嚴(yán)宇鵬,牛鳳霞*,劉 佳,劉心庭,李 穎,彭 輝**,嚴(yán)登華,肖尚斌

雅魯藏布江上游夏季水化學(xué)特征及來源解析

嚴(yán)宇鵬1,2,牛鳳霞1,2*,劉 佳1,2,劉心庭3,李 穎1,2,彭 輝1,2**,嚴(yán)登華4,肖尚斌1,2

(1.三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程中心,湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002；3.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 宜昌 443000；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所,北京 100038)

為探究雅魯藏布江上游干支流的無機(jī)水化學(xué)特征,于2020年8月在雅魯藏布江上游河源和河流段采集干支流水樣,分析了水體主要離子的化學(xué)組成和空間變化規(guī)律,并對(duì)離子來源進(jìn)行了解析.結(jié)果表明,雅魯藏布江上游干支流水體中的陰離子以HCO3-、SO42-為主,分別占陰離子總量的71.11%、23.16%;優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子為Ca2+、Na+,分別占陽(yáng)離子總量的47.90%、34.76%;總?cè)芙庑怨腆w變化范圍為43.5～187.3mg/L,平均值為116.4mg/L,水體礦化度較低.干支流的水化學(xué)類型整體上以HCO3·SO4-Ca·Na型為主,其中河源段杰瑪央宗曲和庫(kù)比曲水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na型;從上游向下,干流HCO3-、SO42-、Ca2+等主要離子濃度的沿程變化較為劇烈,主要受冰川融水和支流匯入的影響.雅魯藏布江上游干支流水化學(xué)特征主要受巖石風(fēng)化作用控制,主要離子來源于碳酸鹽巖及硅酸鹽巖風(fēng)化,蒸發(fā)巖(硫酸鹽)溶解也起到一定作用,而受人為因素的干擾較小.

雅魯藏布江上游；冰川融水；水化學(xué)特征；離子來源；巖石風(fēng)化

河流水體的化學(xué)成分對(duì)氣候以及河流所經(jīng)地區(qū)的環(huán)境具有指示作用,其水化學(xué)特征能夠反映出流域內(nèi)巖石風(fēng)化的強(qiáng)弱以及氣候變化等信息[1].青藏高原是地球上海拔最高的高原,其與周邊地區(qū)具有豐富的冰儲(chǔ)量,是雅魯藏布江、長(zhǎng)江、黃河、怒江、瀾滄江等多條亞洲主要河流的發(fā)源地[2],并對(duì)東亞和南亞的水文循環(huán)和氣候變化產(chǎn)生重大影響[3-4].近50a來,隨著全球的快速增溫,青藏高原正經(jīng)歷劇烈變化,整體上呈現(xiàn)出失衡特征,如冰川加劇退縮、冰川徑流增加等,河流的水化學(xué)特征也隨之發(fā)生變化.

青藏高原河源區(qū)域是生態(tài)環(huán)境和氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū),容易遭到外界干擾,一旦破壞將難以恢復(fù)[5-6].目前關(guān)于青藏高原河源區(qū)的水化學(xué)特征已有學(xué)者開展了部分研究,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江源區(qū)[5]凍土融水和黃河源區(qū)[7]河水水化學(xué)類型主要受碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖等地殼源的控制;瀾滄江源區(qū)[7-8]和怒江源區(qū)那曲[9]主要離子均來源于碳酸鹽巖和硅酸鹽巖風(fēng)化.總體來說,青藏高原河源區(qū)河流水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化控制,主要離子來源于碳酸鹽巖風(fēng)化及蒸發(fā)巖的溶解.

雅魯藏布江(以下簡(jiǎn)稱雅江)發(fā)源于喜馬拉雅山北麓的杰瑪央宗冰川,平均海拔在3000m以上,水資源豐富,是西藏最大的河流.目前關(guān)于雅江的研究多集中在大氣降水及同位素[10-11]、水文徑流變化[12-14]等,而對(duì)河水主要離子水化學(xué)特征研究相對(duì)較少,且研究區(qū)域多集中在雅江中下游,在上游布設(shè)點(diǎn)位較少,不能很好地反映上游水化學(xué)特征.在雅江中下游的研究發(fā)現(xiàn)[15],雅江干流中下游豐水期河水水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型,主要離子來源為碳酸鹽巖及蒸發(fā)巖的風(fēng)化溶解,且存在硅酸鹽類礦物風(fēng)化;雅江全流域[16]研究表明,干流總?cè)芙庑怨腆w(TDS)均值為204.51mg/L,高于全球河流平均水平,中下游主要離子水化學(xué)組分受人為活動(dòng)影響較大,碳酸鹽巖風(fēng)化也起到重要作用.目前對(duì)于青藏高原其他河流源區(qū)研究較多,如長(zhǎng)江源頭、黃河上游、金沙江、瀾滄江和怒江等[17-21],而對(duì)于雅江河源和上游干支流冰川融水徑流的關(guān)注度較低,鮮有關(guān)于該區(qū)域河流水化學(xué)特征的系統(tǒng)性研究.

基于此,本文以雅江上游干支流為研究對(duì)象,通過歷史資料[3,22]搜集和實(shí)地野外考察,分析了雅江上游干支流主要離子濃度變化、河水水化學(xué)組成特征,并對(duì)主要離子來源進(jìn)行了解析,旨在揭示青藏高原冰川融水徑流的無機(jī)水化學(xué)變化特征,并為高原地區(qū)典型河流的水源解析及變化趨勢(shì)預(yù)估提供基礎(chǔ)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)檠沤嫌瘟饔?圖1),流域范圍包括河源杰瑪央宗曲至里孜段,界于北緯(N)29.5°～31°和東經(jīng)(E)82°～84.5°,位于西藏自治區(qū)日喀則市仲巴縣境內(nèi),自河源依次流經(jīng)霍爾巴鄉(xiāng)、帕羊鎮(zhèn)、亞熱鄉(xiāng)等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(總?cè)丝?2379人),雅江上游海拔高度為4530～5590m,平均坡降為4.4%[12,25],段內(nèi)河長(zhǎng)約268km,占雅江總河長(zhǎng)的13%,段內(nèi)集水面積約為26570km2,占流域總面積的11%.

