青藏高原羌塘盆地及周邊地區(qū)水化學特征與控制因素研究

0 引言

水是重要的自然資源,是保障居民生活和經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎[1,2]。在水循環(huán)過程中,水體與周圍環(huán)境不斷地進行物質交換,發(fā)生復雜的水文地球化學反應[3]。水體的化學成分含量受多種因素影響,如氣候、水文地質條件、地形地貌以及人類活動等[4]。水化學特征及其控制因素分析是水資源管理與評價的重要組成部分,闡明水化學組成及其形成機制可為水資源的合理和利用提供參考。近年來,隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化進程加快,人為因素對水環(huán)境的影響愈發(fā)強烈[5,6]。因此,開展水化學相關研究是十分有必要和有意義的。

青藏高原是世界上最清潔的地區(qū)之一,對人類活動與氣候變化較敏感,長久以來一直是國內外學者關注的焦點[7]。有關青藏高原地區(qū)水化學相關研究較多,比如田原等[8]對青藏高原不同邊界地區(qū)天然水的水化學特征和成因進行了分析,結果表明受地理環(huán)境、地質條件影響,不同邊界地區(qū)的水化學特征和成因均存在差異。閆露霞等[9]基于33個水樣數(shù)據(jù),對青藏高原湖泊的水化學組成進行了分析,并與先前數(shù)據(jù)進行了對比,對水質變化及現(xiàn)狀進行了評估。此外,部分學者對青藏高原主要流域的地下水或地表水的水化學進行了相關分析,如雅魯藏布江流域[7]、拉薩河流域[10,11]、年楚河流域[12]和尼洋河流域[4]等。然而,有關青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)的地表水和地下水水化學特征及其成因的相關研究相對較少。因此,本研究基于羌塘盆地及其周邊地區(qū)的30組地下水和地表水水質數(shù)據(jù),對水化學特征及其控制因素進行了分析,研究結果可為區(qū)域水資源的合理利用和保護提供一定的科學參考。

1 研究區(qū)概況

青藏高原地處我國西南,平均海拔超過4 000 m,是我國海拔最高、面積最大的高原,地理坐標:26°00′12″N—39°46′50″N,73°18′52″E—104°46′59″E[8,9]。青藏高原南部和北部分布著喜馬拉雅山脈和昆侖山脈,地貌類型分布高山峽谷、寬谷湖盆、河流谷地、高山溝谷和土林為主[8]。青藏高原地區(qū)中、新生代海相地層出露良好,火成巖、變質巖廣泛分布,不同巖石類型均有出露且種類復雜[8]。青藏高原水系發(fā)育,河流眾多,主要受地質構造、地形地貌和氣候等控制。氣候在時間和空間上具有規(guī)律性變化的特點,在空間上,藏北與藏西地區(qū)氣溫低、干旱少雨,而藏東南氣溫高、炎熱潮濕;時間上,冬季長夏季短,冬季多風、干燥少雨,夏秋暖濕、多夜雨。

青藏高原羌塘盆地及其周邊區(qū)域內前第四地層從古生界到新生界地層均有出露,時代跨越大,主要包括石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系。新生界地層巖性以砂礫巖和玄武巖等為主,中生界以砂礫巖、安山巖、灰?guī)r和砂巖等為主,古生界以灰?guī)r、砂巖、板巖等為主。按照含水層介質和水力性質,區(qū)域內的地下水可劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水和基巖裂隙水3大類。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

本次研究共選取青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)地下水和地表水水樣30個,水樣取樣點位置,如圖1所示。取樣時間為2015年9月16至2015年9月26日。其中,地下水水樣23個,主要取自機井和民井;地表水水樣7個,主要取自河流。取樣時采用清潔、干燥的塑料瓶,并在取樣前先用待取水樣對塑料瓶進行清洗2~3次。取樣結束后用封口膜進行封口,防止水樣泄露,然后放至冷藏運輸箱保存,并于一周之內送至實驗室進行水質測試分析。

2.2 測試分析

本次所取水樣在中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心水化學實驗室進行測試分析。其中,pH利用便攜式水質分析儀(哈希,H40d)在取樣現(xiàn)場直接獲得,溶解性總固體(TDS)由烘干法測定,主要陽離子包括K+、Na+、Ca2+和Mg2+由火焰原子吸收光譜儀(contrAA300,德國耶拿)測定,總硬度(TH)和HCO-3的含量采用滴定法確定,SO24-和Cl-采用離子色譜儀(883,瑞士萬通)測定,偏硅酸利用硅鉬藍比色法(TU-1901,北京普析通用)進行測定。

2.3 分析方法

本次研究主要采用了統(tǒng)計分析和水化學分析的方法,其中統(tǒng)計分析由SPSS軟件完成。水化學分析主要包括Piper三線圖、Gibbs圖、離子比值分析和飽和指數(shù)(SI),其中Piper圖由AqQA軟件繪制,Gibbs圖和離子比值分析利用Excel軟件繪制,SI由PHREEQC軟件計算獲得,此外利用MapGIS和PS繪制了其他圖件。

