拉萨河流域地热水中重金属分布及其污染风险评估
2015-07-13刘勇吴坚扎西梅朵等
刘勇 吴坚扎西 梅朵等
摘要西藏是中国地热活动最强烈的地区，地热蕴藏量居中国首位，各种地热显示几乎遍及全区，有700多处，拉萨河谷地区是地热资源十分丰富的区域之一，羊八井温泉、日多温泉等著名的地热就分布在拉萨河谷地区。对分布在拉萨周边区域的羊八井温泉、日多温泉、德仲温泉、贾桑温泉等4个典型高原地热温泉水环境中的Zn、Co、Cr、Fe、Mo、Pb、As、Sb、Ni、Cd、Hg、Be、Cu、Mn、Se等15种主要金属元素的含量、分布情况进行了初步研究，评估了地热资源在开发利用过程中对周围环境的影响，提出了相应的环境影响控制对策。研究成果将为西藏高原地区地热资源的合理开发及其生态环境保护提供重要的参考和借鉴。
关键词拉萨河；流域；地热水；重金属；风险评估
中图分类号S273.2文献标识码A文章编号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
基金项目国家自然科学基金项目（20767005，21267021）；科技部“973”前期研究课题（2014CB460612）；西藏自治区自然科学基金项目（Z2012A02G02/00）；环境化学与生态毒理学国家重点实验室开放基金课题（KF2009-20）。
地热水，是温度显著高于当地年平均气温，或者高于观测深度的围岩温度的地下水。地热水不仅是宝贵的地下水资源，而且是珍贵的清洁可再生能源。地热水既是一种热源、又含有多种矿物成分。地热是一种应用广泛、易于开发、费用低廉、无环境污染的新型能源矿产。目前其广泛应用于发电、供暖、沐浴、游泳、理疗、医疗、养殖、种植等多个领域[1-3]。西藏是中国地热活动最强烈的地区，地热蕴藏量居全国首位，热泉、热水湖、热沼泽等地热显示遍布全区，其中高温地热资源占全国地热总量的80%。拉萨河流域是地热资源相对集中的地区之一，分布有羊八井地热田、日多温泉、德仲温泉、贾桑温泉等地热资源区，其中羊八井地热田是我国正在开发的最大湿蒸汽田。作为一种清洁、环保、可持续利用的能源，地热水资源的开发利用，对增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境具有重要作用。由于温度高和深层循环过程中的水—岩相互作用，地热水一般矿化度较高及含有一些特殊的化学成分，如氟、铅、砷、汞等。在地热水开发利用过程中，若不采取相应的防治措施，必将会带来一些环境问题，如地面沉降、地热水资源衰竭、热污染、空气污染、水和土壤的污染等[4-7]。
笔者对分布在拉萨周边区域的羊八井温泉、日多温泉、德仲温泉、贾桑温泉等4个典型高原地热温泉水环境中的Zn、Co、Cr、Fe、Mo、Pb、As、Sb、Ni、Cd、Hg、Be、Cu、Mn、Se等15种主要金属元素的含量、分布情况进行了初步研究，评估了地热资源在开发利用过程中对周围环境的影响，提出了相应的环境影响控制对策。
1材料与方法
1.1研究区域概况及采样点设置
拉萨作为西藏自治区首府城市，是西藏政治、文化、经济、宗教中心，作为全国著名旅游城市，随着拉萨旅游业的蓬勃发展，以疗养、旅游为目的的地热水资源得到了大规模的开发利用。根据拉萨周边区域地热资源分布情况，选择确定了4个温泉（图1）进行地热水样品的采集，分别为：羊八井地热温泉（30°04′22.91″ N，90°29′24.32″ E），位于当雄县羊八井镇，距离拉萨市西北约90 km，该温泉共设置5个采样点；日多温泉（29°41′42.24″ N，92°14′29.33″ E），位于墨竹工卡县日多镇，距离拉萨市东北约90 km，该温泉共设置1个采样点；德仲温泉（30°09′13.70″ N，92°09′59.46″ E），位于墨竹工卡县门巴乡，距离拉萨市东北约140 km，该温泉共设置3个采样点；贾桑温泉（29°16′03.53″ N，90°48′19.49″ E），位于山南地区贡嘎县岗堆镇，距离拉萨市西南约90 km，该温泉共设置4个采样点。
1.2样品采集与处理
使用润洗3次的聚四氟乙烯烧杯直接在温泉水面垂直向下10 cm 左右处采集样品，并将待测样品经0.45 μm滤膜进行现场过滤并转入60 ml聚四氟乙烯样品瓶中，滴加优级纯HNO3酸化至pH<2。每个采样点采集3个平行样品，共采集13组地热水样品，密封保存，运回实验室置于4 ℃冰箱保存，用于实验室检测重金属元素。待研究温泉有多个采样点的，重金属浓度取其平均值。
