青藏高原羌塘盆地及周边地区水化学特征与控制因素研究

0 引言

水是重要的自然资源,是保障居民生活和经济发展的重要基础[1,2]。在水循环过程中,水体与周围环境不断地进行物质交换,发生复杂的水文地球化学反应[3]。水体的化学成分含量受多种因素影响,如气候、水文地质条件、地形地貌以及人类活动等[4]。水化学特征及其控制因素分析是水资源管理与评价的重要组成部分,阐明水化学组成及其形成机制可为水资源的合理和利用提供参考。近年来,随着社会经济快速发展,城镇化进程加快,人为因素对水环境的影响愈发强烈[5,6]。因此,开展水化学相关研究是十分有必要和有意义的。

青藏高原是世界上最清洁的地区之一,对人类活动与气候变化较敏感,长久以来一直是国内外学者关注的焦点[7]。有关青藏高原地区水化学相关研究较多,比如田原等[8]对青藏高原不同边界地区天然水的水化学特征和成因进行了分析,结果表明受地理环境、地质条件影响,不同边界地区的水化学特征和成因均存在差异。闫露霞等[9]基于33个水样数据,对青藏高原湖泊的水化学组成进行了分析,并与先前数据进行了对比,对水质变化及现状进行了评估。此外,部分学者对青藏高原主要流域的地下水或地表水的水化学进行了相关分析,如雅鲁藏布江流域[7]、拉萨河流域[10,11]、年楚河流域[12]和尼洋河流域[4]等。然而,有关青藏高原羌塘盆地及其周边地区的地表水和地下水水化学特征及其成因的相关研究相对较少。因此,本研究基于羌塘盆地及其周边地区的30组地下水和地表水水质数据,对水化学特征及其控制因素进行了分析,研究结果可为区域水资源的合理利用和保护提供一定的科学参考。

1 研究区概况

青藏高原地处我国西南,平均海拔超过4 000 m,是我国海拔最高、面积最大的高原,地理坐标:26°00′12″N—39°46′50″N,73°18′52″E—104°46′59″E[8,9]。青藏高原南部和北部分布着喜马拉雅山脉和昆仑山脉,地貌类型分布高山峡谷、宽谷湖盆、河流谷地、高山沟谷和土林为主[8]。青藏高原地区中、新生代海相地层出露良好,火成岩、变质岩广泛分布,不同岩石类型均有出露且种类复杂[8]。青藏高原水系发育,河流众多,主要受地质构造、地形地貌和气候等控制。气候在时间和空间上具有规律性变化的特点,在空间上,藏北与藏西地区气温低、干旱少雨,而藏东南气温高、炎热潮湿;时间上,冬季长夏季短,冬季多风、干燥少雨,夏秋暖湿、多夜雨。

青藏高原羌塘盆地及其周边区域内前第四地层从古生界到新生界地层均有出露,时代跨越大,主要包括石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系。新生界地层岩性以砂砾岩和玄武岩等为主,中生界以砂砾岩、安山岩、灰岩和砂岩等为主,古生界以灰岩、砂岩、板岩等为主。按照含水层介质和水力性质,区域内的地下水可划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水和基岩裂隙水3大类。

2 材料与方法

2.1 样品采集

本次研究共选取青藏高原羌塘盆地及其周边地区地下水和地表水水样30个,水样取样点位置,如图1所示。取样时间为2015年9月16至2015年9月26日。其中,地下水水样23个,主要取自机井和民井;地表水水样7个,主要取自河流。取样时采用清洁、干燥的塑料瓶,并在取样前先用待取水样对塑料瓶进行清洗2~3次。取样结束后用封口膜进行封口,防止水样泄露,然后放至冷藏运输箱保存,并于一周之内送至实验室进行水质测试分析。

2.2 测试分析

本次所取水样在中国地质调查局水文地质环境地质调查中心水化学实验室进行测试分析。其中,pH利用便携式水质分析仪(哈希,H40d)在取样现场直接获得,溶解性总固体(TDS)由烘干法测定,主要阳离子包括K+、Na+、Ca2+和Mg2+由火焰原子吸收光谱仪(contrAA300,德国耶拿)测定,总硬度(TH)和HCO-3的含量采用滴定法确定,SO24-和Cl-采用离子色谱仪(883,瑞士万通)测定,偏硅酸利用硅钼蓝比色法(TU-1901,北京普析通用)进行测定。

2.3 分析方法

本次研究主要采用了统计分析和水化学分析的方法,其中统计分析由SPSS软件完成。水化学分析主要包括Piper三线图、Gibbs图、离子比值分析和饱和指数(SI),其中Piper图由AqQA软件绘制,Gibbs图和离子比值分析利用Excel软件绘制,SI由PHREEQC软件计算获得,此外利用MapGIS和PS绘制了其他图件。

