青藏高原西南地區(qū)地表水水化學同位素特征及控制因素分析

郭藝， 甘甫平， 閆柏琨， 王楓， 白娟

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.生態(tài)環(huán)境部 環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

地表水是自然界水循環(huán)的重要組成部分，是連接大氣圈和巖石圈的樞紐，在元素地球化學循環(huán)中起著重要作用，主要離子特征是地表水的一個重要特征，對流域氣候及環(huán)境具有指示作用[1-4]。氫氧穩(wěn)定同位素是地表水的另一個重要特征，對于揭示地表水的起源和水循環(huán)過程具有指示作用[5-6]。

青藏高原被稱為亞洲水塔，湖泊、河流、冰川等分布廣泛，是包括長江、黃河在內的多條河流的發(fā)源地[7]。同時，青藏高原也是全球氣候變化的“放大器”和“驅動器”，對全球氣候變化非常敏感[8]。隨著全球氣候變暖，青藏高原冰川面積減少，改變了其水文生態(tài)環(huán)境，進而影響了區(qū)域地表水水量及水質[1,9-15]。

研究青藏高原河流和湖泊的水化學和同位素特征對于認識青藏高原水循環(huán)過程以及水資源和環(huán)境保護具有重要的科學意義。因此，學者們開展了青藏高原河流和湖泊等水體的水化學特征研究，如高壇光等[16]利用主成分分析和相關分析得出納木錯流域河水的主要化學成分來源；王鵬等[17]分析了打加芒錯湖的水化學組成特征及其演化過程。

本研究選取青藏高原西南部湖水、河水、冰川融水和地下水為研究對象，通過樣品采集與測試，分析了該地區(qū)地表水水化學特征與類型，結合氫氧穩(wěn)定同位素特征，探討了主要離子來源及其控制因素，為高原水文地球化學研究及其保護提供依據。

1 研究區(qū)水樣的采集、測試和數據分析方法

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原位于26°00′N～39°47′N、73°18′E～104°47′E，是全球海拔最高的自然地理單元，有“世界屋脊”、“第三極”之稱。青藏高原地區(qū)夏季受印度洋西南季風和大西洋水汽影響，冬季受到西風帶和北冰洋水汽控制，年平均氣溫由東南地區(qū)的20 ℃向西北地區(qū)遞減至-6 ℃以下，由于南部海洋暖濕氣流受多重高山阻留，年降水量相應由2 000 mm遞減至50 mm以下。

青藏高原河流眾多，湖泊密布，長江、黃河、印度河、恒河上游均發(fā)源于青藏高原。青藏高原湖泊群是世界上海拔最高、范圍最大、數量最多的高原湖泊群。青藏高原多年平均地表水資源量達5.463 4×1011m3，約占全國地表水資源總量的20.23%，地下水資源總量約為1.568 0×1011m3[18]。

青藏高原自元古代以來地層發(fā)育齊全，地層沉積類型多樣，尤以中、新生代海相地層出露良好?；鸪蓭r及變質巖分布廣泛，各種巖石類型均有出露，巖石類型復雜。

1.2 樣品采集與測試

2020年8月，在青藏高原西南部的印度河流域、雅魯藏布江流域和藏北高原地區(qū)(沿206省道和黑阿公路)進行了系統(tǒng)的野外考察和樣品采集，共采集水樣品47件，其中湖水樣品29件、河水樣品9件、冰川融水樣品6件、地下水(含泉水)樣品3件，采樣點分布如圖1所示。

圖1 采樣點位置圖

1.3 數據分析方法

2 結果分析

2.1 各水體主要離子組成

水體的pH值是衡量水體水質的一項常用指標。青藏高原西南地區(qū)的地表水呈堿性，其中，湖水的pH值變化范圍為8.30～9.95，平均值為8.98；河水的pH值變化范圍為7.52～8.95，平均值為7.93；冰川融水的pH值變化范圍為7.86～8.21，平均值為8.02。地下水的pH值變化范圍為7.69～8.41，平均值為7.96。

