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2025 , Vol. 42 >Issue 10: 64 - 72

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240960

水环境与水生态

金沙江下游向家坝水库主要支流河水离子化学特征及来源

  • 金可 , 1 ,
  • 张乾柱 1 ,
  • 刘芳枝 2 ,
  • 邢龙 2 ,
  • 吴颐杭 1 ,
  • 何迁 3 ,
  • 彭正艺 1
展开
  • 1 长江科学院 重庆分院,重庆 400026
  • 2 中国长江三峡集团有限公司 流域枢纽运行管理中心,湖北 宜昌 443000
  • 3 重庆交通大学 建筑与城市规划学院,重庆 400074

金 可(1990-),男,陕西西安人,高级工程师,博士,主要从事生态修复和地球化学领域研究。E-mail:

收稿日期: 2024-09-12

  修回日期: 2024-11-26

  网络出版日期: 2025-01-23

基金资助

国家自然科学基金项目(42407108)

湖北省水利科研项目(HBSLKY202405)

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2023299/CQ)

中国长江三峡集团有限公司技术服务项目(0711618)

中国长江三峡集团有限公司员工科研项目(NBYG202200449)

收起

Hydrochemical Characteristics and Sources of River Water in Main Tributaries of Xiangjiaba Reservoir of Lower Jinsha River

  • JIN Ke , 1 ,
  • ZHANG Qian-zhu 1 ,
  • LIU Fang-zhi 2 ,
  • XING Long 2 ,
  • WU Yi-hang 1 ,
  • HE Qian 3 ,
  • PENG Zheng-yi 1
Expand
  • 1 Chongqing Branch,Changjiang River Scientific Research Institute,Chongqing 400026,China
  • 2 River Basin Complex Administration Center, China Three Gorges Corporation, Yichang 443000, China
  • 3 School of Architecture and Urban Planning, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China

Received date: 2024-09-12

  Revised date: 2024-11-26

  Online published: 2025-01-23

Fold

摘要

金沙江下游流域梯级水库是我国西南地区重要的水能基地,在区域水资源合理开发利用方面发挥了重要作用。选取梯级水库之一的向家坝水库3条主要支流(中都河、西宁河和大汶溪)为研究对象,系统采集了69个河水样品,分析了河水化学组成,探讨了河水主要离子空间分布特征及其补给来源,并计算了河水潜在补给来源对离子浓度的贡献度。结果表明:向家坝水库3条支流河水均呈弱碱性,水化学类型均为Ca-Na-HCO3-SO4,与金沙江流域极为类似;河水主要离子浓度受大气输入、岩石风化和人为活动共同影响,不同离子补给来源空间差异性较小;根据质量平衡方程,岩石风化对3条支流河水主要离子浓度的贡献度平均为45.5%,其中,对中都河贡献达47.2%;人为活动对河水离子组份的影响几乎一致,贡献度均达40%以上;河水可溶性离子来源于大气输入的比例相对较低,平均值为12.6%。研究成果对分析金沙江下游梯级水库水化学组成特征及岩石风化过程具有指导意义。

关键词： 水化学组成; 离子浓度; 岩石风化; 补给来源; 金沙江; 向家坝水库

本文引用格式

金可 , 张乾柱 , 刘芳枝 , 邢龙 , 吴颐杭 , 何迁 , 彭正艺 . 金沙江下游向家坝水库主要支流河水离子化学特征及来源[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(10) : 64 -72 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240960

