亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中CO2的消耗（可编辑）

亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中CO2的消耗（可编辑） 首都师范大学 硕士学位论文 亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中CO,2的消耗 姓名:孙媛媛 申请学位级别:硕士 专业:自然地理学 指导教师:季宏兵 20060528亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中 的消耗 摘要 河流的水化学和地球化学特征可以反映地风化、剥蚀作用的强弱。河流水体的化学 元素组成在很大程度上表征着水体环境质量状况、区域环境化学特征、水体元素分布及迁 移转化的规律。目前对一些较小的流域盈地河流的水文地球化学系统研究比较少,故本文 选取赣江上游赣南和贵州平坝附近两处亚热带小流域为研究对象,结合水文年鉴上收 集到的赣南主要站点的相关资料,对小流域的水文地球化学特征、风化过程及风化速率等 方面进行深入系统的研究,获得如下一些初步认识: 赣南流域河 水化学组成以、 、。和为主,其次是毋和。,的含量明显较高,代表了典型硅酸盐地 区河流的相应化学组成,与世界和长江水系平均水平相比,赣南流域河水含有较低的溶质 浓度;贵州平坝整个水系受流域内大面积出露的碳酸盐岩的影响,水中主要离子以、 ”、。和为主,远高于赣南流域和世界流域的平均值。通过分析对比 河流水化学和流经区域的大气降水化学,结合流经地区的流域控制面积和蒸发一蒸腾因 子,应用质量平衡和海盐校正方法定量估算出大气降水对赣南流域河水中十、心、、 ”、和。的贡献率分别为.%、.%、.%、.%、.%和.%,因 此大气降水对河水溶解质的总贡献率为.%,高于世界平均值,可见,赣南流域受大气 降水影响显著。根据主成分分析和因子分析的结果,定量地估算了大气和碳酸盐、 硅酸盐和蒸发盐类对赣南流域河水中各种离子的贡献比例。赣南流域受硅酸盐风化作用强 烈,但主要影响因素仍是碳酸盐和蒸发盐,因为受盐矿的影响,二者对赣南流域溶解质的 贡献率分别为.%和.%,大气对河水溶解质的贡献率为】.%,低于世 界平均 水平。赣南流域主要风化反应以岩盐和方解石的溶解为主,贵州平坝小流域以典型的 碳酸盐岩风化为主,化学风化过程明显受到气候的影响。依据大气中对河水中的 ,’的贡献比例的大小,估算出赣南流域每年岩石风化的大气消耗率为 .×/,其中,碳酸盐类风化过程中的大气消耗约占.%,硅酸盐类风化 过程中的大气消耗约占.%,由此,赣南流域岩石化学风化过程每年消耗的大气 总量为.×?,约占长江流域岩石风化消耗大气总量的.%。通过对小流 域水化学的因子分析,结合水文年鉴的统计资料,大致估算翰林桥站和坝上站的年均化学风化速率分别为.仇,血?和./?”,与世界流域平均风化速率十分接近,低于 长江干流的风化速率。赣南流域主离子浓度的长期变化与的变化基本一致,总硬 度与总碱度比值小于,流域水质基本良好,酸化现象不弱显。通过上述分析可以为赣南 和贵州平坝两处亚热带小流域的流域治理、生态环境建设以及管理决策提供一些基础的研 究资料。 关键词:小流域;水化学;化学风化:大气消耗 ,? 锄士 ? 缸 . 诅衄蛔 , ?删 酉,. ,。印,曲 ,、 ’,也 矗 , 勾、? ,. 王 、:,,。,。 . ,、豇肼 觚 曲 曲甜 , ,,.’’ 啪 ,, “ ” , 印。 ., .%. , 锄 . , , ,% .% ,协 .%? . 也 ; 曲.蛳 毗 。 ’恤 血 也.×’瓜,.% .%、?., .% 】学.×”, ’ 如 撕舀 啪. 廿而 、? ,.‰? . 撕订 ,对 垂融 廿 廿 .诅.时 . 。 , “,芏 廿 】 ?