將雅江上游分為2段,從源頭至桑木張為河源段,桑木張至里孜村為河流段.河源段主要包含杰瑪央宗曲(正源),以及瑪攸藏布和庫(kù)比曲兩條支流.河源段冰川儲(chǔ)量豐富,杰瑪央宗曲發(fā)源于喜馬拉雅山北麓的現(xiàn)代冰川,有杰瑪央宗冰川、昂若冰川等18條,面積85.59km2;瑪攸藏布發(fā)源于岡底斯山南坡,有規(guī)模較小冰川5條,冰川面積為12.35km2,匯入干流處距離桑木張12km;庫(kù)比曲發(fā)源于喜馬拉雅山北麓的現(xiàn)代冰川,共有阿色甲果冰川等14條,面積119.71km2.河流段水系較為發(fā)達(dá),研究區(qū)包括雅江干流(桑木張-里孜村)、左岸兩條支流(來烏藏布、柴曲)和右岸兩條支流(列榮藏布、雄曲).

流域地處亞寒帶高原半干旱氣候區(qū),多年平均降水量?jī)H為200mm左右,主要集中在7～8月[23-24],氣候干燥、寒冷、風(fēng)沙大.年徑流主要受大氣降水、冰川融水以及地下水補(bǔ)給,但不同區(qū)域補(bǔ)給類型有一定的區(qū)別,豐水期雅江源頭主要以冰川融水補(bǔ)給為主[25].

雅江是一條適應(yīng)斷裂構(gòu)造帶發(fā)育的先成河,干流沿著大構(gòu)造線發(fā)育而成(雅江縫合帶),支流沿次一級(jí)構(gòu)造發(fā)育.河源杰瑪央宗曲的右岸分布著蛇綠巖,位于特提斯喜馬拉雅帶,主要巖石類型為硅酸鹽類礦物(灰綠色變質(zhì)二輝橄欖巖、變質(zhì)方輝橄欖巖).上游干流主要位于雅江南帶分區(qū)和北帶分區(qū)之間,其中南帶分區(qū)巖石巖性以石英巖屑砂巖、硅質(zhì)板巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖為主;北帶分區(qū)主要分布在柴曲北側(cè),巖性以鈣質(zhì)巖屑砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖為主[26].

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

采樣時(shí)間為2020年8月(豐水期),在1個(gè)月內(nèi)從下游至上游連續(xù)采集樣品,為保證采樣條件的一致性,所有采樣均在良好天氣條件下進(jìn)行[27].依據(jù)《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HCJ 494-2009)[28]和雅江上游流域特征,兼顧各支流匯入雅江干流位置及交通便利性,在干流及支流布設(shè)采樣點(diǎn),位置如圖1所示.共選取53個(gè)采樣點(diǎn),包括河源段9個(gè)(含干流源頭杰瑪央宗曲3個(gè)(Y1～Y3);支流瑪攸藏布4個(gè)(M1～M4)、庫(kù)比曲2個(gè)(K1、K2)),河流段44個(gè)(包含雅江干流18個(gè)(Y4～Y21);支流來烏藏布4個(gè)(LW1～LW4)、列榮藏布3個(gè)(LR1～LR3)、雄曲3個(gè)(1、2、3)、柴曲16個(gè)(1～16)).其中,柴曲流域的中游是仲巴縣城所在地,人口較為聚集,為對(duì)比分析人為因素對(duì)高原河流水化學(xué)特征的影響,故進(jìn)行了加密采樣分析.

圖1 雅江上游流域采樣點(diǎn)分布

1.3 水樣采集與分析

采集河水樣品時(shí),取樣前先用河水潤(rùn)洗樣品瓶2～3次,再用河水盛滿樣品瓶(水樣取自水下約5～ 10cm處),密封,標(biāo)記.將水樣過0.22μm尼龍濾膜,保存在100mL聚乙烯(PE)塑料瓶中,并放入4℃恒溫冷藏箱,將水樣運(yùn)送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行主要陰陽(yáng)離子檢測(cè)[28].

現(xiàn)場(chǎng)使用多參水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(YSI-EX02,USA)原位測(cè)定采樣點(diǎn)的pH值(±0.2)、溶解氧(DO)(±1%)等基本理化參數(shù),并用0.025mol/L的HCl在采集現(xiàn)場(chǎng)滴定HCO3-濃度, TDS含量通過溶解組分總和減去1/2HCO3-的方法計(jì)算得到[29];Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、NO3-、Cl-離子濃度在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用離子色譜儀(盛瀚CIC-D160型,中國(guó))分析測(cè)定,其測(cè)定下限:Cl-30.02mg/L、NO3-30.064mg/L、SO42-30.072mg/L、Na+30.08mg/L、K+30.12mg/L、Mg2+30.08mg/L、Ca2+30.08mg/L;檢測(cè)相對(duì)偏差￡3%.

2 結(jié)果與分析

2.1 干支流水體基本理化性質(zhì)

如表1所示,河源段干支流pH值變化相對(duì)較小,變化范圍為7.23～7.63,平均值為7.48,雅江河源段河水整體呈弱堿性;DO濃度變化范圍為5.62～ 7.77mg/L,平均值為6.40mg/L,河源段干支流間DO濃度略有差異,排序?yàn)閹?kù)比曲>杰瑪央宗曲>瑪攸藏布;TDS含量變化范圍為49.41～110.18mg/L,平均值為70.73mg/L,低于世界河流平均值99mg/L[30],且與雅江干流全流域豐水期[15]相比含量明顯偏低.

