實(shí)測(cè)中領(lǐng)會(huì)巖性差異對(duì)漓江水化學(xué)性質(zhì)的影響

劉科成

水循環(huán)是高一《地理》必修課的基本內(nèi)容。雖然分布在陸地上的天然水只占全球水儲(chǔ)量的3.47%，但它在自然環(huán)境中的作用非常巨大，供應(yīng)了人類生產(chǎn)生活必需的淡水。陸地天然水中溶解有許多化學(xué)元素，其來(lái)源和含量受很多因素影響。天然水在與大氣、土壤、植被、巖石等接觸過(guò)程中，將許多物質(zhì)溶解并挾持進(jìn)來(lái)，參與到水循環(huán)中。然而，陸地天然水的化學(xué)性質(zhì)主要還是由它們所流經(jīng)地區(qū)的巖石性質(zhì)決定。那么，巖性差異如何影響天然水化學(xué)性質(zhì)的變化？一次去桂林旅游，選取漓江流經(jīng)的花崗巖地區(qū)和石灰?guī)r地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，在分析漓江水化學(xué)性質(zhì)的差異中，真實(shí)領(lǐng)會(huì)了桂林喀斯特地形地貌的形成原因。

一、漓江樣點(diǎn)的選擇和測(cè)試方法

眾所周知，漓江是一條地表河流，發(fā)源于我國(guó)南嶺中越城嶺的貓兒山，匯入珠江的支流西江。漓江全長(zhǎng)164km，流經(jīng)地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫18～19℃，年降水量1 686.5～2 182.5mm，年蒸發(fā)量為1 263～1 566mm。漓江流域氣候濕熱，雨量充沛。上游流經(jīng)花崗巖地區(qū)，中下游流經(jīng)石灰?guī)r地區(qū)，是我國(guó)典型的巖溶地貌分布區(qū)。2014年6月，以桂林為首的中國(guó)南方喀斯特第二期項(xiàng)目申遺成功，桂林山水亦榮登世界自然遺產(chǎn)名錄。

2016年暑假，在領(lǐng)略峰叢峰林、孤峰平原的漓江風(fēng)光和桂林山水時(shí)，選擇漓江上游的新寨村（距離桂林市30km）和中游的桂林市作為研究地點(diǎn)。在每個(gè)地點(diǎn)上，沿著漓江水流方向各選擇4個(gè)樣點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)漓江水化學(xué)的變化情況。實(shí)時(shí)測(cè)量使用儀器包括：便攜式Multiline3430多參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，分辨率分別為0.1℃、0.01pH單位和1μs/cm，用來(lái)監(jiān)測(cè)水溫、pH值和電導(dǎo)率三個(gè)變量；堿度計(jì)，用來(lái)測(cè)量HCO3-和Ca2+含量變量。

二、結(jié)果與討論

漓江在新寨村流經(jīng)花崗巖地區(qū)，而在桂林市流經(jīng)石灰?guī)r地區(qū)。花崗巖主要是由石英（SiO2）、長(zhǎng)石和云母等硅酸鹽類礦物質(zhì)組成，而石灰?guī)r主要是由方解石（CaCO3）礦物質(zhì)組成。因此，漓江流經(jīng)這兩個(gè)地區(qū)的天然水化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出很大差異（如表1）。

從表1測(cè)量的數(shù)據(jù)中，可清楚地看出所測(cè)量五個(gè)變量的變化情況。

第一，水溫。漓江水溫從上游向下游方向有逐漸增大的趨勢(shì)。這與漓江自北向南所流經(jīng)地區(qū)的氣溫和土溫等有很大關(guān)系，自然會(huì)影響其余參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。

第二，pH值。pH值是表示溶液酸性或堿性程度的數(shù)值，也是水化學(xué)性質(zhì)的基本參數(shù)。在大多數(shù)天然水中（pH=6～10），酸度主要由二氧化碳與水形成的碳酸構(gòu)成。新寨地區(qū)（樣點(diǎn)XZ1～XZ4）pH處于6.1～6.5，偏酸性。表明水中含有較多的游離二氧化碳，隨著二氧化碳的水解，水質(zhì)偏酸性。桂林地區(qū)（樣點(diǎn)GL1～GL4）pH基本都大于7，普遍偏堿性，這是典型巖溶水pH的特點(diǎn)。表明巖溶地區(qū)由于碳酸鹽巖（主要包括石灰?guī)r和白云巖）的強(qiáng)堿弱酸性使天然河水的pH多呈弱堿性。另外，水解的二氧化碳溶解易溶的石灰?guī)r礦物方解石（CaCO3）使水質(zhì)趨向于飽和，消耗二氧化碳，使pH動(dòng)態(tài)上升。

