雅鲁藏布江流域水化学时空变化及其控制因素

刘佳驹,赵雨顺,黄 香,郭怀成*



雅鲁藏布江流域水化学时空变化及其控制因素

刘佳驹1,赵雨顺2,黄 香3,郭怀成1*

(1.北京大学环境科学与工程学院,北京 100871；2.天津大学环境科学与工程学院,天津 300072；3.西藏大学化学与环境学院,西藏 拉萨 850000)

为研究雅鲁藏布江全流域水化学特征及其控制因素,2016年先后采集雅鲁藏布江干流及其支流丰、平、枯三个水期水样212个,综合运用数理统计、Piper三线图、Gibbs 模型和离子比等方法,分析了全流域河水的水文地球化学特征,并探讨了流域的水化学演化规律.结果表明,河水中阳离子均以 Ca2+、Na+和Mg2+为主;阴离子以HCO3-和 SO42-为主;TDS平均值为204.51mg/L,矿化度较低;水化学类型以 HCO3·SO4(SO4·HCO3)-Ca·Mg(Mg·Ca)型水为主;雅鲁藏布江主干河流内的主要离子含量变化存在波动且季节性变化显著.空间上,河水中绝大多数离子遵循着先增大后减少的趋势;水化学样品均分布在 Gibbs 模型左中部,说明该流域水化学离子组成受岩石风化作用控制;主成分分析及相关分析表明雅鲁藏布江流域水化学组分受人为影响作用控制,方解石、白云岩的风化及硫酸溶解也起到非常重要的作用.流域三个水期的重金属元素的含量绝大多数能满足地表水I类水体的要求.

水化学；雅鲁藏布江；时空变化；水质

青藏高原被称为亚洲水塔.其为世界近1/3人口的生活、生产提供淡水资源[1].由于地形、地质和气候等自然条件以及人类生产、生活等的影响,水质受多因素、多层次和多尺度相互综合影响,水质的变化会对水生生态系统产生一系列的生态效应,能在很大程度上反映流域的变化特征[2].作为世界的“第三极”,青藏高原在通过陆地和海洋能量交换发生的元素地球化学循环中占有非常重要的比例[1].研究河流和湖泊水循环和水化学特征以及水资源和环境的保护具有重要的科学意义.此外,在水化学研究中揭示最主要离子的来源以及其控制因素非常重要[3].

近年来,众多国内外学者开始对雅鲁藏布江流域展开了较为深入的研究并取得了丰硕的成果,主要分自然影响与人为影响两方面:随着全球气候变暖, 青藏高原的冰川面积减少,导致的水文水生态环境也在发生着变化,进而影响了高原河流的水化学性质[4-5].Adachi等[6]对高原东部雅鲁藏布江流域主要化学组成的研究表明,岩石风化风化和侵蚀过程对流域水化学性质具有强烈的影响;沈大军等[7]对雅鲁藏布江流域水资源进行了评价,认为雅鲁藏布江外流水系河水泥沙含量较小,河水矿化度较小,水质良好;李红敬等[8]通过对雅鲁藏布江的水质分析发现,在6~10月,溶氧值低、水温较高,12~2月,溶氧值高、水温较低、8月悬浮物含量高,下游较中游的pH值和悬浮物含量低;Huang等[9]对雅鲁藏布江全流域的水质进行了评估,并基于统计学对水化学的控制因素进行了分析.一些学者的研究表明,雅鲁藏布江的水化学特征变化一定程度上受到人类活动的影响[10]:由于青藏高原是西风、印度洋季风和东亚季风的交汇点,大气环流也导致了印度和尼泊尔等南亚国家的工农业污染物跨界传输.高原上的人为活动和气候变化都将影响雅鲁藏布江的水化学过程,并对青藏高原南部和印度和孟加拉国下游地区的人类生产生活构成风险[8].Huang等[11]对雅鲁藏布江流域水质研究表明, Cd,Hg,Ni和Cu等重金属含量相对较高,污染被认为是由当地采矿业造成的.在盐湖中,还发现了高浓度的重金属元素,如铅和砷.这可能是由于地热等自然过程引发[10].总的来说,雅鲁藏布江水化学特性还没有经过系统深入研究,对全流域、季节性变化的研究较为缺乏.相对于我国其它流域,有关雅鲁藏布江流域水化学特征、化学风化过程,尤其是季节性变化及影响因素的研究尚不够全面、细致、深入.因此,有必要继续开展和深入研究雅鲁藏布江全流域化学风化和元素地球化学循环过程,为将来探索“第三极”以及全球气候环境变化提供基础.

