雅魯藏布江流域水化學時空變化及其控制因素

劉佳駒,趙雨順,黃 香,郭懷成*

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雅魯藏布江流域水化學時空變化及其控制因素

劉佳駒1,趙雨順2,黃 香3,郭懷成1*

(1.北京大學環境科學與工程學院,北京 100871；2.天津大學環境科學與工程學院,天津 300072；3.西藏大學化學與環境學院,西藏 拉薩 850000)

為研究雅魯藏布江全流域水化學特征及其控制因素,2016年先后采集雅魯藏布江干流及其支流豐、平、枯三個水期水樣212個,綜合運用數理統計、Piper三線圖、Gibbs 模型和離子比等方法,分析了全流域河水的水文地球化學特征,并探討了流域的水化學演化規律.結果表明,河水中陽離子均以 Ca2+、Na+和Mg2+為主;陰離子以HCO3-和 SO42-為主;TDS平均值為204.51mg/L,礦化度較低;水化學類型以 HCO3·SO4(SO4·HCO3)-Ca·Mg(Mg·Ca)型水為主;雅魯藏布江主干河流內的主要離子含量變化存在波動且季節性變化顯著.空間上,河水中絕大多數離子遵循著先增大后減少的趨勢;水化學樣品均分布在 Gibbs 模型左中部,說明該流域水化學離子組成受巖石風化作用控制;主成分分析及相關分析表明雅魯藏布江流域水化學組分受人為影響作用控制,方解石、白云巖的風化及硫酸溶解也起到非常重要的作用.流域三個水期的重金屬元素的含量絕大多數能滿足地表水I類水體的要求.

水化學；雅魯藏布江；時空變化；水質

青藏高原被稱為亞洲水塔.其為世界近1/3人口的生活、生產提供淡水資源[1].由于地形、地質和氣候等自然條件以及人類生產、生活等的影響,水質受多因素、多層次和多尺度相互綜合影響,水質的變化會對水生生態系統產生一系列的生態效應,能在很大程度上反映流域的變化特征[2].作為世界的“第三極”,青藏高原在通過陸地和海洋能量交換發生的元素地球化學循環中占有非常重要的比例[1].研究河流和湖泊水循環和水化學特征以及水資源和環境的保護具有重要的科學意義.此外,在水化學研究中揭示最主要離子的來源以及其控制因素非常重要[3].

近年來,眾多國內外學者開始對雅魯藏布江流域展開了較為深入的研究并取得了豐碩的成果,主要分自然影響與人為影響兩方面:隨著全球氣候變暖, 青藏高原的冰川面積減少,導致的水文水生態環境也在發生著變化,進而影響了高原河流的水化學性質[4-5].Adachi等[6]對高原東部雅魯藏布江流域主要化學組成的研究表明,巖石風化風化和侵蝕過程對流域水化學性質具有強烈的影響;沈大軍等[7]對雅魯藏布江流域水資源進行了評價,認為雅魯藏布江外流水系河水泥沙含量較小,河水礦化度較小,水質良好;李紅敬等[8]通過對雅魯藏布江的水質分析發現,在6~10月,溶氧值低、水溫較高,12~2月,溶氧值高、水溫較低、8月懸浮物含量高,下游較中游的pH值和懸浮物含量低;Huang等[9]對雅魯藏布江全流域的水質進行了評估,并基于統計學對水化學的控制因素進行了分析.一些學者的研究表明,雅魯藏布江的水化學特征變化一定程度上受到人類活動的影響[10]:由于青藏高原是西風、印度洋季風和東亞季風的交匯點,大氣環流也導致了印度和尼泊爾等南亞國家的工農業污染物跨界傳輸.高原上的人為活動和氣候變化都將影響雅魯藏布江的水化學過程,并對青藏高原南部和印度和孟加拉國下游地區的人類生產生活構成風險[8].Huang等[11]對雅魯藏布江流域水質研究表明, Cd,Hg,Ni和Cu等重金屬含量相對較高,污染被認為是由當地采礦業造成的.在鹽湖中,還發現了高濃度的重金屬元素,如鉛和砷.這可能是由于地熱等自然過程引發[10].總的來說,雅魯藏布江水化學特性還沒有經過系統深入研究,對全流域、季節性變化的研究較為缺乏.相對于我國其它流域,有關雅魯藏布江流域水化學特征、化學風化過程,尤其是季節性變化及影響因素的研究尚不夠全面、細致、深入.因此,有必要繼續開展和深入研究雅魯藏布江全流域化學風化和元素地球化學循環過程,為將來探索“第三極”以及全球氣候環境變化提供基礎.

