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青藏高原西部、南部和东北部边界地区天然水的水化学性质及其成因

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

田原1,2, 余成群,1, 查欣洁2,3, 高星3, 于明寨41. 中国科学院地理科学与资源研究所 生态系统网络观测与模拟重点实验室 西藏拉萨农田生态系统国家野外科学观测研究站,北京 100101
2. 中国科学院大学,北京 100049
3. 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101
4. 西藏自治区农牧科学院农业研究所,拉萨 850002

Hydrochemical characteristics and factors controlling of natural water in the western, southern, and northeastern border areas of the Qinghai-Tibet Plateau

TIAN Yuan1,2, YU Chengqun,1, ZHA Xinjie2,3, GAO Xing3, YU Mingzhai41. Lhasa National Ecological Research Station, Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modelling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
4. Research Institute of Agriculture, Tibet Academy of Agriculture and Animal Husbandry Sciences, Lhasa 850002, China

通讯作者: 余成群(1965-), 男, 研究员, 博士生导师, 主要从事西藏农业与区域发展研究。E-mail: yucq@igsnrr.ac.cn

收稿日期:2018-05-15修回日期:2018-10-15网络出版日期:2019-05-25
基金资助:西藏重点研发与转化计划.XZ201901NB08
西藏科技重大专项.XZ201901NA03
西藏科技重大专项.XZ201801NA02


Received:2018-05-15Revised:2018-10-15Online:2019-05-25
Fund supported: Key R&D and Transformation Program of Tibet.XZ201901NB08
Major Science and Technology Project of Tibet.XZ201901NA03
Major Science and Technology Project of Tibet.XZ201801NA02

作者简介 About authors
田原(1991-),男,陕西西安人,博士生,主要从事西藏水环境与健康研究E-mail:tiany.13s@igsnrr.ac.cn







摘要
特殊的地理和人文环境致使青藏高原天然水拥有独特的水化学性质并保存着较完整的原生状态,但随着人类活动强度的持续增大,可能导致当地水环境及水化学性质发生改变。通过对青藏高原存在人类活动的西部、南部和东北部边界地区进行水样采集、分析与测定,并探讨了当地天然水水化学性质的区域差异及其成因规律。结果表明:青藏高原不同边界地区天然水的物理性质、水化学性质和成因均存在差异,这些差异主要是地理环境、地质条件等综合作用的结果;水样pH的平均值为7.75,总溶解固体(TDS)的均值为171 mg/L,总硬度(TH)的均值为168 mg/L,总体来看水质较好,大部分能够满足国家和世界卫生组织(WHO)生活饮用水卫生标准,适宜饮用;水样中Ca 2+和Mg 2+为主要阳离子,HCO3-和SO42-为主要的阴离子,主要由碳酸盐的风化和蒸发岩的溶解共同控制且碳酸盐岩风化的过程更为强烈;各边界地区天然水中的生物源物质均远低于国家和WHO标准,表明目前这些地区受人类活动的影响仍较小。
关键词: 青藏高原边界地区;天然水;水化学性质;成因机制

Abstract
The special geographic and human environment of the Qinghai-Tibet Plateau has created the unique hydrochemical characteristics of the region's natural water, which has been preserved in a completely natural state. However, as the intensity of human activities in the region continued to increase, the water environment and hydrochemical characteristics on the plateau have changed. In this study, we collected, analyzed, and measured water samples in the western, southern, and northeastern border areas of the Qinghai-Tibet Plateau, where human activities are ongoing, and the regional differences and factors controlling them were investigated. The key results were obtained as follows. (1) There were differences in the physical properties and hydrochemical characteristics, and their controlling factors in the different boundary areas of this plateau. These differences were mainly caused by the effects of the geographical environment and geological conditions. (2) The average pH of the water samples was 7.75, the average total dissolved solid (TDS) content was 171 mg/L, and the average hardness (TH) content was 168 mg/L. Overall, the water quality was good and suitable for drinking, with most samples meeting national and WHO drinking water standards. (3) The main cations were Ca 2+ and Mg 2+ in water samples, while HCO3- and SO42- were the main anions. The chemical properties of water were mainly controlled by the weathering of carbonates and the dissolution of evaporative rocks, with the weathering of carbonate rocks being most influential. (4) The biological quality indicators of natural water in the border areas was far superior to national and WHO standards, which indicated that these areas were rarely affected by human activities.
Keywords:border area of the Qinghai-Tibet Plateau;natural water;hydrochemical characteristics;controlling factors