3 結果與討論

3.1 水化學基本特征

對青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)地表水和地下水的水化學組分進行統(tǒng)計分析,結果如表1所示。地表水中pH值介于8.29~9.4之間,均值為8.86,地下水pH值介于7.25~8.77之間,均值為7.85,表明研究區(qū)地表水和地下水整體上均呈弱堿性,且地表水pH高于地下水。地表水和地下水的TDS含量分別處270.46~663.25 mg/L和212.92~826.1 mg/L的范圍內,均值為分別437.75 mg/L和422.06 mg/L。就均值而言,地表水中陽離子占優(yōu)勢地位的為Ca2+,存在Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+的關系,HCO-3為主要陰離子,有著HCO-3＞SO24-＞Cl-＞NO-3的關系;地下水中陽離子順序為Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+,陰離子與地表水相同,存在HCO-3＞SO24-＞Cl-＞NO-3的關系。

表1 水化學組分統(tǒng)計結果Table 1 Statistical results of hydrochemical components

與地表水相比,地下水中具有較高的Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-、NO-3、偏 硅 酸 和TH濃 度,而pH、Na+、SO24-和TDS則低于地表水,如圖2所示。變異系數(shù)(CV)可以反映水化學組分的空間變異性,地表水中Na+和NO-3以及地下水中的Na+和Cl-的變異系數(shù)較大,均超過了100(表1),說明這些離子在水體中的分布不穩(wěn)定,具有較強的空間變異性。

3.2 水化學類型

Piper三線圖是一種簡便有效的水化學分類工具,也可以分析水化學含量及其演化特征,具有不受人為因素影響的優(yōu)點,在水化學分析方面應用十分廣泛[4,13]。如圖3所示,Piper圖由1個菱形和2個三角形組成,其中左下角為陽離子,右下角為陰離子,投影到菱形后即可得出水樣的水化學類型。研究區(qū)水樣點主要分布在區(qū)域5中,即主要水化學類型為HCO3-Ca型(圖3)。另外,有3個地下水水樣和1個地表水水樣落在區(qū)域6中,即這些水樣水化學類型屬于Cl-Ca型;有4個地下水樣2個地表水樣落在區(qū)域9,即混合型。

3.3 水化學控制因素分析

3.3.1 自然因素

(1)Gibbs圖解模型

通常,巖石風化、蒸發(fā)作用和大氣降水是控制水化學特征的三大主要因素[14]。Gibbs圖為半對數(shù)坐標圖,其中縱坐標為TDS的對數(shù)坐標,而橫坐標為Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/(Cl-+HCO-3)的質量濃度比值。在Gibbs圖中,中部靠左的區(qū)域為巖石風化控制區(qū),而右上部和右下部分別代表了蒸發(fā)作用和大氣降水作用(圖4)。將研究區(qū)地下水和地表水水樣投到Gibbs圖中,如圖4所示。水樣點主要落在Gibbs中間靠左的區(qū)域,表明青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)地下水和地表水的水化學特征主要受巖石風化作用影響。

(2)端元圖

端元圖(圖5)的橫縱坐標分別為Ca2+/Na+、Mg2+/Na+和HCO-3/Na+比值,可劃分為碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖3個端元,其中碳酸鹽巖端元和硅酸鹽巖端元所對應的比值分別為0.35±0.15、0.24±0.12、2±1和50、10、120[15,16]。基于端元圖,可進一步分析確定與研究區(qū)地下水和地表水水化學控制因素有關的巖石風化源類型[15]。將研究區(qū)地下水和地表水水樣投到端元圖,如圖5所示?？梢钥闯?水樣點主要分布在碳酸鹽巖端元和硅酸鹽巖端元之間,表明青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)的地下水和地表水的水化學組成特征主要受到了硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風化影響,這與區(qū)域內地層巖性的特點相一致。

(3)離子比值分析

離子比值可用來進一步分析影響水化學特征的礦物溶解過程[17,18]。理論上,若鹽巖溶解是一個地區(qū)的水化學組成的主要因素,則Na+/Cl-應接近于1,因為鹽巖的溶解會釋放等量的Na+和Cl-[13]。青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)的地表水和地下水Na+與Cl-的二元散點圖,如圖6a所示?？梢钥闯?水樣點主要分布于1∶1線的上方,也就是說鹽巖溶解并不是控制研究區(qū)水化學特征的主要因素。另外,Na+的含量高于Cl-說明水體中的Na+有其他的來源,可能為硅酸鹽巖礦物的溶解或是陽離子交換作用[13,19]。同樣的,若石膏的溶解是水體中Ca2+和SO2-4的唯一來源,則Ca2+/SO2-4的值應該等于1[19]。如圖6b所示,研究區(qū)地下水和地表水水樣點主要分布在1∶1線的兩側,且部分水樣點靠近1∶1線分布,這表明石膏的溶解對研究區(qū)水化學特征有一定影響。