Abstract

[Objective] The cascade reservoirs in the Lower Jinsha River Basin are important hydropower bases in southwestern China and are crucial for the rational development and utilization of regional water resources. Systematic research on the hydrochemical composition of typical river waters in the basin and their rock weathering processes is conducted to provide theoretical support for evaluating the geochemical cycle in the Lower Jinsha River cascade reservoirs. [Methods] Three main tributaries of Xiangjiaba Reservoir (Zhongdu River, Xining River, and Dawenxi River) were selected as the research objects, and 69 river water samples were collected in May 2024 during the period of rapid algal growth in the reservoir. The hydrochemical composition was analyzed, and the spatial distribution characteristics of major ions in the river water and their sources were examined. The potential sources of river water ions were analyzed using ion ratios, principal component analysis, and ion mass balance methods. The contribution of different sources to the major ion concentration was calculated. [Results] The river water in the three tributaries of Xiangjiaba Reservoir was weakly alkaline, with small spatial differences in pH values. The average values were 8.07, 8.06, and 7.78, respectively. The major cations in the river water were Ca2+ and Na+, while the major anions were SO 4 2 - and HCO 3 -. In the Zhongdu River, Xining River, and Dawenxi River, the concentrations of Ca2+, Na+, SO 4 2 - and HCO 3 - accounted for 89%, 89%, and 88% of the total ion concentration, respectively. The hydrochemical type of the three tributaries was Ca-Na-HCO3-SO4, which was very similar to the river water in the Jinsha River Basin but showed significant differences compared with the mainstream of the Yangtze River, the Yarlung Zangbo River, the Xijiang River, and the Danjiangkou Reservoir. The major ions in river water of the three tributaries were influenced by multiple factors, with potential sources including atmospheric inputs, human activities, and rock weathering (such as carbonate dissolution and silicate weathering). The contribution of atmospheric inputs to ion concentrations in the river water showed little spatial difference, with an average of 12.6%. Rock weathering had a greater influence on the major ions of the Zhongdu River than on those of the Xining and Dawenxi Rivers, while human activities had a greater impact on the ion concentrations of the Xining River. [Conclusions] According to the mass balance equation, the contributions of atmospheric inputs to the ion composition of the Zhongdu River, Dawenxi River, and Xining River are 12.2%, 12.9%, and 12.7%, respectively. The contributions of silicate dissolution to the ions in the three tributaries are 31.2%, 27.3%, and 26.8%, respectively. The contributions of carbonate dissolution are 16.1%, 17.2%, and 18.1%, respectively. The proportions of river water ions derived from human activities are 40.6%, 42.5%, and 42.4% for the Zhongdu River, Dawenxi River, and Xining River, respectively. The research results provide guidance for understanding the hydrochemical characteristics and chemical weathering processes of cascade reservoirs in the Lower Jinsha River Basin.

Key words： hydrochemical composition; ion concentration; rock weathering; recharge sources; Jinsha River; Xiangjiaba Reservoir

0 引言

我国西南地区水资源储量丰富,是水能重点开发利用基地。金沙江流域是西南三江之一,下游已建成4座巨型水电站,在发电、防洪和航运等方面发挥着重要作用。通常,自然条件下河流可溶性组分主要受到大气沉降、岩石风化(如碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发岩等)和人为输入等因素影响[1-4]。研究表明,河流的水化学性质能够反映流域岩石或土壤的化学风化特征,常用来估算大气CO2消耗速率[1,5-6]。岩石风化过程控制着地质时间尺度上的CO2浓度,从而使全球气候处于动态平衡中[7-9]。因此,系统分析金沙江流域梯级水库河流水体化学风化过程,对揭示区域水文循环和评估气候变化趋势意义显著。
目前,学者们针对我国重要河流水化学特征及化学风化过程开展了大量研究[10-16]。例如,刘敏等[10]研究表明长江源区主要河流水化学特征受蒸发结晶和岩石风化共同作用,河水主要离子来源于岩石风化。长江河水水化学类型以HCO3-Ca型为主,离子组成主要受蒸发盐溶解、矿物风化和硫酸盐溶解等影响[11]。陶正华等[3]研究表明金沙江流域河水水化学类型为Na-Ca-Cl-HCO3,主要受上游蒸发盐矿物溶解影响。黄露等[6]系统分析了金沙江石鼓、澜沧江维登和怒江六库以上流域河水主要离子组成变化特征,并评估了流域化学风化过程,得出三江河水中溶质潜在来源为碳酸盐岩风化和蒸发盐溶解。研究表明,雅鲁藏布江主要离子浓度受岩石风化作用显著,其中,碳酸盐溶解对河流离子组成影响最大[12]。张乾柱等[16]系统研究了丹江口水库水化学特征,揭示了水库主要离子受碳酸盐岩风化控制,硅酸盐岩风化是K+和Na+的重要来源。现有研究多集中于河流干流,针对流域典型支流河水离子化学特征及其风化过程的研究相对较少。
水文地球化学方法在研究流域水化学特征、主要离子组成及补给来源,评估水岩相互作用和水质等方面具备较强的优势[16-18]。因此,本文通过系统分析金沙江下游流域向家坝水库3条支流河水主要离子组成,揭示河水离子化学特征及其补给来源,进一步研究向家坝水库典型支流岩石风化过程,以期丰富金沙江下游梯级水库水文循环理论,为流域水文地球化学研究提供理论参考。