图1温泉地理位置示意
1.3测试项目与方法
1.3.1重金属含量分析方法。
经预处理后的水样，利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，美国Agilent7500ce 型）测定样品中Zn、Mo、Pb、Cd、Be、Cu、Mn和Se总量；电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，美国Optima 5300DV型）测定样品Co、Cr、Fe和Ni总量；原子荧光光谱仪（AFS，北京AF-610A型）测定As、Sb和Hg总量。分析过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，高纯水冲洗后晾干。分析所用酸均为优级纯，水为高纯水。试验过程中每批样品均做全程空白，以消除在样品处理及测定过程中可能带入的污染。同时同步分析由国家有色金属及电子材料分析测试中心生产的多元素标准样品（GSB 04-17667-2004）和Hg标准样品（GSB G 62069-90），以控制样品分析的精密度和准确度。重金属元素平行样品相对误差<5%，标准物的回收率在90%～120%之间。
1.3.2水体重金属污染评价方法。
重金属元素综合污染指数法是将同一站位的所有要研究的重金属元素作为一个统一的整体，研究这些重金属元素在相互作用的情况下对环境产生的影响。该研究利用综合污染指数法对拉萨河谷设施农业区水体重金属污染状况进行评价[8-9]，其计算公式为：
Ai=Ci/Csi（1）
WQI=1n1nAi（2）
式中，Ai表示重金属元素i的污染指数；Ci表示重金属元素i的实测含量；Csi表示重金属元素i的评价标准（取地表水环境质量标准I类标准作为拉萨河谷设施农业区各重金属元素评价标准）；n为元素个数；WQI为水质综合污染指数。
当WQI≤1时，表明该水域无重金属污染；当1
2结果与分析
2.1拉萨周边区域地热水环境重金属元素分布情况
图2为拉萨周边区域4个典型温泉地热水环境中15种主要金属元素Zn、Co、Cr、Fe、Mo、Pb、As、Sb、Ni、Cd、Hg、Be、Cu、Mn和Se的含量分布情况。4个典型温泉地热水环境中重金属As、Ni、Cd和Cu的含量范围分别为：0.96～4.13 μg/L、1.83～9.27 μg/L、nd（表示未检测出）～0.21 μg/L和0.78～7.77 μg/L，其中4个温泉地热水中重金属As、Cd和Cu含量均达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类水标准，重金属Ni符合《渔业水质标准》（GB11607-89）规定的Ni限值（50 μg/L）标准。重金属Zn除在德仲温泉未检测到之外，在羊八井地热温泉、日多温泉和贾桑温泉的含量分别为847.85、225.00和748.25 μg/L，均达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类水标准；羊八井地热温泉和德仲温泉中重金属Cr含量分别为3.98和3.63 μg/L，符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类水标准，日多温泉和贾桑温泉Cr含量分别为25.90和18.45 μg/L，符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类水标准；日多温泉和德仲温泉未检测到重金属Pb，但羊八井地热温泉和贾桑温泉地热水中Pb含量较高，分别为10.12 μg/L（符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水标准）和69.46 μg/L（符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅴ类水标准）；日多温泉地热水环境中重金属Hg含量低于检测限，其在羊八井地热温泉、德仲温泉和贾桑温泉含量分别为0.23、0.08和0.20 μg/L，分别达到了《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅳ类、Ⅲ类和Ⅳ类水标准；日多温泉未检测到重金属Se，贾桑温泉地热水中Se含量为0.14 μg/L，符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类水标准，羊八井地热温泉和德仲温泉Se含量分别为16.98和15.30 μg/L，均达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅳ类水标准。