血 . ;啪 : 廿; ; 中英文对照简表首都师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立 进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 痢、繇缀 日期刁肄细』日 首都师范大学学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的,学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名: 羽,骺馐 日期%萨加舌日首都师范大学硕士学位论文 前言 水,不仅支撑着人类和生物圈的整个生命活动,而且对于地球化学过程和元素的迁移 循环起着重大的作用。河流是水圈中最活跃的部分,它在宏观上表现为开放、动态和紊乱 流动的复杂水沙体系;微观上则是溶液、胶体和悬浮颗粒物的多相复合体。它的物质组成 受水介质条件、流域气候、植被、基岩特征、陆地风化侵蚀速率和人为活动等诸多因素的 影响,其特点是化学组成上具有多样性和易变性,这种多样性和易变性是由于环境条件在 空间上和时间上的差异和变化所造成的。河流水体的化学元素组成与流域的气候、岩性、 土壤、植被等自然因素和生物活动有关,在很大程度上可以反映水体的环境质量状况、区 域环境化学特征、水体元素分布分配及迁移转化的规律,因此,河流地球化学研究正受到 越来越多的重视。 河流是地球化学系统中最重要、最活跃的组成部分之一,无论在自然地理系统还是在 人地关系系统中,河流都扮演着举足轻重的角色。河流是地表物质侵蚀、搬运和沉积的重 要自然营力,河流的形成和演化是特定地质构造背景和生物气候综合作用的产物。化学风 化是发生在岩石圈、生物圈、水圈和大气圈之间界面上的重要过程,已成为元素地球化学 循环研究的主要内容之一。尤其最近年来,化学风化作用作为影响全球变化的一种重 要表生地质作用过程,已成为目前地学界发展最为快速的领域之一,并且实现了从定性到 定量研究的飞跃。河流不仅从陆地到海洋运移碳,而且也成为大气活动的去气源,因 而较大的河流可对全球的碳循环产生明显的影响。化学风化作用影响岩石和综合生物圈一 水圈一大气圈一土壤系统之间的碳交换,可能是未来研究的热点。 我国河流水文地球化学特征与化学风化速率的研究虽取得一定的进展,但依旧存在一 定的局限性,主要表现在:大气降水、土壤侵蚀、化学风化及人类活动等多种方式输入对 河水主要离子相对贡献率的定量化结果的研究比较缺乏:流域盆地的化学风化率具体数值 比较稀少,一些已有的结果偏陈旧、还不够完善和准确,尤其是对不同岩性,不同规模的 流域盆地化学风化率系统估算还鲜有报道,因此,岩石化学风化消耗大气通量的研究 工作尚处在起步阶段,有待进一步的深入研究;特别是相对于我国长江和黄河等大型河流 而言,一些较小的流域盆地河流水文地球化学特征和主要风化过程及风化速率的研究还开 展得很少。 本工作通过野外取样和室内实验研究相结合,选择赣江流域地球化学景观中的赣江上 游简称赣南各小流域和贵州平坝农场附近的小流域为研究对象,两处亚热带小流域具孙嫒嫒;亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中的消耗 有典型的气候、多种地质背景和生态环境特点,是研究河水地球化学组成与流域地质地理 背景和生态环境变化关系的理想对象。应用当前地球化学和生物地球化学的最新研究手 段,深入细致地探讨赣南小流域和平坝小流域中河水溶解态的主量元素化学组成特征、主 要离子来源及成因;定量地计算碳酸盐、硅酸盐、蒸发盐三大类岩石及大气沉降对赣南小 流域的各自贡献率;研究赣南和平坝小流域河水的主要化学风化作用特征及流域盆地对大 气的消耗量和消耗率情况:定量地估算了硅酸盐岩化学风化率及碳酸盐岩风化对大气 沉降的贡献;了解了赣南流域水质的长期变化趋势。通过上述研究将对我们更好地了 解小流域的区域化学风化特征,流域的水土流失状况,水文地球化学特征及环境污染等方 面具有十分重要的理论意义。 