1 研究区概况

向家坝水库是金沙江下游流域4座梯级水库的最后一级,位于四川省宜宾市和云南省水富市交界的河段。库区流域面积约4.59×105 km2,多年平均径流量3 810 m3/s,水库总库容约5.16×109 m3,调节库容9.9×109 m3[19]。主要气候类型为亚热带季风气候,年平均气温为18.3 ℃,年平均降水量为908.1 mm,且绝大多数集中于丰水期[19]。向家坝水库支流及库湾分布较多,主要的一级支流包括中都河、大汶溪和西宁河等。其中,中都河为金沙江左岸一级支流,发源于马边县黄连山与烟遮山结合处,全长58 km,集雨面积为506 km2,屏山县境内流域面积达485 km2[20];大汶溪为金沙江下游右岸一级支流,发源于云南省绥江县罗汉坪,海拔范围为330~1 800 m,河长35.7 km,流域面积327 km2,多年平均流量为11.19 m3/s,是绥江县重要的水源地[21];西宁河是金沙江下游左岸一级支流,发源于黄茅埂北麓,流经西宁镇和屏山县,全长75 km,落差>300 m,河床比降为10%,多年平均流量为22 m3/s。向家坝水库主要支流及采样点地理位置如图1所示。
图1 向家坝水库主要支流及采样点分布

Fig.1 Location of main tributaries and sampling sites in Xiangjiaba Reservoir

2 样品采集与分析方法

河水样品采集时间为2024年5月,为水库藻类快速生长的敏感期。中都河样品采集时间为5月15—27日,设置3个采样点,累计采集38个水样;大汶溪样品采集时间为5月15—20日,设置3个采样点,累计采集18个水样;西宁河样品采集时间为5月22—26日,设置3个采样点,累计采集13个水样(图1)。均采用水质采样器采集河流中间0.5 m以下水体,盛装于事先使用超纯水清洗3遍的500 mL聚乙烯塑料瓶中,密封低温保存。水样运回实验室后采用0.45 μm规格的滤膜过滤,过滤后的样品分成2部分储存,一部分用于阳离子(K+、Na+、Ca2+和Mg2+)测定,另一部分用于阴离子(Cl-、 SO 4 2 -和 NO 3 -)测定。
所有水样的阳离子在长江科学院电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES,Thermo ICP 6300)上进行测定,测试精度为±5%;阴离子使用离子色谱仪(ICS-600)测定,测量精度为±3%;水体中的 HCO 3 -在样品收集之后24 h内通过HCl滴定法进行测定,测量精度为±3%。
分别使用SPSS 2019和Origin 2018等软件进行数据分析和图表制作。河水的主要离子水化学特征和岩石风化过程可以通过Piper图、Gibbs图和离子比值图体现[22-24]。
采用离子质量平衡方法,评估潜在来源对河水主要离子的贡献率,计算式为
X 河 水 = X 大 气 输 入 + X 人 为 输 入 + [ X ] 硅 酸 盐 + [ X ] 碳 酸 盐 　 。
式中:[X]河水表示向家坝水库支流河水离子浓度;[X]大气输入、[X]人为输入、[X]硅酸盐和[X]碳酸盐依次代表河水中主要离子来源于大气输入、人为输入、硅酸盐风化和碳酸盐风化的浓度。此外,河水主要离子来自大气降水的部分可利用式(2)计算,即
[ X ] 降 水 = ( X / C l ) 降 水 · [ C l ] 降 水 　 。
式中:[X]降水表示输入河流水体中的降水离子浓度;[Cl]降水代表降水中Cl-浓度;(X/Cl)降水则代表降水主要离子浓度与Cl-浓度的摩尔比值。

