然乌湖流域地表水水化学特征及控制因素

引用本文

张涛, 王明国, 张智印, 刘廷, 何锦. 然乌湖流域地表水水化学特征及控制因素[J]. 环境科学, 2020, 41(9): 4003-4010.

ZHANG Tao, WANG Ming-guo, ZHANG Zhi-yin, LIU Ting, HE Jin. Hydrochemical Characteristics and Possible Controls of the Surface Water in Ranwu Lake Basin[J]. Environmental Science, 2020, 41(9): 4003-4010.

然乌湖流域地表水水化学特征及控制因素

张涛, 王明国, 张智印, 刘廷, 何锦

中国地质调查局水文地质环境地质调查中心, 保定 071051

收稿日期: 2020-02-14; 修订日期: 2020-03-24

基金项目: 地质调查项目(DD20190534)

作者简介: 张涛(1984~), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为环境分析, E-mail:277169074@163.com

摘要: 为研究然乌湖流域地表水水化学特征及离子来源，在然乌湖流域采集了地表水样品和雨水样品，综合利用相关性分析、Piper三线图和Gibbs模型等方法，分析了该区地表水主要离子特征及其控制因素，揭示了该区地表水水中的主要物质来源.结果表明，然乌湖流域地表水pH为7.54~8.48，呈弱碱性，并具有较低的溶解性总固体(59.89~96.75 mg ·L^-1)，阳离子主要以Ca²⁺和Mg²⁺为主，Ca²⁺当量浓度占阳离子总量的63.3%~76.2%，均值为67.2%，Mg²⁺当量浓度占阳离子总量的23.4%~36.2%，均值为31.4%，Ca²⁺和Mg²⁺约占阳离子总量的98.5%.阴离子以HCO₃^-为主，HCO₃^-占阴离子总量的74.31%~84.29%，均值为78.21%，SO₄^2-占阴离子总量的9.59%~19.37%，二者约占阴离子总量的93.55%.水化学类型为HCO₃-Ca和HCO₃-Ca ·Mg型，水文地球化学过程受人类活动影响较弱，主要受岩石风化作用控制，主要离子来源于碳酸盐岩及硅酸盐岩的风化溶解.

关键词: 水化学离子来源元素比值化学风化然乌湖

Hydrochemical Characteristics and Possible Controls of the Surface Water in Ranwu Lake Basin

ZHANG Tao , WANG Ming-guo , ZHANG Zhi-yin , LIU Ting , HE Jin

Center for Hydrogeology and Environmental Geology, China Geological Survey, Baoding 071051, China

Abstract: To study the chemistry of surface water and potential control measures in the Ranwu Lake basin, 19 samples were collected from Ranwu Lake in 2019. Conventional hydrochemical techniques and statistical analysis methods (descriptive statistics, the Gibbs figure, ion ratio, Piper triangular diagrams) were applied to better understand the solute geochemistry and surface water hydrochemistry in the Ranwu Lake catchment. Surface water in the Ranwu catchment is slightly alkaline (pH of the samples ranged from 7.54 to 8.48 with an average value of 8.06). The concentrations of total dissolved solids (TDS) in the water range from 59.89 to 96.75 mg ·L^-1 with an average of 79.98 mg ·L^-1, the total dissolved solids of all samples are less than 100 mg ·L^-1 and belong to fresh water. The TDS are dominated by Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^-, and SO₄^2- in the Ranwu Lake. The ion concentrations in the lake water samples are in the order of Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺ > K⁺. The concentrations of Na⁺ and K⁺ are very low. Ranging from 0.5 to 1.21 mg ·L^-1, with an average value of 0.58 mg ·L^-1, the equivalent concentration of Ca²⁺ accounts for 63.3% to 76.2% of total cations with an average value of 67.2%. The equivalent concentration of Mg²⁺ accounts for 23.4% to 36.2% of total cations with an average value of 31.4%. Ca²⁺ and Mg²⁺ account for 98.5% of total cations. The main anions were HCO₃^- and SO₄^2-. The equivalent concentration of HCO₃^- accounts for 74.31% to 84.29% of total anions with an average value of 78.21%. The equivalent concentration of SO₄^2- accounts for 9.59% to 19.37% of total anions with an average value of 15.34%. HCO₃^- and SO₄^2- together account for 93.55% of total anions on average. All the water samples fall in the water-rock interaction field, which suggests that the weathering of rocks primarily controls the major ion chemistry of groundwater in this area. Solutes are mainly derived from carbonate weathering and silicate weathering. The role of cation exchange in the geochemical process of the lake and the influence of human activities on the lake are found to be weak.