第三，電導(dǎo)率。電導(dǎo)率是測(cè)定水中鹽類含量的相對(duì)指標(biāo)，能夠反映天然水中離解成分的總濃度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：漓江在流經(jīng)花崗巖地區(qū)時(shí)，電導(dǎo)率偏低一些，處于55～83μs/cm。流經(jīng)石灰?guī)r地區(qū)時(shí)，電導(dǎo)率急劇增高，達(dá)到109～163μs/cm。這反映水中可溶性鹽類含量的逐漸累積過(guò)程和流經(jīng)不同巖性區(qū)含量顯著變化的差異。與漓江中下游石灰廣布巖且與它的易溶巖性有很大關(guān)系。

第四，HCO3-。HCO3-是天然水中所含的一種主要陰離子，由碳酸巖礦物與含有CO2的水作用而形成。從表1可看出，新寨花崗巖地區(qū)的漓江水HCO3-大多小于1mmol/L，桂林石灰?guī)r地區(qū)HCO3-普遍大于1mmol/L。這說(shuō)明石灰?guī)r比花崗巖更易受水化學(xué)風(fēng)化的影響。漓江中下游流域純石灰?guī)r分布廣泛，石灰?guī)r在CO2和 H2O 的參與下非常容易發(fā)生巖溶作用，造成HCO3-成為河流中最主要的陰離子。研究得到如下推論：在流經(jīng)巖溶地區(qū)，漓江水中HCO3-含量在陰離子中最高，占陰離子的總量高達(dá)90%；而在流經(jīng)新寨地區(qū)的只有40%。

第五，Ca2+。Ca2+是天然水中所含的一種主要陽(yáng)離子。漓江流經(jīng)桂林地區(qū)時(shí)，水中的Ca2+含量較高，在19.66～22.29 mg/L之間。新寨地區(qū)則要低很多，在2.31～9.56mg/L之間。這一結(jié)果有助于證實(shí)如下推論：漓江巖溶地區(qū)陽(yáng)離子中Ca2+含量最高，可占陽(yáng)離子總量的85 %以上；而在新寨區(qū)可能只有60%。桂林地區(qū)由于石灰?guī)r分布厚度大，質(zhì)地純，是我國(guó)典型的巖溶地區(qū)。因此，流經(jīng)該地區(qū)的地表水和地下水普遍偏堿、含Ca2+高等特點(diǎn)。水的化學(xué)成分主要來(lái)源于碳酸鹽礦物的溶解，其它鹽類成分很少，成為典型的巖溶水，主要屬于HCO3-—Ca2+型水。新寨地區(qū)由于花崗巖分布（花崗巖主要由石英、長(zhǎng)石和云母等硅酸鹽類礦物組成）。因此，水中SiO2含量相對(duì)較高。這是二者巖性不同使得流經(jīng)此區(qū)的漓江從上游至中下游，水中主要離子含量表現(xiàn)出顯著差異的原因。

三、結(jié)論

巖石的礦物組分是影響天然水化學(xué)性質(zhì)的主要物質(zhì)來(lái)源。漓江在新寨村流經(jīng)花崗巖地區(qū)，在桂林市流經(jīng)石灰?guī)r地區(qū)。因此，它們的水化學(xué)表現(xiàn)出顯著的差異。新寨地區(qū)水化學(xué)主要體現(xiàn)為偏酸性、HCO3-和電導(dǎo)率較低、SiO2含量較高等特點(diǎn)。桂林地區(qū)水化學(xué)主要體現(xiàn)為偏堿性、HCO3-和電導(dǎo)率較高、Ca2+含量較高等特點(diǎn)，屬于典型的HCO3-—Ca2+巖溶水。結(jié)合已有資料可知，天然水在流經(jīng)碳酸鹽巖分布地區(qū)的天然河流時(shí)，其陰陽(yáng)離子通常以HCO3-和Ca2+為主導(dǎo)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，明確了漓江能夠在流經(jīng)桂林地區(qū)時(shí)形成 “山青、水秀、石美、洞奇”的典型巖溶（喀斯特）地形地貌的主要原因：這里分布的石灰?guī)r是一種非常易溶且殘留物很少的巖石，流經(jīng)該地區(qū)的漓江水能夠把巖石溶解并帶走。因此，水中含有的主要離子來(lái)源于石灰?guī)r的HCO3-和Ca2+，由此也形成了桂林地區(qū)地上地下都存在喀斯特侵蝕和沉積景觀。花崗巖的組成礦物石英和長(zhǎng)石等抗風(fēng)化能力都非常強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)造致密。因此，它們往往保持高大而奇峰獨(dú)立的特點(diǎn)。我國(guó)很多高大的名山，例如，黃山、泰山、華山等，大多由花崗巖形成。

最后，需要說(shuō)明的是，天然水的成分非常復(fù)雜，除了流經(jīng)地區(qū)的巖性是一個(gè)非常重要的影響因素外，大氣、土壤、植被以及人類活動(dòng)對(duì)水化學(xué)的影響也非常顯著。所以，研究一個(gè)地區(qū)天然水的水化學(xué)性質(zhì)，必須全面考慮其所流經(jīng)地區(qū)的各種因素，才能得出更加全面的結(jié)論。▲

作者單位：重慶市西南大學(xué)附屬中學(xué)高2018級(jí)13班（400700）