本文基于2016年对我国西藏境内雅鲁藏布江全流域干支流三个水文期的河水采样,结合已有的流域环境背景资料, 分析报道了水体样品中主要阴阳离子的含量及其时空分布特征,探讨了水化学的主控因素,进一步研究雅江水质和“亚洲水塔”的水质变迁提供基础数据,为了解流域水环境和水资源提供科学依据.

1 研究区域概况及样品采集与分析

1.1 研究区概况

图1 青藏高原雅鲁藏布江流域和采样断面分布

研究区地处西藏的南部,冈底斯山脉、念青唐古拉山脉以南,喜马拉雅山脉以北的地区.雅鲁藏布江发源于西藏自治区西南部喜马拉雅山北麓的杰马央宗冰川,自西向东流经仲巴、日喀则、泽当等地.在米林县派区附近,形成一大拐弯,折向南流,经中国巴昔卡出境,流入印度洋的孟加拉湾.流域面积为24万km2,沿雅鲁藏布江干流谷地,海拔高度为2800~4500m[12].

雅鲁藏布江流域下游地区高温多雨.降水的年际变化较小,年内分配很不均匀.年均降水量从河流上游200mm左右至最下游的5000mm左右.全年平均降水主要集中在7~9月,达到全年降水量的50%~80%.年均最高温度出现在6月,下游地区多出现在7月,年均温度最低出现在1月.降水最多的月份,其冰雪融水补给河流的水量也大.此外,该流域还具有枯水期水量较大、悬移质泥沙含量少、河水温度低、河水矿化度小、总硬度低等特点[13].

雅鲁藏布江有5条流域面积超过10000km2的支流,如,帕隆藏布、年楚河、尼洋河、拉萨河、多雄藏布.尼洋河是雅鲁藏布江的一级支流,尼洋河所处地区的气候温和湿润.年均气温8℃左右,年降水量 600~900mm,年内径流量相对集中,主要集中在每年的6~9月.拉萨河位于西藏中南部全长568km,流域面积31760km2.拉萨河流域面积仅占西藏自治区总面积的2.7%,而流域内的人口、耕地却约占全自治区的15%,是西藏工、农、牧业集中的地区.

1.2 水样采集与分析

依据《水质采样技术指导》(HJ 494-2009)相关内容以及雅鲁藏布江流域地貌特征,并兼顾各支流汇入位置,在干流及其支流布设67个采样点,保证每个样品点具有一定的代表性[11].采样分别在2016年9月15日~10月8日(丰水期),2016年11月8~11月26日(平水期)和2017年4月22日~5月7日(枯水期)分3次采集样品.如图1所示.每个时间段样本在半个月内从下游到上游连续采集.为保持采样条件的一致性,选择24h内没有降雨的天数作为采集样本日[14].

样品收集之前,每个样品瓶用硝酸洗涤,之后用蒸馏水冲洗.将水样品收集在2L聚丙烯瓶中,然后立即通过0.45mm醋酸纤维素膜过滤器.将样品置于干净的自密封聚乙烯(PE)塑料袋中,并保存在4℃的冰箱中直至测试.为了确保数据的准确性,所有样品瓶在收集水样之前用收集的滤液洗涤2~3次.为避免污染和破坏,将样品置于冰箱中冷冻运输.将由水,过滤器和沉淀物组成的样品运送到实验室.将水样在4℃的冰箱中储存,并在自然风化条件下将沉淀样品保存在无尘实验室中[11].