3 结果与讨论

3.1 向家坝水库主要支流河水离子浓度分布特征

向家坝水库主要支流所有河水样品均为弱碱性,pH值在7.19~9.21之间,中都河、大汶溪和西宁河水体pH值平均值分别为8.07、8.06、7.78;中都河水体电导率EC略高于大汶溪和西宁河,平均值分别为300.9、272.2、272.1 μS/cm(表1)。空间分布上,中都河和大汶溪水体pH值(图2(a))略高于西宁河,水体EC(图2(b))和总固体溶解度TDS(图2(c))均在中都河达到最大。主要离子中,中都河水体的K+(图2(d))、Na+(图2(e))和 SO 4 2 -(图2(j))离子浓度明显高于大汶溪和西宁河;西宁河水体的Cl-(图2(h))和 HCO 3 -(图2(k))浓度明显高于中都河和大汶溪,而 NO 3 -浓度(图2(i))则较低;3条支流水体的Ca2+(图2(f))和Mg2+(图2(g))离子浓度极为接近。
表1 向家坝水库主要支流河水离子浓度组成统计结果

Table 1 Statistical results of ion concentration composition in main tributaries of Xiangjiaba Reservoir

河流名 特征值 pH值 EC/
(μS·cm-1)		 TDS/
(mg·L-1)		 离子浓度/(mg·L-1)
K+ Na+ Ca2+ Mg2+ Cl- NO 3 - SO 4 2 - HCO 3 -
最小值 7.19 239.6 154.7 1.02 5.49 30.05 4.78 3.49 4.51 10.53 62.18
最大值 9.21 370.8 246.1 2.12 25.64 48.41 10.25 23.63 12.11 82.74 143.54
中都河 平均值 8.07 300.9 195.7 1.56 16.28 35.76 7.48 8.89 7.58 47.33 107.19
中位数 8.10 303.1 197.8 1.58 17.58 33.54 7.64 7.90 7.55 48.53 108.67
标准差 0.47 34.6 23.6 0.17 6.23 4.89 0.98 4.58 1.78 14.46 19.56
最小值 7.47 228.8 148.3 0.96 4.36 31.49 5.70 2.94 6.13 13.79 67.00
最大值 8.45 340.4 225.0 1.45 29.03 34.61 8.69 21.66 7.99 39.68 130.38
大汶溪 平均值 8.06 272.2 175.2 1.14 13.54 33.06 6.75 8.43 7.43 34.87 104.76
中位数 8.06 263.7 167.5 1.17 11.42 32.88 6.51 6.46 7.54 36.25 104.87
标准差 0.28 35.7 25.0 0.15 6.39 0.88 0.84 5.75 0.50 5.74 14.84
最小值 7.29 201.7 129.6 0.79 5.41 28.34 4.03 4.10 3.74 18.14 100.76
最大值 8.15 375.2 248.1 1.92 25.06 39.75 11.12 26.93 7.61 55.38 141.88
西宁河 平均值 7.78 272.1 177.0 1.30 13.42 34.26 7.47 11.38 4.78 30.48 117.08
中位数 7.82 253.6 164.1 1.13 11.93 33.98 7.08 8.53 4.40 25.34 112.79
标准差 0.24 56.5 38.6 0.42 6.19 3.63 2.22 7.10 1.16 10.78 12.90
图2 向家坝水库主要支流河水离子浓度空间分布

Fig.2 Box plot of spatial distribution of ion concentration in main tributaries of Xiangjiaba Reservoir

中都河、大汶溪和西宁河河水主要阳离子浓度(TZ+= K+ + Na+ + 2Ca2+ + 2Mg2+)平均值分别为3.62、3.09、2.80 meq/L,而主要阴离子浓度(TZ-=Cl-+ NO 3 -+2 SO 4 2 -+ HCO 3 -)平均值分别为3.12、2.80、2.95 meq/L。除了西宁河水体阳离子总浓度略低于阴离子总浓度以外,中都河和大汶溪水体的阳离子总浓度均高于阴离子总浓度,离子非平衡主要是由于岩石风化导致水体中溶解了更多的可溶性盐。3条支流河水阳离子均以Ca2+和Na+为主,阴离子则以 SO 4 2 -和 HCO 3 -为主,中都河、大汶溪和西宁河Ca2+、Na+、 SO 4 2 -和 HCO 3 -浓度占总离子浓度的比例分别为89%、89%和88%。和我国主要河流离子组分相比,向家坝水库3条支流总离子浓度与长江干流(5.79 meq/L)[11]、雅鲁藏布江(5.31 meq/L)[12]、淮河(6.07 meq/L)[13]、西江(6.6 meq/L)[15]和丹江口水库(5.83 meq/L)[16]较为类似,而相对长江源区(35.2 meq/L)[25]、金沙江干流(10.43 meq/L)[26]和黄河流域(13.63 meq/L)[14]明显偏低,表明向家坝水库主要支流河水受大气输入的影响不如长江源区和金沙江干流强烈。此外,中都河、大汶溪和西宁河河水的水化学类型一致,均为Ca-Na-HCO3-SO4(图3),水化学类型与金沙江河水极为类似(Na-Ca-Cl-HCO3)[3],而与长江干流(HCO3-Ca)、雅鲁藏布江(Ca-HCO3)、西江(Ca-HCO3)和丹江口水库(Ca-HCO3)等长江流域主要河湖存在一定差异[11-12,15-16],表明金沙江流域干流和支流化学风化过程较为类似。
图3 向家坝水库主要支流河水离子Piper图

