拉薩河流域地熱水中重金屬分布及其污染風險評估

劉勇　吳堅扎西　梅朵等

摘要西藏是中國地熱活動最強烈的地區(qū)，地熱蘊藏量居中國首位，各種地熱顯示幾乎遍及全區(qū)，有700多處，拉薩河谷地區(qū)是地熱資源十分豐富的區(qū)域之一，羊八井溫泉、日多溫泉等著名的地熱就分布在拉薩河谷地區(qū)。對分布在拉薩周邊區(qū)域的羊八井溫泉、日多溫泉、德仲溫泉、賈桑溫泉等4個典型高原地熱溫泉水環(huán)境中的Zn、Co、Cr、Fe、Mo、Pb、As、Sb、Ni、Cd、Hg、Be、Cu、Mn、Se等15種主要金屬元素的含量、分布情況進行了初步研究，評估了地熱資源在開發(fā)利用過程中對周圍環(huán)境的影響，提出了相應(yīng)的環(huán)境影響控制對策。研究成果將為西藏高原地區(qū)地熱資源的合理開發(fā)及其生態(tài)環(huán)境保護提供重要的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞拉薩河；流域；地熱水；重金屬；風險評估

中圖分類號S273.2文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-225-03

The Distribution of Heavy Metals in Geothermal Water in Lhasa River Basin and Its Potential Risk

LIU Yong1， WUJIAN Zha-xi2， MEI Duo1， BU Duo2，3* et al

（1. Tibet Autonomous Region Environmental Engineering Assessment Center， Lhasa， Tibet 850000； 2. College of Science， Tibet University， Lhasa， Tibet 850000； 3. Department of Environmental Science and Engineering， Fudan University， Shanghai 200043）

AbstractTibet as the most violent areas of geothermal activities in China， the reserves of geothermal resources is Chinas first， various geothermal almost all over Tibet， there are more than seven hundreds. The Yangbajing Geothermal Field is the biggest wet steam field which is developing in China， the special quality of geothermal water attracted wide attention. This thesis analyzed the 15 kinds of main metal elements（ as Zn， Co， Cr， Fe， Mo， Pb， As， Sb， Ni， Cd， Hg， Be， Cu， Mn， Se etc.） in four geothermal water（as the Yangbajing Hot Springs， the Riduo Hot Springs， the Dezhong Hot Springs， the Jiasang Hot Springs）. The impact of geothermal resources on the surrounding environment in the process of utilization was evaluated. Several measures to control the impact on the surrounding environment were put forward. Research results will provide important reference for reasonable development of geothermal resources in Tibet Plateau and eco-environmental protection.

Key wordsLhasa River； Basin； Geothermal water； Heavy metal； Risk assessment

基金項目國家自然科學基金項目（20767005，21267021）；科技部“973”前期研究課題（2014CB460612）；西藏自治區(qū)自然科學基金項目（Z2012A02G02/00）；環(huán)境化學與生態(tài)毒理學國家重點實驗室開放基金課題（KF2009-20）。

地熱水，是溫度顯著高于當?shù)啬昶骄鶜鉁?，或者高于觀測深度的圍巖溫度的地下水。地熱水不僅是寶貴的地下水資源，而且是珍貴的清潔可再生能源。地熱水既是一種熱源、又含有多種礦物成分。地熱是一種應(yīng)用廣泛、易于開發(fā)、費用低廉、無環(huán)境污染的新型能源礦產(chǎn)。目前其廣泛應(yīng)用于發(fā)電、供暖、沐浴、游泳、理療、醫(yī)療、養(yǎng)殖、種植等多個領(lǐng)域[1-3]。西藏是中國地熱活動最強烈的地區(qū)，地熱蘊藏量居全國首位，熱泉、熱水湖、熱沼澤等地熱顯示遍布全區(qū)，其中高溫地熱資源占全國地熱總量的80%。拉薩河流域是地熱資源相對集中的地區(qū)之一，分布有羊八井地熱田、日多溫泉、德仲溫泉、賈桑溫泉等地熱資源區(qū)，其中羊八井地熱田是我國正在開發(fā)的最大濕蒸汽田。作為一種清潔、環(huán)保、可持續(xù)利用的能源，地熱水資源的開發(fā)利用，對增加能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全，保護環(huán)境具有重要作用。由于溫度高和深層循環(huán)過程中的水—巖相互作用，地熱水一般礦化度較高及含有一些特殊的化學成分，如氟、鉛、砷、汞等。在地熱水開發(fā)利用過程中，若不采取相應(yīng)的防治措施，必將會帶來一些環(huán)境問題，如地面沉降、地熱水資源衰竭、熱污染、空氣污染、水和土壤的污染等[4-7]。