表1 雅江上游干支流基本理化參數(shù)

河流段干支流pH值變化范圍為7.70～8.53,平均值為7.97,高于河源段pH值;DO濃度在6.19～ 7.36mg/L之間,平均值為6.64mg/L,略高于河源段DO濃度;TDS變化范圍為93.52～161.20mg/L,平均值為123.68mg/L,排序?yàn)椴袂?列榮藏布>來烏藏布>雄曲>干流,且河流段各支流TDS均高于干流.

河源段與河流段pH值、DO、TDS平均值相比,河源段均低于河流段,且河源段干流杰瑪央宗曲TDS含量明顯低于河流段干流.河源段與河流段各支流之間對(duì)比,河源段瑪攸藏布DO值、庫(kù)比曲TDS含量明顯低于其他支流,河流段雄曲pH值明顯高于其他支流,說明雅江上游各支流間的基本理化性質(zhì)存在一定的差異,這可能受復(fù)雜的地形地貌和區(qū)域內(nèi)不同巖石類型的影響.

2.2 干支流水體主要離子組成

如表2所示,干支流水體主要陽(yáng)離子濃度排序?yàn)镃a2+>Na+>Mg2+>K+,平均濃度依次為22.92、18.45、4.82和1.18mg/L;優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子為Ca2+、Na+,分別占陽(yáng)離子總量的47.90%、34.76%.主要陰離子濃度排序?yàn)镠CO3->SO42->Cl->NO3-,平均濃度依次為84.73、22.55、4.00和0.06mg/L;陰離子主要以HCO3-、SO42-為主,分別占陰離子總量的71.11%、23.16%.雅江上游干支流河水與其它大河等(表3)主要離子濃度對(duì)比,發(fā)現(xiàn)雅江河水中HCO3-、SO42-、Ca2+、Na+濃度分別高于全球河流均值[29-31]1.64～ 2.94倍不等,但低于那曲[9]、長(zhǎng)江上游[33]和仲巴縣自然水體[34]濃度.雅江上游HCO3-、Ca2+、Na+濃度均高于尼洋河[35],Na+約為其5.88倍,而SO42-濃度低于尼洋河;且雖然雅江上游HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+均與拉薩河[36]濃度相近,但Na+離子濃度高于其約3.77倍,推測(cè)為蒸發(fā)巖溶解的影響.同印度布拉馬普特拉河[6]相比,兩者HCO3-、SO42-、Ca2+、Na+濃度相近,其主要原因?yàn)檠芯繀^(qū)與布拉馬普特拉河同為雅江水系,二者在水文地質(zhì)環(huán)境等方面比較接近,因此二者在主要離子水化學(xué)組成上有相似特征.

Piper三線圖可用來分析河水水化學(xué)成分及主要離子的相對(duì)含量,如圖2所示.雅江上游流域河源段、河流段樣點(diǎn)的陰離子基本都落在三角圖中靠近HCO3-軸,陽(yáng)離子在三角圖中靠近Ca2+軸.這說明雅江上游的優(yōu)勢(shì)陰離子為HCO3-,優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子為Ca2+.并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查記錄及搜集相關(guān)資料[26],發(fā)現(xiàn)雅江上游區(qū)域分布有灰?guī)r等,推測(cè)該區(qū)域主要受碳酸鹽巖風(fēng)化影響.

圖2 雅江上游河水陰陽(yáng)離子Piper三線圖

表2 雅江上游干支流主要離子含量(mg/L)

注:-表示含量過低未檢出.

表3 雅江及青藏高原部分河流主要離子含量統(tǒng)計(jì)(mg/L)

注:-表示含量過低未檢出或數(shù)據(jù)缺乏.

2.3 主要離子空間變化特征

如圖3所示,雅江上游干流主要離子HCO3-、SO42-、Ca2+,受河源段冰川融水、支流匯入的影響較大.Ca2+、SO42-濃度沿程呈現(xiàn)先上升后下降再波動(dòng)的趨勢(shì);HCO3-濃度總體上表現(xiàn)為沿程增加.

河源段杰瑪央宗曲(Y1、Y2、Y3)主要離子濃度較低,而瑪攸藏布的TDS含量明顯高于其他兩條河流.3條河流均有冰川融水補(bǔ)給,但因受冰川距離及規(guī)模的影響導(dǎo)致其主要離子來源有所不同,杰瑪央宗曲、庫(kù)比曲距離冰川較近,冰川融水對(duì)主要離子濃度貢獻(xiàn)較大.瑪攸藏布距離冰川較遠(yuǎn)且冰川規(guī)模較小,受巖石風(fēng)化影響較大,離子濃度較高.干流樣點(diǎn)Y4因支流瑪攸藏布的匯入離子濃度增加, HCO3-、SO42-、Na+、Mg2+濃度上升尤為明顯.

河流段主要離子濃度由沿程變化的各種環(huán)境因素及人類活動(dòng)強(qiáng)度的共同影響,干流主要離子濃度存在空間異質(zhì)性.這與各個(gè)支流的匯入密不可分,支流來烏藏布的匯入,導(dǎo)致Y7點(diǎn)Na+、Mg2+、K+、HCO3-濃度出現(xiàn)明顯上升;由于列榮藏布及其它支流的匯入產(chǎn)生稀釋作用,Y8點(diǎn)主要陽(yáng)離子和陰離子HCO3-、SO42-濃度都呈明顯下降趨勢(shì);由于Y8～Y12河道由窄變寬再變窄,導(dǎo)致河面較寬處河水蒸發(fā)強(qiáng)烈[37],區(qū)間內(nèi)陽(yáng)離子Ca2+、Na+、K+有較為明顯的先下降后上升趨勢(shì),陰離子SO42-、HCO3-則表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì).因?yàn)樾矍鶱a+、Mg2+、Cl-等離子濃度較高,柴曲Ca2+、HCO3-、SO42-等離子濃度較高;柴曲匯入貢獻(xiàn)大量HCO3-、SO42-、Ca2+,雄曲匯入貢獻(xiàn)較多Na+、Mg2+、Cl-;導(dǎo)致Y19點(diǎn)陽(yáng)離子Na+、Mg2+、Ca2+均出現(xiàn)陡然上升,陰離子(除NO3-外)也出現(xiàn)陡然上升,其中Cl-上升趨勢(shì)尤為明顯.而由于雄曲及其他小型支流匯入的稀釋作用,Y20點(diǎn)后除K+變化不明顯外,其余離子都呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì).