Key words: hydrochemistry ion source element rations chemical weathering Ranwu Lake

湖泊是水文地球化学的一个重要领域, 与外界物质交换有着其独特的方式, 其水化学特征能反映湖泊水循环过程, 对流域的水岩作用有一定指示作用.湖泊水化学特征受补给类型、大气降水、地形地貌、气候变化、冰川融水、水体生物、径流和排泄等诸多因素影响, 常用于湖泊水循环过程、环境变迁和水化学控制因素等方面的研究^{[1, 2]}.国内外许多研究结合当地的地质背景、土地利用状况以及气候条件^{[3, 4]}等, 对流域水化学演化及水文地球化学过程进行研究.

青藏高原有着众多的湖泊分布, 起着区域生态系统平衡器和气候变化的调节器的作用, 在维持水环境容量、水化学循环和水生生物平衡方面都有重要的意义.然乌湖位于青藏高原东南部, 是帕隆藏布江上游的淡水湖, 对其的研究主要集中在补给过程及湖面变化方面.如辛晓冬等^[5]对然乌湖流域冰川湖泊变化情况进行了研究, 结果表明该区的冰川面积减少, 湖泊面积增大; 崔颖颖等^[6]对然乌湖的水量平衡季节变化及其补给过程进行了分析, 结果表明降水是春季然乌湖的主要补给来源, 冰川融水是夏秋季节的主要补给来源.但是对然乌湖流域水化学状况鲜见报道, 因此本研究基于然乌湖地表水水化学特征, 结合数理统计^[7]和离子比^[8]等方法对然乌湖流域地表水的演化过程进行分析, 以期为未来然乌湖流域水化学的演化趋势提供数据支撑.

1 研究区概况

然乌湖位于青藏高原东南部, 海拔约为3850 m, 是雅鲁藏布江支流帕隆藏布上游的淡水湖, 湖面呈河流型, 全长约为29 km, 平均宽约800 m^[9], 流域面积约1985 km²^[10].然乌湖由河道相连雅错、安错和安目错等三部分组成, 汇入然乌湖的河流主要有曲尺河、曲日河、真空弄巴、然弄巴和曲布河等, 其主要补给来源是降水和冰川融水, 且具有明显的季节性, 春季气温较低主要靠降水补给, 夏秋季节气温较高, 主要靠雅弄冰川、作球普冰川和喜日弄普冰川等冰川融水进行补给^[6].然乌湖夏季在6.6~15.4℃之间变化, 冬季冻结, 属高原寒温带气候类型, 日照充足, 旱季和雨季分明, 年平均气温2℃, 年平均降雨量500 mm, 年平均蒸发量1800 mm, 年日照时数2200 h^[11].然乌湖流域出露地层比较复杂, 总体属于然乌-察隅地层分区.研究区中上游白云质灰岩、白云岩、灰岩、石英砂岩、泥质灰岩、生物灰岩以及板岩分布较多, 下游发育为二长花岗岩和花岗闪长岩为主.

2 材料与方法 2.1 样品采集

为了综合考虑然乌湖流域地表水水化学演化情况, 于2019年6月共采集19组样品, 其中地表水样品17组, 雨水样品2组, 雨水样品采集于然乌镇, 采样点分布见图 1.水样采集一般在水面10 cm以下, 然后用0.45 μm滤膜过滤, 存储在聚乙烯样品瓶内, 加入硝酸, 使水样pH < 2.

