拉萨河流域中下游地区水化学及地表水-地下水转化关系研究

刘久潭，李颖智，高宗军，王 敏，刘曼茜，王 姝，王贞岩

（1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛266590；2.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定071051）

水是重要的自然资源，是维持生态环境的重要因素［1］。天然水体中的化学组分受地质和水文地质条件、气候、地形地貌以及人类活动等多种因素共同影响，其化学成分在一定程度上记录了水的形成和运移历史［2］。不同水体之间具有密切联系，是流域水循环的重要环节［3］。氢氧同位素化学性质稳定，在地表水-地下水转换关系的研究中应用十分广泛［3］。许多学者通过对水化学和同位素特征的分析，在黑河流域［4］、小昌马河流域［5］、昭苏-特克斯盆地［6］、海河流域源区［7］等地区的水化学及地表水-地下水转化关系的研究上取得了较好的效果。因此，了解区域水化学及稳定同位素特征，不仅可以揭示水化学组成及同位素特征，也可对流域内水化学演化研究、地表水-地下水转化关系，水资源合理开发利用具有十分重要的意义［3］。

拉萨河流域地处世界上最清洁的地区之一——青藏高原，中下游地区是西藏自治区人口密集地区，具有丰富的水资源，但开发利用程度相对较低，并且关于水化学及地表水-地下水转化关系的研究十分有限。张惠芳等［8］分析了1995—2014年拉萨河流域水环境变化及其驱动力，发现水环境质量稍有下降，且农牧非点源污染是拉萨河流域的主要污染源。张清华等［9］对拉萨河流域河水主要离子化学特征及来源进行了相关研究。龚晨［10］对拉萨河流域水化学时空变化及影响因素进行研究。张凤熔［11］分析了拉萨河流域水化学特征并对水体重金属源进行了解析。随着拉萨地区社会经济的飞速发展，区内水资源的开发利用程度逐渐增加。因此，本研究利用拉萨河流域中下游地区水化学及稳定同位素资料，对水化学特征和地表水地下水转化关系进行研究，阐明水化学组成特征，揭示地表水-地下水的转化关系，以期为拉萨河流域中下游地区的水环境保护和水资源的合理开发利用提供一定科学依据。

1 研究区概况

研究区地处西藏自治区南部（图1），拉萨河是雅江流域面积最大的一条支流，平均海拔高度在3 600 m以上。拉萨河发源于念青唐古拉山脉南麓，流经林周、墨竹工卡、达孜以及拉萨等地，于下游的曲水汇入雅江。从河源至桑曲汇入口为上游段，自桑曲汇入口到直孔为中游段（图1），自直孔以下为下游段。研究区地势受地质构造及河流侵蚀切割影响，南北高，中部低。拉萨河谷由东北向西南，平均海拔3 700～3 800 m；南北为起伏较大的山地，崇山峻岭，深山峡谷，地形坡度大，基岩裸露。

研究区属高原温带半干旱季风气候，日照时间长，空气稀薄，昼夜温差大，旱雨两季分明。降雨主要分布在6—8月，多为阵雨。地表水资源丰富，河流密布，常年性河流主要有拉萨河、堆龙曲、澎波曲等，其余多为季节性溪流。拉萨河主要接受大气降水补给、地下水的侧向补给以及冰雪融水补给。研究区地下水类型主要有松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩裂隙溶洞水、基岩裂隙水四大类。松散岩类孔隙水分布于主要河流的一级阶地与高漫滩及支沟冲洪积扇等地带。碳酸盐岩裂隙溶洞水主要分布在堆龙德庆、拉萨市夺底沟北部及墨竹工卡、林周部分地带，富水性较好。碎屑岩类裂隙孔隙水赋存于堆龙德庆北部地区，富水性较弱；基岩裂隙水赋存于拉萨河、堆龙曲河谷两侧、墨竹工卡东部、林周县大部分地区，富水性弱。

2 材料与方法

2.1 数据来源

图1 研究区及取样点位置图Fig.1 Location of the study area and sampling sites

本次研究数据资料来自中国地质调查局水文地质环境地质调查中心西藏项目组，共选取水样数据53个（图1），其中地下水26个，地表水18个，泉水9个。取样时间为2014年7月，取样时采用清洁、干燥的聚乙烯塑料瓶，取样前先用待取水样清洗取样瓶2～3次，取样后用封口膜进行封口，防止外漏。所取样品均进行冷藏贮存，并尽快送至实验室进行测试。