青藏高原西南部地表水及地下水的主要離子組成特征值見表1。由表1知：湖水的TDS含量變化范圍最大，為238.5～122 605.9 mg/L，變異系數高達191.96%；河水的TDS含量變異系數也較高，達45.97%，河水的TDS含量為34.0～274.7 mg/L；冰川融水的TDS含量為98.6～488.3 mg/L，變異系數為43.10%；地下水的TDS含量變化范圍較小，變異系數為21.69%，地下水的TDS含量為113.2～186.3 mg/L。就平均值而言，地表水的TDS含量高于地下水的，湖水的TDS含量明顯高于其他水體的，不同水體的TDS含量由大到小順序為湖水、冰川融水、河水、地下水。

表1 青藏高原西南部地表水及地下水的主要離子組成特征值

續(xù)表

青藏高原西南地區(qū)不同水體主要離子特征如圖2所示。由圖2可知：

圖2 青藏高原西南地區(qū)不同水體中主要離子的濃度特征

圖3 青藏高原西南部河水中主要離子濃度特征

圖3中離子濃度的世界平均值引自MEYBECK M(1987年)的成果[21]，黃河和長江上游水體中離子濃度數據引自劉佳駒等(2018年)的成果[22]。

2.2 各水體的水化學類型

為進一步確定水化學組成特征，利用Piper三線圖和舒卡列夫分類確定不同水體的水化學類型，如圖4所示。

圖4 青藏高原西南地區(qū)地表水與地下水樣品的Piper圖

由圖4知：湖水的主要化學類型為Mg-SO4、Mg-HCO3、Na-SO4、Na-HCO3和Na-Cl，河水的主要化學類型為Ca-HCO3、Na-HCO3和Mg-HCO3，冰川融水的主要化學類型為Ca-SO4、Ca-HCO3和Na-HCO3，地下水的化學類型為Ca-HCO3。

2.3 各水體的氫氧穩(wěn)定同位素特征

水體的氫氧穩(wěn)定同位素特征可以反映水體的來源。青藏高原西南地區(qū)地表水與地下水樣品的δ2H-δ18O關系如圖5所示。

圖5 青藏高原西南地區(qū)地表水與地下水樣品的δ2H-δ18O關系圖

由圖5可知：

1)湖水的δ2H和δ18O范圍分別為-89.1‰～-45.7‰和-9.7‰～-3.7‰；河水的δ2H和δ18O范圍分別為-131.8‰～-111.1‰和-19.2‰～-13.9‰；冰川融水的δ2H和δ18O范圍分別為-149.1‰～-124.1‰和-21.1‰～-15.6‰；地下水的δ2H和δ18O范圍分別為-165.1‰～-106.2‰和-22.0‰～-15.5‰。

2)河水、冰川融水和地下水的同位素組成均分布在全球大氣降水線(GMWL:δ2H=81δ18O+10)[23]和當地大氣降水線(LMWL:δ2H=8.41δ18O+16.72)[24]附近，而湖水樣品中的同位素組成偏離全球大氣降水線(GMWL)，位于全球大氣降水線的右下方，說明湖水經歷了強烈的蒸發(fā)濃縮作用。河水中的同位素組成位于地下水、冰川融水和降水數據中間(降水數據為TIAN L等1998—2001年的連續(xù)觀測數值的加權平均值[25])，表明河水受到降水、地下水和冰川融水的補給。

青藏高原西南地區(qū)地表水與地下水樣品的δ18O-TDS含量與d-excess-TDS含量關系如圖6所示。

圖6 青藏高原西南地區(qū)地表水與地下水樣品δ18O-TDS含量與d-excess-TDS含量關系圖

由圖6可知：河水與地下水中δ18O與TDS含量呈正相關，而湖水和冰川融水中的δ18O與TDS含量無相關性。湖水的氚盈余(d-excess，d=δ2H-8δ18O)最小且變化范圍最大，為-24.2‰～5.4‰；河水的氚盈余為-4.4‰～21.8‰，冰川融水的氚盈余為0.7‰～19.7‰，地下水的氚盈余最大，為8.2‰～17.8‰。d-excess與TDS含量的關系如圖6所示。由圖6可以看出：隨著TDS含量的增加，河水、冰川融水和地下水中d-excess逐漸貧化，表明了蒸發(fā)作用降低了水體中的氚盈余，而湖水的d-excess與TDS含量無明顯相關性，表明湖水中離子分布的空間差異較大。