雅鲁藏布江河水基础理化性质,阴阳离子及重金属的测量仪器及方法如表1所示.在实验过程中,仪器由国家黄土标准物质(GBW07408)标定,并由标准溶液控制.阳离子和阴离子的分析精度优于2%.总阳离子和阴离子的总和表明与使用探针测量的TDS值(Tz++Tz-=1.02TDS,2=0.98)匹配度良好,这表明数据质量很高[11].

所有统计计算均使用Excel 2007(Microsoft Office)和spss18.0进行.实验结果图使用Origin8.0制作[11].首先,通过统计检验确定离子元素的含量是否遵循正态分布.然后,使用Pearson相关分析评估离子元素浓度的相关关系.

表1 基础理化性质、阴阳离子及重金属测量仪器及方法

2 结果和讨论

2.1 河水水化学总体特征

2.1.1 基础理化性质 通过对常规水化学参数进行分析,雅鲁藏布江流域水样品pH值、T、EC、DO、TDS变化范围及均值如表2所示.雅鲁藏布江流域三期水体的水温为0.0~20.5℃,平水期平均温度最低(4.2℃);雅鲁藏布江及其支流的pH值变化幅度较小,介于7.97~9.03之间,平均值为8.46,整体呈弱碱性,碳酸盐系统是天然水中优良的缓冲系统,它对避免天然水 pH 值急剧变化起缓冲作用.丰水季节河水 pH 值(8.6)略低于枯水期(8.7)及平水期(8.8),这可能的原因是丰水期降雨导致水体的pH值减小;3个水期TDS变化很大,13.30~451.00mg/L,平均值为183.95mg/L,高于世界河流的平均值(120mg/L)[15](表2);电导率(EC)可以反映水体的离子强度,雅鲁藏布江流域三期水体的电导率变化范围均值为18.5~632.0µS/cm,均值为252.3µS/cm;在温度和盐度的影响下,雅鲁藏布江及其支流的DO在枯水期最高(均值为10.85mg/L),在丰水期最低(均值为8.1mg/L)(表2),这可能是水体中DO的含量与空气中的氧的分压,水温有相关,枯水期的温度水体较低,因此导致DO含量高.雅鲁藏布江流域主要河道的阳离子浓度依次为Ca2+>Na+>Mg2+> K+.Ca2+为是优势阳离子,占阳离子总量的31.3%.阴离子浓度顺序为:HCO3->SO42->Cl-.其中HCO3-和SO42-为主要阴离子,分别占阴离子总量的72.35%和14.32%.Ca2+和SO42-的平均浓度分别是全球河流平均浓度的3~4以上[15](表3).

表2 基础理化性质

表3 雅鲁藏布江及世界大河主要离子含量统计(mg/L)

2.1.2 水化学类型 河流水化学特征主要受天然补给来源、化学风化以及人类活动的影响.决定河流水化学特征的主要过程是降水对地表组成物质的淋溶过程、主支流交汇处的混合过程、悬浮物的吸附和解析过程以及蒸发浓缩而导致的变质等过程.Piper三线图可以用来分析河水水化学成分的演化规律,结果如图2所示.雅鲁藏布江及其支流的样品离子含量分布接近CO32-+HCO3-轴分布(图2),阴离子主要由HCO3-和SO42-组成.在阳离子三角图中,采样点位于Ca2++Mg2+轴附近,表明该区域的阳离子主要为Ca2+和Mg2+,这可能反映了流域水化学性质主要受碳酸盐风化.流域以SO4·HCO3(HCO3·SO4)- Ca·Mg(Mg·Ca)型为主.在雅鲁藏布江及其支流中,80%以上的Ca2+, Mg2+和HCO3-产生于碳酸盐风化过程中.在河流的中上部,尤其是年楚河附近,Na+的比例高达29%,Cl-高达31%.说明蒸发岩的溶解是其主要控制因素.