在取样现场，采用便携式仪器（哈希，HQ40d）对p H 值及电导率（electrical conductivity，EC）进行测定；主要阳离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）采用火焰原子吸收光谱仪测定，总硬度（total hardness，TH）和HCO-3采用滴定法测定，Cl-、和采用离子色谱仪测试，溶解性总固体（total dissolved solids，TDS）采用烘干法测定。氢氧同位素采用液态水同位素分析仪（L2130-i）进行测定，测定结果用标准平均海水同位素（Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW）进行校正。

2.2 分析方法

利用水化学数据，结合研究区水文地质条件，综合运用数理统计、Piper三线图、Gibbs图以及离子比值端元图等方法分析水化学特征和控制因素，并利用水化学资料和稳定同位素分析了地表水和地下水的转化关系。其中，Piper三线图由AqQA 软件绘制，采用SPSS 21.0和Excel软件进行数据分析，并绘制Gibbs图，另外利用Photoshop和MapGIS 6.7软件进行其他图件的绘制。

3 结果与讨论

3.1 水化学组成

3.1.1 地表水水化学统计特征

地表水样共18个，主要水化学参数统计如表1所示。拉萨河流域中下游地区地表水阳离子以Ca2+和Mg2+为主，呈Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+的关系；阴离子以和为主，存在＞的关系。TDS含量较低，为121.17～334.93 mg·L-1，平均值为192.61 mg·L-1，属低矿化度型水。p H 值为4.33～9.88，平均值为7.81，呈弱碱性。TH 值介于74.47～251.90 mg·L-1，平均值为125.60 mg·L-1，按照水的硬度分类，属软水。EC为81.50～458.00μs·cm-1，均值为209.58μs·cm-1。含量为0.10～2.30 mg·L-1，平均值为0.45 mg·L-1。变异系数（coefficient of variation，CV）较大，其中，CV=SD/Mean，SD为标准差（standard deviation），表明在地表水中含量不稳定，与人类活动有关，但其含量很低，说明受人类影响很小。

表1 研究区地表水和地下水水化学统计Tab.1 Statistics of chemical compositions of surface water and groundwater samples

3.1.2 地下水和泉水水化学统计特征

地下水水样26个，泉水9个，水化学组成统计见表1。研究区地下水和泉水阴阳离子均以HCO-3、、Ca2+和Mg2+为主，且阴阳离子浓度关系为Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+和。地下水和泉水的EC均值分别为289.75和198.99μs·cm-1。地下水中TDS含量较泉水大，介于155.48～803.63 mg·L-1，均值为315.89 mg·L-1。泉水TDS含量为122.02～346.77 mg·L-1，均值为177.67 mg·L-1。地下水和泉水的p H 均值分别为7.66和7.59，属弱碱性水。按照水硬度分类地下水和泉水为中硬水和软水。地下水和泉水NO-3含量分别为0.1～19.50 mg·L-1和0.1～4.30 mg·L-1，变异系数均较大，但其平均含量较低，说明研究区地下水和泉水受人类活动影响很小。

3.2 水化学类型

Piper三线图在分析水体水化学类型及各离子组分含量的比例关系中应用十分广泛［12-13］。由图2可以看出，拉萨河流域中下游地区地表水、地下水以及泉水均沿轴分布，且水体中Cl-含量较低，阴离子以和为主；阳离子则沿Ca2+和Mg2+分布，表明研究区水体中阳离子以Ca2+和Mg2+为主。

地表水水化学类型以SO4·HCO3-Ca·Mg和HCO3·SO4-Ca·Mg型为主，地下水以HCO3·SO4-Ca·Mg和HCO3-Ca为主，泉水则主要为SO4·HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和SO4·HCO3-Mg·Ca型；并且由Piper三线图（图2）可以明显地看出，水样点可分为三个区域：地表水区域、地下水区域以及地表水、地下水和泉水的混合区域，这表明研究区地表水和地下水水力联系密切，存在明显的转化关系。此外，沿轴分布依次为地下水、混合区和地表水，也能说明研究区地表水受到了地下水的补给。

图2 地表水和地下水Piper三线图Fig.2 Piper diagram of surface water and groundwater

3.3 水化学控制因素

自然界中，各种水体一直与其周围环境发生各种水文地球化学作用。Gibbs图［14］常用来判别水体中各种离子的控制因素（岩石风化、大气降水和蒸发-结晶作用）［2］。Gibbs图（图3）的纵坐标为TDS的对数坐标，横坐标为阴、阳离子的比值，即Na+/（Na++Ca2+）和Cl-/（Cl-+）。右下角Na+/（Na++Ca2+）或的比值接近于1，且TDS值较低，此区域表示水体的主要控制因素是大气降水；中间部分Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+）比值低于0.5或者接近0.5，表明水体水化学组分主要受岩石分化作用控制；而右上角，Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+）比值较高接近于1，且TDS含量很高，此区域表示水体水化学组分主要受到蒸发-结晶作用控制。由图3可以看出，拉萨河流域中下游地区不同水体的水样点均落在Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+）比值小于0.5的区域，处在岩石风化作用控制区域，说明水体水化学组分主要受岩石风化作用的控制。