首都师范大学硕士学位论文 第一章绪论 .问题的提出及意义 河流是全球水循环的熏要组成部分,并在元素地球化学循环中起着重要作用。河流的 水化学和地球化学特征反映了地表风化、剥蚀作用的强弱,并与气候变化、地形和岩石矿 物特征形成重要的响应关系。河流水体的化学元素组成与流域的气候、岩性、土壤、植被 等自然因素和生物活动有关,在很大程度上可以反映水体的环境质量状况、区域环境化学 特征、水体元素分布分配及迁移转化的规律,因此,河流地球化学研究正受到越来越多的 重视。由于河流每年向海洋输入的总水量和悬浮态颗粒物分别为.×”和 .ד,所以河流在陆~海问相互作用中扮演重要角色,它是陆地物质向海洋物质转 移和能量交换的主要通道,; ,;,。河 流作为连接陆地与海洋两大生态系统的桥梁,以及地质大循环的重要环节,在全球生物地 球化学循环和流动的重要作用越来越受到人们的关注。它不仅是海洋一陆地物质和能量交 换的主要通道,而且又汇聚了流域的各种物质,因此,可以以河流的地球化学研究为基础, 具体探讨有关流域盆地化学风化侵蚀过程、上地壳的平均化学和同位素组成,以及化学元 素在大陆一河流一海洋系统中外生循环过程等,;,;, ;,。在影响河流水化学的众多因素中,地质和气候因素起着主导作用。 河流和其流经环境矿物之间的地球化学反应决定了河水的主要离子化学组成,气候因素影 响着河水主要离子的含量夏星辉等,。 碳是人类环境中最重要的元素之一,尤其在今天,随着人类活动影响的加剧,大气中 二氧化碳浓度的增加,全球碳循环显得尤为重要 .,。岩石的化学风化是 改变地球表面和控制元素地球化学循环的重要地质过程。陆地风 化作用在不同时间尺度上 对于气候和构造变化的响应越来越受到人们的关注啪 .,: .,: ,。岩石的风化作用对全球碳循环的重要性已经被许多学者研究过, 如“,和,,,谢 .,唱 、,岩石的风化作用同时参与了短时间尺度和长时问尺度的全球碳循环,对碳 酸盐岩而言,它的风化作用在短时间尺度上对大气二氧化碳循环具有重要影响,但在长时 间尺度上不产生净碳汇;而硅酸盐岩等其他类型岩石的风化过程由于反应速率较慢,在短 时间尺度上对全球碳循环及其变化反应不灵敏,但它所产生的净碳汇是遗失汇的组成之一 邱冬生,。地质时期尺度上,硅酸盐矿物的风化是大气二氧化碳的汇似 ., 孙嫒媛;亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中的消耗 ,要阐明这个问题很困难,因为硅酸盐的风化本身是气候变化的潜在决定因素,因而, 气候和风化环境是紧密关联的。控制硅酸盐矿物风化消耗的大气二氧化碳是研究全球碳循 环的首要条件 .,,硅酸盐风化速率的变化对于制定气候与长期 碳循环机制具 有重要的指示意义。 风化剥蚀作用是地球表面最重要而普遍的地质过程,岩石的机械破碎和腐蚀溶解产物 经雨水冲刷进入河流并最终输送入海洋,据估算世界每年经由河流输送入海的沉积物和溶 ? 解物总量分别约为.×和.×删 ,;油 , ,两者的输送总量相当于冰川输送通量的倍或经由大气途径入海物质量的倍 ,,因此流域盆地的风化剥蚀作用是实现元素地球化学循环和海一陆物质交换的 重要环节。化学风化作用是土壤中无机营养盐物质和生态系统中唯一的长期碱度来源,也 是大气消耗的重要途径,每年约有.×来自大气的碳通过陆地风化作用从 大气一生物圈中转移到海洋中 ,,。流域盆地岩石风化作用对大 气的消耗的主要依据是大气中对河水中的,。的贡献比例的大小。如果是碳酸 盐类风化产生的‘,那么这些呻仅一半来自于大气,另一半由碳酸盐类 的碳酸根本身所提供。假如是硅酸盐类风化作用产物的’,则所 有的一均来源于 大气。 相对于长江和黄河而言,我国学者对一些较小流域盆地河流的水文地球化学的系统研 究却较少,所以我们选择赣江流域与贵州典型喀斯特地球化学景观中的一些小流域为研究 对象,结合水文年鉴上收集到的赣南主要站点的相关资料,掌握河水主量元素化学组成特 征、主要离子来源及成因,定量计算碳酸盐、硅酸盐岩、蒸发盐三大类岩石及大气沉降对 赣南流域的各自贡献率,研究赣南和平坝流域河水的主要化学风化作用特征及流域盆地对 大气的消耗量和消耗率情况,定量估算硅酸盐岩化学风化率及碳酸盐岩风化对大气 沉降的贡献,并了解赣南流域水质的长期变化趋势。