筆者對分布在拉薩周邊區(qū)域的羊八井溫泉、日多溫泉、德仲溫泉、賈桑溫泉等4個典型高原地熱溫泉水環(huán)境中的Zn、Co、Cr、Fe、Mo、Pb、As、Sb、Ni、Cd、Hg、Be、Cu、Mn、Se等15種主要金屬元素的含量、分布情況進行了初步研究，評估了地熱資源在開發(fā)利用過程中對周圍環(huán)境的影響，提出了相應(yīng)的環(huán)境影響控制對策。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況及采樣點設(shè)置

拉薩作為西藏自治區(qū)首府城市，是西藏政治、文化、經(jīng)濟、宗教中心，作為全國著名旅游城市，隨著拉薩旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展，以療養(yǎng)、旅游為目的的地熱水資源得到了大規(guī)模的開發(fā)利用。根據(jù)拉薩周邊區(qū)域地熱資源分布情況，選擇確定了4個溫泉（圖1）進行地熱水樣品的采集，分別為：羊八井地熱溫泉（30°04′22.91″ N，90°29′24.32″ E），位于當雄縣羊八井鎮(zhèn)，距離拉薩市西北約90 km，該溫泉共設(shè)置5個采樣點；日多溫泉（29°41′42.24″ N，92°14′29.33″ E），位于墨竹工卡縣日多鎮(zhèn)，距離拉薩市東北約90 km，該溫泉共設(shè)置1個采樣點；德仲溫泉（30°09′13.70″ N，92°09′59.46″ E），位于墨竹工卡縣門巴鄉(xiāng)，距離拉薩市東北約140 km，該溫泉共設(shè)置3個采樣點；賈桑溫泉（29°16′03.53″ N，90°48′19.49″ E），位于山南地區(qū)貢嘎縣崗堆鎮(zhèn)，距離拉薩市西南約90 km，該溫泉共設(shè)置4個采樣點。

1.2樣品采集與處理

使用潤洗3次的聚四氟乙烯燒杯直接在溫泉水面垂直向下10 cm 左右處采集樣品，并將待測樣品經(jīng)0.45 μm濾膜進行現(xiàn)場過濾并轉(zhuǎn)入60 ml聚四氟乙烯樣品瓶中，滴加優(yōu)級純HNO3酸化至pH<2。每個采樣點采集3個平行樣品，共采集13組地熱水樣品，密封保存，運回實驗室置于4 ℃冰箱保存，用于實驗室檢測重金屬元素。待研究溫泉有多個采樣點的，重金屬濃度取其平均值。

圖1溫泉地理位置示意

1.3測試項目與方法

1.3.1重金屬含量分析方法。

經(jīng)預(yù)處理后的水樣，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，美國Agilent7500ce 型）測定樣品中Zn、Mo、Pb、Cd、Be、Cu、Mn和Se總量；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES，美國Optima 5300DV型）測定樣品Co、Cr、Fe和Ni總量；原子熒光光譜儀（AFS，北京AF-610A型）測定As、Sb和Hg總量。分析過程中所用聚四氟乙烯容器均在1∶1硝酸中浸泡48 h以上，玻璃容器浸泡24 h，高純水沖洗后晾干。分析所用酸均為優(yōu)級純，水為高純水。試驗過程中每批樣品均做全程空白，以消除在樣品處理及測定過程中可能帶入的污染。同時同步分析由國家有色金屬及電子材料分析測試中心生產(chǎn)的多元素標準樣品（GSB 04-17667-2004）和Hg標準樣品（GSB G 62069-90），以控制樣品分析的精密度和準確度。重金屬元素平行樣品相對誤差<5%，標準物的回收率在90%～120%之間。

