郭藝， 甘甫平， 閆柏琨， 王楓， 白娟

(1.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.生態(tài)環(huán)境部 環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

地表水是自然界水循環(huán)的重要組成部分，是連接大氣圈和巖石圈的樞紐，在元素地球化學(xué)循環(huán)中起著重要作用，主要離子特征是地表水的一個(gè)重要特征，對(duì)流域氣候及環(huán)境具有指示作用[1-4]。氫氧穩(wěn)定同位素是地表水的另一個(gè)重要特征，對(duì)于揭示地表水的起源和水循環(huán)過(guò)程具有指示作用[5-6]。

青藏高原被稱(chēng)為亞洲水塔，湖泊、河流、冰川等分布廣泛，是包括長(zhǎng)江、黃河在內(nèi)的多條河流的發(fā)源地[7]。同時(shí)，青藏高原也是全球氣候變化的“放大器”和“驅(qū)動(dòng)器”，對(duì)全球氣候變化非常敏感[8]。隨著全球氣候變暖，青藏高原冰川面積減少，改變了其水文生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而影響了區(qū)域地表水水量及水質(zhì)[1,9-15]。

研究青藏高原河流和湖泊的水化學(xué)和同位素特征對(duì)于認(rèn)識(shí)青藏高原水循環(huán)過(guò)程以及水資源和環(huán)境保護(hù)具有重要的科學(xué)意義。因此，學(xué)者們開(kāi)展了青藏高原河流和湖泊等水體的水化學(xué)特征研究，如高壇光等[16]利用主成分分析和相關(guān)分析得出納木錯(cuò)流域河水的主要化學(xué)成分來(lái)源；王鵬等[17]分析了打加芒錯(cuò)湖的水化學(xué)組成特征及其演化過(guò)程。

本研究選取青藏高原西南部湖水、河水、冰川融水和地下水為研究對(duì)象，通過(guò)樣品采集與測(cè)試，分析了該地區(qū)地表水水化學(xué)特征與類(lèi)型，結(jié)合氫氧穩(wěn)定同位素特征，探討了主要離子來(lái)源及其控制因素，為高原水文地球化學(xué)研究及其保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)水樣的采集、測(cè)試和數(shù)據(jù)分析方法

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原位于26°00′N(xiāo)～39°47′N(xiāo)、73°18′E～104°47′E，是全球海拔最高的自然地理單元，有“世界屋脊”、“第三極”之稱(chēng)。青藏高原地區(qū)夏季受印度洋西南季風(fēng)和大西洋水汽影響，冬季受到西風(fēng)帶和北冰洋水汽控制，年平均氣溫由東南地區(qū)的20 ℃向西北地區(qū)遞減至-6 ℃以下，由于南部海洋暖濕氣流受多重高山阻留，年降水量相應(yīng)由2 000 mm遞減至50 mm以下。

青藏高原河流眾多，湖泊密布，長(zhǎng)江、黃河、印度河、恒河上游均發(fā)源于青藏高原。青藏高原湖泊群是世界上海拔最高、范圍最大、數(shù)量最多的高原湖泊群。青藏高原多年平均地表水資源量達(dá)5.463 4×1011m3，約占全國(guó)地表水資源總量的20.23%，地下水資源總量約為1.568 0×1011m3[18]。

青藏高原自元古代以來(lái)地層發(fā)育齊全，地層沉積類(lèi)型多樣，尤以中、新生代海相地層出露良好?；鸪蓭r及變質(zhì)巖分布廣泛，各種巖石類(lèi)型均有出露，巖石類(lèi)型復(fù)雜。

1.2 樣品采集與測(cè)試

2020年8月，在青藏高原西南部的印度河流域、雅魯藏布江流域和藏北高原地區(qū)(沿206省道和黑阿公路)進(jìn)行了系統(tǒng)的野外考察和樣品采集，共采集水樣品47件，其中湖水樣品29件、河水樣品9件、冰川融水樣品6件、地下水(含泉水)樣品3件，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)位置圖

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

2 結(jié)果分析

2.1 各水體主要離子組成

水體的pH值是衡量水體水質(zhì)的一項(xiàng)常用指標(biāo)。青藏高原西南地區(qū)的地表水呈堿性，其中，湖水的pH值變化范圍為8.30～9.95，平均值為8.98；河水的pH值變化范圍為7.52～8.95，平均值為7.93；冰川融水的pH值變化范圍為7.86～8.21，平均值為8.02。地下水的pH值變化范圍為7.69～8.41，平均值為7.96。