Fig.3 Piper diagram of main ions in tributaries of Xiangjiaba Reservoir

中都河、大汶溪和西宁河河水的TDS变化范围分别为154.7~246.1 mg/L(平均值为195.7 mg/L)、148.3~225.0 mg/L(平均值为175.2 mg/L)和129.6~248.1 mg/L(平均值为177.0 mg/L),整体上变化不大,中都河水体TDS略高于大汶溪和西宁河(表1和图2(c))。在降雨入渗和水岩相互作用的过程中,大气沉降、岩石风化和人为活动均能释放离子进入河流[2-3]。所有河水的TDS含量均介于100~1 000 mg/L之间,并且Na+/Na++Ca2+和Cl-/Cl-+ HCO 3 -摩尔比值<0.5,表明向家坝水库支流河水的离子浓度受岩石风化影响最为显著(图4)。
图4 向家坝水库主要支流河水离子Gibbs图

Fig.4 Gibbs diagram of main ions in tributaries of Xiangjiaba Reservoir

3.2 向家坝水库主要支流河水离子补给来源

向家坝水库3条主要支流河水Na+和Cl-之间相关性较好,除了中都河相关性指数为0.524以外,大汶溪和西宁河的相关性指数均>0.8(表2),表明这2种离子来源基本一致。一般而言,Na+主要存在于海水、岩盐、硅酸盐岩,而Cl-主要来源于海水、岩盐或者人为输入[27]。绝大多数河水样品中Na+含量相比Cl-含量更高,表明向家坝水库3条支流河水中Na+主要受到硅酸盐风化或阳离子交换影响(图5(a))。河水样品Ca2++Mg2+和 SO 4 2 -+ HCO 3 -摩尔比值均位于1∶1线右侧(图5(b)),表明河水溶解的离子来源包括碳酸盐、硅酸盐和含硫矿物[24]。河水 SO 4 2 -/Na+和 NO 3 -/Na+摩尔比值整体上<1,表明其主要受矿物风化(如硅酸盐风化和芒硝溶解等)影响(图5(c)和图5(d))。
表2 向家坝水库3条支流主要离子之间相关关系

Table 2 Correlation coefficients between major ions in main tributaries of Xiangjiaba Reservoir

