怒江源区那曲河水化学特征的多元统计分析

赵阳, 赵衡,2, 王富强,2,3, 陈希, 次仁曲吉

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046; 2.水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心,河南 郑州 450046; 3.河南省水环境模拟与治理重点实验室,河南 郑州 450046; 4.大连理工大学,辽宁 大连 116024; 5.西藏自治区水文水资源勘测局拉萨水文水资源分局,西藏 拉萨 850000)

河流在全球水循环中起着非常重要的作用,河流的水化学组分特征反映了地表风化、剥蚀作用的强弱以及水体元素迁移转化的规律[1]。于新生代抬升的青藏高原对全球气候变化有着重要影响[2-3]。青藏高原是亚洲十大河流的源区,发育了黄河、长江、雅鲁藏布江(布拉马普特拉河)、怒江(萨尔温江)等世界大河,哺育了众多的人口。近年来,对青藏高原河流水化学的研究日益受到重视,研究区域涵盖青藏高原外流河流域[4-9]与内流河流域[10],研究内容多为河流水化学特征、岩石化学风化、岩石化学风化速率对全球气候变化的响应等。NOH Hyonjeong等[11]分析了青藏高原东部长江、澜沧江(湄公河)以及怒江(萨尔温江)3条河流的岩石化学风化过程,指出3条河流的水化学特征各异,其中怒江干流河水中离子主要由碳酸盐岩风化贡献。陶正华等[12]在分析西南三江(金沙江、澜沧江和怒江)流域化学风化过程时指出,怒江总溶解固体(Total Dissolved Solids,TDS)的变化范围为194～209 mg/L,怒江干流水化学类型为Ca-HCO3型,怒江干流硫酸根离子主要来源于硫化物氧化。目前,关于青藏高原流域水化学的研究多集中在大流域尺度,获得大区域的平均信息,而且针对雅鲁藏布江、长江源区、黄河源区的研究较多,但有关怒江源区那曲河流域河流水化学特征及主离子来源的研究较少[13-16]。本研究通过测定那曲河流域河水的基本理化参数和主离子含量,应用多元统计方法分析了那曲河流域河流的水化学特征及主离子来源,辨识了那曲河水化学特征的空间差异性,以期为青藏高原河流水化学研究以及那曲河流域河流水质监测提供参考。

1 研究区概况

那曲河流域是怒江的正源,是怒江和藏东地区重要水源涵养区和生态屏障建设区,在区域性板块构造划分上隶属于班公错—怒江缝合带及冈底斯—念青唐古拉板片。流域地处唐古拉山脉和念青唐古拉山脉之间,介于东经91°12′～92°54′,北纬30°54′～32°43′,位置如图1所示。流域平均海拔在4 500 m以上,属于高原丘陵地形,高寒草甸是主要植被[17-18]。流域面积16 350 km2,河段长460 km,总落差约920 m,河道平均比降2‰。那曲河上游又称为拉日曲。那曲河主要支流包括母各曲、称曲、龚曲、罗曲,流域面积分别为2 103、1 090、1 232、1 479 km2。

图1 研究区采样点位置分布图

流域大部分区域属于高原亚寒带季风半湿润气候区,空气稀薄,大气干洁,气温低,日温差大,多年平均气温-0.6 ℃;降水主要受西南季风影响,多年平均降水量为477.8 mm,多年平均5—9月降水量占全年降水量的89.4%左右。那曲河流域出露地层主要有:二长花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩、中酸性火山岩、火山碎屑岩、变质砂岩、板岩、泥质砂岩、中粗砂岩互层、砂质砾岩等。此外,那曲河流域人口密度低,人口分布从上游往下游呈递增趋势,流域内自然经济以牧业为主体。

2 研究方法

2.1 水样采集与分析

2.2 多元统计分析

多元统计分析方法,如聚类分析、判别分析、主成分分析以及因子分析等方法,已经在地表水和地下水水质分析方面被广泛应用[23-28]。聚类分析是一种无监督分类方法,可从时间尺度与空间尺度对水质进行分析,根据观察值或者变量之间的相似程度进行聚类,直至聚成一类。因子分析可实现数据的降维,从而降低多变量问题的分析难度。本文应用聚类分析和因子分析来研究怒江源区那曲河水化学特征及河水中主离子来源。

3 结果分析

3.1 水化学特征的统计分析

那曲河流域河水水化学特征的统计结果见表1。由表1可知,那曲河流域河水pH值的变化范围为7.71～8.41,均值为8.03,表明那曲河流域河水整体呈弱碱性;pH值的变异系数最小,为2.80%,表明那曲河流域河水pH值在空间上的变化较小。

表1 那曲河流域河水水化学特征统计结果

那曲河流域河水TDS含量的空间变化如图2所示。由表1和图2可知：那曲河流域河水TDS含量的变化范围为120～512 mg/L；TDS含量最高的点(NQ1-1)位于那曲河干流上游,且自上游往下游TDS含量逐渐降低;TDS含量最低的点(GQ1-1)位于那曲河流域南部的龚曲干流上；那曲河流域河水TDS的均值为232.92 mg/L,与发源于青藏高原的雅鲁藏布江的(204.51 mg/L)[30]相近,比红河(172 mg/L)[31]、恒河(187 mg/L)[32]以及印度河(164 mg/L)[33]的高,比黄河上游(274 mg/L)[34]的低。

