青藏高原西南地区地表水水化学同位素特征及控制因素分析

郭艺， 甘甫平， 闫柏琨， 王枫， 白娟

(1.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083； 2.生态环境部 环境规划院，北京 100012)

地表水是自然界水循环的重要组成部分，是连接大气圈和岩石圈的枢纽，在元素地球化学循环中起着重要作用，主要离子特征是地表水的一个重要特征，对流域气候及环境具有指示作用[1-4]。氢氧稳定同位素是地表水的另一个重要特征，对于揭示地表水的起源和水循环过程具有指示作用[5-6]。

青藏高原被称为亚洲水塔，湖泊、河流、冰川等分布广泛，是包括长江、黄河在内的多条河流的发源地[7]。同时，青藏高原也是全球气候变化的“放大器”和“驱动器”，对全球气候变化非常敏感[8]。随着全球气候变暖，青藏高原冰川面积减少，改变了其水文生态环境，进而影响了区域地表水水量及水质[1,9-15]。

研究青藏高原河流和湖泊的水化学和同位素特征对于认识青藏高原水循环过程以及水资源和环境保护具有重要的科学意义。因此，学者们开展了青藏高原河流和湖泊等水体的水化学特征研究，如高坛光等[16]利用主成分分析和相关分析得出纳木错流域河水的主要化学成分来源；王鹏等[17]分析了打加芒错湖的水化学组成特征及其演化过程。

本研究选取青藏高原西南部湖水、河水、冰川融水和地下水为研究对象，通过样品采集与测试，分析了该地区地表水水化学特征与类型，结合氢氧稳定同位素特征，探讨了主要离子来源及其控制因素，为高原水文地球化学研究及其保护提供依据。

1 研究区水样的采集、测试和数据分析方法

1.1 研究区概况

青藏高原位于26°00′N～39°47′N、73°18′E～104°47′E，是全球海拔最高的自然地理单元，有“世界屋脊”、“第三极”之称。青藏高原地区夏季受印度洋西南季风和大西洋水汽影响，冬季受到西风带和北冰洋水汽控制，年平均气温由东南地区的20 ℃向西北地区递减至-6 ℃以下，由于南部海洋暖湿气流受多重高山阻留，年降水量相应由2 000 mm递减至50 mm以下。

青藏高原河流众多，湖泊密布，长江、黄河、印度河、恒河上游均发源于青藏高原。青藏高原湖泊群是世界上海拔最高、范围最大、数量最多的高原湖泊群。青藏高原多年平均地表水资源量达5.463 4×1011m3，约占全国地表水资源总量的20.23%，地下水资源总量约为1.568 0×1011m3[18]。

青藏高原自元古代以来地层发育齐全，地层沉积类型多样，尤以中、新生代海相地层出露良好。火成岩及变质岩分布广泛，各种岩石类型均有出露，岩石类型复杂。

1.2 样品采集与测试

2020年8月，在青藏高原西南部的印度河流域、雅鲁藏布江流域和藏北高原地区(沿206省道和黑阿公路)进行了系统的野外考察和样品采集，共采集水样品47件，其中湖水样品29件、河水样品9件、冰川融水样品6件、地下水(含泉水)样品3件，采样点分布如图1所示。

图1 采样点位置图

1.3 数据分析方法

2 结果分析

2.1 各水体主要离子组成

水体的pH值是衡量水体水质的一项常用指标。青藏高原西南地区的地表水呈碱性，其中，湖水的pH值变化范围为8.30～9.95，平均值为8.98；河水的pH值变化范围为7.52～8.95，平均值为7.93；冰川融水的pH值变化范围为7.86～8.21，平均值为8.02。地下水的pH值变化范围为7.69～8.41，平均值为7.96。

