多雄藏布流域水化學特征及化學風化特征的分析

韓宇平， 王兆涵， 汪磊， 楊劍

(華北水利水電大學 水資源學院，河南 鄭州 450046)

1 研究區域概況

關于河流水化學的研究對揭示元素地球化學循環有重要意義。目前，全球氣候變化在加劇，高寒地區的氣候變化幅度尤為顯著[1-2]。研究高寒地區的水化學特征可掌握該地區流域內的化學風化特征、水中離子來源以及化學風化過程引起的CO2消耗量等關鍵信息[3-4]。由于青藏高原地區氣候變化的加劇，導致該地區流域的水循環及融水沖刷速率加快，流域內的水化學組分、化學風化速率受到顯著影響[5]。

多雄藏布位于世界“第三極”青藏高原最大河流雅魯藏布江的中上游，是雅魯藏布江的五大支流之一，同時也是雅魯藏布江上游地區的最大支流。發源于日喀則市薩嘎縣境內海拔5 500 m以上的岡底斯山脈，平均海拔4 700 m，流域面積19 697 km2，與雅魯藏布江平行自西向東流淌，流經薩嘎、昂仁、拉孜，在拉孜縣彭錯林鄉匯入雅魯藏布江。多雄藏布流域位于東經85°42′～87°58′、北緯29°23′～29°43′，如圖1所示，屬于典型的高原河流，上游地區位于薩嘎縣境內人煙稀少地區，受人類活動影響較小，其水化學特征與雅魯藏布江干流的不同。多雄藏布的最大支流曲美藏布在昂仁縣與拉孜縣交界處的桑嘎村南匯入多雄藏布。多雄藏布流域下游拉孜氣象站測得的多年平均氣溫7.2 ℃，多年平均最高氣溫14.5 ℃，多年平均最低氣溫0.32 ℃，冬無嚴寒，夏無酷暑，降水集中在7月和8月份，多為夜雨。文中的研究數據來源于多雄藏布下游拉孜縣境內的水文站，多雄藏布流域多年平均降水量為340 mm，平均相對濕度33%。

2 研究區水樣采集

于2019年4月與9月分別進行了1次野外采樣，委托多雄藏布沿岸居民于2019年4月至9月分別采集徑流樣本1份。在野外采樣現場用Horiba U-53便攜式水質儀(Horiba.Ltd., Japan)測定了多雄藏布河水的溫度、溶解性總固體(Total Dissolved Solids，TDS)質量濃度、pH值和溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)量。

沿多雄藏布設置了7個采樣點，每個采樣點每次采集2份樣品。徑流水樣樣品使用吊桶吊取封存在聚乙烯塑料采樣瓶中，水樣約裝滿采樣瓶容積的三分之二。吊桶與采樣瓶采樣前均用河水潤洗2～3次。采樣樣品在中國科學院地理科學與資源研究所理化分析中心測定。分別用電感等耦合離子原子發射光譜儀(Perkin Elmer,USA)和離子色譜儀(Dionex,USA)測定水樣中陽離子和陰離子的質量濃度，碳酸氫根的質量濃度利用電荷平衡法后期求得。共測定徑流樣本20個。根據采樣點的位置從東到西將樣品依次編號為DX1～DX7，采樣點位置如圖1所示。DX2采樣點位于多雄藏布最大支流曲美藏布下游，其余6個采樣點均位于多雄藏布干流上。

3 分析方法

測定多雄藏布流域內徑流的4月水樣7份，9月水樣7份，4至9月的河水樣本各1份。運用舒卡列水化學分類方法分析多雄藏布的水化學特征，以便找到天然水質濃縮鹽化過程中水質演化的規律，探究各離子之間的線性關系與相關程度，并利用Pearson相關系數表來研究多雄藏布流域的水化學特征與河水離子來源；利用Gibbs圖[17]反映水中主要化學組分的來源及控制類型，由該圖可知雅魯藏布江流域的水化學控制類型主要為化學風化；使用Piper圖反映水化學組分特點的同時也可區分出多雄藏布流域水中離子的風化來源。