中都河 pH值 EC TDS K+ Na+ Ca2+ Mg2+ Cl- NO 3 - SO 4 2 - HCO 3 -
pH值 1
EC -0.292 1
TDS -0.295 0.999** 1
K+ -0.009 0.292 0.306 1
Na+ -0.142 0.740** 0.730** 0.341* 1
Ca2+ -0.629** 0.607** 0.612** 0.235 0.197 1
Mg2+ 0.009 0.784** 0.786** 0.283 0.672** 0.237 1
Cl- 0.398* 0.403* 0.409* 0.197 0.524** -0.348** 0.641** 1
NO 3 - -0.079 -0.679** -0.655** 0.142 -0.492** -0.217 -0.623** -0.357* 1
SO 4 2 - -0.359* 0.648** 0.633** 0.292 0.696** 0.537** 0.566** -0.04 -0.500* 1
HCO 3 - -0.539* 0.744** 0.752** 0.303 0.563** 0.717** 0.380* 0.067 -0.252 0.396* 1
大汶溪 pH值 EC TDS K+ Na+ Ca2+ Mg2+ Cl- NO 3 - SO 4 2 - HCO 3 -
pH值 1
EC 0.614** 1
TDS 0.711** 0.949** 1
K+ 0.751** 0.822** 0.883** 1
Na+ 0.604** 0.677** 0.771** 0.839** 1
Ca2+ 0.438 0.940** 0.967** 0.844** 0.798** 1
Mg2+ 0.688** 0.940** 0.967** 0.844** 0.798** 0.537* 1
Cl- 0.696** 0.941** 0.970** 0.920** 0.838** 0.405 0.967** 1
NO 3 - -0.637** -0.766** -0.803** -0.710** -0.713** -0.247 -0.826** -0.864** 1
SO 4 2 - 0.190 0.397 0.422 0.433 0.570* 0.377 0.412 0.391 -0.172 1
HCO 3 - 0.486* 0.233 0.418 0.511* 0.801** 0.511* 0.469* 0.481* -0.475* 0.198 1
西宁河 pH值 EC TDS K+ Na+ Ca2+ Mg2+ Cl- NO 3 - SO 4 2 - HCO 3 -
pH值 1
EC 0.716** 1
TDS 0.716** 1.000** 1
K+ 0.781** 0.838** 0.837** 1
Na+ 0.508 0.801** 0.803** 0.787** 1
Ca2+ 0.784** 0.917** 0.915** 0.833** 0.553 1
Mg2+ 0.779** 0.890** 0.888** 0.937** 0.717** 0.922** 1
Cl- 0.656* 0.980** 0.980** 0.760** 0.822** 0.850** 0.846** 1
NO 3 - 0.518 0.359 0.361 0.677** 0.356 0.427 0.428 0.190 1
SO 4 2 - 0.626* 0.633* 0.632* 0.930** 0.765** 0.612* 0.837** 0.568* 0.627* 1
HCO 3 - 0.707** 0.996** 0.995** 0.820** 0.791** 0.917** 0.897** 0.986** 0.292 0.622* 1

注:**表示在0.01水平(双侧)上显著相关,*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

图5 向家坝水库主要支流河水离子浓度比值

Fig.5 Molar ratios of ion concentration in main tributaries of Xiangjiaba Reservoir

河水样品中主要阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)之间均存在正相关性,且大汶溪和西宁河主要阳离子之间相关性更高(表2),表明其来源几乎一致。这些离子主要是土壤粉尘的主要组份,表明向家坝水库3条支流河水样品中主要阳离子潜在来源为矿物风化。河水中K+来源较多,包括钾盐、硅酸盐和农业活动等。结合向家坝水库周边环境,河水中K+主要来源是硅酸盐风化和沿岸农业施肥等。河水中Mg2+潜在来源包括碳酸盐岩、蒸发岩盐和含镁矿物,所有河水样品中Mg2+/Ca2+摩尔比值均<0.5(图5(e)),表明向家坝水库3条主要支流河水Mg2+潜在来源为碳酸盐溶解。由图5(e)可以看出,所有河水样品的 SO 4 2 -/Ca2+摩尔比值均<1,表明河水Ca2+主要来源于碳酸盐风化。此外,河水样品Ca2+和 HCO 3 -之间相关性极高,表明研究区河水受到方解石和碳酸盐溶解共同影响。中都河、大汶溪和西宁河河水样品的Ca2+/Na+摩尔比值平均值分别为1.26、1.40和1.79,Mg2+/Na+摩尔比值平均值分别为0.44、0.48和0.61,其比值和硅酸盐类似,但却明显低于碳酸盐(图5(f)),表明河水Na+潜在补给来源为硅酸盐风化,而Ca2+和Mg2+则受到碳酸盐溶解影响。
主成分分析方法是研究河水主要离子补给来源的重要手段[28]。中都河、大汶溪和西宁河河水样品的第一主成分因子(PC1)方差占总数据的比值分别为50.501%、67.593%、和77.348%。PC1表示除了 NO 3 -,其余离子浓度均较高(表3),表明向家坝水库3条支流河水离子主要受到硅酸盐风化控制。此外,中都河河水样品第二主成分因子(PC2)方差占总数据的比值为20.915%,表现出更高的Na+、Mg2+和Cl-的特征(表3),表明中都河河水离子浓度受大气降水和蒸发盐岩共同影响。大汶溪河水样品第二主成分因子(PC2)方差占总数据的比值为10.65%,其含有更高的Na+、Ca2+、 NO 3 -、 SO 4 2 -和 HCO 3 -(表3),表明大汶溪河水离子浓度受硅酸盐风化和方解石溶解双重影响。西宁河河水样品第二主成分因子(PC2)方差占总数据的比值为11.395%,表现出更高的K+、 NO 3 -和 SO 4 2 -的特征(表3),表明西宁河河水离子浓度主要受钾盐溶解影响(如KNO3和K2SO4等)。研究表明,我国西南三江(金沙江、澜沧江和怒江)河水溶质变化与浅层地下水驻留时间有一定联系,但河水主要离子来源与大气沉降、人为活动和岩石风化有关[6]。
表3 向家坝水库3条支流主要离子主成分分析