《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）集中式生活饮用水地表水源地补充项目规定Fe和Mn的标准限值分别为300 μg/L和100 μg/L，德仲温泉和贾桑温泉地热水中Fe和Mn均符合该项目标准；羊八井地热温泉Mn符合该项目标准，Fe含量超出该规定限值倍数为1.9倍；日多温泉Fe和Mn均超出相应标准限值，超标倍数分别约为3倍和0.85倍。我国相关水环境质量标准中均未涉及Co、Mo、Sb和Be，该研究中羊八井地热温泉和德仲温泉地热水中未检测到Co含量，日多温泉和贾桑温泉Co含量分别为0.12和0.24 μg/L；除德仲温泉未检测到Mo外，贾桑温泉Mo含量最高（1.30 μg/L），其次为日多温泉（0.34 μg/L），羊八井地热温泉最低（0.06 μg/L）；上述4个典型温泉中，Sb的含量顺序依次为：羊八井地热温泉>日多温泉>德仲温泉>贾桑温泉；德仲温泉地热水环境中Be含量最高，贾桑温泉Be含量最低。由图2 可知，不同温泉同种重金属含量相差较大，可能与温泉所处区域矿产资源种类不同有关，需要进一步研究。总之，通过对拉萨周边区域温泉地热水中重金属的研究，可在一定程度上掌握该区主要温泉重金属丰度，同时可为西藏高原地区地热资源的可持续开发利用及其生态环境保护提供有益参考。
图2拉萨河沿岸地区四大主要温泉水中重金属元素的分布示意
2.2拉萨周边区域地热水环境重金属污染评价
分别选取《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中涉及，且对环境和生物危害极大的8种重金属（Zn、Cr、Pb、As、Cd、Hg、Cu和Se）和7种重金属（Cr、Pb、As、Cd、Hg、Cu和Se）[10-18]，通过公式（1）和（2）计算得到拉萨周边温泉地热水环境重金属综合污染指数（见表1）。结果表明，由于羊八井地热温泉、日多温泉和贾桑温泉地热水环境中Zn含量较《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类水标准规定限值相差较大，考虑Zn计算WQI时，羊八井地热温泉WQI值大于3，表明该水体为重度污染，贾桑温泉WQI值介于2～3之间，表现为中度污染，日多温泉WQI值为1.50，表现为轻度污染；当不考虑重金属Zn计算WQI时，只有羊八井地热温泉表现为轻度污染，且主要污染物质为重金属Hg，其余温泉均表现为无重金属污染。综上所述，参照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类水标准计算WQI时，羊八井地热温泉、日多温泉和贾桑温泉Zn污染问题比较突出；上述3个典型温泉地热水Zn含量均又满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类水标准，因此无法确保相应温泉Zn的污染程度，建议国家相关部门在修订水质标准过程中，应缩小Ⅰ类水和Ⅱ类水相关重金属的限值范围，但重金属Zn污染问题需要引起注意，防止对周边居民的健康带来不利影响。
表1拉萨周边区域温泉地热水重金属元素的综合污染指数
WQI羊八井地热温泉日多温泉德仲温泉贾桑温泉
WQI（含Zn） 3.09 1.50 0.65 2.99
WQI（不含Zn） 1.10 0.60 0.65 0.99
3结论与建议
3.1结论
羊八井地热温泉、日多温泉、德仲温泉和贾桑温泉地热水As、Cd和Cu均符合《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅰ类水标准，Ni符合《渔业水质标准》（GB11607-89）标准限值，重金属Zn和Cr至少符合《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅱ类水标准，重金属Pb、Hg和Se相对含量较高。