研究结果对我们更好地了解小流 域的地质状况、岩石的化学风化、流域地区的水土流失、水文地球化学特征以及环境污染 等方面具有十分重要的理论意义。 .国内外研究现状 我国河流水化学的研究自二十世纪年代初开始以后,取得了一系列丰富的研究成果 见表。乐嘉详、过常龄、陈静生、夏星辉等众多学者对我国一些河流的离子组成特 征、离子来源、入海通量、水质变化及流域盆地的化学风化率等方面进行了一系列的研究,首都师范大学硕士学位论文 他们的研究对象主要选取的是长江、黄河、珠江等大型河流及其主要支流,掌握了比较丰 富的水化学特征资料,而对黑龙江水系及其支流等河流的水化学资料较为匮乏。此外,中 国主要河流水化学特征的研究侧重于河流的离子组成特征、离子来源、离子径流量及入海 通量,近些年来陈静生等又开始关注河流长期的水质变化。另外,李晶莹等首次运用河水 溶解质来研究流域盆地化学风化反应及化学风化率,取得了一定的成效,将我国河流水化 学和化学风化过程的研究推向了定量化的水平,而不是只停留在定性的描述水平。 表一近些年来中国河流水化学和化学风化研究成果一览表 :::竺罂墅垫:监塑璺型翌筌::业堕壁垒型型 作者 河流 时间 主要研究成果 湿热地区的表生地球化学过程是全球变化研究中的一个重要部分。在地表化学风化过 程中,大气中主要的温室气体被转化为溶解态的’,随径流进入海洋,从而使地 表化学风化与全球碳循环之间建立了密切联系。长期的化学风化过程持续消耗着大气和土 壤空气中的,减弱了温室效应的强度,通过“风化一温室气体一气候”之间的负反馈孙嫒嫒:亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中,的消耗 机制延缓了地球气温的变化幅度,使地质历史时期的气候变化显得较为缓和。径流中‘ 的搬运通量在一定程度上可以反映流域地表的化学风化速率。高全洲等以径流对 配。的搬运通量为依据,分析了珠江流域化学侵蚀过程随水文动力的季节变化特征。李 晶莹和张经研究了流域盆地的风化作用与全球气候变化,指出流域盆地的风化作 用是元素地球化学循环的一个重要组成部分,同时也是实现海一陆物质交换的重要环节, 是研究全球长期的碳循环和地质历史时期的全球气候变化如温室效应的重要组成部分。 在百万年的时间规模上,全球水平主要受两个因素控制??大气的输入速率和输 出速率,前者主要与俯冲带和洋中脊发生的火山和变质作用有关, 后者则由陆地表面发生 的化学风化速率来控制,因此,关注河流水化学进而追溯陆面化学风化作用并估算流域风 化消耗量已成为一个研究热点,目前国内这方面的研究工作较少。李晶莹和张经 探讨了黄河流域主要化学风化反应及黄河水化学组成的物质来源,并估算了黄河流域化学 风化率和年均消耗量。邱冬生等基于.模型估算了我国岩石风化所 致的碳汇能力,指出其空间分布取决于岩石类型和气候条件。韩贵琳等研究了贵 州乌江水系河流的水化学组成,结果显示了与世界主要河流不同的水文化学特征,乌江流 域河水中水化学组成主要来源于碳酸盐风化。夏星辉等运用主成分分析法和相关 分析等数理统计方法研究了岩性和气候条件降水量对长江水系河水主要离子化学的影 响。赵继昌等利用河水中的沉积砂、悬移质和溶解元素及锶同位素,应用物质均 衡方程和水化学组分与同位素元素的分馏原理,利用反演方法求解物质均衡方程,确定了 河源区河水中主要元素的来源,研究了河流侵蚀作用的地球化学 特征。张利田和陈静生 对我国四大水系一长江、黄河、松花江和珠江河水中主要离子含量与流域降水量、 区域地质岩性等自然条件进行了统计研究,指出区域地质岩性对河水离子含量和组成有显 著影响,河水离子总量与相应区域的降水量存在显著负相关关系。 