青藏高原西南部地表水及地下水的主要离子组成特征值见表1。由表1知：湖水的TDS含量变化范围最大，为238.5～122 605.9 mg/L，变异系数高达191.96%；河水的TDS含量变异系数也较高，达45.97%，河水的TDS含量为34.0～274.7 mg/L；冰川融水的TDS含量为98.6～488.3 mg/L，变异系数为43.10%；地下水的TDS含量变化范围较小，变异系数为21.69%，地下水的TDS含量为113.2～186.3 mg/L。就平均值而言，地表水的TDS含量高于地下水的，湖水的TDS含量明显高于其他水体的，不同水体的TDS含量由大到小顺序为湖水、冰川融水、河水、地下水。

表1 青藏高原西南部地表水及地下水的主要离子组成特征值

续表

青藏高原西南地区不同水体主要离子特征如图2所示。由图2可知：

图2 青藏高原西南地区不同水体中主要离子的浓度特征

图3 青藏高原西南部河水中主要离子浓度特征

图3中离子浓度的世界平均值引自MEYBECK M(1987年)的成果[21]，黄河和长江上游水体中离子浓度数据引自刘佳驹等(2018年)的成果[22]。

2.2 各水体的水化学类型

为进一步确定水化学组成特征，利用Piper三线图和舒卡列夫分类确定不同水体的水化学类型，如图4所示。

图4 青藏高原西南地区地表水与地下水样品的Piper图

由图4知：湖水的主要化学类型为Mg-SO4、Mg-HCO3、Na-SO4、Na-HCO3和Na-Cl，河水的主要化学类型为Ca-HCO3、Na-HCO3和Mg-HCO3，冰川融水的主要化学类型为Ca-SO4、Ca-HCO3和Na-HCO3，地下水的化学类型为Ca-HCO3。

2.3 各水体的氢氧稳定同位素特征

水体的氢氧稳定同位素特征可以反映水体的来源。青藏高原西南地区地表水与地下水样品的δ2H-δ18O关系如图5所示。

图5 青藏高原西南地区地表水与地下水样品的δ2H-δ18O关系图

由图5可知：

1)湖水的δ2H和δ18O范围分别为-89.1‰～-45.7‰和-9.7‰～-3.7‰；河水的δ2H和δ18O范围分别为-131.8‰～-111.1‰和-19.2‰～-13.9‰；冰川融水的δ2H和δ18O范围分别为-149.1‰～-124.1‰和-21.1‰～-15.6‰；地下水的δ2H和δ18O范围分别为-165.1‰～-106.2‰和-22.0‰～-15.5‰。

2)河水、冰川融水和地下水的同位素组成均分布在全球大气降水线(GMWL:δ2H=81δ18O+10)[23]和当地大气降水线(LMWL:δ2H=8.41δ18O+16.72)[24]附近，而湖水样品中的同位素组成偏离全球大气降水线(GMWL)，位于全球大气降水线的右下方，说明湖水经历了强烈的蒸发浓缩作用。河水中的同位素组成位于地下水、冰川融水和降水数据中间(降水数据为TIAN L等1998—2001年的连续观测数值的加权平均值[25])，表明河水受到降水、地下水和冰川融水的补给。

青藏高原西南地区地表水与地下水样品的δ18O-TDS含量与d-excess-TDS含量关系如图6所示。

图6 青藏高原西南地区地表水与地下水样品δ18O-TDS含量与d-excess-TDS含量关系图

由图6可知：河水与地下水中δ18O与TDS含量呈正相关，而湖水和冰川融水中的δ18O与TDS含量无相关性。湖水的氚盈余(d-excess，d=δ2H-8δ18O)最小且变化范围最大，为-24.2‰～5.4‰；河水的氚盈余为-4.4‰～21.8‰，冰川融水的氚盈余为0.7‰～19.7‰，地下水的氚盈余最大，为8.2‰～17.8‰。d-excess与TDS含量的关系如图6所示。由图6可以看出：随着TDS含量的增加，河水、冰川融水和地下水中d-excess逐渐贫化，表明了蒸发作用降低了水体中的氚盈余，而湖水的d-excess与TDS含量无明显相关性，表明湖水中离子分布的空间差异较大。