本文基于2016年對我國西藏境內雅魯藏布江全流域干支流三個水文期的河水采樣,結合已有的流域環境背景資料, 分析報道了水體樣品中主要陰陽離子的含量及其時空分布特征,探討了水化學的主控因素,進一步研究雅江水質和“亞洲水塔”的水質變遷提供基礎數據,為了解流域水環境和水資源提供科學依據.

1 研究區域概況及樣品采集與分析

1.1 研究區概況

圖1 青藏高原雅魯藏布江流域和采樣斷面分布

研究區地處西藏的南部,岡底斯山脈、念青唐古拉山脈以南,喜馬拉雅山脈以北的地區.雅魯藏布江發源于西藏自治區西南部喜馬拉雅山北麓的杰馬央宗冰川,自西向東流經仲巴、日喀則、澤當等地.在米林縣派區附近,形成一大拐彎,折向南流,經中國巴昔卡出境,流入印度洋的孟加拉灣.流域面積為24萬km2,沿雅魯藏布江干流谷地,海拔高度為2800~4500m[12].

雅魯藏布江流域下游地區高溫多雨.降水的年際變化較小,年內分配很不均勻.年均降水量從河流上游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,達到全年降水量的50%~80%.年均最高溫度出現在6月,下游地區多出現在7月,年均溫度最低出現在1月.降水最多的月份,其冰雪融水補給河流的水量也大.此外,該流域還具有枯水期水量較大、懸移質泥沙含量少、河水溫度低、河水礦化度小、總硬度低等特點[13].

雅魯藏布江有5條流域面積超過10000km2的支流,如,帕隆藏布、年楚河、尼洋河、拉薩河、多雄藏布.尼洋河是雅魯藏布江的一級支流,尼洋河所處地區的氣候溫和濕潤.年均氣溫8℃左右,年降水量 600~900mm,年內徑流量相對集中,主要集中在每年的6~9月.拉薩河位于西藏中南部全長568km,流域面積31760km2.拉薩河流域面積僅占西藏自治區總面積的2.7%,而流域內的人口、耕地卻約占全自治區的15%,是西藏工、農、牧業集中的地區.

1.2 水樣采集與分析

依據《水質采樣技術指導》(HJ 494-2009)相關內容以及雅魯藏布江流域地貌特征,并兼顧各支流匯入位置,在干流及其支流布設67個采樣點,保證每個樣品點具有一定的代表性[11].采樣分別在2016年9月15日~10月8日(豐水期),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次采集樣品.如圖1所示.每個時間段樣本在半個月內從下游到上游連續采集.為保持采樣條件的一致性,選擇24h內沒有降雨的天數作為采集樣本日[14].

樣品收集之前,每個樣品瓶用硝酸洗滌,之后用蒸餾水沖洗.將水樣品收集在2L聚丙烯瓶中,然后立即通過0.45mm醋酸纖維素膜過濾器.將樣品置于干凈的自密封聚乙烯(PE)塑料袋中,并保存在4℃的冰箱中直至測試.為了確保數據的準確性,所有樣品瓶在收集水樣之前用收集的濾液洗滌2~3次.為避免污染和破壞,將樣品置于冰箱中冷凍運輸.將由水,過濾器和沉淀物組成的樣品運送到實驗室.將水樣在4℃的冰箱中儲存,并在自然風化條件下將沉淀樣品保存在無塵實驗室中[11].

雅魯藏布江河水基礎理化性質,陰陽離子及重金屬的測量儀器及方法如表1所示.在實驗過程中,儀器由國家黃土標準物質(GBW07408)標定,并由標準溶液控制.陽離子和陰離子的分析精度優于2%.總陽離子和陰離子的總和表明與使用探針測量的TDS值(Tz++Tz-=1.02TDS,2=0.98)匹配度良好,這表明數據質量很高[11].

所有統計計算均使用Excel 2007(Microsoft Office)和spss18.0進行.實驗結果圖使用Origin8.0制作[11].首先,通過統計檢驗確定離子元素的含量是否遵循正態分布.然后,使用Pearson相關分析評估離子元素濃度的相關關系.

