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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
澳大利亚莫纳什大学
著名水文地质学家
作者简介
Ian Cartwright，澳大利亚莫纳什大学教授，著名水文地质学家。主要研究方向有：1. 地下水及地表水研究中地球化学示踪剂的应用，如：利用14C和氚探测流域中水流的路径和时间尺度；2. 利用主要离子和稳定同位素地球化学研究水岩相互作用、风化和蒸散过程；3. 利用氡和主要离子检测地下水进入河流的位置与通量；4. 利用C同位素研究河流碳的来源与归趋。目前已发表论文200余篇，总引用7000余次，h指数46。该作者还在Applied Geochemistry上发表过多篇高影响力文章，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.研究不同径流量下控制河流地球化学的过程，对于理解汇水过程和计算溶质通量至关重要。由于雨水或者地表径流中许多主要离子的浓度低于基流，因此河流中地表径流的贡献会降低河水的离子浓度。因此，溶质浓度（C）和径流量（Q）通常呈负相关关系，且被定义为以下关系式：
b值表示log(C) vs. log (Q)中的斜率，可指示流域内离子浓度随流量变化的影响。例如，在基流被流域内不断增加的地表径流稀释的情况下，b= -1。然而，在大多数流域中，主要阳离子和阴离子的b值都接近于0，表明稀释作用较小，这种情况下，溶质浓度与径流量关系不大，通常被称为化学稳态行为（Chemostatic）。
与主要离子相反，土壤水或者浅层地下水中的营养物或者其它污染物浓度高于深层地下水，因此，增加的地表径流、土壤水或浅层地下水输入会导致河水中营养物或者其它污染物浓度升高（冲刷效应）。对于这些营养物或者污染物，b值可能接近于1。 图1. 降雨后径流中不同的水源；预期的源于地表径流、风化过程、基流增加和浅集水区运移过程的log(C) vs. log(Q)关系在澳大利亚东南部河流中，大多数主要离子（Na, Ca, K, Mg, HCO3, 和SO4）的浓度随径流变化不大，可以被定义为化学稳态或者化学动力学。相反，NO3浓度一般随着径流量增大而升高，显示出局部的冲刷效应。在不同地貌条件下的流域（包括：低起伏的沉积盆地和有大量原生植被的山区基底）都有类似的行为。另外，流域小支流和更高一级河流的地球化学行为也没有明显的差异。通过流域的土壤水、饱和带水或者浅层地下水补给增加的基流输入可以很好地解释这些地球化学行为。下图总结了所有流域中溶质的地球化学行为。Ca、Mg、Na、HCO3、Cl和SO4的b值范围为-0.4至0.4，表明在高径流条件下的稀释作用较小。Ca、Mg、Na、HCO3和Cl主要展示出了化学稳态行为（-0.2 ≤ b ≤ 0.2， CVC/CVQ ≤ 0.5），其中一些流域则展示出化学动力学行为（-0.2 ≤ b ≤ 0.2， CVC/CVQ > 0.5）。K和SO4有稍高的CVC/CVQ比值，同样指示出化学动力学行为。相反，NO3的b值大于 0.2，表明存在着流域冲刷效应。
基于EC的流量过程线分割法主要包含基流和地表径流的混合，而C-Q关系法可指示不同储库水（如土壤水或风化层水等）的来源。因此，河流中EC的变化不能仅仅解释为基流和地表径流输入量的变化。所以更好地理解不同储库水的EC将会促进流量过程线分割法的使用。蔡虹明，博士，讲师，天津大学地球系统科学学院。主要从事同位素（Hg, Ba, Be）地球化学研究。研究方向有：钙华沉积过程中的Hg、Ba同位素分馏机制研究；湖泊中Hg同位素来源及内部过程研究；河流Ba同位素地球化学；宇宙成因核素10Be在流域侵蚀速率研究中的应用研究等。个人微信号：sunny---xiaocai
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