AG精選|澳大利亞東南部河流中主要離子濃度與徑流量(C-Q)的關係:無機離子和營養物的來源與通量

2021-01-18 AG期刊

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Cartwright, I. (2020). Concentration vs. streamflow (CQ) relationships of major ions in south-eastern Australian rivers: Sources and fluxes of inorganic ions and nutrients. Applied Geochemistry, 120, 104680.

Ian Cartwright

澳大利亞莫納什大學

著名水文地質學家


作者簡介

Ian Cartwright，澳大利亞莫納什大學教授，著名水文地質學家。主要研究方向有：1. 地下水及地表水研究中地球化學示蹤劑的應用，如：利用14C和氚探測流域中水流的路徑和時間尺度；2. 利用主要離子和穩定同位素地球化學研究水巖相互作用、風化和蒸散過程；3. 利用氡和主要離子檢測地下水進入河流的位置與通量；4. 利用C同位素研究河流碳的來源與歸趨。目前已發表論文200餘篇，總引用7000餘次，h指數46。該作者還在Applied Geochemistry上發表過多篇高影響力文章，如

Documenting the processes that control the geochemistry of rivers at different streamflows is important for understanding catchment processes and calculating solute fluxes. The concentrations of most major ions (Na, Ca, K, Mg, HCO3, Cl, and SO4) in southeast Australia rivers vary little with streamflow and can be defined as being chemostatic or chemodynamic. By contrast, NO3 concentrations generally increase at higher streamflows and NO3 locally displays flushing behaviour. Catchments draining different landscapes, including cleared low-relief sedimentary basins and mountainous basement areas with high percentages of native vegetation show similar behaviour. Additionally, there is no significant difference in the geochemical behaviour of smaller tributaries and higher-order rivers. These geochemical relationships are best explained by an increased baseflow input augmented by water mobilised from soil water, water from the saturated zone, or shallow groundwater during times of higher streamflow. Solute fluxes are well correlated with streamflow allowing first-order calculation of net solute exports.Most major ions in rivers in southeast Australia are chemostatic.Nutrients locally display flushing behavior.Limited dilution with runoffRiver water at high stream flows displaced from shallow stores in catchments.Little impact of land use, topography or geology.研究不同徑流量下控制河流地球化學的過程，對於理解匯水過程和計算溶質通量至關重要。由於雨水或者地表徑流中許多主要離子的濃度低於基流，因此河流中地表徑流的貢獻會降低河水的離子濃度。因此，溶質濃度（C）和徑流量（Q）通常呈負相關關係，且被定義為以下關係式：

b值表示log(C) vs. log (Q)中的斜率，可指示流域內離子濃度隨流量變化的影響。例如，在基流被流域內不斷增加的地表徑流稀釋的情況下，b= -1。然而，在大多數流域中，主要陽離子和陰離子的b值都接近於0，表明稀釋作用較小，這種情況下，溶質濃度與徑流量關係不大，通常被稱為化學穩態行為（Chemostatic）。
與主要離子相反，土壤水或者淺層地下水中的營養物或者其它汙染物濃度高於深層地下水，因此，增加的地表徑流、土壤水或淺層地下水輸入會導致河水中營養物或者其它汙染物濃度升高（衝刷效應）。對於這些營養物或者汙染物，b值可能接近於1。 圖1. 降雨後徑流中不同的水源；預期的源於地表徑流、風化過程、基流增加和淺集水區運移過程的log(C) vs. log(Q)關係在澳大利亞東南部河流中，大多數主要離子（Na, Ca, K, Mg, HCO3, 和SO4）的濃度隨徑流變化不大，可以被定義為化學穩態或者化學動力學。相反，NO3濃度一般隨著徑流量增大而升高，顯示出局部的衝刷效應。在不同地貌條件下的流域（包括：低起伏的沉積盆地和有大量原生植被的山區基底）都有類似的行為。另外，流域小支流和更高一級河流的地球化學行為也沒有明顯的差異。通過流域的土壤水、飽和帶水或者淺層地下水補給增加的基流輸入可以很好地解釋這些地球化學行為。下圖總結了所有流域中溶質的地球化學行為。Ca、Mg、Na、HCO3、Cl和SO4的b值範圍為-0.4至0.4，表明在高徑流條件下的稀釋作用較小。Ca、Mg、Na、HCO3和Cl主要展示出了化學穩態行為（-0.2 ≤ b ≤ 0.2， CVC/CVQ ≤ 0.5），其中一些流域則展示出化學動力學行為（-0.2 ≤ b ≤ 0.2， CVC/CVQ > 0.5）。K和SO4有稍高的CVC/CVQ比值，同樣指示出化學動力學行為。相反，NO3的b值大於 0.2，表明存在著流域衝刷效應。
基於EC的流量過程線分割法主要包含基流和地表徑流的混合，而C-Q關係法可指示不同儲庫水（如土壤水或風化層水等）的來源。因此，河流中EC的變化不能僅僅解釋為基流和地表徑流輸入量的變化。所以更好地理解不同儲庫水的EC將會促進流量過程線分割法的使用。蔡虹明，博士，講師，天津大學地球系統科學學院。主要從事同位素（Hg, Ba, Be）地球化學研究。研究方向有：鈣華沉積過程中的Hg、Ba同位素分餾機制研究；湖泊中Hg同位素來源及內部過程研究；河流Ba同位素地球化學；宇宙成因核素10Be在流域侵蝕速率研究中的應用研究等。個人微信號：sunny---xiaocai

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