图 1 然乌湖流域采样点分布示意 Fig. 1 Sketch map of the Ranwu Lake basin and sampling sites

2.2 样品分析方法

pH采用insitu水质多参数分析仪进行测定(美国, insitu), 精度分别为0.01pH, 阳离子Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺浓度采用火焰原子吸收光谱仪(德国耶拿ContrAA300)进行测定; 阴离子Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-和F^-采用离子色谱仪(瑞士万通883)进行测定; HCO₃^-和CO₃^2-采用盐酸滴定的方法进行测定; 偏硅酸采用硅钼蓝滴定法进行测定.

3 结果与讨论 3.1 水化学组成特征及水化学类型 3.1.1 水化学组成特征

(1) 主要离子组成

然乌湖流域地表水阳离子以Ca²⁺和Mg²⁺为主, 地表水离子当量浓度呈现Ca²⁺>Mg²⁺>Na⁺>K⁺的关系, Na⁺和K⁺含量均很低, Na⁺介于0.5~1.21mg·L^-1之间, 均值为0.95 mg·L^-1, 而K⁺含量介于0.44~0.71 mg·L^-1之间, 均值为0.58 mg·L^-1; Ca²⁺当量浓度占阳离子总量的63.3%~76.2%, 均值为67.2%, Mg²⁺当量浓度占阳离子总量的23.4%~36.2%, 均值为31.4%, Ca²⁺和Mg²⁺约占阳离子总量的98.5%.阴离子以HCO₃^-为主, 湖水离子当量浓度呈现HCO₃^->SO₄^2->NO₃^->Cl^->F^-的关系, HCO₃^-占阴离子总量的74.31%~84.29%, 均值为78.21%, SO₄^2-占阴离子总量的9.59%~19.37%, 均值为15.34%, 二者约占阴离子总量的93.55%.具体水化学测试结果见表 1.

表 1 主要组分分析结果统计/mg·L^-1 Table 1 Statistics of major ions in surface water/mg·L^-1

(2) 主要离子空间变化特征

然乌湖流域地表水从上游到下游主要离子质量浓度整体变化不大(图 2), 主要离子先升高再趋于平缓, Na⁺由0.50 mg·L^-1增加到1.04 mg·L^-1, 增加了1.08倍; Ca²⁺由12.59 mg·L^-1增加到18.68 mg·L^-1, 增加了48.4%; Mg²⁺由2.92 mg·L^-1增加到4.67 mg·L^-1, 增加了59.9%; Cl^-由0.09 mg·L^-1增加到0.19 mg·L^-1, 增加了1.11倍, 但所有水样中Cl^-含量均较低; SO₄^2-由7.48 mg·L^-1增加到17.04 mg·L^-1, 增加了1.28倍; HCO₃^-由54.92 mg·L^-1增加到67.12 mg·L^-1, 增加了22.2%;主要是随着径流距离的增加, 矿物溶解增多, 各离子浓度略有增加, 整体上趋势较为平缓.

图 2 然乌湖流域地表水主要离子浓度空间变化特征 Fig. 2 Spatial variations in major ions concentrations in surface water in the Ranwu Lake basin

3.1.2 pH及TDS空间变化特征

然乌湖流域地表水TDS随径流路径呈现先升高后降低到趋于平缓的过程(图 3), TDS值为59.89~96.75 mg·L^-1, 平均值为79.98 mg·L^-1, 低于世界河流的平均值(115 mg·L^-1)^[12], pH值为7.54~8.48, 该结果与张强英等^[13]在西藏帕隆藏布江流域天然水的水化学特征中的研究结果相近, 然乌湖流域径流条件较好, 受冰川融水和大气降水影响, 水体呈现低矿化度偏碱的状态.