离子比值端元图［15］（Ca2+/Na+、Mg2+/Na+和/Na+）可以更进一步地判断控制水体水化学组成的岩石风化源类型［16］。由端元图（图4）可知，硅酸盐岩端元：Ca2+/Na+=0.35±0.15，Mg2+/Na+=0.24±0.12，/Na+=2±1；碳酸盐岩端元：Ca2+/Na+=50，Mg2+/Na+=10，/Na+=120［16］。根据水化学数据绘制研究区不同水体离子比值端元图如图4所示。总的来看，水体水化学组成主要分布于硅酸盐岩与碳酸盐岩之间，且偏向碳酸盐岩，这表明，拉萨河流域中下游地区水化学特征主要受硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化溶解控制，且碳酸盐岩的影响更大。同时，还可以明显看出，端元图中的水样点可以明显分成三个区域：地表水区域、地下水区域以及地表水、地下水和泉水的混合区域，且地表水靠近碳酸盐岩作用区，而地下水则靠近硅酸盐岩风化作用区，混合区域位于地表水和地下水区域之间；这说明地表水主要受碳酸盐岩溶解风化作用影响，而地下水则以硅酸盐岩风化溶解为主，并且地表水和地下水之间具有明显的水力联系，两者转化频繁。

图3 水化学Gibbs图Fig.3 Gibbs plots of the study area

图4 离子比值端元图Fig.4 The end-member diagram of ionic ratios

3.4 氢氧同位素组成特征

拉萨河流域中下游地区稳定同位素统计结果见表2。由表2可知，地表水同位素δD和δ18O 值分别为-17.50‰～-20.14‰和-130.78‰～-148.88‰，平均值分别为-18.65‰和-139.84‰；地下水同位素δD和δ18O值分别为-16.86‰～19.60‰和-126.27‰～147.74‰，均值分别为-18.11‰和-137.44‰；泉水的同位素δD 和δ18O 分别为-16.28‰～-18.43‰和-128.59‰～-140.47‰，平均值分别为-17.54‰和-136.41‰。地表水和地下水同位素组成比较相近，说明两者存在转化关系。

表2 稳定同位素结果统计表Tab.2 Statistical table of stable isotopes

Craig［17］于1961年通过计算全球大气降水中δD和δ18O的关系，得到了全球大气降水线（global meteoric water line，GWML）方程：δD=8δ18O+10。不同区域的水汽来源、蒸发条件以及气候变化各不相同，使得区域大气降水线（local meteoric water line，LWML）存在一定的差异［18］。本次研究的LWML为田立德等［19］2001年研究得到拉萨地区大气降水线：δD=7.90δ18O+6.29。通过对比不同水体的δD 和δ18O 组成与大气降水线的关系，可以识别研究区地表水、地下水和泉水的来源并可用来分析其相互转化关系［20］。拉萨河流域中下游地区地表水、地下水和泉水的δD和δ18O的关系如图5所示。

结合表2和图5，可以看出：①地表水、地下水和泉水靠近大气降水线分布，表明地表水、地下水和泉水的补给来源为大气降水，并且在补给前受到了不同程度的蒸发作用影响［21］；②地表水、地下水和泉水的蒸发线方程（表1）偏离大气降水线，斜率存在地下水＞泉水＞地表水的关系；就截距而言，则有地表水＞泉水＞地下水的关系，且地下水和泉水相差很小；③氢氧稳定同位素组成可以明显地分为地表水、地下水以及地表水、地下水和泉水的混合区三个区域，这说明地下水和地表水之间存在明显的转化关系；④地表水主要分布于大气降水线以上，而地下水则主要在大气降水线以下，相比而言，地下水更加偏离大气降水线，这说明地下水经历了更强烈的蒸发。

图5 地表水和地下水δD-δ18 O关系图Fig.5 Relation betweenδD andδ18 O of surface water and groundwater

3.5 地表水与地下水转化关系

基于对地表水和地下水的水化学及稳定同位素组成分析，发现拉萨河流域中下游地区地表水和地下水的水化学及氢氧稳定同位素呈明显的差异性，表明地表水和地下水之间存在转化关系。受数据资料的限制，本次以研究区水文地质条件为基础，结合取样点位置分布、水化学和稳定同位素数据，对干流拉萨河以及主要支流堆龙曲和彭波曲的地表水-地下水转化关系仅进行定性分析。