河流是把碳从陆地迁移到海洋的主要运输工具,因而河流碳通量被用来指示陆地上能 直接或间接影响碳循环的由自然干扰或人类活动引起的任何变化。最近发现,海洋中: 源汇的地区分布必须考虑河流输送到海洋中的碳,物理剥蚀和化学风化作用使碳释放到河 流中,随后进入海洋,出现四种形态:可溶性有机碳、可溶性无机碳、颗 粒态有机碳、颗粒态无机碳,被河流迁移的碳大部分来自大气中的,但 和一半的坨是由碳酸盐岩的物理剥蚀和化学风化作用提供的 ..。 从地质时期角度看,陆地上碳酸盐溶解消耗的通量与海洋中碳酸盐沉淀释放到大气中 的量平衡,因而,大气中的含量只与硅酸盐风化消耗的有关,并代 表着的一 首都师范大学硕士学位论文 个净碳汇。实际上,伴随着无机营养元素释放的碳酸盐岩风化剖面的形成过程,可以消耗 一定量的大气:,所以通过岩溶地区生态系统无机营养元素的循环研究,可定量评价碳 酸盐岩风化是如何与大气中。存在可能的耦合关系,它或许能成为解释岩溶作用成为大 气汇的直接原因季宏兵,。当未来的研究集中在硅酸盐风化消耗的通量 和由此带来的河流碱性离子的输出时必须考虑硅酸盐岩和碳酸盐岩的相对丰度。 国外对河流水化学和化学风化作用的研究开始的比较早,而且研究内容也比较丰富, 尤其是近些年来的深入系统研究,成果显著。等对加拿大的阿尔伯达省南 部的碳酸盐岩流域进行了化学动力学和风化速率的研究,指出尽管流量是控制河流中总溶 解颗粒物浓度的主要因素,但离子来源主要还是大气沉降和岩溶作用。此外,等 分析了圣劳伦斯河水生生态系统的碳循环及其季节河空间变化,等选取了 加拿大第一长河麦肯锡河为研究对象,讨论近北极气候下控制大河流域化学风化速率的参 数,区分了碳酸盐和硅酸盐岩的风化,指出碳酸盐岩风化主要受径流的控制。 分析了亚马逊河流域中硅酸盐岩的风化过程和大气/土壤中的消耗,考虑其季节和空间 变化,肯定了河流中可溶性颗粒物质的重要性,首次得出了硅酸盐岩的风化速率。碳酸盐 和硅酸盐岩的风化便大气中的浓度降低,并产生碱性离子,化学风化通过碳循环与气 候紧密结合。陆地风化速率对变化的气候和大气分压的响应在地质沉积的阐述和 未来人为影响效应的预测方面具有相当重要的作用。等以西伯利亚东部的河 流为背景,研究其水文地球化学特征,量化了温度和径流对消耗速率的影响。 等对喜马拉雅山区小流域的风化通量进行研究,利用了矿物质量平衡模型区分碳 酸盐和硅酸盐岩的风化特征。等开始研究湿热环境中小流域的生物地球化 学循环和水循环。近来,等研究了世界上最大的高原玄武岩之一的德干印 度南部高原暗色岩对化学风化和地球消耗的影响,他们估测,德干玄武岩的风化使 大气中的减少了%,全球降温.?,该结论强调了玄武岩的分布对全球碳循环及 地球上气候演化的重要作用。 .研究思路和重点 国内主要河流水化学特征的研究侧重于河流的离子组成特征、离子来源、离子径流量、 入海通量及河流长期的水质变化,运用河水溶解质来研究流域贫地化学风化反应及化学风 化率将国内河流水化学和化学风化过程的研究推向了定量化的水平,而不是只停留在定性 的描述水平;国外对河流水化学、化学风化作用及硅酸盐岩的风化速率等方面的研究比较孙嫒媛:亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中:的消耗 丰富翔实。针对国内外研究现状,本论文重点以赣南小流域主要是赣江上游和贵州红 枫河流域的平坝农场残积景观为现场,以亚热带小流域景观为研究对象,应用当前地球化 学和生物地球化学的最新研究手段,重点开展如下研究工作: 通过对亚热带小流域的系统采样,详细分析亚热带小流域河水中溶解态主量元素 的水化学特征、主离子组成比较以及来源与成因,具体探讨大气降水对流域河水 的贡献率,将各种岩石对流域河水溶解质的贡献比例进行定量化计算,以揭示亚 热带小流域各自不同的水体类型和控制河水化学组成的各种地球化学过程。 