河流段與河源段相比,主要離子濃度均較高,Cl-、Mg2+、HCO3-、Ca2+約為河源段的1.54～2.76倍.雅江上游干流與全流域干流豐水期[15]相比,主要離子濃度(Na+除外)均較低,說明雅江源頭的冰川融水徑流對(duì)上游水體影響較大.

3 討論

3.1 主要離子來源解析

對(duì)研究區(qū)內(nèi)雅江上游干支流所有采樣點(diǎn)進(jìn)行分析得出:Na+/Cl-平均值為7.98,采樣點(diǎn)都偏離源于海水的降水Na+/Cl-參照線0.86較遠(yuǎn).且有學(xué)者研究表明,遠(yuǎn)離海洋地區(qū)河流主要離子水化學(xué)特征受大氣降水影響一般較小[38-39],同時(shí)印度季風(fēng)環(huán)流對(duì)青藏高原地區(qū)大氣降水起重要作用,因?yàn)榍嗖馗咴厥獾孛矘?gòu)造與印度季風(fēng)的相互作用,印度季風(fēng)環(huán)流在通過青藏高原的過程中,由于地形的影響而發(fā)生改變,到達(dá)一定高度的青藏高原會(huì)對(duì)向北輸送的水汽起阻擋作用.并且雅江下游至上游隨著海拔的升高降水量減少,從而進(jìn)一步說明大氣降水不是雅江上游干支流水化學(xué)特征的主要控制因素.

Gibbs[40]將影響河水水化學(xué)組成的因素分為大氣降水、巖石風(fēng)化和蒸發(fā)結(jié)晶.如圖4所示,在雅江上游流域Gibbs圖中TDS的范圍為43.54～187.34 mg/L,Na+/(Na++Ca2+)為0.249～0.600,Cl-/(Cl-+ HCO3-)為0.005～0.329.流域內(nèi)所有采樣點(diǎn)都落在巖石風(fēng)化控制區(qū)域,說明雅江上游河水陰陽(yáng)離子的主要控制類型為巖石風(fēng)化.

圖4 雅江上游水化學(xué)吉布斯(Gibbs)圖

主要離子比值可表示不同類型巖石風(fēng)化對(duì)水化學(xué)組分[35]的影響,由圖5(a)所示,Cl-/(Na++K+)比值都在偏向Na++K+一側(cè),說明Na+、K+并非主要來源于蒸發(fā)巖溶解,Cl-不足以平衡Na+、K+,剩余部分Na+、K+可能來源于硅酸鹽類礦物(鈉、鉀長(zhǎng)石等)的風(fēng)化溶解.HCO3-與Ca2+比值(圖5b)有部分點(diǎn)落在1:1線上,其余點(diǎn)基本都落在HCO3-一側(cè);HCO3-與Ca2++ Mg2+比值(圖5c)有較多點(diǎn)落在1:1線上,其余點(diǎn)較多落在Ca2++Mg2+一側(cè);這表明雅江上游存在碳酸鹽巖風(fēng)化的情況,但碳酸鈣鹽巖風(fēng)化不是HCO3-的全部來源,HCO3-不足以平衡Ca2+、Mg2+,說明還存在其他類型鹽巖的風(fēng)化,推測(cè)為硅酸鹽類礦物.HCO3-+ SO42-與Ca2++Mg2+比值(圖5d)水樣點(diǎn)基本都落在1:1線上或集中在1:1線附近,少量點(diǎn)落在1:1線的Ca2++Mg2+一側(cè),說明雅江上游流域內(nèi)巖石的風(fēng)化過程主要由硫酸和碳酸共同參與[41],也有部分Ca2+、Mg2+來自于硅酸鹽巖風(fēng)化作用.

結(jié)合Piper三線圖可知,雅江河源段和河流段主要離子水化學(xué)類型整體上具有一致性.根據(jù)相關(guān)分類法[42]可知,雅江上游干支流水化學(xué)類型以HCO3·SO4-Ca·Na為主.河源段杰瑪央宗曲、庫(kù)比曲受冰川融水影響較大,水化學(xué)類型為HCO3-Ca×Na型.從Gibbs圖可看出雅江上游干支流樣點(diǎn)在圖中分布較為集中,說明雅江上游干支流河水主要離子的控制類型具有一致性,主要為巖石風(fēng)化,這與雅江干流豐水期[15]、尼洋河[35]、那曲[9]的分析結(jié)果相似.

圖5 雅江上游主要離子比值

相關(guān)性分析可用來揭示離子的來源關(guān)系,是研究不同因素之間的依存關(guān)系對(duì)水體中離子濃度的相關(guān)性,可表明離子的物質(zhì)來源或類似的化學(xué)反應(yīng)過程[43].由表4可知,TDS與Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-之間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(<0.01),其中與Ca2+、HCO3-的相關(guān)性最為顯著,說明Ca2+、HCO3-是TDS的重要來源.HCO3-與Mg2+、Ca2+、SO42-都有著顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.630、0.817、0.526,說明HCO3-與Mg2+、Ca2+、SO42-有同一來源;SO42-與Mg2+、Ca2+也有顯著的正相關(guān)關(guān)系,這說明三者有共同來源,主要來源于白云石、方解石等碳酸鹽巖礦物風(fēng)化的碳酸及硫酸作用溶解[44].NO3-與K+有著顯著的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.472,受人類活動(dòng)和農(nóng)業(yè)施肥的影響較大[38],但由于雅江上游流域NO3-與K+濃度過低,故人為因素的影響有限.而Cl-與Na+呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.694,由于雅江上游流域主要水化學(xué)控制類型為巖石風(fēng)化且受人為活動(dòng)因素干擾較小,結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)情況,說明雅江上游流域存在蒸發(fā)巖溶解.