3 讨论

3.1 主要离子来源与控制因素分析

3.1.1 Gibbs图特征

地表水的水化学组分受气候、地形、土壤、岩性、植被和人类活动共同影响，其中岩石类型对地表水的水化学特征起着决定性作用[26-27]。GIBBS R J总结了全球雨水、河水、湖泊等地表水体的化学组成，提出了控制地表水中元素成因的3个自然因素：降水、岩石风化、蒸发(结晶)[28]。

青藏高原西南地区的地表水和地下水的Gibbs图如图7所示。图7表现出以下特征：

(a) TDS含量-Na+/(Na++Ca2+) (b) TDS含量图7 青藏高原西南地区地表水水化学Gibbs图分布模式

4)地下水样品中的离子含量比值介于冰川融水和湖泊水样的之间。

上述Gibbs模型没有考虑积雪和冰川融水对径流的影响，然而在青藏高原，冰雪融水对地表水的补给较为普遍。

3.1.2 离子含量特征

(a) Cl-含量与(Na++K+)含量的关系 (b) 含量与(Na++K+)含量的关系

(c) 含量与含量的关系 (d) 含量与(Ca2++Mg2+)含量的关系

(e) 含量与(Ca2++Mg2+)含量的关系 (f) TDS含量与离子含量比(Ca2++Mg2+)/(Na++K+)的关系

(g) TDS含量与离子含量比的关系 (h) 与Mg2+/Na+的关系图8 青藏高原西南地区不同水体离子比例

由图8(a)可知：大多数样品中的Cl-与Na++K+含量的比值均在1∶1等值线以上，表明除蒸发岩溶解，硅酸盐岩矿物溶解也是水中Na+、K+的主要来源。

研究表明：碳酸盐岩风化产生的阳离子含量比Ca2+/Na+和Mg2+/Na+的值分别为50±20和20±8，硅酸盐岩风化产生的阳离子含量比Ca2+/Na+和Mg2+/Na+的值分别为0.35±0.15和0.24±0.12，蒸发岩风化产生的阳离子含量比Ca2+/Na+和Mg2+/Na+的值分别为0.17±0.09和0.02±0.01。

图8(h)表明，青藏高原西南地区的冰川融水样品的采样点主要位于碳酸盐岩控制端，河水和地下水样品的位于硅酸盐岩和碳酸盐岩控制端之间，表明该水样中离子主要受硅酸盐岩和碳酸盐岩风化溶解的共同控制，而蒸发岩溶解对其含量的影响较小。湖水样品中Ca2+/Na+的值小于上一段中的3个阈值。造成该现象的主要原因在于青藏高原的湖泊多为封闭型湖泊，湖水长期强烈的蒸发使得湖水中的Ca2+析出，从而造成Ca2+/Na+的值减小。

3.1.3 矿物饱和指数特征

饱和指数(SI)是指示矿物与水体之间所处状态的参数，反映了水体化学成分的变化趋势。青藏高原西南地区水样品中矿物指数如图9所示。

图9 青藏高原西南地区水样品的矿物饱和指数与TDS含量的关系

图9中显示：

2)河水、冰川融水和地下水样品中方解石和白云石的饱和指数随着TDS含量的增加由小于0变为大于0，表明部分水样品中方解石和白云石处于不饱和状态，更多的方解石和白云石将会溶解，而部分水样品中方解石和白云石处于饱和状态，溶解的方解石和白云石矿物将会沉淀。

3.2 湖水的水化学时间分布特征分析

早在1981年，于昇松等[30]分析了青藏高原盐湖的水化学特征，发现藏北高原的盐湖水类型主要为硫酸盐-碳酸盐型水，无氯化物型水，淡水湖和咸水湖的pH值比盐湖的高。硫酸盐型水和氯化物型水的pH值随TDS含量的增加而减小，而碳酸盐型水的pH值随TDS含量的增加保持不变。此外，郑绵平等[31]通过研究发现，青藏高原湖水的pH值与TDS含量呈负相关。本研究发现青藏高原西南地区湖水样品的TDS含量与pH值呈正相关的关系，如图10所示。