4 水化學特征分析

多雄藏布沿線的水化學數據見表1。

由表1知：4月份枯水期，多雄藏布河水呈現弱堿性，平均pH值為7.79；9月份豐水期，該河水為弱酸性，平均pH值為6.73，這個結果與多雄藏布流域不均衡的降水分布有關，豐水期降水量為枯水期的8～9倍；4月與9月溶解性總固體(TDS)質量濃度平均值分別為262、142 mg/L；4月份陰離子質量濃度為183.30 mg/L，陽離子質量濃度為66.08 mg/L，9月份陰離子質量濃度為109.55 mg/L，陽離子質量濃度為39.71 mg/L。

圖2 多雄藏布干濕兩季水樣中八大離子的質量濃度

圖3 TDS的組分構成箱線

圖4 多雄藏布流域徑流水樣中離子的質量濃度逐月變化趨勢

Pearson相關系數表直觀展示了徑流中主要離子、TDS、pH值之間的相關關系，計算多雄藏布徑流樣本中離子的質量濃度在干濕兩季的平均值得出Pearson相關系數，結果見表2。

表2 多雄藏布徑流水樣中主要離子與理化指標的相關系數

5 離子來源

水體中的離子自然來源一般有3類：降水、蒸發濃縮與化學風化。此前開展的雅魯藏布江流域的水化學研究表明[8]，雅魯藏布江流域的離子來源主要受化學風化作用的控制。河水中的離子有5種來源，具體如下：

[X]河水=X降水+X蒸發巖風化+X碳酸鹽巖風化+X硅酸鹽巖風化+X人類活動。

(1)

5.1 大氣降水輸入

X降水輸入=F[Cl-]降水/([X]海水/[Cl-]降水)。

(2)

式中：各離子濃度均為摩爾濃度，單位為μmol/L；F=P/(P-E)，P為多雄藏布流域年降水量，E為流域多年平均蒸發量。計算結果見表3。

表3 多雄藏布流域降水輸入主要離子的季節性變化情況 %

表3顯示：K+的摩爾濃度受降水輸入影響較大，其余主要陽離子的降水輸入量均在豐水期的較枯水期的有所增加，年均降水的離子貢獻率為3.05%，占離子總量的比例很小。所以，降水不是多雄藏布徑流中離子的主要來源。

5.2 化學風化輸入

進一步分析多雄藏布流域的水化學組分來源，構建Piper圖，如圖5所示。圖5(Piper圖)中將陰陽離子三角圖與菱形圖結合了起來，可區分出不同離子的風化來源，這在水化學研究中應用廣泛[20]。

圖5 多雄藏布河水的Piper圖

硅酸鹽巖風化主要釋放Na+與K+(來源于鋁硅酸鹽、鈉長石、鉀長石)和Ca2+與Mg2+(鈣鎂硅酸巖)，徑流中鈣鎂硅酸鹽巖石中Ca2+和Na+的質量濃度比值及Mg2+和Na-的質量濃度比值參考HREN M T[22]的研究結果分別取0.55與0.30；徑流中少量的Ca2+與Mg2+由碳酸鹽巖風化貢獻。

為定量研究化學風化對多雄藏布河水中離子的貢獻比例，判斷蒸發巖風化、碳酸鹽巖風化及硅酸鹽巖風化對河水中離子的貢獻占比，根據Piper圖(圖5)和各離子質量濃度的相關性分析結果，結合多雄藏布當地地質條件[23-24]，計算上述3種化學風化對河水中離子的貢獻比例，單位均為mol/L。具體如下：

1)蒸發巖風化。按照流域內石膏溶解與黃鐵礦氧化對離子的貢獻各占一半，具體離子貢獻情況見下式。

[Cl-]蒸發巖=[Cl-]河水-[Cl-]降水=[Na+]蒸發巖，

(3)

(4)

(5)

2)硅酸鹽巖風化的離子貢獻情況如下：

[Na+]硅酸鹽巖=[Na+]河水-[Na+]硅酸鹽巖-

[Na+]蒸發巖，

(6)

[K+]硅酸鹽巖=[K+]河水-[K+]降水，

(7)

(8)

3)碳酸鹽巖風化的離子貢獻情況如下：

[Ca2+]碳酸鹽巖=[Ca2+]河水-[Ca2+]降水-[Ca2+]蒸發巖-[Ca2+]硅酸鹽巖，

(10)