青藏高原西南部地表水及地下水的主要離子組成特征值見(jiàn)表1。由表1知：湖水的TDS含量變化范圍最大，為238.5～122 605.9 mg/L，變異系數(shù)高達(dá)191.96%；河水的TDS含量變異系數(shù)也較高，達(dá)45.97%，河水的TDS含量為34.0～274.7 mg/L；冰川融水的TDS含量為98.6～488.3 mg/L，變異系數(shù)為43.10%；地下水的TDS含量變化范圍較小，變異系數(shù)為21.69%，地下水的TDS含量為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含量明顯高于其他水體的，不同水體的TDS含量由大到小順序?yàn)楹?、冰川融水、河水、地下水?/p>

表1 青藏高原西南部地表水及地下水的主要離子組成特征值

續(xù)表

青藏高原西南地區(qū)不同水體主要離子特征如圖2所示。由圖2可知：

圖2 青藏高原西南地區(qū)不同水體中主要離子的濃度特征

圖3 青藏高原西南部河水中主要離子濃度特征

圖3中離子濃度的世界平均值引自MEYBECK M(1987年)的成果[21]，黃河和長(zhǎng)江上游水體中離子濃度數(shù)據(jù)引自劉佳駒等(2018年)的成果[22]。

2.2 各水體的水化學(xué)類(lèi)型

為進(jìn)一步確定水化學(xué)組成特征，利用Piper三線圖和舒卡列夫分類(lèi)確定不同水體的水化學(xué)類(lèi)型，如圖4所示。

圖4 青藏高原西南地區(qū)地表水與地下水樣品的Piper圖

由圖4知：湖水的主要化學(xué)類(lèi)型為Mg-SO4、Mg-HCO3、Na-SO4、Na-HCO3和Na-Cl，河水的主要化學(xué)類(lèi)型為Ca-HCO3、Na-HCO3和Mg-HCO3，冰川融水的主要化學(xué)類(lèi)型為Ca-SO4、Ca-HCO3和Na-HCO3，地下水的化學(xué)類(lèi)型為Ca-HCO3。

2.3 各水體的氫氧穩(wěn)定同位素特征

水體的氫氧穩(wěn)定同位素特征可以反映水體的來(lái)源。青藏高原西南地區(qū)地表水與地下水樣品的δ2H-δ18O關(guān)系如圖5所示。

圖5 青藏高原西南地區(qū)地表水與地下水樣品的δ2H-δ18O關(guān)系圖

由圖5可知：

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

2)河水、冰川融水和地下水的同位素組成均分布在全球大氣降水線(GMWL:δ2H=81δ18O+10)[23]和當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(LMWL:δ2H=8.41δ18O+16.72)[24]附近，而湖水樣品中的同位素組成偏離全球大氣降水線(GMWL)，位于全球大氣降水線的右下方，說(shuō)明湖水經(jīng)歷了強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用。河水中的同位素組成位于地下水、冰川融水和降水?dāng)?shù)據(jù)中間(降水?dāng)?shù)據(jù)為T(mén)IAN L等1998—2001年的連續(xù)觀測(cè)數(shù)值的加權(quán)平均值[25])，表明河水受到降水、地下水和冰川融水的補(bǔ)給。

青藏高原西南地區(qū)地表水與地下水樣品的δ18O-TDS含量與d-excess-TDS含量關(guān)系如圖6所示。

圖6 青藏高原西南地區(qū)地表水與地下水樣品δ18O-TDS含量與d-excess-TDS含量關(guān)系圖

由圖6可知：河水與地下水中δ18O與TDS含量呈正相關(guān)，而湖水和冰川融水中的δ18O與TDS含量無(wú)相關(guān)性。湖水的氚盈余(d-excess，d=δ2H-8δ18O)最小且變化范圍最大，為-24.2‰～5.4‰；河水的氚盈余為-4.4‰～21.8‰，冰川融水的氚盈余為0.7‰～19.7‰，地下水的氚盈余最大，為8.2‰～17.8‰。d-excess與TDS含量的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出：隨著TDS含量的增加，河水、冰川融水和地下水中d-excess逐漸貧化，表明了蒸發(fā)作用降低了水體中的氚盈余，而湖水的d-excess與TDS含量無(wú)明顯相關(guān)性，表明湖水中離子分布的空間差異較大。

3 討論

3.1 主要離子來(lái)源與控制因素分析

3.1.1 Gibbs圖特征

地表水的水化學(xué)組分受氣候、地形、土壤、巖性、植被和人類(lèi)活動(dòng)共同影響，其中巖石類(lèi)型對(duì)地表水的水化學(xué)特征起著決定性作用[26-27]。GIBBS R J總結(jié)了全球雨水、河水、湖泊等地表水體的化學(xué)組成，提出了控制地表水中元素成因的3個(gè)自然因素：降水、巖石風(fēng)化、蒸發(fā)(結(jié)晶)[28]。