表4 雅江上游主要離子水化學(xué)成分相關(guān)分析

注:**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān), *表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

表5 雅江上游主要離子主成分分析

注:采用最大正交旋轉(zhuǎn)法,旋轉(zhuǎn)在3次迭代后收斂.

為進(jìn)一步探究雅江上游流域主要離子的來源和水化學(xué)特征,對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,篩選出3個(gè)因子,共解釋了83.56%的變量信息(表5).主成分1解釋了45.41%的方差變異,HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+在主成分1具有較大的正荷載,分別為0.873、0.711、0.843、0.798.碳酸鹽巖風(fēng)化是HCO3-、Ca2+、Mg2+的主要來源[44],將主成分1的分析結(jié)果與雅江上游流域的水文地質(zhì)情況結(jié)合,以及上述的Gibbs圖、離子比值圖、陰陽(yáng)離子三線圖和相關(guān)性分析,揭示了雅江上游流域HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+的主要來源為流域內(nèi)碳酸鹽巖(白云石、方解石等)的風(fēng)化[45].主成分2解釋了20.69%的方差變異,Cl-、Na+在主成分2中占有較大正荷載.由于天然條件下,蒸發(fā)巖溶解對(duì)Na+、Cl-貢獻(xiàn)較大[4],主成分2的結(jié)果表明Cl-、Na+主要來源于蒸發(fā)巖的溶解.主成分3中K+、NO3-占較大正荷載,約占17.46%的方差百分比,但由于NO3-濃度較低,故人類活動(dòng)對(duì)雅江上游干支流水體影響有限.

3.2 與其他河流源區(qū)水化學(xué)特征對(duì)比分析

如表3所示,雅江上游河水主要離子濃度普遍低于其他河流河源區(qū),這可能與雅江上游受冰川融水影響較大有關(guān).與雅江上游水化學(xué)類型相似,雅江中下游水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4-Ca·Mg,河水水化學(xué)組分主要受碳酸鹽巖風(fēng)化控制.但雅江上游優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子Na+濃度約為中下游豐水期的3倍(表3),這主要與雅江上游受硅酸鹽礦物風(fēng)化溶解相對(duì)較強(qiáng)有關(guān).同雅江中下游研究結(jié)果一致,雅江中下游泉水[46]的主要離子組成也為Mg2+、Ca2+、SO42-、HCO3-,而泉水的水化學(xué)組成貢獻(xiàn)率從大到小依次為碳酸鹽巖風(fēng)化、蒸發(fā)巖溶解、硅酸鹽風(fēng)化溶解及人為活動(dòng)影響.與雅江上游河水水化學(xué)特征略有不同,雅江中下游泉水受蒸發(fā)巖溶解及人為因素影響相對(duì)更大,從而說明雅江中下游與上游水化學(xué)特征的主要差別之一為蒸發(fā)巖溶解強(qiáng)弱.蒸發(fā)巖溶解也影響著位于長(zhǎng)江源區(qū)的沱沱河,其TDS含量、Na+、Cl-濃度均值都明顯偏高,水化學(xué)類型主要為Na-Cl,受蒸發(fā)巖溶解影響較大;黃河源區(qū)的水化學(xué)類型與沱沱河一致,主要離子也來源于蒸發(fā)巖溶解[5,7,47].而怒江源區(qū)河流那曲與雅江上游離子來源相似,主要來源于碳酸鹽巖和硅酸鹽風(fēng)化溶解,水化學(xué)類型主要為Ca-HCO3,但那曲TDS含量均值為271mg/L[9],明顯高于雅江上游(116.36mg/L),這主要因?yàn)槟乔c雅江上游受巖石風(fēng)化及冰川融水影響程度不同.瀾滄江源區(qū)與雅江上游水化學(xué)類型差異較大,主要為Ca-SO4,這是由瀾滄江源區(qū)受蒸發(fā)巖溶解、含硫礦物氧化等影響, SO42-濃度明顯偏高導(dǎo)致[7,18].綜上所述,與發(fā)源于青藏高原的其他河流源區(qū)以及雅江中下游對(duì)比分析可知,雅江上游受冰川融水徑流的稀釋作用較大, TDS含量及主要離子平均濃度均較低.位于青藏高原南部的雅江上游、中下游及北部的怒江源區(qū)那曲水化學(xué)類型主要由碳酸鹽巖風(fēng)化作用控制,而位于青藏高原北部的長(zhǎng)江河源沱沱河、黃河源區(qū)及瀾滄江源區(qū),水化學(xué)類型主要受蒸發(fā)巖溶解作用影響.

4 結(jié)論

4.1 雅江上游干支流河水整體呈弱堿性,平均pH值為7.73;TDS平均值為116.36mg/L.河源段水體礦化度低,TDS平均值(70.73mg/L)遠(yuǎn)低于世界河流平均值99mg/L;河流段平均pH值為7.97,TDS均值(123.68mg/L)高于河源段.

4.2 雅江上游干支流河水陽(yáng)離子呈現(xiàn)Ca2+>Na+> Mg2+>K+,陰離子為HCO3->SO42->Cl->NO3-.優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子為Ca2+、Na+,約占47.90%、34.76%;優(yōu)勢(shì)陰離子為HCO3-、SO42-,約占71.11%、23.16%.雅江上游干支流河水水化學(xué)類型以HCO3·SO4-Ca·Na型為主,而河源段支流杰瑪央宗曲、庫(kù)比曲水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na型.