1.3.2水體重金屬污染評價方法。

重金屬元素綜合污染指數(shù)法是將同一站位的所有要研究的重金屬元素作為一個統(tǒng)一的整體，研究這些重金屬元素在相互作用的情況下對環(huán)境產(chǎn)生的影響。該研究利用綜合污染指數(shù)法對拉薩河谷設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)水體重金屬污染狀況進行評價[8-9]，其計算公式為：

Ai=Ci/Csi（1）

WQI=1n1nAi（2）

式中，Ai表示重金屬元素i的污染指數(shù)；Ci表示重金屬元素i的實測含量；Csi表示重金屬元素i的評價標準（取地表水環(huán)境質(zhì)量標準I類標準作為拉薩河谷設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)各重金屬元素評價標準）；n為元素個數(shù)；WQI為水質(zhì)綜合污染指數(shù)。

當WQI≤1時，表明該水域無重金屬污染；當13時，表明該水域重金屬為重度污染。

2結(jié)果與分析

2.1拉薩周邊區(qū)域地熱水環(huán)境重金屬元素分布情況

圖2為拉薩周邊區(qū)域4個典型溫泉地熱水環(huán)境中15種主要金屬元素Zn、Co、Cr、Fe、Mo、Pb、As、Sb、Ni、Cd、Hg、Be、Cu、Mn和Se的含量分布情況。4個典型溫泉地熱水環(huán)境中重金屬As、Ni、Cd和Cu的含量范圍分別為：0.96～4.13 μg/L、1.83～9.27 μg/L、nd（表示未檢測出）～0.21 μg/L和0.78～7.77 μg/L，其中4個溫泉地熱水中重金屬As、Cd和Cu含量均達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅰ類水標準，重金屬Ni符合《漁業(yè)水質(zhì)標準》（GB11607-89）規(guī)定的Ni限值（50 μg/L）標準。重金屬Zn除在德仲溫泉未檢測到之外，在羊八井地熱溫泉、日多溫泉和賈桑溫泉的含量分別為847.85、225.00和748.25 μg/L，均達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅱ類水標準；羊八井地熱溫泉和德仲溫泉中重金屬Cr含量分別為3.98和3.63 μg/L，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅰ類水標準，日多溫泉和賈桑溫泉Cr含量分別為25.90和18.45 μg/L，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅱ類水標準；日多溫泉和德仲溫泉未檢測到重金屬Pb，但羊八井地熱溫泉和賈桑溫泉地熱水中Pb含量較高，分別為10.12 μg/L（符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類水標準）和69.46 μg/L（符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅴ類水標準）；日多溫泉地熱水環(huán)境中重金屬Hg含量低于檢測限，其在羊八井地熱溫泉、德仲溫泉和賈桑溫泉含量分別為0.23、0.08和0.20 μg/L，分別達到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅳ類、Ⅲ類和Ⅳ類水標準；日多溫泉未檢測到重金屬Se，賈桑溫泉地熱水中Se含量為0.14 μg/L，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅰ類水標準，羊八井地熱溫泉和德仲溫泉Se含量分別為16.98和15.30 μg/L，均達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅳ類水標準?！兜乇硭h(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）集中式生活飲用水地表水源地補充項目規(guī)定Fe和Mn的標準限值分別為300 μg/L和100 μg/L，德仲溫泉和賈桑溫泉地熱水中Fe和Mn均符合該項目標準；羊八井地熱溫泉Mn符合該項目標準，F(xiàn)e含量超出該規(guī)定限值倍數(shù)為1.9倍；日多溫泉Fe和Mn均超出相應(yīng)標準限值，超標倍數(shù)分別約為3倍和0.85倍。我國相關(guān)水環(huán)境質(zhì)量標準中均未涉及Co、Mo、Sb和Be，該研究中羊八井地熱溫泉和德仲溫泉地熱水中未檢測到Co含量，日多溫泉和賈桑溫泉Co含量分別為0.12和0.24 μg/L；除德仲溫泉未檢測到Mo外，賈桑溫泉Mo含量最高（1.30 μg/L），其次為日多溫泉（0.34 μg/L），羊八井地熱溫泉最低（0.06 μg/L）；上述4個典型溫泉中，Sb的含量順序依次為：羊八井地熱溫泉>日多溫泉>德仲溫泉>賈桑溫泉；德仲溫泉地熱水環(huán)境中Be含量最高，賈桑溫泉Be含量最低。由圖2 可知，不同溫泉同種重金屬含量相差較大，可能與溫泉所處區(qū)域礦產(chǎn)資源種類不同有關(guān)，需要進一步研究?？傊?，通過對拉薩周邊區(qū)域溫泉地熱水中重金屬的研究，可在一定程度上掌握該區(qū)主要溫泉重金屬豐度，同時可為西藏高原地區(qū)地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用及其生態(tài)環(huán)境保護提供有益參考。