青藏高原西南地區(qū)的地表水和地下水的Gibbs圖如圖7所示。圖7表現(xiàn)出以下特征：

(a) TDS含量-Na+/(Na++Ca2+) (b) TDS含量圖7 青藏高原西南地區(qū)地表水水化學(xué)Gibbs圖分布模式

4)地下水樣品中的離子含量比值介于冰川融水和湖泊水樣的之間。

上述Gibbs模型沒(méi)有考慮積雪和冰川融水對(duì)徑流的影響，然而在青藏高原，冰雪融水對(duì)地表水的補(bǔ)給較為普遍。

3.1.2 離子含量特征

(a) Cl-含量與(Na++K+)含量的關(guān)系 (b) 含量與(Na++K+)含量的關(guān)系

(c) 含量與含量的關(guān)系 (d) 含量與(Ca2++Mg2+)含量的關(guān)系

(e) 含量與(Ca2++Mg2+)含量的關(guān)系 (f) TDS含量與離子含量比(Ca2++Mg2+)/(Na++K+)的關(guān)系

(g) TDS含量與離子含量比的關(guān)系 (h) 與Mg2+/Na+的關(guān)系圖8 青藏高原西南地區(qū)不同水體離子比例

由圖8(a)可知：大多數(shù)樣品中的Cl-與Na++K+含量的比值均在1∶1等值線以上，表明除蒸發(fā)巖溶解，硅酸鹽巖礦物溶解也是水中Na+、K+的主要來(lái)源。

研究表明：碳酸鹽巖風(fēng)化產(chǎn)生的陽(yáng)離子含量比Ca2+/Na+和Mg2+/Na+的值分別為50±20和20±8，硅酸鹽巖風(fēng)化產(chǎn)生的陽(yáng)離子含量比Ca2+/Na+和Mg2+/Na+的值分別為0.35±0.15和0.24±0.12，蒸發(fā)巖風(fēng)化產(chǎn)生的陽(yáng)離子含量比Ca2+/Na+和Mg2+/Na+的值分別為0.17±0.09和0.02±0.01。

圖8(h)表明，青藏高原西南地區(qū)的冰川融水樣品的采樣點(diǎn)主要位于碳酸鹽巖控制端，河水和地下水樣品的位于硅酸鹽巖和碳酸鹽巖控制端之間，表明該水樣中離子主要受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風(fēng)化溶解的共同控制，而蒸發(fā)巖溶解對(duì)其含量的影響較小。湖水樣品中Ca2+/Na+的值小于上一段中的3個(gè)閾值。造成該現(xiàn)象的主要原因在于青藏高原的湖泊多為封閉型湖泊，湖水長(zhǎng)期強(qiáng)烈的蒸發(fā)使得湖水中的Ca2+析出，從而造成Ca2+/Na+的值減小。

3.1.3 礦物飽和指數(shù)特征

飽和指數(shù)(SI)是指示礦物與水體之間所處狀態(tài)的參數(shù)，反映了水體化學(xué)成分的變化趨勢(shì)。青藏高原西南地區(qū)水樣品中礦物指數(shù)如圖9所示。

圖9 青藏高原西南地區(qū)水樣品的礦物飽和指數(shù)與TDS含量的關(guān)系

圖9中顯示：

2)河水、冰川融水和地下水樣品中方解石和白云石的飽和指數(shù)隨著TDS含量的增加由小于0變?yōu)榇笥?，表明部分水樣品中方解石和白云石處于不飽和狀態(tài)，更多的方解石和白云石將會(huì)溶解，而部分水樣品中方解石和白云石處于飽和狀態(tài)，溶解的方解石和白云石礦物將會(huì)沉淀。

3.2 湖水的水化學(xué)時(shí)間分布特征分析

早在1981年，于昇松等[30]分析了青藏高原鹽湖的水化學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)藏北高原的鹽湖水類(lèi)型主要為硫酸鹽-碳酸鹽型水，無(wú)氯化物型水，淡水湖和咸水湖的pH值比鹽湖的高。硫酸鹽型水和氯化物型水的pH值隨TDS含量的增加而減小，而碳酸鹽型水的pH值隨TDS含量的增加保持不變。此外，鄭綿平等[31]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原湖水的pH值與TDS含量呈負(fù)相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)青藏高原西南地區(qū)湖水樣品的TDS含量與pH值呈正相關(guān)的關(guān)系，如圖10所示。