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本文引用格式
田原, 余成群, 查欣洁, 高星, 于明寨. 青藏高原西部、南部和东北部边界地区天然水的水化学性质及其成因. 地理学报[J], 2019, 74(5): 975-991 doi:10.11821/dlxb201905011
TIAN Yuan. Hydrochemical characteristics and factors controlling of natural water in the western, southern, and northeastern border areas of the Qinghai-Tibet Plateau. Acta Geographica Sinice[J], 2019, 74(5): 975-991 doi:10.11821/dlxb201905011


1 引言

地理环境要素中水是最活跃的因子,在其循环运动过程中,与大气圈、生物圈、土壤圈、岩石圈之间,处于相互联系、相互作用之中,并导致水量与水质不断地发生变化,水环境围绕着人群空间并可直接或间接影响人类生活和发展[1]。青藏高原被称作“亚洲水塔”,是中国及东南亚地区众多河流的发源地,在国家生态安全屏障保护与建设中占有重要的地位,淡水亦成为继能源资源之后最重要的战略资源[2]。由于受环境、交通和社会历史发展等条件所限,青藏高原丰富的水资源开发程度较低,成为地球上受人类活动影响和污染较小的地区之一,其水环境仍相对保持着较完整的原生状态[3]。但特殊的高寒环境使高原生态环境敏感且极其脆弱,随着社会的进步与经济的发展,青藏高原生态环境系统不稳定性增加,资源环境压力加重[4]

目前,除青藏高原北部的羌塘高原无人区外,人类活动的程度在青藏高原日益增强,尤其是随着新藏公路(青藏高原西部)与青藏公路(青藏高原东北部)的贯通以及樟木口岸与吉隆口岸(青藏高原南部)的建成开放,使得青藏高原与中国南新疆地区、西北地区、华南地区以及国外尼泊尔等高原面外的区域联系更加频繁,各边界地区也将逐步成为中国面向南亚开放的重要通道,作为“一带一路”倡议的重要支点。这也进一步对高原本身及周边地区的环境产生影响,使当地天然水的水环境及水化学性质发生改变,进而影响当地农牧民的生产生活。近年来,关于青藏高原水化学的研究多集中在青藏高原的主要几大河流湖泊及其流域,例如雅鲁藏布[5,6,7]、森格藏布[8,9]、三江源[10,11,12,13]、青海湖[14,15,16]、羊卓雍错[17,18,19,20]、普莫雍错[21,22]、纳木错[23,24,25]、玛旁雍错[26]等。一些****也研究了青藏高原部分地区水的水化学性质[27,28,29]、重金属与微量元素[3, 30-33]和微生物[34,35,36]等。

然而,现有的研究缺乏对青藏高原存在人类活动的各边界地区天然水的水化学性质及其成因规律的系统研究。2017年8月、10月和11月,研究团队分别在青藏高原西部、南部和东北部边界地区采集了天然水水样(图1,表1)并现场测量了相关物理性质,同年9月和12月在中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心对水中元素含量进行分析化验。本文通过对青藏高原存在人类活动的3个边界地区天然水水样的采集和分析测定,研究青藏高原不同边界地区天然水的水化学性质,对比不同边界地区的区域差异,进而探讨其成因规律。

图1

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图1天然水采样点的地理位置及分布(a. 青藏高原西部边界的水样点;b. 青藏高原南部边界的水样点;c. 青藏高原东北部边界的水样点)

Fig. 1Geographical location and distribution of water sampling points in Qinghai-Tibet Plateau: (a) water sampling points at border area of western Qinghai-Tibet Plateau; (b) water sampling points at border area of southern Qinghai-Tibet Plateau; (c) water sampling points at border area of northeastern Qinghai-Tibet Plateau