4.3 雅江上游干流主要離子濃度空間變化較為劇烈.河源段干流杰瑪央宗曲主要離子濃度受杰瑪央宗冰川融水影響較大;河流段干流主要離子濃度的空間變化為沿程各支流的匯入及河源段冰川融水的共同作用.

4.4 雅江上游干支流的主要離子組成受巖石風(fēng)化作用控制,離子主要來源于碳酸鹽巖及硅酸鹽巖風(fēng)化,且存在蒸發(fā)巖溶解,而受人類活動(dòng)的影響有限.

[1] Raymo M E, Ruddiman W F. Tectonic forcing of late Cenozoic climate [J]. Nature, 1992,359(6391):117-122.

[2] 姚檀棟,鄔光劍,徐柏青,等.“亞洲水塔”變化與影響[J]. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2019,34(11):1203-1209.

Yao T D, Wu G J, Xu B Q, et al. "Asian water tower" change and its impacts [J]. Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, 2019, 34(11):1203-1209.

[3] LI F, Zhang Y, XU Z, et al. The impact of climate change on runoff in the southeastern Tibetan Plateau [J]. Journal of Hydrology, 2013,505: 188-201.

[4] 高壇光,康世昌,張強(qiáng)弓,等.青藏高原納木錯(cuò)流域河水主要離子化學(xué)特征及來源[J]. 環(huán)境科學(xué), 2008,29(11):3009-3016.

Gao T G, Kang S C, Zhang Q G, et al. Major ionic features and their sources in the Nam Co Basin over the Tibetan Plateau [J]. Environmental Science, 2008,29(11):3009-3016.

[5] 劉 敏,趙良元,李青云,等.長(zhǎng)江源區(qū)主要河流水化學(xué)特征、主要離子來源[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021,41(3):1243-1254.

Liu M, Zhao L Y, Li Q Y, et al. Hydrochemical characteristics, main ion sources of main rivers in the source region of Yangtze River [J]. China Environmental Science, 2021,41(3):1243-1254.

[6] Zhao L Y, Li W, Lin L, et al. Field Investigation on River Hydrochemical Characteristics and Larval and Juvenile Fish in the Source Region of the Yangtze River [J]. Water, 2019,11(7):1-20.

[7] 周長(zhǎng)進(jìn),董鎖成,王 國(guó).“三江”河源地區(qū)主要河流的水資源特征[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2001,16(6):493-498.

Zhou C J, Dong S C, Wang G. Resources characteristics of the major rivers in the source areas of the Changjiang, Huanghe and Lancangjiang [J]. Journal of Natural Resources, 2001,16(6):493-498.

[8] 黃 露,劉叢強(qiáng), Chetelat B,等.中國(guó)西南三江流域風(fēng)化的季節(jié)性變化特征 [J]. 地球與環(huán)境, 2015,43(5):512-521.

Huang L, Liu C Q, Chetelat B, et al. Seasonal variation characteristics of weathering in the three river basin, southwestern China [J]. Earth and Environment, 2015,43(5):512-521.

[9] Wang F Q, Zhao Y, Chen X, et al. Hydrochemistry and its controlling factors of rivers in the source region of the Nujiang River on the Tibetan Plateau [J]. Water, 2019,11(10):w11102166.

[10] 宋泓葦,孟玉川,蔣芳婷,等.雅魯藏布江中游地區(qū)地表水、地下水同位素特征及其指示作用 [J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2021,35(7):122-128.

Song H W, Meng Y C, Jiang F T, et al. Isotope characteristics of surface water and groundwater in the middle reaches of Yarlung Zangbo river and their indicators [J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2021,35(7):122-128.

[11] 劉佳駒,郭懷成.雅魯藏布江河水氫氧同位素時(shí)空變化特征[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021,41(11):5194-5200.

Liu J J, Guo H C. Temporal and spatial variation characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in Yarlung Zangbo River [J]. China Environmental Science, 2021,41(11):5194-5200.

[12] 劉 劍,姚治君,陳傳友.雅魯藏布江徑流變化趨勢(shì)及原因分析[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2007,22(3):471-477.

Liu J, Yao Z J, Chen Z Y. Evolution trend and causation analyasis of the runoff evolution in the Yarlung Zangbo River Basin [J]. Journal of Natural Resources, 2007,22(3):471-477.

[13] 高志友,王小丹,尹 觀.雅魯藏布江徑流水文規(guī)律及水體同位素組成[J]. 地理學(xué)報(bào), 2007,62(9):1002-1007.

Gao Z Y, Wang X D, Yin G. Hydrological rule and isotopiccomposition of water bodies in Yarlung Zangbo River [J]. Acta Geographica Sinica, 2007,62(9):1002-1007.

[14] 李占玲,徐宗學(xué),鞏同梁.雅魯藏布江流域徑流特性變化分析[J]. 地理研究, 2008,27(2):353-361.

Li Z L, Xu Z X, GON Z L. Characteristics of runoff variation in the Yarlung Zangbo River basin [J]. Geographical Research, 2008,27(2): 353-361.

[15] 劉久潭,李穎智,高宗軍,等.雅魯藏布江豐水期河水離子組成特征及其控制因素[J]. 冰川凍土, 2019,41(3):697-708.

Liu J T, Li Y Z, Gao Z J, et al. Ionic composition characteristics and their controlling factors in the main stream of Yarlung Zangbo River [J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2019,41(3):697-708.

[16] 劉佳駒,趙雨順,黃 香,等.雅魯藏布江流域水化學(xué)時(shí)空變化及其控制因素[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2018,38(11):4289-4297.