Ca2++Mg2+與HCO-3+SO2-4的關系可用來分析硅酸鹽巖、碳酸鹽巖礦物和石膏溶解對一個地區(qū)水化學特征的影響[4]。在二元散點圖(圖6c)中,若水樣點集中在1∶1線上方,說明硅酸鹽巖風化是主要的水文地球化學過程;若水樣點分布在1∶1線下方,則表明碳酸鹽巖礦物溶解是主要的反應;如果水樣點沿1∶1線分布,則說明方解石、白云石和石膏的溶解是水化學成分的主要影響因素。如圖所示,青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)地下水和地表水水樣點主要靠近1∶1線分布,部分水樣點位于1∶1線上方,這說明研究區(qū)水化學特征主要受硅酸鹽巖、碳酸鹽巖礦物和石膏溶解的控制。Ca2+與Mg2+的比值關系可以反映Ca2+與Mg2+的來源[20]。若Ca2+/Mg2+=1,說明主要來源白云石的溶解;如果Ca2+/Mg2+比值介于1~2之間,則說明有更多的方解石溶解。如圖6d所示,研究區(qū)地下水和地表水水樣主要分布在Ca2+/Mg2+=1線附近和1＜Ca2+/Mg2+＜2之間,說明研究區(qū)水體中的Ca2+與Mg2+主要來源于方解石和白云石的溶解。此外,Ca2+與HCO-3的關系常用來分析是否存在方解石和白云石溶解[21]。若一個地區(qū)水體中Ca2+/HCO-3的值為1,說明水化學受方解石影響較大;若Ca2+/HCO-3的值為2,則表明為白云石的溶解。如圖6e所示,研究區(qū)地下水和地表水水樣主要分布在1∶1線和1∶2線之間,這表明研究區(qū)水體的水化學特征同時受到了白云石和方解石礦物溶解的影響。

(4)飽和指數(shù)

飽和指數(shù)(SI)是表示礦物和水的平衡狀態(tài),是離子活度積(IAP)與溶度積常數(shù)(Ksp)比值以10為低的對數(shù)[22]。若SI為0,表明處溶解平衡;SI小于0,處不飽和狀態(tài);SI大于0,處過飽和狀態(tài)。基于PHREEQC軟件計算青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)地下水和地表水中不同礦物的SI值,計算結果顯示:方解石的SI介于-1.12~0.15之間,均值為-0.52;白云石的SI在-1.97~0.32的范圍內,平均值為-0.94;石膏和巖鹽的SI分別介質-2.08~-1.21和-1.28~-7.06之間,均值分別為-1.78和-8.6。如圖6f所示,研究區(qū)大部分地下水和地表水水樣的不同礦物的SI小于0,表明這些礦物處不飽和狀態(tài),具有繼續(xù)溶解的趨勢。

(5)陽離子交換

Ca2++Mg2+-HCO-3-SO24-與Na++K+-Cl-之間的關系常用來識別陽離子交換過程[19,21]。如果Ca2++Mg2+-HCO-3-SO24-與Na++K+-Cl-的比值接近-1,則說明陽離子交換作用是影響水化學組成的一個重要水文地球化學過程[19]。如圖7所示,可以看出研究區(qū)水樣點擬合線方程為y=-0.98x+0.27,R2=0.96,其中斜率為-0.98,非常接近與-1,這說明陽離子交換作用是影響青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)地表水和地下水水化學組成特征的一個重要因素。

3.3.2 人為輸入

當前,硝酸鹽已經(jīng)成為全世界范圍內水污染的主要污染物之一,其主要來源為工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動以及生活污水排放,NO-3的濃度在一定程度上可以反映人為輸入對水環(huán)境的影響[21]。地下水中NO-3的濃度介于0.3~18 mg/L之間,均值為5.99 mg/L;地表水中NO-3濃度0.05~1.5 mg/L,均值為0.43 mg/L。青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)的地下水和地表水水樣NO-3濃度柱狀圖,如圖8所示,所有水樣中的NO-3濃度均遠低于國家標準中的濃度值,這表明研究區(qū)地下水和地表水受人類活動影響較小。

4 結論

(1)青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)的地下水和地表水pH均值分別為7.85和8.86,整體呈弱堿性。地下水和地表水中NO-3濃度均值分別為5.99 mg/L和0.43 mg/L。TDS含量分別介于212.92~826.1 mg/L和270.46~663.25 mg/L之間,HCO-3和Ca2+均為主要的陰陽離子,使得水化學類型以HCO3-Ca型為主。與地表水相比,地下水中具有較高的Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-、NO-3、TH濃度,而Na+和TDS含量則較低。

(2)水巖相互作用是控制青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)地下水和地表水的主要控制因素,主要有硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風化以及石膏的溶解。此外,陽離子交換作用也是一個重要的水文地球化學過程。多數(shù)地下水和地表水水樣的不同礦物的飽和指數(shù)小于0,表明這些礦物處不飽和狀態(tài),具有繼續(xù)溶解的趨勢。另外,人類活動對研究區(qū)地下水和地表水水化學特征影響較小。

(3) 深入開展青藏高原羌塘盆地及其周邊地區(qū)的水化學特征的基礎研究,對保護高原生態(tài)、服務國家重大工程和國防基礎建設等都具有重要的指導作用。