图 3 然乌湖流域地表水TDS随径流距离变化趋势 Fig. 3 Variations in the TDS along the flow direction of the surface water in Ranwu Lake basin

3.1.3 水化学类型

将主要离子的毫克当量百分比(meq%)点投到Piper三线图中, 来评价该区水化学演化及水化学类型^[14~17].在阳离子图上, 大部分水样点落在左下角, 表明Ca²⁺在湖水中占优势, 其次是Mg²⁺; 从阴离子图中可以看出, 所有水样点均落在左下角的HCO₃^-一端, 说明HCO₃^-离子占主要优势, 构成该区水化学类型主要是HCO₃-Ca和HCO₃-Ca·Mg型(图 4).而Ca²⁺、Mg²⁺及HCO₃^-主要来源于碳酸盐岩和硅酸盐岩的溶解, 说明该区主要受岩石的风化溶解控制.

图 4 然乌湖流域地表水主要离子Piper三线图 Fig. 4 Piper diagram showing major ion composition in surface water within Ranwu Lake basin

3.1.4 各化学指标之间的相互关系

相关性分析常用来研究水化学演化中的离子来源, 同一来源的组分相关性较强, 否则相关性较差^[18].TDS与Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-和HCO₃^-都有着较强的相关关系(表 2), 这说明Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-和HCO₃^-均是然乌湖流域地表水TDS的主要贡献者, 其中TDS与Ca²⁺、HCO₃^-具有显著的相关关系, 相关系数分别为0.872和0.906, 这说明TDS主要来源于湖水中的Ca²⁺和HCO₃^-.HCO₃^-与Ca²⁺、Mg²⁺都有着显著的相关关系, 说明三者有着共同的物质来源, 主要是来源于白云岩等碳酸盐岩的风化溶解; SO₄^2-与Ca²⁺、Mg²⁺也有着较强的相关关系, 说明这三者也有着共同的物质来源, 主要是来源于方解石和白云岩等碳酸盐岩矿物的风化溶解及硫酸溶解.

表 2 各常规指标之间相关关系¹⁾ Table 2 Correlation coefficients between major ions in the water

3.2 主要离子来源及控制因素分析 3.2.1 水岩模型分析

Gibbs图如图 5所示, 常用来推断自然水中的水文地球化学过程^[19~21], 该图分为3个端元, 分别为蒸发-结晶、岩石风化和大气降水.大气降水作用控制区具有较低的溶解性总固体浓度(< 10 mg·L^-1), 较高的Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)和Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)比值, 一般在0.5~1, 该区分布在Gibbs图的右下角; 岩石风化作用区位于左中部, TDS值一般在70~300 mg·L^-1之间, Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)和Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)的比值一般均小于0.5;蒸发结晶控制区在图的右上角, 该区具有较高的TDS(>300 mg·L^-1), Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)和Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)的比值也较高(0.5~1).将然乌湖流域水样点投到Gibbs图中, 该区水样具有较低的TDS和较低的Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)和Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)比值, 水样点均落在岩石风化作用控制区(图 5), 说明然乌湖流域地表水主要离子来源于岩石风化作用.

图 5 然乌湖流域地表水Gibbs图 Fig. 5 Gibbs plots of the Ranwu Lake basin

以大气降水为基线, Ca/Na和TDS的对数关系模型常用来研究影响流域水化学的影响因素^{[22, 23]}, 在该区采集2组雨水样品, 样品中Ca²⁺、Na⁺和TDS分别为4.06、0.11和13.70mg·L^-1.经模型分析, 然乌湖湖水主要落在岩石风化区域(图 6), 这个结论和Gibbs模型的分析的结果是一致的, 从图 6还可以看出该区水化学组分受含钠岩石风化溶解影响较大.

图 6 水中Ca-Na-TDS关系 Fig. 6 Relationship of Ca-Na-TDS in water

不同岩石的风化会产生不同的离子, Ca²⁺和Mg²⁺主要来源于碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发岩的风化作用, Na⁺和K⁺主要来自于硅酸盐岩和蒸发岩的风化溶解, HCO₃^-主要来源于碳酸盐岩和硅酸盐岩的风化溶解, SO₄^2-和Cl^-主要来源于蒸发岩的溶解, 通常用混合图来揭示流域中化学风化作用产生的离子的来源.由于Ca²⁺/Na⁺、Mg²⁺/Na⁺、HCO₃^-/Na⁺不受流速、稀释和蒸发作用的影响^{[24, 25]}, Ca²⁺/Na⁺与Mg²⁺/Na⁺和Ca²⁺/Na⁺与HCO₃^-/Na⁺的关系可以揭示水化学成因, 主要离子来源于何种矿物的溶解, 然乌湖水样点落在硅酸盐岩和碳酸盐岩区的中间(图 7), 然乌湖流域地表水受碳酸盐岩风化和硅酸盐岩风化等水岩相互作用的影响.