Liu J J, Zhao Y S, Huang X, et al. Spatiotemporal variations of hydrochemistry and its controlling factors in the Yarlung Tsangpo River [J]. China Environmental Science, 2018,38(11):4289-4297.

[17] Wu W, Yang J, Xu S, et al. Geochemistry of the headwaters of the Yangtze River, Tongtian He and Jinsha Jiang: Silicate weathering and CO2consumption [J]. Applied Geochemistry, 2008,23(12):3712-3727.

[18] Tao Z H, Zhao Z Q, Zhang D, et al. Chemical weathering in the Three Rivers (Jingshajiang, Lancangjiang, and Nujiang) Watershed, Southwest China [J]. Chinese Journal of Ecology, 2015,34(8):2297-2308.

[19] Liu J, Zhao Y, Li Z, et al. Quantitative source apportionment of water solutes and CO2consumption of the whole Yarlung Tsangpo River basin in Tibet, China [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2019,26(27):28243-28255.

[20] Wu W, Xu S, Yang J, et al. Silicate weathering and CO2consumption deduced from the seven Chinese rivers originating in the Qinghai- Tibet Plateau [J]. Chemical Geology, 2008,249(3/4):307-320.

[21] Wu L L, Youngsook H, Qin J H, et al. Chemical weathering in the Upper Huang He (Yellow River) draining the eastern Qinghai-Tibet Plateau [J]. Journal of the Geochemical Society and the Meteoritical Society, 2005,69(22):5279-5294.

[22] 李明月,孫學(xué)軍,李勝楠,等.青藏高原及其周邊地區(qū)冰川融水徑流無機(jī)水化學(xué)特征研究進(jìn)展[J]. 冰川凍土, 2020,42(2):562-574.

Li M Y, Sun X J, Li S N, et al. Advances on inorganic hydrochemistry of glacial meltwater runoff in the Qinghai-Tibet Plateau and its surrounding areas [J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(2):562-574.

[23] 姚檀棟,周 行,楊曉新.印度季風(fēng)水汽對(duì)青藏高原降水和河水中δ^18O高程遞減率的影響[J]. 科學(xué)通報(bào), 2009,54(15):2124-2130.

Yao T D, Zhou X, Yang X X. Indian monsoon influences altitude effect of δ^18O in precipitation/river water on the Tibetan Plateau [J]. Chinese Science Bulletin, 2009,54(15):2124-2130.

[24] Liu Z, Yao Z, Huang H, et al. Land use and climate changes and their impacts on runoff in the Yarlung Zangbo river basin, China [J]. Land Degradation & Development, 2014,25(3):203-215.

[25] 柏建坤,李潮流,康世昌,等.雅魯藏布江中段表層沉積物重金屬形態(tài)分布及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué), 2014,35(9):3346-3351.

Bai J k, Li C L, Kang S C, et al. Chemical speciation and risk assessment of heavy metals in the parts of Yarlung Zangbo surface sediments [J]. Environmental Science, 2014,35(9):3346-3351.

[26] 張計(jì)東,張振利,魏文通,等.中華人民共和國(guó)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[M]. 北京:地質(zhì)出版社, 2015:39-64.

Zhang J D, Zhang Z L, Wei W T, et al. Regional Geological Survey Report of the People's Republic of China [M]. Beijing: Geological Press, 2015:39-64.

[27] Pant R R, Fan Z, Rehman F U, et al. Spatiotemporal variations of hydrogeochemistry and its controlling factors in the Gandaki River Basin, Central Himalaya Nepal [J]. Science of The Total Environment, 2017,622:770-782.

[28] HJ 494-2009 水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo) [S].

HJ 494-2009 Water quality-Guidance on sampling techniques [S].

[29] Xiang H, Sillanpaeae M, Gjessing E T, et al. Water quality in the Tibetan Plateau: major ions and trace elements in the headwaters of four major Asian rivers [J]. Science of the Total Environment, 2009, 407(24):6242-6254.

[30] Gaillardet J, Dupré B, Louvat P, et al. Global silicate weathering and CO2consumption rates deduced from the chemistry of large rivers [J]. Chemical Geology, 1999,159(1-4):3-30.

[31] 周嘉欣,丁永建,曾國(guó)雄,等.疏勒河上游地表水水化學(xué)主離子特征及其控制因素[J]. 環(huán)境科學(xué),2014,35(9):3315-3324.

Zhou J X, Ding Y J, Zeng G X, et al. Major ion chemistry of surface water in the upper reach of Shule River basin and the possible controls [J]. Environmental Science, 2014,35(9):3315-3324.

[32] 陳靜生.河流水質(zhì)原理及中國(guó)河流水質(zhì)[M].北京:科學(xué)出版社, 2006:291.

Chen J S. Principles of river water quality and water quality of Chinese Rivers [M]. Beijing:Science Press, 2006:291.

[33] Jiang L G, Yao Z J, Liu Z F, et al. Hydrochemistry and its controlling factors of rivers in the source region of the Yangtze River on the Tibetan Plateau [J]. Journal of Geochemical Exploration, 2015,155:76-83.

[34] 田 原,余成群,雒昆利,等.西藏地區(qū)天然水的水化學(xué)性質(zhì)和元素特征[J]. 地理學(xué)報(bào), 2014,69(7):969-982.

Tian Y, Yu C Q, Luo K L, et al. Hydrochemical characteristics and element contents of natural waters in Tibet, China [J]. Acta Geographica Sinica, 2014,69(7):969-982.

[35] 張 濤,蔡五田,李穎智,等.尼洋河流域水化學(xué)特征及其控制因素[J]. 環(huán)境科學(xué), 2017,38(11):4537-4545.

Zhang T, Cai W T, Li Y Z, et al. Major ionic features and their possible controls in the water of the Niyang River basin [J]. Environmental Science, 2017,38(11):4537-4545.