图10 青藏高原西南部各水体中TDS含量与pH值的关系

羊卓雍错1979年、1984年、2010年和2020年的TDS含量分别为1 781、1 943、1 278和1 674 mg/L(这些数据来自张雪芹等的研究成果[1,32])，通过对比，目前羊卓雍错中TDS含量较上世纪的降低。造成这种现象的原因可能是气温升高导致冰川消融，冰川融水稀释了湖水中离子的质量浓度。而2005年、

类延斌等[35]研究发现，2009年夏季，藏北高原的湖泊多为咸水湖和盐湖，湖水的pH值较高，羊卓雍错的盐度略高于1.00 g/L，洞错的盐度为41.20 g/L。本研究中，羊卓雍错中的溶解性总固体(TDS)含量为1.67 g/L，高于文献[1]和[32]的研究结果，而洞错中的TDS含量为41.22 g/L，与文献[1]和[32]的结果基本一致。

3.3 水化学同位素参数空间分布特征分析

研究表明，受气候、水文和地质条件的控制，由藏东南向藏西北，湖水矿化度逐渐增高[36]。笔者研究发现，青藏高原西南地区由南向北，湖水的δ18O和TDS含量未呈现显著的空间分布特征，由东向西，湖水的δ18O呈逐渐富集的趋势，而TDS含量未呈现明显的空间分布特征。此外，湖水样品中的δ18O与TDS含量未呈现高程效应，如图11所示。

(a)水样品中δ18O与海拔的关系 (b) 水样品中TDS含量与海拔的关系

(c) 水样品中δ18O与纬度的关系 (d) 水样品中TDS含量与纬度的关系

(e) 水样品中δ18O与经度的关系 (f) 水样品中TDS含量与经度的关系图11 青藏高原西南部地表水及地下水样品δ18O与TDS含量空间分布图

由图11可以看出：1)与湖水样品不同，青藏高原西南地区的河水样品中的δ18O呈现明显的纬度特征，由南向北，河水样品中的δ18O逐渐富集，呈现东西方向和高程方面的空间分布特征。此外，河水样品中的TDS含量未呈现任何方向的空间分布特征。

2)尽管冰川融水和地下水样品中的TDS含量较少，但两种水样中的δ18O和TDS含量均呈现出高程效应。此外，地下水样品中的δ18O和TDS含量还呈现出显著的纬度分布特征和经度分布特征，由南向北和由东向西方向，地下水中的δ18O逐渐富集，TDS含量逐渐增加。冰川融水样品中的δ18O呈现出和地下水中相似的纬度分布和经度分布特征，而其中TDS含量未呈现任何空间分布特征。

3.4 湖泊水量与水质的关系分析

湖泊面积与TDS含量和δ18O的关系如图12所示。

(a) 湖泊水面面积与TDS含量的关系 (b) 湖泊水面面积与δ18O的关系图12 青藏高原西南地区湖泊水面面积与δ18O和TDS含量的关系

由图12可以看出湖泊分两种水源演化过程:第一种是面积较大的湖泊，具有相对稳定的补给水源，因此其水化学同位素特征较为稳定；第二种为面积相对较小的湖泊，其水化学同位素特征变化较大，这一方面反映了这些面积较小湖泊具有多元的补给水来源，另一方面也反映了青藏高原小型湖泊对气候变化响应敏感。

4 结语

2)湖水的δ2H和δ18O最为富集，分别为-89.1‰～-45.7‰和-9.7‰～-3.7‰；地下水的δ2H和δ18O最为贫化，分别为-165.1‰～-106.2‰和-22‰～-15.5‰；河水的δ2H和δ18O分别为-131.8‰～-111.1‰和-19.2‰～-13.9‰；冰川融水的δ2H和δ18O分别为-149.1‰～-124.1‰和-21.1‰～-15.6‰。

3)碳酸盐和硅酸盐风化对控制青藏高原西南地区河水水化学特征具有主导作用，而蒸发结晶对控制湖水水化学特征具有主导作用。