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

(11)

公式(3)—(11)中：[X]為相應離子來源貢獻的該離子的摩爾濃度；[TZ+]為相應風化類型貢獻的正電荷的摩爾濃度。

經上述公式計算得出多雄藏布4月和9月的化學風化離子輸入比例，如圖6所示。

圖6 3種化學風化輸入離子比例變化

圖6中：蒸發巖與降水輸入多雄藏布與雅魯藏布江干流的離子情況大致相同，不同之處主要體現在：

1)就枯水期來說，多雄藏布水中由硅酸鹽巖風化輸入徑流的離子占比明顯比雅魯藏布江干流的大(多雄藏布的為46.64%，雅魯藏布江干流的為28.60%)。同時，硅酸鹽巖風化輸入離子的占比也是雅魯藏布江各支流占比中最大的。

2)多雄藏布徑流水樣中碳酸鹽巖風化輸入離子占比較雅魯藏布江干流的小，4月與9月的占比分別為32.39%與38.76%，同時期雅魯藏布江干流上游的占比平均值分別為63.10%和62.55%。

5.3 化學風化速率

結合多雄藏布的徑流量資料與流域面積(19 697 km2)和WU W等總結的流域化學風化速率計算方法[25]，得到以下公式(離子的質量濃度單位是mg/L)：

(12)

(13)

由式(12)—(13)計算出多雄藏布流域的巖石年均風化速率見表4。

表4 流域內巖石化學風化速率 t/(km2·月)

表4中顯示，豐水期巖石的化學風化速率明顯高于枯水期的，枯水期巖石的化學風化速率大于雅魯藏布江干流的。

6 1976—2019年多雄藏布流域的水化學特征的變化規律

1973年，西藏科考隊進行第一次西藏綜合科考；2006年，HUANG X等[11]對多雄藏布流域的水化學組分進行了測定；2013年，中科院地理科學與資源研究所課題組對多雄藏布進行了考察[12]；以及本次2019年度對多雄藏布的2次采樣，根據這些科考測定、考察、采樣所得的數據分析雅魯藏布江上游的多雄藏布流域1976—2019年的水化學組分以及化學風化情況變化。查閱已有的研究成果，選取了采樣月份相近的4次研究成果進行對比分析，具體見表5。

表5 多雄藏布流域中主要離子的質量濃度變化 mg/L

重復以上方法計算多雄藏布流域的化學風化速率(假設流量和流域面積保持不變)，計算出各年份的年平均離子來源占比，具體結果見表6。由表6可知：多雄藏布流域降水貢獻的離子占比一直很小，蒸發巖與碳酸鹽巖風化貢獻的離子占比上升，硅酸鹽巖風化對離子貢獻的比例下降。

表6 多雄藏布40年來離子來源占比變化 %

7 結論

2)多雄藏布流域內的降水與人類活動對河流中離子含量的變化影響較小，降水輸入比例最大的離子是K+。

3)枯水期的硅酸鹽巖風化平均貢獻率大于豐水期的，枯水期碳酸鹽巖風化對徑流中離子的貢獻率小于豐水期的。多雄藏布流域離子摩爾濃度的變化趨勢與雅魯藏布江的相同。

4)枯水期硅酸鹽巖風化輸入徑流的離子占比明顯比雅魯藏布江干流的大(輸入多雄藏布流域的離子占比為46.6%，輸入雅魯藏布江干流的離子占比為28.6%)，同時，多雄藏布流域硅酸鹽巖風化貢獻的離子占比是雅魯藏布江各支流中最大的；碳酸鹽巖風化貢獻的離子占比較雅魯藏布江干流的小，4月與9月分別為32.39%與38.76%，同時期雅魯藏布江干流碳酸鹽風化貢獻的離子占比分別為63.10%和62.55%。

5)4月和9月，多雄藏布流域硅酸鹽巖風化速率分別為0.355、0.510 t/(km2·月)，碳酸鹽巖風化速率分別為0.202、0.566 t/(km2·月)，大于雅魯藏布江干流的。

6)多雄藏布流域40年來氣溫上升趨勢十分顯著，離子來源于蒸發巖和碳酸鹽巖風化的占比上升、來源于硅酸鹽巖風化的占比下降。