图 7 Ca²⁺/Na⁺与Mg²⁺/Na⁺、HCO₃^-/Na⁺关系 Fig. 7 Plots of HCO₃^-/Na⁺ versus Ca²⁺/Na⁺ and Mg²⁺/Na⁺ versus Ca²⁺/Na⁺

3.2.2 阳离子交替吸附

阳离子交替吸附作用是在一定条件下, 颗粒将吸附水中某些阳离子, 而将其原来吸附的部分阳离子转化为水中的组分^[26].(Na⁺-Cl^-)与[(2SO₄^2-+HCO₃^-)-2(Ca²⁺+Mg²⁺)](mmol·L^-1)可以判定是否发生(Na⁺-Cl^-)的交换作用^[27], 如果水文地球化学过程主要是以阳离子交换过程为主, 则(Na⁺-Cl^-)/[(2SO₄^2-+HCO₃^-)-2(Ca²⁺+Mg²⁺)]比值应该分布在1:1线附近.然乌湖流域水样的(Na⁺-Cl^-)/[(2SO₄^2-+HCO₃^-)-2(Ca²⁺+Mg²⁺)]的浓度比值只有1个点在1:1线附近(图 8), 其它的均远离1:1线, 说明阳离子交换作用在然乌湖水文地球化学过程中的作用比较微弱.

图 8 (Na⁺-Cl^-)与[(2SO₄^2-+HCO₃^-)-2(Ca²⁺+Mg²⁺)]关系 Fig. 8 (Na⁺-Cl^-) versus [(2SO₄^2-+HCO₃^-)-2(Ca²⁺+Mg²⁺)] concentrations

3.2.3 人为活动输入

人类活动对水化学演化有着非常重要的影响, 它通过废水、废物和废气的输送来改变水化学组分.人类活动强烈的地区, 就会带入较多的NO₃^-、Cl^-和SO₄^2-等离子, 当然Cl^-和SO₄^2-也来源于石膏和盐岩的溶解, 或者是硫化物的氧化.一般水受到人为活动的影响时, 会有较高的Cl^-/Na⁺和NO₃^-/Na⁺比值^[28], 然而在图 9中可以看出, 然乌湖流域地表水中Cl^-/Na⁺和NO₃^-/Na⁺比值都比较低, 这说明然乌湖流域地表水受人类活动的影响较弱, 主要是自然状况下的水化学演化.

图 9 Cl^-/Na⁺和NO₃^-/Na⁺比例关系 Fig. 9 Plots showing variations of Cl^-/Na⁺ with NO₃^-/Na⁺ ratios

3.3 主要物质来源

Na⁺主要来源于盐岩和硅酸盐岩的溶解, 而盐岩的溶解会释放出等浓度的Na⁺和Cl^-^[29], 然而然乌湖流域水样中的Na⁺和Cl^-浓度比值均远离1:1线, 且靠近Na⁺一边(图 10), 说明Na⁺浓度高于Cl^-浓度, 还应该有其它阴离子来平衡多出来的钠离子, 这说明钠离子还应该有其它来源; Na⁺/Cl^-的浓度比值介于6.6~14.7之间, 这说明盐岩的溶解不是该区水样中Na⁺主要来源, 而硅酸岩的风化溶解则是钠离子的主要来源.