将野外采样结果与水文年鉴上收集的主要站点的数据资料相结合,通过数理统计 方法利用河水主要化学组成去追溯流域发生的化学风化反应,探讨不同岩性对河 水中溶解质的相对贡献率,进而估算流域盆地岩石化学风化所消耗的大气量以 及主要站点的年均风化速率。赣南流域水质长期变化趋势只做简单介绍。 通过分析可以为赣南和贵州平坝两处小流域的流域治理、生态环境建设以及管理决策 提供一些基础的研究资料。具体研究方法和思路见图.。 图.研究方法和研究思路图 啪 .首都师范大学硕士学位论文 第二章研究区概况、取样及分析测试 .赣南概况 ..地质背景 赣南地区介于东经,。’、北纬,。之间,位于南华活动帝中, 属东南地层区,区内广泛发育晚元古代地层。震旦系广布,为活动型沉积。赣中南地区, 下统:上施组,下部以变质砂岩为主,局部夹细碧岩一石英角斑岩,上部为沉凝和千枚岩, 厚一;下坊组,底部为含砾板岩,以含磁铁石英岩、炭质千枚岩及含锰白云岩 为特征,偶夹基性和中酸性熔岩,厚?。上统老虎塘组:为变质凝灰质砂岩 和长石石英砂岩夹千枚岩,底部含砾岩屑砂岩,项部通常为硅质岩和大理岩,局部夹细碧 岩和流纹岩、凝灰岩等,最厚。 赣南地区所处全球构造位置,属滨太平洋构造域中生代构造带的南东部,其次级构造 单元为“南岭纬向构造带”东段与武夷山北东??北北东构造带南段的复合部位。它经历 的每一地史发展阶段都有花岗岩形成。加里东期岩浆侵入活动见图?所示,赣南陆 壳重熔型花岗岩岩体较多,同位素年龄为 ?,多为岩株,部分为岩基,岩石类 型主要为黑云母二云母花岗岩、二长花岗岩等。岩石化学成分%、, 属富钾钙碱性岩石,与之有关的有铜锡矿的形成。/在.一.之间, 反映岩 浆源为大陆壳硅铝层混合交代重熔所形成。加里东期变质岩系广泛分布于南华变质岩区。 赣南处于赣湘粤桂加里东变质岩带,为地温动力变质区,地热流值低。该带花岗岩较多, 环绕侵入体发育角岩带,偶见边缘混合岩。中生代侏罗系赣南上统为火山一沉积岩系,与 中统普遍为不整合接触,岩系下部以玄武岩、安山岩为特征,厚?,上部主要 由英安质或流纹质熔岩及其熔结凝灰岩组成,厚?程裕淇,。 ..地理和水文背景 赣南地区地处中亚热带南缘,气候温和,雨量充沛,属典型的亚热带季风湿润气候。 年均气温.??,年均降水量...,多集中在至月。无霜期年均? 天。年均相对湿度.%,全年日照...小时。一月平均气温?,七月平均 气温.?。赣江为鄱阳湖水系五大河流之首,是江西省第一大河流,也是长江八大支流 之一,全长,流域面积。流域地势西高北低,自南向北流,赣州以上为上 游,有湘水、平江、梅江、桃江和章水汇入。受季风影响,流域内降水分布不均,年 孙嫒媛:亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中的消耗 白垩~第三系 上三叠统~侏罗系 .泥盆~下三叠统 .震旦~奥陶系 .侏罗系火山岩 .燕山花岗岩 .印支期花岗岩 海西期花岗岩 .力口里东期花岗岩 .城市县城 图赣南地质构造略图?? 山 . 蔓塑堕堕奎兰望主堂垡堡皇 江西省年降水量等值线图 图江西省年降水量等值线 .? 诅 年江西省水资源公报孙嫒嫒:亚热带小流域水文地球化学特征及 风化过程中的消耗 图?赣南各流域水样品采集地点分布 够 培? 锄 如 总趋势是赣北、赣西大于赣南,低值区在赣江上游梅江和吉泰盆 地,见图.所示。赣南 地区地貌以山地为主,占总面积的%,丘陵占%,低丘岗地占%。地势西南高,东 北低。山间谷地延伸,形成大小不等,为数众多的小盐地。土壤偏酸性。山地多黄壤和黄 棕壤,丘陵岗地均为红壤,河谷地带以近代冲积土为主。耕作土壤以熟化的红壤性水稻土 和冲积土居多。区内水力和森林资源较丰富,经济以水稻种植为主,森林砍伐次之。 章贡二水汇合而成赣江,二水汇合口赣州市八境台以上简称赣江上游集水厦积约 .万,其水沙主要来源于贡水、章水、桃江、平江四条支流,它们分别由峡山、坝上、 居龙滩、翰林桥水文站控制,这四站集水面积,占赣江上游集水面积的.%, 区间面积仅占.%。研究区主要是赣江上游的各支流包括桃江、章水、上犹江、湘水、绵 水、濂江、贡水、梅江和平江及赣江中游南段主河道,如图.