表1 基礎理化性質、陰陽離子及重金屬測量儀器及方法

2 結果和討論

2.1 河水水化學總體特征

2.1.1 基礎理化性質 通過對常規水化學參數進行分析,雅魯藏布江流域水樣品pH值、T、EC、DO、TDS變化范圍及均值如表2所示.雅魯藏布江流域三期水體的水溫為0.0~20.5℃,平水期平均溫度最低(4.2℃);雅魯藏布江及其支流的pH值變化幅度較小,介于7.97~9.03之間,平均值為8.46,整體呈弱堿性,碳酸鹽系統是天然水中優良的緩沖系統,它對避免天然水 pH 值急劇變化起緩沖作用.豐水季節河水 pH 值(8.6)略低于枯水期(8.7)及平水期(8.8),這可能的原因是豐水期降雨導致水體的pH值減小;3個水期TDS變化很大,13.30~451.00mg/L,平均值為183.95mg/L,高于世界河流的平均值(120mg/L)[15](表2);電導率(EC)可以反映水體的離子強度,雅魯藏布江流域三期水體的電導率變化范圍均值為18.5~632.0μS/cm,均值為252.3μS/cm;在溫度和鹽度的影響下,雅魯藏布江及其支流的DO在枯水期最高(均值為10.85mg/L),在豐水期最低(均值為8.1mg/L)(表2),這可能是水體中DO的含量與空氣中的氧的分壓,水溫有相關,枯水期的溫度水體較低,因此導致DO含量高.雅魯藏布江流域主要河道的陽離子濃度依次為Ca2+>Na+>Mg2+> K+.Ca2+為是優勢陽離子,占陽離子總量的31.3%.陰離子濃度順序為:HCO3->SO42->Cl-.其中HCO3-和SO42-為主要陰離子,分別占陰離子總量的72.35%和14.32%.Ca2+和SO42-的平均濃度分別是全球河流平均濃度的3~4以上[15](表3).

表2 基礎理化性質

表3 雅魯藏布江及世界大河主要離子含量統計(mg/L)

2.1.2 水化學類型 河流水化學特征主要受天然補給來源、化學風化以及人類活動的影響.決定河流水化學特征的主要過程是降水對地表組成物質的淋溶過程、主支流交匯處的混合過程、懸浮物的吸附和解析過程以及蒸發濃縮而導致的變質等過程.Piper三線圖可以用來分析河水水化學成分的演化規律,結果如圖2所示.雅魯藏布江及其支流的樣品離子含量分布接近CO32-+HCO3-軸分布(圖2),陰離子主要由HCO3-和SO42-組成.在陽離子三角圖中,采樣點位于Ca2++Mg2+軸附近,表明該區域的陽離子主要為Ca2+和Mg2+,這可能反映了流域水化學性質主要受碳酸鹽風化.流域以SO4·HCO3(HCO3·SO4)- Ca·Mg(Mg·Ca)型為主.在雅魯藏布江及其支流中,80%以上的Ca2+, Mg2+和HCO3-產生于碳酸鹽風化過程中.在河流的中上部,尤其是年楚河附近,Na+的比例高達29%,Cl-高達31%.說明蒸發巖的溶解是其主要控制因素.

圖2 雅魯藏布江干流及其支流河水陰陽離子三角圖

圖3 雅魯藏布江流域豐、平、枯3季水體重金屬濃度箱線圖

2.1.3 重金屬分析 青藏高原近30a的金屬采礦業影響了該地區的地表水質量.重金屬含量的增加會對漁業和飲用水安全產生影響.如圖3所示雅魯藏布江流域在豐、平、枯3個水期的重金屬濃度的箱線圖.研究表明,Al(均值為62.65mg/L)和Fe(均值為60.8mg/L)濃度較高.Cu,Zn,Ag,Cd和Cr的濃度普遍較低,符合中華人民共和國地表水環境質量標準(GB 3838-2002)的I類水標準. 雅魯藏布江流域三個水期的As元素的含量大部分能滿足地表水I類水體的要求.但是,羊巴井地熱田下游樣品在雨季和枯水期的As濃度分別為170.5ug/L和144.0ug/L,超過了地表水環境類水V標準.青藏高原沉積物中As的濃度是中國地殼豐度的11.6倍.地熱活動釋放的氣液導致As含量高.其含量的超標可能會影響該地區居民的飲水安全[18].90.2%水樣中汞的濃度達到地表水環境質量標準的I類水標準.上游瑪玖藏布采樣點As濃度極高(枯水期為181.2ug/L,豐水期為217.58ug/L,平水期為182.1ug/L),這可能與采礦業以及As金屬的熔煉有關[19].但雅魯藏布江干流及其支流重金屬濃度季節變化不明顯.