图2 雅鲁藏布江干流及其支流河水阴阳离子三角图

图3 雅鲁藏布江流域丰、平、枯3季水体重金属浓度箱线图

2.1.3 重金属分析 青藏高原近30a的金属采矿业影响了该地区的地表水质量.重金属含量的增加会对渔业和饮用水安全产生影响.如图3所示雅鲁藏布江流域在丰、平、枯3个水期的重金属浓度的箱线图.研究表明,Al(均值为62.65mg/L)和Fe(均值为60.8mg/L)浓度较高.Cu,Zn,Ag,Cd和Cr的浓度普遍较低,符合中华人民共和国地表水环境质量标准(GB 3838-2002)的I类水标准. 雅鲁藏布江流域三个水期的As元素的含量大部分能满足地表水I类水体的要求.但是,羊巴井地热田下游样品在雨季和枯水期的As浓度分别为170.5ug/L和144.0ug/L,超过了地表水环境类水V标准.青藏高原沉积物中As的浓度是中国地壳丰度的11.6倍.地热活动释放的气液导致As含量高.其含量的超标可能会影响该地区居民的饮水安全[18].90.2%水样中汞的浓度达到地表水环境质量标准的I类水标准.上游玛玖藏布采样点As浓度极高(枯水期为181.2ug/L,丰水期为217.58ug/L,平水期为182.1ug/L),这可能与采矿业以及As金属的熔炼有关[19].但雅鲁藏布江干流及其支流重金属浓度季节变化不明显.

2.2 河水主要离子时空变化特征

图4 雅鲁藏布江干流丰,平,枯三季主要离子浓度的变化

径流补给来源及气候的显著差异是影响季风区河流水文、水化学季节性特征的重要因素.通过分析雅鲁藏布江干流30个采样点的离子浓度,结果表明,该河流的水化学特征具有显着的季节差异,如图4所示.雅鲁藏布江干流阳、阴离子浓度变化趋势总体表现为丰水期最低.丰水季节流域河水中大部分阴阳离子平均浓度(mg/L)均小于枯水期及平水期,离子浓度值下降明显,较枯水期离子浓度减少约 20.97mg/L,较平水期减少约为50.37mg/L.(表3)阳离子变化以Ca2+为主,枯水期较平水期减小了约9.35mg/L,其余阳离子变化不明显.流域阴离子浓度总量变化幅度远远超过了阳离子,HCO3-变化最为明显,丰水期较平水期减少了约37.42mg/L.丰水期降水量明显增加,而离子来源没有明显变化的情况下,形成的稀释效应.相反,平水期和枯水期的流速相对较慢,水体与岩石接触时间较长,增加了岩石的溶解.在枯水期和丰水期,雅鲁藏布江干流的阳离子浓度依次为,Ca2+>Na+>Mg2 +>K+,但在平水期,表现为Ca2+>Mg2+>Na+>K+,这种变化在中游和下游最为明显(图4).在3个水期,水样中阴离子浓度变化趋势均为HCO3->SO42->Cl->NO3-.

从空间上看,雅鲁藏布江干流离子浓度从上游至下游含量变化存在波动,但总体呈先增后减的趋势(图4).最上游采样点(Y17、Y16)测得的TDS浓度与整个干流相比明显较低.这一结果可能是由于冰川和融雪稀释了离子浓度.雅江上游地区表现为较为干燥的草原气候,其蒸发量明显超过降雨量,使得水体在一定程度上得到蒸发浓缩,大量裸地、滩涂的存在使得地表大面积暴露,导致当地风化侵蚀作用强烈,大量盐离子得以释放进入水体.因此,Y14和Y15采样点离子浓度相比前段剧烈增加,增速最快的离子为Ca2+、Na+、HCO3-、SO42-.从源头向下游地区过渡的过程中随着降水增加,径流量得以补充,同时,灌木、针叶林、阔叶林的组合植被类型减轻了水土流失,最终导致了水体中的离子浓度呈现逐渐下降的趋势.对比枯水季节与丰水季节流域离子空间特征分布发现(图4),丰水季节阳离子总浓度值均低于枯水季节.其中,上游降幅最大,约为 29.65mg/L,中游和下游降幅分别约为16.95mg/L和14.69mg/L,表明上游阳离子含量季节性差异最大,中游和下游依次降低.雅江流域从上游至下游离子浓度季节性差异呈逐步降低的趋势.