圖10 青藏高原西南部各水體中TDS含量與pH值的關(guān)系

羊卓雍錯(cuò)1979年、1984年、2010年和2020年的TDS含量分別為1 781、1 943、1 278和1 674 mg/L(這些數(shù)據(jù)來(lái)自張雪芹等的研究成果[1,32])，通過(guò)對(duì)比，目前羊卓雍錯(cuò)中TDS含量較上世紀(jì)的降低。造成這種現(xiàn)象的原因可能是氣溫升高導(dǎo)致冰川消融，冰川融水稀釋了湖水中離子的質(zhì)量濃度。而2005年、

類(lèi)延斌等[35]研究發(fā)現(xiàn)，2009年夏季，藏北高原的湖泊多為咸水湖和鹽湖，湖水的pH值較高，羊卓雍錯(cuò)的鹽度略高于1.00 g/L，洞錯(cuò)的鹽度為41.20 g/L。本研究中，羊卓雍錯(cuò)中的溶解性總固體(TDS)含量為1.67 g/L，高于文獻(xiàn)[1]和[32]的研究結(jié)果，而洞錯(cuò)中的TDS含量為41.22 g/L，與文獻(xiàn)[1]和[32]的結(jié)果基本一致。

3.3 水化學(xué)同位素參數(shù)空間分布特征分析

研究表明，受氣候、水文和地質(zhì)條件的控制，由藏東南向藏西北，湖水礦化度逐漸增高[36]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原西南地區(qū)由南向北，湖水的δ18O和TDS含量未呈現(xiàn)顯著的空間分布特征，由東向西，湖水的δ18O呈逐漸富集的趨勢(shì)，而TDS含量未呈現(xiàn)明顯的空間分布特征。此外，湖水樣品中的δ18O與TDS含量未呈現(xiàn)高程效應(yīng)，如圖11所示。

(a)水樣品中δ18O與海拔的關(guān)系 (b) 水樣品中TDS含量與海拔的關(guān)系

(c) 水樣品中δ18O與緯度的關(guān)系 (d) 水樣品中TDS含量與緯度的關(guān)系

(e) 水樣品中δ18O與經(jīng)度的關(guān)系 (f) 水樣品中TDS含量與經(jīng)度的關(guān)系圖11 青藏高原西南部地表水及地下水樣品δ18O與TDS含量空間分布圖

由圖11可以看出：1)與湖水樣品不同，青藏高原西南地區(qū)的河水樣品中的δ18O呈現(xiàn)明顯的緯度特征，由南向北，河水樣品中的δ18O逐漸富集，呈現(xiàn)東西方向和高程方面的空間分布特征。此外，河水樣品中的TDS含量未呈現(xiàn)任何方向的空間分布特征。

2)盡管冰川融水和地下水樣品中的TDS含量較少，但兩種水樣中的δ18O和TDS含量均呈現(xiàn)出高程效應(yīng)。此外，地下水樣品中的δ18O和TDS含量還呈現(xiàn)出顯著的緯度分布特征和經(jīng)度分布特征，由南向北和由東向西方向，地下水中的δ18O逐漸富集，TDS含量逐漸增加。冰川融水樣品中的δ18O呈現(xiàn)出和地下水中相似的緯度分布和經(jīng)度分布特征，而其中TDS含量未呈現(xiàn)任何空間分布特征。

3.4 湖泊水量與水質(zhì)的關(guān)系分析

湖泊面積與TDS含量和δ18O的關(guān)系如圖12所示。

(a) 湖泊水面面積與TDS含量的關(guān)系 (b) 湖泊水面面積與δ18O的關(guān)系圖12 青藏高原西南地區(qū)湖泊水面面積與δ18O和TDS含量的關(guān)系

由圖12可以看出湖泊分兩種水源演化過(guò)程:第一種是面積較大的湖泊，具有相對(duì)穩(wěn)定的補(bǔ)給水源，因此其水化學(xué)同位素特征較為穩(wěn)定；第二種為面積相對(duì)較小的湖泊，其水化學(xué)同位素特征變化較大，這一方面反映了這些面積較小湖泊具有多元的補(bǔ)給水來(lái)源，另一方面也反映了青藏高原小型湖泊對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感。

4 結(jié)語(yǔ)

2)湖水的δ2H和δ18O最為富集，分別為-89.1‰～-45.7‰和-9.7‰～-3.7‰；地下水的δ2H和δ18O最為貧化，分別為-165.1‰～-106.2‰和-22‰～-15.5‰；河水的δ2H和δ18O分別為-131.8‰～-111.1‰和-19.2‰～-13.9‰；冰川融水的δ2H和δ18O分別為-149.1‰～-124.1‰和-21.1‰～-15.6‰。

3)碳酸鹽和硅酸鹽風(fēng)化對(duì)控制青藏高原西南地區(qū)河水水化學(xué)特征具有主導(dǎo)作用，而蒸發(fā)結(jié)晶對(duì)控制湖水水化學(xué)特征具有主導(dǎo)作用。