3 结果与讨论

3.1 水化学基本特征

对青藏高原羌塘盆地及其周边地区地表水和地下水的水化学组分进行统计分析,结果如表1所示。地表水中pH值介于8.29~9.4之间,均值为8.86,地下水pH值介于7.25~8.77之间,均值为7.85,表明研究区地表水和地下水整体上均呈弱碱性,且地表水pH高于地下水。地表水和地下水的TDS含量分别处270.46~663.25 mg/L和212.92~826.1 mg/L的范围内,均值为分别437.75 mg/L和422.06 mg/L。就均值而言,地表水中阳离子占优势地位的为Ca2+,存在Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+的关系,HCO-3为主要阴离子,有着HCO-3＞SO24-＞Cl-＞NO-3的关系;地下水中阳离子顺序为Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+,阴离子与地表水相同,存在HCO-3＞SO24-＞Cl-＞NO-3的关系。

表1 水化学组分统计结果Table 1 Statistical results of hydrochemical components

与地表水相比,地下水中具有较高的Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-、NO-3、偏 硅 酸 和TH浓 度,而pH、Na+、SO24-和TDS则低于地表水,如图2所示。变异系数(CV)可以反映水化学组分的空间变异性,地表水中Na+和NO-3以及地下水中的Na+和Cl-的变异系数较大,均超过了100(表1),说明这些离子在水体中的分布不稳定,具有较强的空间变异性。

3.2 水化学类型

Piper三线图是一种简便有效的水化学分类工具,也可以分析水化学含量及其演化特征,具有不受人为因素影响的优点,在水化学分析方面应用十分广泛[4,13]。如图3所示,Piper图由1个菱形和2个三角形组成,其中左下角为阳离子,右下角为阴离子,投影到菱形后即可得出水样的水化学类型。研究区水样点主要分布在区域5中,即主要水化学类型为HCO3-Ca型(图3)。另外,有3个地下水水样和1个地表水水样落在区域6中,即这些水样水化学类型属于Cl-Ca型;有4个地下水样2个地表水样落在区域9,即混合型。

3.3 水化学控制因素分析

3.3.1 自然因素

(1)Gibbs图解模型

通常,岩石风化、蒸发作用和大气降水是控制水化学特征的三大主要因素[14]。Gibbs图为半对数坐标图,其中纵坐标为TDS的对数坐标,而横坐标为Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/(Cl-+HCO-3)的质量浓度比值。在Gibbs图中,中部靠左的区域为岩石风化控制区,而右上部和右下部分别代表了蒸发作用和大气降水作用(图4)。将研究区地下水和地表水水样投到Gibbs图中,如图4所示。水样点主要落在Gibbs中间靠左的区域,表明青藏高原羌塘盆地及其周边地区地下水和地表水的水化学特征主要受岩石风化作用影响。

(2)端元图

端元图(图5)的横纵坐标分别为Ca2+/Na+、Mg2+/Na+和HCO-3/Na+比值,可划分为碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发盐岩3个端元,其中碳酸盐岩端元和硅酸盐岩端元所对应的比值分别为0.35±0.15、0.24±0.12、2±1和50、10、120[15,16]。基于端元图,可进一步分析确定与研究区地下水和地表水水化学控制因素有关的岩石风化源类型[15]。将研究区地下水和地表水水样投到端元图,如图5所示。可以看出,水样点主要分布在碳酸盐岩端元和硅酸盐岩端元之间,表明青藏高原羌塘盆地及其周边地区的地下水和地表水的水化学组成特征主要受到了硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化影响,这与区域内地层岩性的特点相一致。

(3)离子比值分析

离子比值可用来进一步分析影响水化学特征的矿物溶解过程[17,18]。理论上,若盐岩溶解是一个地区的水化学组成的主要因素,则Na+/Cl-应接近于1,因为盐岩的溶解会释放等量的Na+和Cl-[13]。青藏高原羌塘盆地及其周边地区的地表水和地下水Na+与Cl-的二元散点图,如图6a所示。可以看出,水样点主要分布于1∶1线的上方,也就是说盐岩溶解并不是控制研究区水化学特征的主要因素。另外,Na+的含量高于Cl-说明水体中的Na+有其他的来源,可能为硅酸盐岩矿物的溶解或是阳离子交换作用[13,19]。同样的,若石膏的溶解是水体中Ca2+和SO2-4的唯一来源,则Ca2+/SO2-4的值应该等于1[19]。如图6b所示,研究区地下水和地表水水样点主要分布在1∶1线的两侧,且部分水样点靠近1∶1线分布,这表明石膏的溶解对研究区水化学特征有一定影响。