Table 3 Principal component analysis of major ions in main tributaries of Xiangjiaba Reservoir

指标 中都河 大汶溪 西宁河
PC1 PC2 PC1 PC2 PC1 PC2
pH值 -0.340 0.781 0.771 -0.038 0.806 0.178
EC 0.974 0.030 0.895 -0.323 0.963 -0.232
TDS 0.971 0.025 0.962 -0.155 0.963 -0.231
K+ 0.366 -0.005 0.921 -0.092 0.949 0.290
Na+ 0.820 0.249 0.896 0.275 0.826 -0.043
Ca2+ 0.614 -0.692 0.549 0.570 0.918 -0.097
Mg2+ 0.809 0.416 0.963 -0.121 0.958 0.023
Cl- 0.376 0.823 0.973 -0.195 0.919 -0.378
NO 3 - -0.651 -0.336 -0.836 0.287 0.507 0.776
SO 4 2 - 0.756 -0.177 0.476 0.405 0.804 0.440
HCO 3 - 0.757 -0.392 0.601 0.577 0.955 -0.283
方差百分
比/%		 50.501 20.915 67.593 10.653 77.348 11.395
累计百分
比/%		 50.501 71.416 67.593 78.246 77.348 88.743

注:方差百分比(即方差贡献率)表示各个主成分的方差在总体样本方差中的比重;累计百分比(即累计贡献率)表示所有主成分的方差比重之和。

综上所述,向家坝水库3条支流河水主要离子潜在来源包括大气输入、人为输入和岩石风化(碳酸盐溶解和硅酸盐风化等)。

3.3 向家坝水库主要支流河水离子来源贡献

通常,计算大气输入对河水溶解组分的贡献方法包括根据当地降水化学组成推算和根据源头河水主要来源于大气降水的Cl-含量进行计算[2-3,29-31]。由于向家坝水库蒸发量大于降水量,故该区域河水中Cl-含量采用研究区源头河水Cl-浓度换算的方法进行计算[3]。本文引用前人研究成果,向家坝水库主要支流源自大气输入的Cl-浓度为0.304 mg/L(8.57 μmol/L)[3]。研究区大气降水中主要离子相对Cl-的摩尔比值分别为K+/Cl-=1.15,Na+/Cl-=1.62,Ca2+/Cl-=12.37,Mg2+/Cl-=2.87, NO 3 -/Cl-=0.69和 SO 4 2 -/Cl-=2.10[31]。基于Cl-稳定的化学特征,本研究利用Cl-平衡来计算向家坝水库主要支流河水来自大气输入的比率。通过计算得出,研究区河水离子来源于大气输入的比例较低,降水对中都河、大汶溪和西宁河河水贡献率分别为12.2%、12.9%和12.7%,3条支流受大气输入的影响差异不大。降水对中都河河水主要离子的贡献率依次为K+(24.62%)> Ca2+(11.85%)> Mg2+(7.88%)> NO 3 -(4.84%)> SO 4 2 -(3.65%)>Na+(1.96%);对大汶溪河水主要离子的贡献率依次为K+(33.58%)> Ca2+(12.83%)> Mg2+(8.74%)> SO 4 2 -(4.96%)> NO 3 -(4.94%)> Na+(2.36%);对西宁河河水主要离子的贡献率依次为K+(29.54%)> Ca2+(12.38%)> Mg2+(7.9%)> NO 3 -(7.68%)> SO 4 2 -(5.67%)>Na+(2.38%)。
前人研究表明,人为活动能够影响环境中的Cl-、 NO 3 -、K+和Na+,而Ca2+、Mg2+和 HCO 3 -则对污染的响应不够明显[2]。河水 NO 3 -除了受到大气输入和人为输入影响以外,几乎不受其他来源影响。因此,通过离子质量平衡可以计算出河水 NO 3 -来源于农业活动的比率。计算结果表明,中都河、大汶溪和西宁河河水 NO 3 -来源于农业活动的组份分别为7.21、7.06、4.41 mg/L。此外,农业输入来源的Cl-/Na+、 NO 3 -/Na+和 K+/Na+摩尔比值分别为5、4和1.4[2]。通过离子质量平衡计算得出,中都河、大汶溪和西宁河河水K+来源于人为活动的组份分别为1.59、1.55、0.97 mg/L,Na+和Cl-来源于人为活动的组份分别为0.67、0.65 mg/L,0.41、5.16 mg/L,5.05、3.15 mg/L,具体贡献率分别为40.6%、42.5%和42.4%(图6)。
图6 向家坝水库主要支流河水离子潜在补给来源贡献度