圖2拉薩河沿岸地區(qū)四大主要溫泉水中重金屬元素的分布示意

2.2拉薩周邊區(qū)域地熱水環(huán)境重金屬污染評價

分別選取《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）中涉及，且對環(huán)境和生物危害極大的8種重金屬（Zn、Cr、Pb、As、Cd、Hg、Cu和Se）和7種重金屬（Cr、Pb、As、Cd、Hg、Cu和Se）[10-18]，通過公式（1）和（2）計算得到拉薩周邊溫泉地熱水環(huán)境重金屬綜合污染指數(shù)（見表1）。結(jié)果表明，由于羊八井地熱溫泉、日多溫泉和賈桑溫泉地熱水環(huán)境中Zn含量較《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅰ類水標準規(guī)定限值相差較大，考慮Zn計算WQI時，羊八井地熱溫泉WQI值大于3，表明該水體為重度污染，賈桑溫泉WQI值介于2～3之間，表現(xiàn)為中度污染，日多溫泉WQI值為1.50，表現(xiàn)為輕度污染；當不考慮重金屬Zn計算WQI時，只有羊八井地熱溫泉表現(xiàn)為輕度污染，且主要污染物質(zhì)為重金屬Hg，其余溫泉均表現(xiàn)為無重金屬污染。綜上所述，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅰ類水標準計算WQI時，羊八井地熱溫泉、日多溫泉和賈桑溫泉Zn污染問題比較突出；上述3個典型溫泉地熱水Zn含量均又滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅱ類水標準，因此無法確保相應(yīng)溫泉Zn的污染程度，建議國家相關(guān)部門在修訂水質(zhì)標準過程中，應(yīng)縮小Ⅰ類水和Ⅱ類水相關(guān)重金屬的限值范圍，但重金屬Zn污染問題需要引起注意，防止對周邊居民的健康帶來不利影響。

表1拉薩周邊區(qū)域溫泉地熱水重金屬元素的綜合污染指數(shù)

WQI羊八井地熱溫泉日多溫泉德仲溫泉賈桑溫泉

WQI（含Zn） 3.09 1.50 0.65 2.99

WQI（不含Zn） 1.10 0.60 0.65 0.99

3結(jié)論與建議

3.1結(jié)論

羊八井地熱溫泉、日多溫泉、德仲溫泉和賈桑溫泉地熱水As、Cd和Cu均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅰ類水標準，Ni符合《漁業(yè)水質(zhì)標準》（GB11607-89）標準限值，重金屬Zn和Cr至少符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅱ類水標準，重金屬Pb、Hg和Se相對含量較高。

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅰ類水標準，通過計算水環(huán)境綜合污染指數(shù)（WQI），羊八井地熱溫泉、日多溫泉和賈桑溫泉分別表現(xiàn)為重度污染、中度污染和輕度污染，且主要污染物均為重金屬Zn，相關(guān)部門應(yīng)采取相應(yīng)措施保障周邊居民的身體健康。

3.2建議

加大對溫泉區(qū)地熱水資源地系統(tǒng)、科學管理，在

提高地熱水資源利用效率的同時，防止地熱資源大量開采所導致的土壤污染、地表水污染、熱污染等環(huán)境問題。

對溫泉周邊土壤、水體及農(nóng)作物建立長期監(jiān)測機制，尤其是氟化物和重金屬的監(jiān)測，防止地熱水中的礦物質(zhì)大量進入土壤、水體，進而對周邊居民身體健康帶來不利影響。

43卷7期

劉 勇等拉薩河流域地熱水中重金屬分布及其污染風險評估

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