图 10 Na⁺和Cl^-关系 Fig. 10 Na⁺ versus Cl^- concentrations

(Ca²⁺+Mg²⁺)与(HCO₃^-+SO₄^2-)常用于研究流域尺度的水文地球化学过程, 可以判断该区水化学是否是碳酸盐岩或者石膏的溶解控制^{[30, 31]}.如果该区水样中的(HCO₃^-+SO₄^2-)/(Ca²⁺+Mg²⁺)的当量浓度比值为1:1, 说明该区水化学受碳酸盐岩或石膏的溶解控制.然乌湖水样中(HCO₃^-+SO₄^2-)/(Ca²⁺+Mg²⁺)的当量浓度比值均在1:1线上面, HCO₃^-+SO₄^2-的当量浓度大于Ca²⁺+Mg²⁺的当量浓度(图 11), 说明还应该有其它的阳离子来平衡多出阴离子的量, 说明然乌湖水样中HCO₃^-还有其它来源, 还有一部分来源于硅酸盐岩的溶解.

图 11 (Ca²⁺+Mg²⁺)与(HCO₃^-+SO₄^2-)关系 Fig. 11 (Mg²⁺+Ca²⁺) versus (HCO₃^-+SO₄^2-) concentrations

Ca²⁺/Mg²⁺的比值常用来揭示Ca²⁺和Mg²⁺的来源, 如果Ca²⁺/Mg²⁺=1则表示来源于白云岩的溶解^[32], 若是1 < Ca²⁺/Mg²⁺ < 2, 则表示有更多方解石的溶解, 当Ca²⁺/Mg²⁺>2时, 则表示有硅酸盐岩或石膏的溶解来提供Ca²⁺.在然乌湖流域, 只有1个水样的Ca²⁺/Mg²⁺=1.93, 其它水样的Ca²⁺/Mg²⁺均大于2(图 12), 说明该区有硅酸盐岩或石膏的溶解.

图 12 然乌湖流域地表水中Ca²⁺/Mg²⁺比值 Fig. 12 Ratio of Ca²⁺/Mg²⁺ in surface water within Ranwu Lake basin

Na⁺与Ca²⁺、Mg²⁺都有着较强的相关关系, 这也说明Na⁺与Ca²⁺、Mg²⁺有着相同的来源, 说明都有部分来源于硅酸盐岩的溶解, 主要风化溶解过程如下:

HCO₃^-与Ca²⁺、Mg²⁺有着显著的相关关系(表 2), 相关系数分别为0.655(P < 0.01)和0.685(P < 0.01), 这说明HCO₃^-与Ca²⁺、Mg²⁺有一定的同源性, 结合该然乌湖流域地质背景, 说明碳酸盐岩的风化溶解对Ca²⁺与HCO₃^-有贡献, 反应过程如下:

4 结论

(1) 然乌湖流域地表水阳离子以Ca²⁺和Mg²⁺为主, Ca²⁺当量浓度占阳离子总量的63.3%~76.2%, 均值为67.2%, Mg²⁺当量浓度占阳离子总量的23.4%~36.2%, 均值为31.4%, Ca²⁺和Mg²⁺约占阳离子总量的98.5%;阴离子以HCO₃^-为主, 湖水离子当量浓度呈现HCO₃^->SO₄^2->NO₃^->Cl^->F^-的关系, HCO₃^-占阴离子总量的74.31%~84.29%, 均值为78.21%, SO₄^2-占阴离子总量的9.59%~19.37%, 二者约占阴离子总量的93.55%. TDS值为59.89~96.75 mg·L^-1, 平均值为79.98 mg·L^-1; pH介于7.54~8.48之间, 均属于弱碱性水.

(2) 然乌湖流域地表水水化学类型以HCO₃-Ca和HCO₃-Ca·Mg型为主, 主要受到岩石的风化作用控制, 人类活动对水化学组分的影响较弱, 主要是自然状态下的水化学演化.

(3) Ca²⁺、Mg²⁺和HCO₃^-主要来源于白云岩等碳酸盐岩的风化溶解, Na⁺和K⁺主要来源于长石类硅酸盐岩的风化溶解.

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环境科学 2020, Vol. 41 Issue (9): 4003-4010	PDF