2.3 离子来源分析

2.3.1 相关性分析 相关分析通常用于揭示主要离子的来源.表4显示了雅鲁藏布江流域各化学成分之间的相关矩阵.TDS与Ca2+,Mg2+,K+,Na+,HCO3-, Cl-和SO42-呈显著正相关(<0.01),表明这些物质都是TDS的来源.其中,TDS与Ca2+和HCO3-的相关性最显着,相关系数分别为0.874和0.924.变化趋势相同,统计学上表明Ca2+和HCO3-是TDS的主要来源.HCO3-与Ca2+和Mg2+有显着相关性(<0.01).由于碳酸盐和硫酸盐矿物的风化溶解作用,SO42-与 Ca2+、Mg2+的相关性也很强说明它们之间有可能来自同一来源,可能来源于碳酸盐和硫酸盐矿物的风化溶解.Na+、K+都与Cl-有强相关性,说明它们有可能来自蒸发岩的溶解.

表4 离子相关性分析

2.3.2 主成分分析 为了进一步探讨雅鲁藏布江流域水体主要离子与地质背景之间的关系,了解主要离子的控制因素,应用主成分分析法(PCA)对雅鲁藏布江流域3个水期主要离子间的关系进行分析.基于3个水期的212份水样,通过因子分析得到3个主要公共因素.如图5所示,3个水期的第一因子与K+,Na+,Cl-,Li,SiO2之间存在很强的相关性,这与高原各类蒸发岩的溶解有关[19].第二因子与Mg2+, SO42-,Ca2+和HCO3-存在较高相关性.说明方解石、白云岩的风化及硫酸溶解的相关贡献较大.其中碳酸盐风化作用是Ca2+的主要来源,80%~90%的溶解Ca2+和Mg2+是由雅鲁藏布江流域碳酸盐风化产生的.第三个因素与Mn和Zn有较强相关性,表明与采矿业等人类活动相关,但人类活动的影响并不明显.其中流域丰水期及平水期的三个主要因素累计方差贡献率为75.14%.第1,2,3因子贡献率分别达到34.5%,26.2%和14.4%.枯水期的累计方差贡献率为66.67%.对比平水期及丰水期可以发现,枯水期累积方差百分比(66.67%)比平水期及丰水期(75.14%)略有降低,但离子负荷值增高,说明丰水期及平水期的主要离子来源的变化更加复杂(表5).

图5 雅鲁藏布江流域主要离子主成分分析

表5 雅鲁藏布江流域3个水期离子和元素的主成分分析(PCA)

图6 雅鲁藏布江流域主要离子吉布斯图

Y-雅鲁藏布江干流,L-拉萨河,N-尼洋河,NY-年楚河,P-帕隆藏布江,D-多雄藏布江

2.3.3 吉布斯分析 Gibbs 设计了半对数坐标图,纵坐标为水样TDS的对数坐标,横坐标分别为阳离子质量浓度的比值(Na+)/(Na++Ca2+)或者阴离子质量浓度的比值(Cl-)/(Cl-+HCO3-)[21]. Gibbs图显示Na+/(Na++Ca2+)(<0.38)和Cl-/(Cl-+HCO3-)(<0.21)比值较低, TDS值中等,说明雅鲁藏布江干流及其支流的离子化学性质主要是由岩石风化控制.所采集水样远离“降水主导”和“蒸发结晶”作用控制区域,且河水的Cl-/Na+平均值为0.65,远低于世界平均海水比例(Cl-/Na+=1.15),这些均表明研究区内大气降水和蒸发结晶对水体中离子质量浓度的影响不是主要控制因素.