所示,采样点自南向北依 次为全南、龙南、信丰、会昌、洛口、唐江、梅县赣县、赣江、江口和于都。赣南地 区年径流量亿,流域上游区平均年降水量,。赣江水系径流补给属雨水补 给型,其径流量与降雨量的变化趋势一致,地下水补给约占全年河川径流量的.%。首都师范大学硕士学位论文 .贵州平坝概况 贵州地处祖国西南腹地,属于云贵高原的一部份,位于西部特提斯构造域和东部濒太 平洋构造域的交接地带。贵州的地质构造属板内构造,构造的主体为薄皮构造;变形不十 分强烈,在贵州发育最完整、最广泛的构造样式是侏罗山式褶皱带。贵州碳酸盐岩分布广 泛,出露面积约.,约占全省总面积的.%。从震旦纪晚期至晚三迭世早期地层大 都由各类碳酸盐岩组成,具明显的多时代性和多层位性。岩石类型多样,其中以生物成因 的碳酸盐岩最为发育。形成碳酸盐岩的沉积环境复杂多变。分布广泛、类型多样的碳酸盐 岩是贵州岩溶地貌发育的物质基础。贵州省降水量在.咖之间,全省多年平均水 资源量亿长江亿、珠江亿;全省河长大于以上的河流有 条,分属长江流域的乌江水系、赤水河綦江水系、沅江水系、牛栏江横江水系及珠江 水系、北盘江水系、红水河水系及都柳江水系。 平坝县位于贵州省中部,地扼要冲,为滇黔必经之地,隶属于安顺 市,介于东经一 一’,北纬。’一。’之间。地势北高南低,海拔一般在一,境内多 低山丘陵,喀斯特区面积占.%。境内大多数县区分布有石灰岩和白云岩,岩溶发育 充分,多洞穴瀑布、奇山异水。安顺市大部分地区属亚热带季风湿润气候,西部和南部河 谷具有亚热带温湿季风气候特点。降水多集中于至月,年平均气温??,年平均 无霜期天左右。安顺市处于长江与珠江分水岭地带,境内主要河流有乌江和北盘江。 平坝县境内主要河流有条,河域面积,径流总量.亿,年平均气温 .?,降雨量,无霜期天,地貌形态为溶蚀作用为主的喀斯特地貌。研究 区河流主要是平坝附近的羊昌河、花桥河、马场河以及平坝农场、夏云镇、高峰镇等部分 乡镇的河流。 .河水样品的采集和分析测试方法 环境地球化学研究是以实验分析数据为主要手段,来观察研究地表环境中发生的各种 地质的、生物的、化学的现象和过程。实验分析数据和实际观察结果是整个研究的基础。 ..河水样品的采集 赣南河水样品于年月在赣江上游各小流域采集,共个河水样品。为避免河 岸边影响,采样时应离河岸一定距离,要求在河流湍流带完成。涉水采样时,应避免搅动 河床,以免使水质浑浊。采样时,人应面对水流方向采样。在船上采样时,应将船稳定后 孙嫒嫒:亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中的消耗 面对水流方向在船上方采样。水样均在距水面一以下采集。采样期间河流正处于 夏季枯水期相对于往年夏季。贵州平坝农场附近流域的水样于年月采集,共 个样品,其中有两个地下水样品。 采样时,戴上塑胶手套将样品瓶注入河水约半瓶,荡洗后将水倾至采样点的下游,如 此重复次,然后取水下约处的水样,装在事先洗好的聚乙烯塑料瓶盐酸中浸泡 数日后清洗中。河水样品带回实验室后,立即测定了值和电导,之后通过.斗 醋酸纤维滤膜减压过滤。当过滤样品时,应先用~定量的水洗涤滤膜、滤器和采样瓶,至 少淋洗次。尽可能用一张滤膜完成原水过滤,应尽可能少地更换滤膜。更换膜后,若需 要继续收集过滤水样,其滤膜也需要按上述操作过程洗涤。取膜时,应待膜上的水抽干后 再取,切忌未干取膜。样品采回后,用于测定阳离子的样品立即加入超纯,将样品酸 化至,并在密封和黑暗条件下保存;用于测定阴离子的样品也密封于暗箱中保存。 ..河水样品的代表性 由于河流能反映地貌、岩石、水文地质条件、矿产资源分布、地球化学条件、气候特 点、上壤类型等方面的特点,因此布置采样点时要考虑采样点的代表性。我们在可能的条 件范围内用最佳的样点数获取最多且能综合反映研究区科学规律的信息。本论文主要研究 小流域的水文地球化学特征和风化过程中的消耗,因此采样点主要布置在赣江上游的 各河流上。