅最大,约为27.85 mg/L；中游和下游降幅依次降低,降幅分别约为17.93 mg/L和15.75 mg/L。这表明雅鲁藏布江流域上游阳离子质量浓度的季节性差异最大,且从流域上游向下游季节性差异总体呈现出逐渐降低的空间分布特征。

图2 流域离子空间特征季节变化(枯水季节在前)

该流域五大支流中,丰水季节阳离子的总质量浓度亦均低于枯水季节。其中：多雄藏布流域和拉萨河流域的阳离子总质量浓度的季节性差异最大,降幅分别约为26.08 mg/L和21.44 mg/L；尼洋河流域的降幅较小,约为11.66 mg/L；年楚河流域阳离子的总质量浓度高于其它支流,并且枯水季节与丰水季节其阳离子质量浓度的季节性变化较小(8.01 mg/L),表明影响该流域河水化学特征的因素和其它支流相比具有差异性。

河水中Ca2+和Na+质量浓度丰水季节均比枯水季节明显降低,但Ca2+占阳离子的比例呈增长趋势,而Na+占阳离子的比例则呈下降趋势。

2.2 流域水化学变化特征

2.2.1 离子组成与pH值变化

近50年,雅鲁藏布江流域河水一直为弱碱性,pH值为7.59～8.54。20世纪70年代，流域河水pH值为6.65～8.35；80年代，pH值为7.10～8.40(表1),pH值的最小值和平均值均呈上升趋势。根据中国大气降水资料,20世纪70、80年代期间西南和华南地区受酸雨影响较为突出,并且大气降水是雅鲁藏布江流域径流补给的重要组成部分,导致流域部分地区河水呈酸性[18-20]。20世纪90年代开始,我国开始控制SO2排放,酸雨对我国影响逐渐减少。21世纪开始,雅鲁藏布江流域河水pH平均值约8.5,近15年间变化不明显。

1973—2015年间,雅鲁藏布江流域中TDS质量浓度为159.8～197.5 mg/L,矿化度都较低。

2.2.2 水化学变化特征

雅鲁藏布江流域近50年阳离子质量浓度的变化过程如图3所示。

图3 雅鲁藏布江流域近50年阳离子质量浓度变化过程图

由图3可知,雅鲁藏布江流域阳离子中Ca2+的质量浓度最大,近50年中呈上升趋势,从20世纪70年代的23.1 mg/L上升到21世纪初的35.4 mg/L,除了在21世纪初有点波动,近50年的平均增幅达到2.5 mg/(L·10年)。Mg2+的质量浓度较稳定,1973—2015年Mg2+的质量浓度为5.5 mg/L,占阳离子质量浓度的11%左右。除了20世纪80年代出现波动外,并没有显示出明显的变化趋势。Na+和K+的质量浓度都表现出先降后升的趋势,分别在20世纪末和21世纪初达到最低值。Na+和K+都受大气降水输入和硅酸盐岩风化的控制,表明硅酸盐岩风化或者大气降水在20世纪末和21世纪初时对流域的影响较小。阳离子质量浓度的总量表现出轻微的上扬趋势,在20世纪90年代出现降低趋势,21世纪的前10年中最小。

图4 雅鲁藏布江流域近50年阴离子及TDS质量浓度变化过程图

2.3 影响流域离子组成的来源变化分析

为进一步分析岩石风化在1973—2015年对雅鲁藏布江流域河水离子来源的影响,对干流河水离子组成按质量浓度(mg/L)构建Piper图,如图5所示。

在阳离子三角图中,20世纪70年代样点集中在下方Ca2+和(Na++K+)中间,偏向Ca2+高值端,显示阳离子以Ca2+为主,河水离子来源可能受花岗岩与玄武岩风化的影响；80年代样点比70年代更加偏向左下角Ca2+高值端,表明河水中Ca2+占阳离子比例更高,离子来源可能受蒸发岩风化或方解石风化的控制；20世纪90年代和21世纪初的样点集中在20世纪80年代样点分布的左下方。近30年的样点越来越偏向左下角Ca2+高值端,表明河水中Ca2+占阳离子比例越来越大,玄武岩或方解石风化作用在加强[23]。总的来说,近50年来,河水中(Na++K+)对阳离子总数的贡献在变小。