3 討論

3.1 主要離子來源與控制因素分析

3.1.1 Gibbs圖特征

地表水的水化學組分受氣候、地形、土壤、巖性、植被和人類活動共同影響，其中巖石類型對地表水的水化學特征起著決定性作用[26-27]。GIBBS R J總結了全球雨水、河水、湖泊等地表水體的化學組成，提出了控制地表水中元素成因的3個自然因素：降水、巖石風化、蒸發(fā)(結晶)[28]。

青藏高原西南地區(qū)的地表水和地下水的Gibbs圖如圖7所示。圖7表現(xiàn)出以下特征：

(a) TDS含量-Na+/(Na++Ca2+) (b) TDS含量圖7 青藏高原西南地區(qū)地表水水化學Gibbs圖分布模式

4)地下水樣品中的離子含量比值介于冰川融水和湖泊水樣的之間。

上述Gibbs模型沒有考慮積雪和冰川融水對徑流的影響，然而在青藏高原，冰雪融水對地表水的補給較為普遍。

3.1.2 離子含量特征

(a) Cl-含量與(Na++K+)含量的關系 (b) 含量與(Na++K+)含量的關系

(c) 含量與含量的關系 (d) 含量與(Ca2++Mg2+)含量的關系

(e) 含量與(Ca2++Mg2+)含量的關系 (f) TDS含量與離子含量比(Ca2++Mg2+)/(Na++K+)的關系

(g) TDS含量與離子含量比的關系 (h) 與Mg2+/Na+的關系圖8 青藏高原西南地區(qū)不同水體離子比例

由圖8(a)可知：大多數樣品中的Cl-與Na++K+含量的比值均在1∶1等值線以上，表明除蒸發(fā)巖溶解，硅酸鹽巖礦物溶解也是水中Na+、K+的主要來源。

研究表明：碳酸鹽巖風化產生的陽離子含量比Ca2+/Na+和Mg2+/Na+的值分別為50±20和20±8，硅酸鹽巖風化產生的陽離子含量比Ca2+/Na+和Mg2+/Na+的值分別為0.35±0.15和0.24±0.12，蒸發(fā)巖風化產生的陽離子含量比Ca2+/Na+和Mg2+/Na+的值分別為0.17±0.09和0.02±0.01。

圖8(h)表明，青藏高原西南地區(qū)的冰川融水樣品的采樣點主要位于碳酸鹽巖控制端，河水和地下水樣品的位于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖控制端之間，表明該水樣中離子主要受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風化溶解的共同控制，而蒸發(fā)巖溶解對其含量的影響較小。湖水樣品中Ca2+/Na+的值小于上一段中的3個閾值。造成該現(xiàn)象的主要原因在于青藏高原的湖泊多為封閉型湖泊，湖水長期強烈的蒸發(fā)使得湖水中的Ca2+析出，從而造成Ca2+/Na+的值減小。

3.1.3 礦物飽和指數特征

飽和指數(SI)是指示礦物與水體之間所處狀態(tài)的參數，反映了水體化學成分的變化趨勢。青藏高原西南地區(qū)水樣品中礦物指數如圖9所示。

圖9 青藏高原西南地區(qū)水樣品的礦物飽和指數與TDS含量的關系

圖9中顯示：

2)河水、冰川融水和地下水樣品中方解石和白云石的飽和指數隨著TDS含量的增加由小于0變?yōu)榇笥?，表明部分水樣品中方解石和白云石處于不飽和狀態(tài)，更多的方解石和白云石將會溶解，而部分水樣品中方解石和白云石處于飽和狀態(tài)，溶解的方解石和白云石礦物將會沉淀。

3.2 湖水的水化學時間分布特征分析

早在1981年，于昇松等[30]分析了青藏高原鹽湖的水化學特征，發(fā)現(xiàn)藏北高原的鹽湖水類型主要為硫酸鹽-碳酸鹽型水，無氯化物型水，淡水湖和咸水湖的pH值比鹽湖的高。硫酸鹽型水和氯化物型水的pH值隨TDS含量的增加而減小，而碳酸鹽型水的pH值隨TDS含量的增加保持不變。此外，鄭綿平等[31]通過研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原湖水的pH值與TDS含量呈負相關。本研究發(fā)現(xiàn)青藏高原西南地區(qū)湖水樣品的TDS含量與pH值呈正相關的關系，如圖10所示。