3.5.1 TDS和同位素变化特征

主要支流（堆龙曲、彭波曲）：堆龙曲上游在支沟地带（L41、L42、L43）以及中游地带（L47、L48、L51）有地下水溢出成泉，径流补给堆龙曲，说明堆龙曲河水受地下水补给；同样，彭波曲上游也见地下水溢出成泉（L32）向彭波曲补给，沿彭波曲（L31→L40）δ18O 呈富集趋势（-18.71‰→-18.51‰），说明彭波曲河水可能受到了δ18O较富集的地下水（L35→L38，-17.46‰→-17.64‰）补给。

干流：研究区中游段，地下水的TDS减小，且δ18O 呈贫化趋势；而地表水则出现TDS增大、δ18O 富集的趋势（图6），表明地下水受到了低TDS和δ18O较贫化的地表水的补给，反之，则地表水受到了高TDS和δ18O较富集的地下水的补给，即在中游地区存在地表水和地下水的相互补给关系。此外，上游河水受到冰川融水的补给，所以中游的地表水的δ18O值还受到上游冰川融化形成的低δ18O 值融水的补给影响。下游地段，地下水TDS表现出升高的趋势，而地表水则表现出先升高后降低的趋势。L14点之前，河水TDS升高，说明地表水受到了地下水的补给，而L14点之后，地表水TDS值降低，这主要是由于支流汇入的影响所致，比如堆龙曲L45点TDS值164.05 mg/L，明显低于干流的TDS。而地下水TDS下降则可能是由于低TDS的地表水补给。另外，δ18O沿程表现出轻微的富集趋势，说明地表水受到了δ18O 较为富集的地下水补给。

图6 拉萨河干流地表水和地下水TDS及δ18 O沿程变化Fig.6 Change of TDSandδ18 O of surface water and groundwater along Lhasa river

3.5.2 电导率变化特征

电导率在一定程度上反映了水体径流路径的长度和在水循环中的滞留时间，因此，在一定程度上可以描述区域水体的补给、径流、排泄方式［22］。

研究区中游地段地下水电导率呈下降趋势，而地表水则呈先下降后上升趋势（图7），说明地下水和地表水存在相互转化关系。而下游地段，地下水沿径流路径电导率整体呈上升趋势，地表水则呈先上升后下降的变化趋势（图7），在L11点地表水电导率下降至接近地下水电导率值，说明地表水受到了地下水补给。L14点后地表水电导率下降，可能受到低电导率地下水的补给，另外，地下水电导率上升则可能是受地表水补给所致。另外，支流的汇入也是地表水电导率下降的一个原因。

总的来看，堆龙曲和彭波曲两条主要支流地表水受地下水的补给，而拉萨河干流中下游地段存在地下水地表水的互补关系。研究区是典型的高山河谷区，地下水与地表水的关系受地形地貌、高程、季节等多个因素影响。拉萨河与地下水存在地段性互补关系，但总体来看，拉萨河是区域地下水的主要排泄通道，其补径排示意图如图8所示。

图7 拉萨河干流地表水和地下水EC沿程变化Fig.7 Change of EC of surface water and groundwater along Lhasa river

图8 拉萨河地下水补径条件排示意图Fig.8 Sketch map of groundwater recharge，runoff and discharge in Lhasa river

4 结论与建议

1）拉萨河流域中下游地区地表水和地下水中主要离子含量相对较低，受人类活动影响较小。不同水体矿化度均较低，整体呈弱碱性，且水化学类型均以HCO3·SO4（SO4·HCO3）-Ca·Mg（Mg·Ca）型为主。

2）不同水体的水化学组成主要受岩石风化作用控制，且以碳酸盐岩和硅酸盐岩的溶解风化为主。Piper图和端元图均将水样点分为地表水、地下水以及混合区三个区域，表明地表水和地下水存在明显的转化关系。

3）不同水体δD和δ18O同位素均靠近大气降水线分布，表明补给来源均为大气降水；且不同水体经历了不同程度的蒸发作用。此外，氢氧稳定同位素组成明显地分为地表水、地下水以及混合区三个区域。

4）堆龙曲和彭波曲两条支流地表水主要受地下水补给，拉萨河干流中、下游地表水和地下水存在地段性互补关系。整体上来看，拉萨河是区域地下水的主要排泄通道。

受资料限制，本次仅定性分析拉萨河与主要支流的地表水与地下水转化关系，没有对地表水地下水的转化比例关系进行分析，且没有对季节变化特征和影响地表水地下水转化的因素等进行研究，希望后续研究可以进一步完善，为拉萨河流域水资源的合理开发和科学利用提供依据。