張家界地質(zhì)公園的水化學(xué)特征分析

賀 莉，閆云霞，顏 明

(中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國北京 100101)

張家界世界地質(zhì)公園位于中國湖南省張家界市武陵源境內(nèi)，其造景地貌類型多樣，被名為“張家界地貌”［1］.亞熱帶溫暖濕潤氣候下的豐沛降水和強(qiáng)烈的溯源侵蝕作用是張家界峰林地貌形成的主要外動力之一［2］.然而，處于熱帶-亞熱帶濕潤氣候區(qū)的華南及華中地區(qū)為化學(xué)剝蝕模數(shù)的高值區(qū)［3-4］.長江水系河水水化學(xué)組成主要受巖石溶解作用的影響，僅鄱陽湖水系各支流及長江中下游部分小支流站點(diǎn)表現(xiàn)出既受大氣降水成分影響又受巖石溶解作用影響的過渡性質(zhì)［5］.為了更好地了解區(qū)域內(nèi)降雨對巖石的溶解作用，本文以張家界世界地質(zhì)公園中的地表河流金鞭溪和索溪(在索溪湖以上的河段)為研究對象，以周邊水文站歷史實(shí)測水化學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合野外采集樣品的分析數(shù)據(jù)，分析區(qū)域內(nèi)河水的水化學(xué)組成.

1 研究區(qū)概況

張家界砂巖峰林地質(zhì)公園位于湖南西北部張家界市武陵源區(qū)境內(nèi)，屬西南云貴高原東北沿武陵山腹地的中低山區(qū).地理位置為29°16'25″～29°24'25″N，110°22'30″～110°41'15″E，面積達(dá)398 km2.氣候類型為中亞熱帶山地型季風(fēng)濕潤氣候，年均氣溫14～15 ℃，1月日均溫度為1～5 ℃，7月日均溫度為23～27 ℃，平均無霜期240～300 d，年平均相對濕度為77%，年降雨量為1 200～1 600 mm，且相對集中于夏季，侵蝕能力強(qiáng).

公園地處整體呈北東走向的武陵山脈東北部，屬于中國三大地貌階梯中第二與第三階梯間的過渡地帶.地貌類型以石英砂巖峰林地貌為主，其次為喀斯特地貌、侵蝕構(gòu)造地貌、河谷堆積地貌.構(gòu)成張家界砂巖峰林地貌的巖石主要有單一的石英砂巖和石英砂巖夾頁巖層［6］.單一的石英砂巖為巨厚層，質(zhì)純，巖層厚度＞520 m，石英含量75%～95%，其膠結(jié)物多為鐵質(zhì)、硅質(zhì)等，巖石化學(xué)性質(zhì)在表生環(huán)境下十分穩(wěn)定，具較強(qiáng)的抗蝕性［6］.石英砂巖夾頁巖層存在于巨厚層石英砂巖中，其膠結(jié)物中含有鈣質(zhì)，抗風(fēng)化侵蝕的能力較弱，易于風(fēng)化剝蝕，造成崩塌.崩塌的巖塊性脆而易裂，易被洪水帶入河床［6］.主要水系屬洞庭湖支流澧水上游一級支流溇水的次一級支流索溪水系，流域面積534 km2，全長68.3 km.金鞭溪是張家界國家森林公園里唯一的河流，全長約8 000 m，發(fā)源于朝天觀下的土地婭，由西南流向東北，途中匯合了多條溪流，經(jīng)水繞四門進(jìn)入索溪峪后稱為索溪，并由索溪流入溇水.多年平均流量2.89 m3/s，落差150 m，河道寬3～20 m，上游3～5 m.本文研究區(qū)的位置如圖1所示.

圖1 野外測量路線及測點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Field measurements and the measuring point distribution

在索溪湖以上的索溪河段和金鞭溪均沒有布設(shè)控制水文站，索溪的出口控制站是雙楓潭水文站，僅有流量等實(shí)測資料，因此在分析中并沒有考慮雙楓潭水文站.而公園周邊水文站中，僅大庸水文站(1997年改為張家界水文站)和長潭河水文站有水質(zhì)測驗(yàn)項(xiàng)，本文的實(shí)測資料即來源于長潭河水文站、大庸水文站和三江口水文站.長潭河水文站是溇水的流域出口控制站，水文控制面積4 913 km2，多年平均徑流量為5.37 km3，徑流模數(shù)為1.068 m/a;大庸水文站屬長江流域澧水水系澧水，在1947—1954年的水文控制面積為4 751 km2，1955年以后的水文控制面積為4 627 km2，多年平均徑流量4.86 km3，徑流模數(shù)為1.051 m/a;三江口水文站是澧水的出口控制站，代表澧水流域內(nèi)的離子組成.