参照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅰ类水标准，通过计算水环境综合污染指数（WQI），羊八井地热温泉、日多温泉和贾桑温泉分别表现为重度污染、中度污染和轻度污染，且主要污染物均为重金属Zn，相关部门应采取相应措施保障周边居民的身体健康。
3.2建议
加大对温泉区地热水资源地系统、科学管理，在
提高地热水资源利用效率的同时，防止地热资源大量开采所导致的土壤污染、地表水污染、热污染等环境问题。
对温泉周边土壤、水体及农作物建立长期监测机制，尤其是氟化物和重金属的监测，防止地热水中的矿物质大量进入土壤、水体，进而对周边居民身体健康带来不利影响。
43卷7期
刘 勇等拉萨河流域地热水中重金属分布及其污染风险评估
参考文献
[1] 尤孝才，姚书振，颜世强，等.我国地热资源勘查开发利用及保护对策[J].中国矿业，2007，16（6）：1-3.
[2] 徐军祥.我国地热资源与可持续开发利用[J].中国人口·资源与环境，2005，15（2）：139- 141.
[3] 郑克棪，潘小平.中国地热发电开发现状与前景[J].中外能源，2009，14（2）：45-48.
[4] 吴锡刚，刘同憎，何平.地热水的开发利用及存在问题研究[J].地下水，2011，33（3）：46-47.
[5] 张金华，魏伟.我国的地热资源分布特征及其利用[J].资源经济，2011（8）：23-27.
[6] 杨明金，杨帆，王谋凤，等.地热水水质及其对农田和农作物影响研究[J].福建农业科技，2005（6）：65-67.
[7] 李晓华，马驰.地热水资源开发引起的环境问题分析[J].安徽农业科学，2009，37（18）：8675-8677.
[8] 廖为权，姜齐.水质评价的浓度级数法[J].水文，1992（3）：25-32.
[9] 沈春燕，冯波，卢伙胜.茂名放鸡岛海域水体重金属的分布与污染评价[J].海洋通报，2008，27（5）：116-120.
[10] MCLAUGHLIN M J，PARKER D R，CLARKE J M.Metals and micronutrients-food safety issues[J].Field Crops Research，1999，60（1/2）：143-163.
[11] 刘凤，李梅，张荣飞，等.拉萨河流域重金属污染及健康风险评价[J].环境化学，2012，31（5）：580-585.
[12] 杨军，陈同斌，郑袁明，等.北京市凉凤灌区小麦重金属含量的动态变化及健康风险分析—兼论土壤重金属有效性测定指标的可靠性[J].环境科学学报，2005，25（12）：1661-1668.
[13] VOUTSA D，GRIMANIS A，SAMARA C.Trace elements in vegetables grown in an industrial area in relation to soil and air particulate matter[J].Environmental Pollution，1996，94（3）：325-335.
[14] 李波，林玉锁，张孝飞，等.宁连高速公路两侧土壤和农产品中重金属污染的研究[J].农业环境科学学报，2005，24（2）：266-269.
[15] NICHOLSON F A，SMITH S R，ALLOWAY B J，et al.An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales[J].Science of the Total Environment，2003，311（1/3）：205-219.
[16] YANG Q W，QIU J W，SHU W S，et al.Lead in paddy soils and rice plants Lechang and its potential health risk around lead/zinc Mine，Guangdong，China[J].Environment International，2004，30（7）：883-889.
[17] 李真熠.重庆市土壤重金属污染的功能分异评价[J].农业环境与发展，2013，30（4）：35-40.
[18] 李艺红，王宏，刘瑞志，等.锦州湾表层沉积物重金属潜在生态风险评价[J].沈阳理工大学学报，2013，32（5）：17-22.