2.2 河水主要離子時空變化特征

圖4 雅魯藏布江干流豐,平,枯三季主要離子濃度的變化

徑流補給來源及氣候的顯著差異是影響季風區河流水文、水化學季節性特征的重要因素.通過分析雅魯藏布江干流30個采樣點的離子濃度,結果表明,該河流的水化學特征具有顯著的季節差異,如圖4所示.雅魯藏布江干流陽、陰離子濃度變化趨勢總體表現為豐水期最低.豐水季節流域河水中大部分陰陽離子平均濃度(mg/L)均小于枯水期及平水期,離子濃度值下降明顯,較枯水期離子濃度減少約 20.97mg/L,較平水期減少約為50.37mg/L.(表3)陽離子變化以Ca2+為主,枯水期較平水期減小了約9.35mg/L,其余陽離子變化不明顯.流域陰離子濃度總量變化幅度遠遠超過了陽離子,HCO3-變化最為明顯,豐水期較平水期減少了約37.42mg/L.豐水期降水量明顯增加,而離子來源沒有明顯變化的情況下,形成的稀釋效應.相反,平水期和枯水期的流速相對較慢,水體與巖石接觸時間較長,增加了巖石的溶解.在枯水期和豐水期,雅魯藏布江干流的陽離子濃度依次為,Ca2+>Na+>Mg2 +>K+,但在平水期,表現為Ca2+>Mg2+>Na+>K+,這種變化在中游和下游最為明顯(圖4).在3個水期,水樣中陰離子濃度變化趨勢均為HCO3->SO42->Cl->NO3-.

從空間上看,雅魯藏布江干流離子濃度從上游至下游含量變化存在波動,但總體呈先增后減的趨勢(圖4).最上游采樣點(Y17、Y16)測得的TDS濃度與整個干流相比明顯較低.這一結果可能是由于冰川和融雪稀釋了離子濃度.雅江上游地區表現為較為干燥的草原氣候,其蒸發量明顯超過降雨量,使得水體在一定程度上得到蒸發濃縮,大量裸地、灘涂的存在使得地表大面積暴露,導致當地風化侵蝕作用強烈,大量鹽離子得以釋放進入水體.因此,Y14和Y15采樣點離子濃度相比前段劇烈增加,增速最快的離子為Ca2+、Na+、HCO3-、SO42-.從源頭向下游地區過渡的過程中隨著降水增加,徑流量得以補充,同時,灌木、針葉林、闊葉林的組合植被類型減輕了水土流失,最終導致了水體中的離子濃度呈現逐漸下降的趨勢.對比枯水季節與豐水季節流域離子空間特征分布發現(圖4),豐水季節陽離子總濃度值均低于枯水季節.其中,上游降幅最大,約為 29.65mg/L,中游和下游降幅分別約為16.95mg/L和14.69mg/L,表明上游陽離子含量季節性差異最大,中游和下游依次降低.雅江流域從上游至下游離子濃度季節性差異呈逐步降低的趨勢.

2.3 離子來源分析

2.3.1 相關性分析 相關分析通常用于揭示主要離子的來源.表4顯示了雅魯藏布江流域各化學成分之間的相關矩陣.TDS與Ca2+,Mg2+,K+,Na+,HCO3-, Cl-和SO42-呈顯著正相關(<0.01),表明這些物質都是TDS的來源.其中,TDS與Ca2+和HCO3-的相關性最顯著,相關系數分別為0.874和0.924.變化趨勢相同,統計學上表明Ca2+和HCO3-是TDS的主要來源.HCO3-與Ca2+和Mg2+有顯著相關性(<0.01).由于碳酸鹽和硫酸鹽礦物的風化溶解作用,SO42-與 Ca2+、Mg2+的相關性也很強說明它們之間有可能來自同一來源,可能來源于碳酸鹽和硫酸鹽礦物的風化溶解.Na+、K+都與Cl-有強相關性,說明它們有可能來自蒸發巖的溶解.