圖10 青藏高原西南部各水體中TDS含量與pH值的關系

羊卓雍錯1979年、1984年、2010年和2020年的TDS含量分別為1 781、1 943、1 278和1 674 mg/L(這些數據來自張雪芹等的研究成果[1,32])，通過對比，目前羊卓雍錯中TDS含量較上世紀的降低。造成這種現(xiàn)象的原因可能是氣溫升高導致冰川消融，冰川融水稀釋了湖水中離子的質量濃度。而2005年、

類延斌等[35]研究發(fā)現(xiàn)，2009年夏季，藏北高原的湖泊多為咸水湖和鹽湖，湖水的pH值較高，羊卓雍錯的鹽度略高于1.00 g/L，洞錯的鹽度為41.20 g/L。本研究中，羊卓雍錯中的溶解性總固體(TDS)含量為1.67 g/L，高于文獻[1]和[32]的研究結果，而洞錯中的TDS含量為41.22 g/L，與文獻[1]和[32]的結果基本一致。

3.3 水化學同位素參數空間分布特征分析

研究表明，受氣候、水文和地質條件的控制，由藏東南向藏西北，湖水礦化度逐漸增高[36]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原西南地區(qū)由南向北，湖水的δ18O和TDS含量未呈現(xiàn)顯著的空間分布特征，由東向西，湖水的δ18O呈逐漸富集的趨勢，而TDS含量未呈現(xiàn)明顯的空間分布特征。此外，湖水樣品中的δ18O與TDS含量未呈現(xiàn)高程效應，如圖11所示。

(a)水樣品中δ18O與海拔的關系 (b) 水樣品中TDS含量與海拔的關系

(c) 水樣品中δ18O與緯度的關系 (d) 水樣品中TDS含量與緯度的關系

(e) 水樣品中δ18O與經度的關系 (f) 水樣品中TDS含量與經度的關系圖11 青藏高原西南部地表水及地下水樣品δ18O與TDS含量空間分布圖

由圖11可以看出：1)與湖水樣品不同，青藏高原西南地區(qū)的河水樣品中的δ18O呈現(xiàn)明顯的緯度特征，由南向北，河水樣品中的δ18O逐漸富集，呈現(xiàn)東西方向和高程方面的空間分布特征。此外，河水樣品中的TDS含量未呈現(xiàn)任何方向的空間分布特征。

2)盡管冰川融水和地下水樣品中的TDS含量較少，但兩種水樣中的δ18O和TDS含量均呈現(xiàn)出高程效應。此外，地下水樣品中的δ18O和TDS含量還呈現(xiàn)出顯著的緯度分布特征和經度分布特征，由南向北和由東向西方向，地下水中的δ18O逐漸富集，TDS含量逐漸增加。冰川融水樣品中的δ18O呈現(xiàn)出和地下水中相似的緯度分布和經度分布特征，而其中TDS含量未呈現(xiàn)任何空間分布特征。

3.4 湖泊水量與水質的關系分析

湖泊面積與TDS含量和δ18O的關系如圖12所示。

(a) 湖泊水面面積與TDS含量的關系 (b) 湖泊水面面積與δ18O的關系圖12 青藏高原西南地區(qū)湖泊水面面積與δ18O和TDS含量的關系

由圖12可以看出湖泊分兩種水源演化過程:第一種是面積較大的湖泊，具有相對穩(wěn)定的補給水源，因此其水化學同位素特征較為穩(wěn)定；第二種為面積相對較小的湖泊，其水化學同位素特征變化較大，這一方面反映了這些面積較小湖泊具有多元的補給水來源，另一方面也反映了青藏高原小型湖泊對氣候變化響應敏感。

4 結語

2)湖水的δ2H和δ18O最為富集，分別為-89.1‰～-45.7‰和-9.7‰～-3.7‰；地下水的δ2H和δ18O最為貧化，分別為-165.1‰～-106.2‰和-22‰～-15.5‰；河水的δ2H和δ18O分別為-131.8‰～-111.1‰和-19.2‰～-13.9‰；冰川融水的δ2H和δ18O分別為-149.1‰～-124.1‰和-21.1‰～-15.6‰。

3)碳酸鹽和硅酸鹽風化對控制青藏高原西南地區(qū)河水水化學特征具有主導作用，而蒸發(fā)結晶對控制湖水水化學特征具有主導作用。