3 结论

雅鲁藏布江流域的地表水质呈弱碱性.河流的平均TDS为204.51mg/L,高于全球平均水平.主要阳离子是Ca2+,Na+和Mg2+,而主要阴离子是HCO3-和SO42-.流域大部分地区的水化学特征为Ca2+-HCO3-型.大部分重金属元素均能达到中华人民共和国地表水环境质量标准(GB 3838-2002)的I类水标准.然而,受到上游采矿及金属冶炼的影响,有少数采样点的As含量超标,中游羊八井地热田附近样品As浓度较高,则与地热活动有关.季节变化上,雅鲁藏布江流域的水化学特征具有显著的季节性差异,其中,丰水期的离子浓度最低,枯水期和平水期的离子浓度相对较高.在空间上,雅鲁藏布江干流的离子浓度从上游到下游呈逐步降低的趋势,支流中的离子浓度波动显着.主成分分析和吉布斯模型表明,雅鲁藏布江流域的离子组成主要受岩石风化作用控制.总体来说,雅鲁藏布江绝大部分采样断面的水质良好,极个别采样断面重金属超标.在全球气候变化的背景及人类活动增多的双重压力下,雅鲁藏布江的水化学特征会受到影响从而间接会对青藏高原的人类健康构成风险.本文的研究结论对进一步研究雅江水质和“亚洲水塔”的水质变迁提供了基础,为了解流域水环境和水资源的科学管理提供基础性科学依据.

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致谢：本研究由西藏大学及西藏自治区各级政府支持下完成,在此表示感谢.

Spatiotemporal variations of hydrochemistry and its controlling factors in the Yarlung Tsangpo River.

LIU Jia-ju1, ZHAO Yu-shun2, HUANG Xiang3, GUO Huai-cheng1*

(1.College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China；2.College of Environmental Sciences and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China；3.Department of Chemistry and Environmental Science, Tibet University, Lhasa 850000, China)., 2018,38(11)：4289~4297

In order to study the characteristics of the water chemistry of the Yarlung Tsangpo River and its control factors, 212 water samples from the mainstream of the Yarlung Tsangpo River and its tributaries were collected in the three water periods in 2016. The mathematical statistics, Piper three-line map, Gibbs model, and ion ratio were analyzed. The hydrochemical characteristics of rivers in the whole basin, and the evolution of water chemistry in the basin. The results showed that the cations in the river water were dominated by Ca2+, Na+, and Mg2+; the anions were dominated by HCO3-and SO42-; the average value of TDS was 204.51mg/L, the degree of salinity is relatively low; the type of water chemistry is dominated by HCO3·SO4(SO4·HCO3)-Ca·Mg (Mg·Ca) type water; The main ion concentration changes in the main stream of Yarlung Tsangpo fluctuated, and the seasonal changes were significant. Spatially, most ions in the river follow the trend of increasing first and then decreasing. The chemical samples of water are distributed in the middle left part of the Gibbs model, indicating that the chemical composition of the watershed in the basin is controlled by rock weathering. Principal component analysis and related analysis show that the Yarlung Tsangpo River Basin The chemical composition of water is controlled by human influence, and weathering of calcite, dolomite and dissolution of sulfuric acid also play a very important role. The vast majority of heavy metals in the three watersheds of the basin meet the requirements of Class I water bodies in surface waters.

hydrochemical；Yarlung Tsangpo River；spatio-temporal variations；river water quality

X826

A

1000-6923(2018)11-4289-09

刘佳驹(1991-),男,河北保定人,北京大学博士研究生,研究方向为环境规划.发表论文3篇.

2018-04-02

西藏环境水化学调查及饮用水安全评价技术研究项目(22015FY111000)

* 责任作者, 教授, ghc1111@pku.edu.cn