图2 那曲河流域河水TDS空间变化

那曲河流域河水DO浓度的变化范围为6.54～9.15 mg/L,均值为7.87 mg/L。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[35],就DO值而言,那曲河流域河水水质优于Ⅱ类。那曲河流域河水ORP的变化范围为42～229 mV,均值为154.69 mV。那曲河

流域河水浊度的变化范围为8.72～392 NTU,均值为147.98 NTU,变异系数较大,为87.07%。

利用阿列金分类法划分那曲河流域河水的水化学类型,结果见表2。由表2可知:①那曲河流域13个采样点的水化学类型可分为[C]CaⅠ型、[C]CaⅡ型、[S]CaⅡ型、[C]MgⅡ型4种。②NQ1-3、CQ1-1、CQ1-2、MGQ1-1采样点的水化学类型点为[C]CaⅠ型;NQ1-1、SQ1-1、BSQ1-1、MMQ1-1、ZQQ1-1、MGQ2-1、GQ2-1采样点的水化学类型为[C]CaⅡ型;GQ1-1采样点的水化学类型为[S]CaⅡ型;NQ1-2采样点的水化学类型为[C]MgⅡ型。③那曲河流域河水的水化学类型以重碳酸盐类为主,只有GQ1-1采样点的水化学类型为硫酸盐类。分析其原因为:由于龚曲干流附近的人类活动较少,其可能存在石膏等蒸发盐岩的溶解或硫化物的氧化风化[38]。

表2 基于阿列金分类法的那曲河水化学分类

图3 那曲河流域河水Gibbs图

3.2 水化学组分的聚类分析

图4 空间尺度聚类分析树形图

由图4可知,当类间距离为10时,水化学组分可分为A、B、C三大类,为进一步区分那曲河流域河流水化学特征间的差异,选择更小的类间距离将13个河水样品分为A1、A2、B、C4类。

图5展示了河水样品中A1、A2、B、C类水化学组分的最小值、最大值和平均值。

图5 基于聚类分析的那曲河水化学组分统计图

水化学组分对应的河水样品中TDS的变化范围为120.0～162.0 mg/L,均值最小,为133.2 mg/L;A2类水化学组分对应的河水样品中TDS的变化范围为169.0～303.0 mg/L,均值为246.8 mg/L;A1类水化学组分对应的河水样品中TDS的变化范围为294～322 mg/L,均值为308 mg/L;B类水化学组分对应的河水样品中TDS浓度最高,为512 mg/L。③样品NQ1-1独自为一类，表明那曲河干流上游的水化学特征与那曲河干流中下游以及其他支流的差异较大。

3.3 水化学组分的因子分析

表3 水化学组分相关系数矩阵

表4 各成分解释的总方差

表5 旋转因子载荷矩阵

表6为各个采样点河水样品的公因子得分,根据公因子得分的高低,可以推测出那曲河流域河水的主离子来源。称曲(CQ1-1、CQ1-2)、那曲干流中下游(NQ1-2、NQ1-3)、母各曲干流(MGQ1-1)河水离子组成主要受硅酸盐岩风化溶解控制;那曲干流上游(NQ1-1)、龚曲(GQ1-1、GQ2-1)、母各曲支流(MGQ2-1)、宗青曲(ZQQ1-1)河水离子组成主要受到蒸发盐岩溶解或者硫化物氧化风化控制;巴索曲(BSQ1-1)、桑曲(SQ1-1)、母姆曲(MMQ1-1)河水离子组成主要受碳酸盐岩风化溶解控制。

表6 公因子得分

3.4 讨论

阿列金分类法按优势离子成分进行水化学分类,虽然可以直观地看出河水中的优势离子,但是无法体现出同一种水化学分类之间的差异。将阿列金分类法与聚类分析相结合可以更加全面地分析怒江源区那曲河水化学特征,辨识出不同河流之间水化学特征的差异大小。

在聚类分析中,那曲干流上游(NQ1-1)独立分为一类,其为[C]CaⅡ型水,而且在所有采样点中,NQ1-1海拔最高,TDS含量最高,NQ1-1与其他采样点的较大差异,也反映出那曲干流上游与那曲支流、那曲干流中下游水化学特征差异较大。结合因子分析结果分析其原因,可能是蒸发盐岩溶解的贡献使那曲干流上游的TDS含量较高。

根据Gibbs图可以看出那曲河流域河流水化学特征控制机制以岩石风化为主。利用因子分析,结合3个公因子的得分高低,可以区分不同岩石风化端元对那曲河流域河流水化学组成的影响。但是由于缺乏大气降水的水化学数据,本文在利用因子分析区分岩石风化端元时,未扣除大气降水对河水中离子的输入,这也增大了那曲河流域河水主离子来源分析的不确定性。

4 结语

本文利用描述性统计、聚类分析、因子分析等多元统计分析方法研究了那曲河流域河流水化学特征及主离子来源,得出以下结论:

2)根据聚类分析,可以将那曲河流域河流分为A1、A2、B、C4类,按照TDS均值由大到小排序为B类、A1类、A2类、C类。那曲河干流上游与那曲河支流、那曲河干流中下游水化学特征差异较大。

3)那曲河流域河流水化学特征控制机制以岩石风化为主,根据因子分析,称曲、那曲河干流中下游、母各曲干流河水离子组成主要受硅酸盐岩风化溶解控制;那曲河干流上游、龚曲及其支流、母各曲支流、宗青曲河水离子组成主要受到蒸发盐岩溶解或硫化物氧化风化控制;巴索曲、桑曲、母姆曲河水离子组成主要受到碳酸盐岩风化溶解控制。