2 野外調(diào)查及采樣

于2012年4月進(jìn)行了野外調(diào)查、樣品采集和實(shí)驗(yàn)分析，野外測量歷時(shí)6 d.本次野外考察的采集地點(diǎn)見圖1.根據(jù)流域干支流情況布設(shè)采樣點(diǎn)并采樣［7］，并在野外現(xiàn)場測試pH 值，水化學(xué)分析由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的理化中心測試分析.干流采樣點(diǎn)一般布置在支流匯入點(diǎn)的上下游;支流采樣點(diǎn)一般布設(shè)在支流出口處，代表了整條支流的離子化學(xué)組成及其對干流的物質(zhì)貢獻(xiàn).采樣點(diǎn)基本覆蓋了區(qū)域內(nèi)的主要支流，包括甘溪、鴛鴦溪、龍尾溪、衫刀溝、琵琶溪等支流，共20 個(gè)測點(diǎn)，其中干流上共有測點(diǎn)11 個(gè)，支流測點(diǎn)9個(gè)，測點(diǎn)的分布范圍為29°18'41″～29°22'30″N，110°25'50″～110°29'25″E.

3 結(jié)果分析

3.1 水文站離子化學(xué)特征

根據(jù)澧水水系11 個(gè)水文站多年徑流量、含沙量和離子總量及集水面積估算，澧水流域內(nèi)的離子徑流模數(shù)為153.0 t/(km2·a)，離子徑流量為2.573 Mt，多年平均懸移質(zhì)侵蝕模數(shù)469.2 t/(km2·a)，礦化度多年平均值大于190 mg/L［8］.根據(jù)溇水流域內(nèi)水文站(上游南岔站和出口長潭河站)資料分析可知，河流穿行于石灰?guī)r高山深谷中，風(fēng)化殼較厚，徑流深大于1 000 mm，化學(xué)剝蝕十分強(qiáng)烈，離子徑流模數(shù)均在200～235 t/(km2·a)以上，礦化度大于190 mg/L［9］.這說明溇水流域的化學(xué)剝蝕強(qiáng)度大于澧水流域的平均化學(xué)剝蝕強(qiáng)度.

表1 同樣表明，溇水長潭河站的離子徑流模數(shù)大于200 t/(km2·a)，大于澧水三江口站的離子徑流模數(shù)156 t/(km2·a)，也大于我國河流離子徑流模數(shù)的均值44.2 t/(km2·a)［10］.溇水流域內(nèi)的礦化度達(dá)到190 mg/L(表2)，大于世界河流的平均值(64.35 mg/L)及我國大中河流的均值166 mg/L(其他主要河流的離子總量為140～400 mg/L)，也大于長江大通站的多年平均值(162 mg/L)和洞庭湖水系河水的平均礦化度(160 mg/L)，接近淮河蚌埠站多年均值207 mg/L［10-12］.以上分析均表明，溇水流域內(nèi)的離子徑流模數(shù)和礦化度在澧水流域?qū)倨蟮牧饔?

洞庭湖水系各地4～10月多年平均降雨量為800～1 200 mm，占年總量的65%～70%，因此4～10月是洞庭湖水系各區(qū)化學(xué)剝蝕的高峰期［8，12］.然而，澧水由于河水補(bǔ)給來源單一(主要是降水)，流域面積小，因此流域內(nèi)水體交換、調(diào)節(jié)均勻.此外，風(fēng)化殼和土壤因長期遭受淋溶而缺乏易溶鹽類，致使豐、枯年淋溶物質(zhì)相差不大，河水化學(xué)組成較穩(wěn)定，各主要離子含量的年內(nèi)、年際變化小，Cl－、(K++Na+)離子含量幾乎無明顯變化，同時(shí)，礦化度一般枯水期稍高于洪水期，但年際變化不大，大體上隨年徑流量的大小在較小范圍內(nèi)變動［9］.水文站的數(shù)據(jù)(表2)同樣表明，3 個(gè)水文站在4～10月的離子徑流模數(shù)約占多年平均離子徑流模數(shù)的70%，4～10月的多年平均徑流量占多年平均徑流量的比重約為75%，即汛期河水礦化度與全年河水礦化度相差不大，汛期徑流量占全年徑流量的比值與離子徑流量占全年離子徑流量的比值接近.因此，索溪流域在4～10月河水的礦化度與全年的也相差不大.