Fig.6 Potential contributions of recharge sources for ions in main tributaries of Xiangjiaba Reservoir

此外,硅酸盐风化是河水Na+和K+的另一个主要来源。3条支流河水离子主要受到水岩相互作用影响,但蒸发浓缩对其影响相对较低(图3)。换言之,研究区河水Na+和K+除了来源于大气输入和人为活动以外,还受到硅酸盐溶解影响。通过计算得出,中都河、大汶溪和西宁河河水Na+离子来源于硅酸盐溶解输入的总量分别为15.3、12.6、12.7 mg/L,河水K+离子总量分别为0.23、0.14、0.34 mg/L。此外,硅酸盐中Ca2+/Na+和Mg2+/Na+摩尔比值分别为0.6和0.4[32]。假设硅酸盐风化能够释放Ca2+和Mg2+进入河水,则河水离子来源于硅酸盐的部分可利用相对Na+比值计算得出。结果表明,中都河、大汶溪和西宁河河水Ca2+来源于硅酸盐的组份分别为15.9、13.1、13.2 mg/L,Mg2+来源于硅酸盐的组份分别为0.28、0.27、0.17 mg/L。整体上,中都河、大汶溪和西宁河河水主要离子来源于硅酸盐溶解的比例分别为31.2%、27.3%和26.8%(图6)。类似地,中都河、大汶溪和西宁河河水主要离子来源于碳酸盐溶解的比例分别为16.1%、17.2%和18.1%(图6)。总之,向家坝水库3条支流河水主要离子潜在来源包括大气输入、水岩相互作用和人为活动。其中,岩石风化和人为活动对河水离子的总贡献度均>40%,硅酸盐溶解、碳酸盐溶解和人为活动对河水离子含量的贡献率分别为28.4%、17.1%和41.9%,而大气输入对河水离子含量的贡献则仅为12.6%。

4 结论

本文系统研究了金沙江下游流域向家坝水库3条主要支流河水化学离子浓度空间分布特征,探讨了河水离子潜在补给来源,并通过离子比值和质量平衡等方法评估了不同补给来源对河水主要离子的贡献度,主要结论如下:
(1)向家坝水库3条支流河水均呈弱碱性,离子浓度空间分布差异性不大,主要以Ca2+、Na+、 SO 4 2 -和 HCO 3 -为主,水化学类型均为Ca-Na-HCO3-SO4。
(2)向家坝水库主要支流水化学离子浓度受多种因素影响,包括大气输入、岩石风化和人为活动等,其中,水岩相互作用是制约河水主要离子组成的关键因素。
(3)通过质量平衡方程计算得出,人为活动对3条支流河水离子浓度的贡献度平均值为41.9%,硅酸盐溶解和碳酸盐溶解对其贡献分别为28.4%和17.1%,而大气输入对河水离子的贡献度仅为12.6%。
本研究为系统评价向家坝水库主要支流河流水体离子组成特征及其补给来源提供了理论数据,为进一步研究金沙江下游梯级水库水文循环及流域化学风化过程提供了一定参考。未来研究重点应深入分析时间尺度上干流与支流水化学变化特征及其影响因素,以期丰富金沙江下游流域河流水体水化学时空演变规律。

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