为了准确反映小流域河水的化学组成、离子来源及风化侵蚀特征,我们对采样 的选择主要遵循以下原则:尽量远离污染源。采样时尽量租船到河中心断面采样,避 开沿河污染带:在靠近城镇时,在城镇的上游河段采样。尽量使样品平均分布在干流 及支流上。 ..河水样品的分析测试方法 样品带回实验室后,随即用滴定比色法分析了河水中’的含量。用原 子吸收分光光度计法测定、十、、”等阳离子的含量,用气一液相色谱测一、 ’、’的含量,用?电感耦合等离子体原予发射光谱测、、等元素 仪将液体样品在高温下燃烧,释放出 的含量。总有机碳的值由 的经过干燥等净化处理之后,用红外检测器测定。贵州平坝农场水样的主量元素均是 通过?测试得出的。样品采集、预处理及分析测试流程如图.所示。 首都师范大学硕士学位论文 图样品采集、预处理及分析测试流程圈 . 、咖协柚 孙嫒嫒:亚热带小流域水文地球化学特征及风化过程中的消耗 第三章河流主离子组成、来源与成因分析 河流中的主要离子除了来自岩石的化学风化外,还存在其它多种来源。如大气沉降, 是一种重要的无机营养元素来源,在大多数生态系统中,沉降提供生态系统中部分钙的输 入。表面径流是生态系统中无机营养元素输出的最主要形式。河 流中主要阳离子的来源包 括:岩石风化作用产物、大气干湿沉降、生物圈净贡献、人类活动的影响以及物质再循环 的净迁移量等。生物的净贡献量仅在少数特殊流域需要予以考虑,长期而言,生物的降解 和堆积过程是守恒的,其对河流物质的贡献可忽略不计。因此对于大多数河流而言,对河 水无机营养元素有显著贡献的主要是指大气干、湿沉降和人类活动的影响。 .河流水化学特征 ..赣南小流域水文地球化学特征 对赣南流域河水样品的分析测试结果见表.。赣南流域河水的值变化范围为 ?.,平均值是.,河流接近中性环境,在弱酸和弱碱范围内变化。分别位于于都、 会昌和洛口站的样品..、.、?.、..和。.受附近盐矿的影响,其十 和。浓度明显高于其它样品。剔除这些样品,河水样品总矿化度值为主要阳离子、 主要阴离子和含量之和低,变化范围为.../,总溶解性固体颗粒的不同 与当地河流的岩性、植被、地势及机械剥蚀速率有关,其平均值 是.胡,与陈静生等 利用个监测站所测赣江.‖相差不大,低于世界平均值‖,远低于长江 水系各地河水的平均值.‖,与结晶岩背景的 ,接近。 电导率不仅可以反映河水中离子强度,而且还可以指示总的离子含量。赣南备小流域电导 率的变化范围为../,平均值是.毗。 除上述受盐矿影响的五个样品外,河水样品的溶解离子浓度中,总阳离子当量浓度 ?十十的变化范围是.../,平均值. /,高于世界 河流的平均值./。总阴离子当量浓度。’。。的变 化范围是.?./,平均值为./。将其进行无机电荷平衡标准化: 脚【眩一亿一/肠,平均值约为.一..,,可以看出所测数据的误 差很低,反映了采样测试工作的准确性 一.。 一. 口. ?.。 ?. . 鐾.。 罨。 .。 的. .。 卜,。 冀。 一. . 口. 罨。 舟叶. 葛 . 『.. . 鸯 卜婚.。 。的. 口?. 乱一. . 超。 .『 ?.『 ?昏. ?. 同 ”. ?凸. 高 卜也. ?? 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,, 图河水中,与/关系 , . . , 表?列举了赣南和平坝小流域与世界大河的主要离子化学数据。赣南数据为剔除受 盐矿影响的五个样品后的数据,共个采样点的均值,平坝小流域的数据为剔除两个地 下水样品后的均值数据。赣南流域主要离子浓度与恒河相近,但。浓度较低,与勒拿 河、雅鲁藏布江及全球河流中值相差不大,浓度明显高于世界其它大河,浓度与型:塑塑垩垫堂尘亟塾查苎垫堡些堂堑堑墨垦兰兰垄堡圭旦塑鲨堑 长江、圣劳伦斯河及全球河流流量加权均值相似,值相对较低,显示了硅酸盐控制地 区的离子特征。贵州平坝的、”、。、。及的值明显居多,与多瑙河相 近,均明显高于世界其它大河,属于典型的碳酸盐