表1 水文站的離子徑流量等特征值Tab.1 Characteristics of ion runoff of hydrological stations

表2 水文站的離子組成及徑流量的季節(jié)變化Tab.2 Ion composition and seasonal variation of runoff at hydrological stations

從3 個(gè)測站的水化學(xué)組成看(表3)，優(yōu)勢陽離子是Ca2+，約占陽離子總量的41%～72%，優(yōu)勢陰離子是，約占陰離子總量的84%～98%.各主要離子質(zhì)量濃度關(guān)系為ρ(Cl－)，ρ(Ca2+)＞ρ(K+)+ρ(Na+)＞ρ(Mg2+).總體看來，溇水的離子組成與澧水的離子組成基本一致.

巖石風(fēng)化是控制河流離子組成的主要因素，河流匯水區(qū)母巖類型的不同組合造成不同河流陰陽離子組成差異［13］.Hu 等［14］對我國長江、黃河、雅魯藏布江、瀾滄江及鴨綠江等的水化學(xué)研究指出，中國河流水的離子組成主要受碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖溶蝕作用的影響，受鋁硅酸鹽巖風(fēng)化作用的影響不如前兩者明顯.Ca2+和Mg2+來源于碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖的風(fēng)化，Na+和K+來源于蒸發(fā)巖和硅酸鹽巖的風(fēng)化，和Cl－來自蒸發(fā)巖，而溶解性硅酸鹽來自硅酸鹽巖風(fēng)化.張家界石英砂巖中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79.40%～97.20%，而生物碎屑灰?guī)r中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.9%～4.9%［12-13］.含SiO2多的石英砂巖通常比含SiO2少的灰?guī)r抗風(fēng)化侵蝕能力強(qiáng);含CaO 多的巖體比含CaO 少的巖體更容易被流水溶蝕和侵蝕，這也是石英砂巖和生物碎屑灰?guī)r差異風(fēng)化的原因所在［15-16］.張家界砂巖峰林地貌上的風(fēng)化殼中，SiO2的含量較高，Al2O3、Fe2O3的含量較低，而硅鋁率、硅鐵率較高.從表3 也可知，區(qū)域內(nèi)的陰離子主要為碳酸氫根，陽離子主要是鈣離子，因此區(qū)域的離子化學(xué)組成主要受碳酸鹽巖風(fēng)化控制.

表3 測站的水化學(xué)組成特征Tab.3 Hydro-chemical composition of hydrological stations

3.2 野外測點(diǎn)的離子化學(xué)特征

用三角組分圖解法來分析所測得的水化學(xué)數(shù)據(jù)，可將不同化學(xué)組分類型的水明顯區(qū)分開來，以體現(xiàn)出河水溶質(zhì)成分來源［17］.因此，根據(jù)公園內(nèi)各測點(diǎn)水樣的離子組成(表4)，將測點(diǎn)離子質(zhì)量濃度點(diǎn)繪在陽離子Ca2+—Mg2+—(K++Na+)三角組分圖中(圖2).總體上看，優(yōu)勢離子是Ca2+，然后依次是，SiO2，Na+，Mg2+和K+.具體來說，Ca2+質(zhì)量濃度最高的3 條支流依次為衫刀溝、鴛鴦溪和甘溪(大于20 mg/L);琵琶溪與龍尾溪的鈣離子質(zhì)量濃度最小，約為5 mg/L;金鞭溪Ca2+含量整體相對較低，索溪上游部位的鈣離子含量與金鞭溪類似，在甘溪匯入后受其影響，鈣離子含量劇增，在索溪湖水庫入口處，鈣離子質(zhì)量濃度達(dá)到32 mg/L.各支流的質(zhì)量濃度區(qū)別不大，基本為10～20 mg/L，其中，甘溪上游部位的含量最大，金鞭溪上游和衫刀溝上游部位的含量也相對較高.衫刀溝上游部位的SiO2質(zhì)量濃度超過15 mg/L，其余各點(diǎn)的SiO2質(zhì)量濃度基本為5～15 mg/L.金鞭溪上游部位測點(diǎn)的Na+質(zhì)量濃度較大，其余測點(diǎn)的值都為1～3 mg/L.金鞭溪上游和衫刀溝上游部位測點(diǎn)的Mg2+質(zhì)量濃度較大，其余測點(diǎn)的值都為1.5～2.5 mg/L，琵琶溪的Mg2+質(zhì)量濃度最小，為1.23 mg/L.金鞭溪上游部位測點(diǎn)的K+質(zhì)量濃度較大，其余的都為0.5～1.5 mg/L.需要指出的是，金鞭溪上游部位的測點(diǎn)P10 和P11 在森林公園入口附近，尤其P10 點(diǎn)是在森林公園外，附近居民較多，對測點(diǎn)數(shù)據(jù)影響較大.由表2 分析可知，索溪流域在4～10月的河水礦化度與全年的河水礦化度相差不大.因此，本次野外測量的主要離子含量基本可以代表區(qū)域內(nèi)各干支流在年內(nèi)的離子化學(xué)組成.由此可知，衫刀溝、鴛鴦溪和甘溪的離子含量整體較高，其中以衫刀溝的離子含量最高;而琵琶溪和龍尾溪的離子含量相對較小.