Ca2++Mg2+与HCO-3+SO2-4的关系可用来分析硅酸盐岩、碳酸盐岩矿物和石膏溶解对一个地区水化学特征的影响[4]。在二元散点图(图6c)中,若水样点集中在1∶1线上方,说明硅酸盐岩风化是主要的水文地球化学过程;若水样点分布在1∶1线下方,则表明碳酸盐岩矿物溶解是主要的反应;如果水样点沿1∶1线分布,则说明方解石、白云石和石膏的溶解是水化学成分的主要影响因素。如图所示,青藏高原羌塘盆地及其周边地区地下水和地表水水样点主要靠近1∶1线分布,部分水样点位于1∶1线上方,这说明研究区水化学特征主要受硅酸盐岩、碳酸盐岩矿物和石膏溶解的控制。Ca2+与Mg2+的比值关系可以反映Ca2+与Mg2+的来源[20]。若Ca2+/Mg2+=1,说明主要来源白云石的溶解;如果Ca2+/Mg2+比值介于1~2之间,则说明有更多的方解石溶解。如图6d所示,研究区地下水和地表水水样主要分布在Ca2+/Mg2+=1线附近和1＜Ca2+/Mg2+＜2之间,说明研究区水体中的Ca2+与Mg2+主要来源于方解石和白云石的溶解。此外,Ca2+与HCO-3的关系常用来分析是否存在方解石和白云石溶解[21]。若一个地区水体中Ca2+/HCO-3的值为1,说明水化学受方解石影响较大;若Ca2+/HCO-3的值为2,则表明为白云石的溶解。如图6e所示,研究区地下水和地表水水样主要分布在1∶1线和1∶2线之间,这表明研究区水体的水化学特征同时受到了白云石和方解石矿物溶解的影响。

(4)饱和指数

饱和指数(SI)是表示矿物和水的平衡状态,是离子活度积(IAP)与溶度积常数(Ksp)比值以10为低的对数[22]。若SI为0,表明处溶解平衡;SI小于0,处不饱和状态;SI大于0,处过饱和状态。基于PHREEQC软件计算青藏高原羌塘盆地及其周边地区地下水和地表水中不同矿物的SI值,计算结果显示:方解石的SI介于-1.12~0.15之间,均值为-0.52;白云石的SI在-1.97~0.32的范围内,平均值为-0.94;石膏和岩盐的SI分别介质-2.08~-1.21和-1.28~-7.06之间,均值分别为-1.78和-8.6。如图6f所示,研究区大部分地下水和地表水水样的不同矿物的SI小于0,表明这些矿物处不饱和状态,具有继续溶解的趋势。

(5)阳离子交换

Ca2++Mg2+-HCO-3-SO24-与Na++K+-Cl-之间的关系常用来识别阳离子交换过程[19,21]。如果Ca2++Mg2+-HCO-3-SO24-与Na++K+-Cl-的比值接近-1,则说明阳离子交换作用是影响水化学组成的一个重要水文地球化学过程[19]。如图7所示,可以看出研究区水样点拟合线方程为y=-0.98x+0.27,R2=0.96,其中斜率为-0.98,非常接近与-1,这说明阳离子交换作用是影响青藏高原羌塘盆地及其周边地区地表水和地下水水化学组成特征的一个重要因素。

3.3.2 人为输入

当前,硝酸盐已经成为全世界范围内水污染的主要污染物之一,其主要来源为工业、农业生产活动以及生活污水排放,NO-3的浓度在一定程度上可以反映人为输入对水环境的影响[21]。地下水中NO-3的浓度介于0.3~18 mg/L之间,均值为5.99 mg/L;地表水中NO-3浓度0.05~1.5 mg/L,均值为0.43 mg/L。青藏高原羌塘盆地及其周边地区的地下水和地表水水样NO-3浓度柱状图,如图8所示,所有水样中的NO-3浓度均远低于国家标准中的浓度值,这表明研究区地下水和地表水受人类活动影响较小。

4 结论

(1)青藏高原羌塘盆地及其周边地区的地下水和地表水pH均值分别为7.85和8.86,整体呈弱碱性。地下水和地表水中NO-3浓度均值分别为5.99 mg/L和0.43 mg/L。TDS含量分别介于212.92~826.1 mg/L和270.46~663.25 mg/L之间,HCO-3和Ca2+均为主要的阴阳离子,使得水化学类型以HCO3-Ca型为主。与地表水相比,地下水中具有较高的Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-、NO-3、TH浓度,而Na+和TDS含量则较低。

(2)水岩相互作用是控制青藏高原羌塘盆地及其周边地区地下水和地表水的主要控制因素,主要有硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化以及石膏的溶解。此外,阳离子交换作用也是一个重要的水文地球化学过程。多数地下水和地表水水样的不同矿物的饱和指数小于0,表明这些矿物处不饱和状态,具有继续溶解的趋势。另外,人类活动对研究区地下水和地表水水化学特征影响较小。

(3) 深入开展青藏高原羌塘盆地及其周边地区的水化学特征的基础研究,对保护高原生态、服务国家重大工程和国防基础建设等都具有重要的指导作用。