[36] 張清華,孫平安,何師意,等.西藏拉薩河流域河水主要離子化學(xué)特征及來源[J]. 環(huán)境科學(xué), 2018,39(3):1065-1075.

Zhang Q H, Sun P A, He S Y, et al. Fate and origin of major ions in river water in the Lhasa River basin, Tibet [J]. Environmental Science, 2018,39(3):1065-1075.

[37] 孫 瑞,張雪芹,吳艷紅.藏南羊卓雍錯(cuò)流域水化學(xué)主離子特征及其控制因素[J]. 湖泊科學(xué), 2012,24(4):600-608.

Sun R, Zhang X Q, W Y H. Major ion chemistry of water and its controlling factors in the Yamzhog Yumco Basin, South Tibet [J]. Journal of Lake Sciences, 2012,24(4):600-608.

[38] Lewin P. Erosion sources determined by inversion of major and trace element ratios and strontium isotopic ratios in river water: The Congo Basin case [J]. Earth and Planetary Science Letters, 1993,120(1/2):59-76.

[39] 胡春華,周文斌,夏思奇.鄱陽(yáng)湖流域水化學(xué)主離子特征及其來源分析[J]. 環(huán)境化學(xué), 2011,30(9):1620-1626.

Hu C H, Zhou W B, Xia S Q. Characteristics of major ions and the influence factors in PoYang Lake catchment [J]. Environmental Chemistry, 2011,30(9):1620-1626.

[40] Gibbs R J. Mechanisms Controlling World Water Chemistry [J]. Science, 1971,3985(172):870.

[41] 呂婕梅,安艷玲,吳起鑫,等.貴州清水江流域豐水期水化學(xué)特征及離子來源分析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2015,36(5):56-63.

Lue J M, An Y L, Wu Q X, et al. Hydrochemical characteristics and sources of Qingshuijiang River Basin at wet season in Guizhou province [J]. Environmental Science, 2015,36(5):56-63.

[42] 阿列金.水文化學(xué)原理[M]. 北京:地質(zhì)出版社, 1960:306.

A L J. Principles of water culture [M]. Beijing: Geological Press, 1960:306.

[43] Bao Y F, Wang Y C, et al. Phosphorus fractions and its summer flux from sediments of deep reservoirs located at a phosphate-rock watershed, Central China [J]. Water science & technology: Water supply, 2018,18(1/2):688-697.

[44] 劉叢強(qiáng),蔣穎魁,陶發(fā)祥,等.西南喀斯特流域碳酸鹽巖的硫酸侵蝕與碳循環(huán)[J]. 地球化學(xué), 2008,37(4):404-414.

Liu C Q, Jiang Y K, Tao F X, et al. Sulfuric acid erosion and carbon cycle of carbonate rocks in southwestern Karst Basin [J]. Geochimica, 2008,37(4):404-414.

[45] Qin T, Yang P H, Groves C, et al. Natural and anthropogenic factors affecting geochemistry of the Jialing and Yangtze Rivers in urban Chongqing, SW China [J]. Applied Geochemistry, 2018,98:448-458.

[46] Li Y Z, Gao Z J, Liu J T, et al. Hydrogeochemical and isotopic characteristics of spring water in the Yarlung Zangbo River Basin, Qinghai-Tibet Plateau, Southwest China [J]. Journal of Mountain Science, 2021,18(8):2061-2078.

[47] Li X Y, Ding Y J, Han T D, et al. Seasonal and interannual changes of river chemistry in the source region of Yellow River, Tibetan Plateau [J]. Applied Geochemistry, 2020,119:104638.

Hydrochemical characteristics and sources of the upper Yarlung Zangbo River in summer.

YAN Yu-peng1,2, NIU Feng-xia1,2*, LIU Jia1,2, LIU Xin-ting3, LI Ying1,2, PENG Hui1,2**, YAN Deng-hua4, XIAO Shang-bin1,2

(1.Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Yichang 443002, China；2.College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China；3.Hubei Three Gorges Polytechnic, Yichang 443000, China；4.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)., 2022,42(2)：815～825

To explore inorganic hydrochemical characteristics of the upper Yarlung Zangbo River, water samples were collected from the main stream and different tributaries in this region in August 2020. The chemical compositions and spatial variations as well as the sources of the main ions were analyzed. Results showed that the main anions in the river were HCO3-and SO42-, accounted for 71.1% and 23.2% of the total anions, respectively; the main cations were Ca2+and Na+, accounted for 47.9% and 34.8% of the total cations, respectively; the total dissolved solids (TDS) ranged between 43.5～187.3mg/L, with an average of 116.4mg/L (this indicated a low salinity of water). The dominate pattern of hydrochemical type in the Yarlung Zangbo River Upstream Basin was HCO3·SO4-Ca·Na, while exhibited HCO3-Ca·Na pattern in some headwater (i.e., Jiemayangzong river and Kubi river). Then, there existed drastically changes of HCO3-, SO42-, and Ca2+along the mainstream, which was mainly affected by glacier melt water and the inflow water from different tributaries. In general, in the upper Yarlung Zangbo River, the hydrochemical characteristics was controlled by rock weathering with the ions mainly originated form the carbonate rock and silicate, and the evaporite (sulfate) dissolution was also another source. In contrast, this area was less affected by human activities.

Upper Yarlung Zangbo River；glacier meltwater；hydrochemical characteristics；ion sources；rock weathering

X522

A

1000-6923(2022)02-0815-11

嚴(yán)宇鵬(1997-),男,江西贛州人,三峽大學(xué)碩士研究生,主要從事生態(tài)水利學(xué)研究.

2021-07-02

第二次青藏高原綜合科學(xué)考察資助項(xiàng)目(2019QZKK0207)

* 責(zé)任作者, 講師, nfxctguedu@yeah.net; **教授, hpeng1976@163.com