表4 野外實(shí)測各測點(diǎn)的主要離子質(zhì)量濃度(單位:mg/L)Tab.4 Ion content of each measuring point of the field survey(Unit:mg/L)

測點(diǎn)P8 位于索溪干流上，緊鄰索溪湖入口，同時(shí)也位于武陵源景區(qū)的出口，因此該測點(diǎn)基本可以包含索溪上游所有支流的情況.選擇該點(diǎn)為該峰林地貌公園的出口控制站(圖2).與表3 的對比分析表明，測點(diǎn)P8 的鈣離子含量與長潭河水文站的實(shí)測數(shù)據(jù)接近，Mg2+、Na+、K+離子相對偏少，同時(shí)，離子的含量比水文站數(shù)據(jù)稍大.

受氣候、水文各要素的季節(jié)變化和地貌、土壤格局的綜合影響，洞庭湖水系的礦化度、離子徑流模數(shù)、侵蝕模數(shù)具有同一分布規(guī)律，即均有自外圍山區(qū)向洞庭湖平原東北部遞減的總趨勢［12］.上述水文站數(shù)據(jù)的分析也表明，溇水流域內(nèi)的離子徑流模數(shù)和礦化度在澧水流域?qū)倨蟮牧饔?，而位于索溪出口的測點(diǎn)P8 的鈣離子含量與長潭河水文站的實(shí)測數(shù)據(jù)接近.因此，要估算地質(zhì)公園索溪的離子徑流量，采用澧水流域內(nèi)11 個(gè)水文站計(jì)算得到的多年平均的離子徑流模數(shù)將偏小，而采用溇水長潭河站的數(shù)據(jù)將更為合理.

圖2 河水主要陽離子的離子三角組分圖Fig.2 Ion triangle component diagram of major cations

區(qū)域內(nèi)年離子徑流量的計(jì)算公式為

其中，W區(qū)為年離子徑流量(t)，F(xiàn) 為流域面積(km2)，Rs為年離子徑流模數(shù)(t/km2).

采用溇水流域長潭河站的平均離子徑流模數(shù)210.0 t/(km2·a)，而峰林地貌公園的出口控制站p8 測點(diǎn)的控制流域面積約為70.9 km2，可以估算出地質(zhì)公園區(qū)域內(nèi)每年的離子徑流量約為15 kt.其中，Ca2+，Mg2+，Na+和K+的平均質(zhì)量濃度分別為19.3，2.1，2.4 和1.3 mg/L，而SO2－4 和SiO2的平均質(zhì)量濃度分別為14.6 mg/L和9.3 mg/L;Ca2+和的平均質(zhì)量濃度絕對值較大，是決定地質(zhì)公園內(nèi)金鞭溪和索溪河水水化學(xué)特征的優(yōu)勢離子.

4 結(jié)論

通過分析張家界地質(zhì)公園所在水系的水文站實(shí)測水化學(xué)組成及在金鞭溪及索溪的野外實(shí)測數(shù)據(jù)，對地質(zhì)公園內(nèi)河水的化學(xué)組分有以下幾點(diǎn)認(rèn)識:

1)溇水流域內(nèi)的離子徑流模數(shù)和礦化度在澧水流域?qū)倨蟮牧饔?

2)總體上說，研究區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢離子是Ca2+，然后依次是，SiO2，Na+，Mg2+和K+;

3)衫刀溝、鴛鴦溪和甘溪的離子含量整體較高，衫刀溝的離子含量尤其高;而琵琶溪和龍尾溪的離子含量相對較小;

4)根據(jù)長潭河站的平均離子徑流模數(shù)以及地質(zhì)公園出口測站的控制面積，估算出地質(zhì)公園內(nèi)每年的離子徑流量約為15 kt.

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