表4 離子相關性分析

2.3.2 主成分分析 為了進一步探討雅魯藏布江流域水體主要離子與地質背景之間的關系,了解主要離子的控制因素,應用主成分分析法(PCA)對雅魯藏布江流域3個水期主要離子間的關系進行分析.基于3個水期的212份水樣,通過因子分析得到3個主要公共因素.如圖5所示,3個水期的第一因子與K+,Na+,Cl-,Li,SiO2之間存在很強的相關性,這與高原各類蒸發巖的溶解有關[19].第二因子與Mg2+, SO42-,Ca2+和HCO3-存在較高相關性.說明方解石、白云巖的風化及硫酸溶解的相關貢獻較大.其中碳酸鹽風化作用是Ca2+的主要來源,80%~90%的溶解Ca2+和Mg2+是由雅魯藏布江流域碳酸鹽風化產生的.第三個因素與Mn和Zn有較強相關性,表明與采礦業等人類活動相關,但人類活動的影響并不明顯.其中流域豐水期及平水期的三個主要因素累計方差貢獻率為75.14%.第1,2,3因子貢獻率分別達到34.5%,26.2%和14.4%.枯水期的累計方差貢獻率為66.67%.對比平水期及豐水期可以發現,枯水期累積方差百分比(66.67%)比平水期及豐水期(75.14%)略有降低,但離子負荷值增高,說明豐水期及平水期的主要離子來源的變化更加復雜(表5).

圖5 雅魯藏布江流域主要離子主成分分析

表5 雅魯藏布江流域3個水期離子和元素的主成分分析(PCA)

圖6 雅魯藏布江流域主要離子吉布斯圖

Y-雅魯藏布江干流,L-拉薩河,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 設計了半對數坐標圖,縱坐標為水樣TDS的對數坐標,橫坐標分別為陽離子質量濃度的比值(Na+)/(Na++Ca2+)或者陰離子質量濃度的比值(Cl-)/(Cl-+HCO3-)[21]. Gibbs圖顯示Na+/(Na++Ca2+)(<0.38)和Cl-/(Cl-+HCO3-)(<0.21)比值較低, TDS值中等,說明雅魯藏布江干流及其支流的離子化學性質主要是由巖石風化控制.所采集水樣遠離“降水主導”和“蒸發結晶”作用控制區域,且河水的Cl-/Na+平均值為0.65,遠低于世界平均海水比例(Cl-/Na+=1.15),這些均表明研究區內大氣降水和蒸發結晶對水體中離子質量濃度的影響不是主要控制因素.

3 結論

雅魯藏布江流域的地表水質呈弱堿性.河流的平均TDS為204.51mg/L,高于全球平均水平.主要陽離子是Ca2+,Na+和Mg2+,而主要陰離子是HCO3-和SO42-.流域大部分地區的水化學特征為Ca2+-HCO3-型.大部分重金屬元素均能達到中華人民共和國地表水環境質量標準(GB 3838-2002)的I類水標準.然而,受到上游采礦及金屬冶煉的影響,有少數采樣點的As含量超標,中游羊八井地熱田附近樣品As濃度較高,則與地熱活動有關.季節變化上,雅魯藏布江流域的水化學特征具有顯著的季節性差異,其中,豐水期的離子濃度最低,枯水期和平水期的離子濃度相對較高.在空間上,雅魯藏布江干流的離子濃度從上游到下游呈逐步降低的趨勢,支流中的離子濃度波動顯著.主成分分析和吉布斯模型表明,雅魯藏布江流域的離子組成主要受巖石風化作用控制.總體來說,雅魯藏布江絕大部分采樣斷面的水質良好,極個別采樣斷面重金屬超標.在全球氣候變化的背景及人類活動增多的雙重壓力下,雅魯藏布江的水化學特征會受到影響從而間接會對青藏高原的人類健康構成風險.本文的研究結論對進一步研究雅江水質和“亞洲水塔”的水質變遷提供了基礎,為了解流域水環境和水資源的科學管理提供基礎性科學依據.

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致謝：本研究由西藏大學及西藏自治區各級政府支持下完成,在此表示感謝.

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

劉佳駒(1991-),男,河北保定人,北京大學博士研究生,研究方向為環境規劃.發表論文3篇.

2018-04-02

西藏環境水化學調查及飲用水安全評價技術研究項目(22015FY111000)

* 責任作者, 教授, ghc1111@pku.edu.cn