Tab. 1
表1
表1青藏高原边界地区水样的采样点信息
Tab. 1Sampling points of water samples in the border area of Qinghai-Tibet Plateau
编号类型地点纬度(N°)经度(E°)高程(m)编号类型地点纬度(N°)经度(E°)高程(m)
1井水(14 m)噶尔县扎西岗乡鲁玛村32.372279.7976426227河流水米林县派镇大峡谷景区29.517494.88112931
2河流水噶尔县扎西岗乡典角村32.694279.4597427128河流水米林县派镇加拉村29.697794.89782821
3井水(14 m)日土县青藏高原所阿里站33.392279.7046426429河流水隆子县加玉乡共拉村28.294192.74923380
4井水(15 m)日土县日松乡德汝村33.368279.6971428130河流水隆子县列麦乡列麦村28.424792.57423851
5河流水日土县日松乡33.126279.8355435931河流水隆子县日当镇塔新村28.393092.10564253
6河流水噶尔县昆莎乡噶尔藏布32.106980.0823429332河流水隆子县日当镇曲古塘村28.488392.28454119
7井水(10 m)札达县托林镇象雄宾馆31.477879.8051371233河流水隆子县雪沙乡下木达村28.634692.54594245
8井水(8 m)札达县托林镇波林村31.475779.6732362134河流水隆子县雪沙乡下木达村28.633792.54894175
9河流水札达县达巴乡31.587979.9703458235河流水隆子县雪沙乡乡政府28.603892.55663905
10河流水札达县达巴乡31.531479.9843449336河流水隆子县热荣乡才麦村28.485692.14894064
11河流水札达县达巴乡31.448480.1229469337井水(8 m)聂拉木县门布乡昌加村28.785786.22554452
12河流水噶尔县门士乡乡政府31.178980.7601445038河流水聂拉木县门布乡朗隆曲28.581286.15014857
13河流水噶尔县门士乡31.142680.9014463639河流水聂拉木县亚来乡土龙村28.456586.16504560
14井水(10 m)普兰县普兰镇迎宾馆30.294581.1759390540河流水聂拉木县聂拉木镇28.159885.98053771
15井水(5 m)普兰县普兰镇科加村30.192781.2707373441河流水聂拉木县聂拉木镇28.163485.97683788
16河流水普兰县普兰镇科加村30.263381.1870389142河流水聂拉木县亚来乡扎西宗村28.292886.02484104
17河流水普兰县普兰镇纳木纳尼30.515781.2018452143河流水聂拉木县亚来乡如甲村28.327386.04744259
18河流水普兰县霍尔乡30.687281.8323475244河流水聂拉木县亚来乡亚来村28.382886.10704373
19河流水隆子县隆子镇28.408192.4628388145河流水聂拉木县亚来乡来新村28.415986.13074426
20河流水隆子县日当镇卡当村28.612592.2153499846河流水聂拉木县波绒乡28.754785.58424643
21河流水米林县扎西绕登乡雪巴村29.231994.0680299347河流水吉隆县吉隆镇28.395085.32942815
22河流水米林县卧龙镇塘崩巴村29.144793.6939303248河流水吉隆县吉隆镇朗久村28.395285.35252731
23河流水米林县南伊乡才召村29.184994.1883293849河流水吉隆县吉隆沟大瀑布28.481285.22513171
24河流水米林县南伊乡琼林村29.127994.2226300950河流水吉隆县吉隆沟卓汤村28.500685.22153261
25河流水米林县南伊乡南伊沟29.041794.2321314751河流水吉隆县吉隆沟卓汤村28.534685.21953409
26河流水米林县丹娘乡仲莎村29.461394.7849294552河流水吉隆县吉隆沟夏村28.541885.22853510
编号类型地点纬度(N°)经度(E°)高程(m)编号类型地点纬度(N°)经度(E°)高程(m)
53河流水吉隆县吉隆沟夏村28.563585.2462363271河流水康马县康马镇28.558789.68074298
54河流水吉隆县吉隆沟游客中心28.605685.2599376072河流水夏河县拉卜楞镇35.1936102.51512942
55河流水吉隆县吉隆沟棍打村28.630185.2691373673河流水夏河县桑科乡35.0651102.46243207
56河流水吉隆县吉隆沟棍打村28.653385.2781378574河流水夏河县桑科乡35.0126102.52323399
57河流水吉隆县吉隆沟沃马村28.739785.2965395575河流水夏河县桑科乡34.9377102.65943249
58河流水吉隆县宗嘎镇28.855785.2968414576河流水碌曲县34.5901102.48543112
59河流水吉隆县马拉兵站北29.040985.4394473377河流水碌曲县尕海乡尕秀村34.4331102.29763432
60河流水吉隆县折巴乡达木村29.207485.3636452778河流水碌曲县尕海乡加仓村34.2006102.44193491
61河流水聂拉木县樟木镇27.988785.9828227779河流水碌曲县奔子栏镇34.1269102.61163358
62河流水聂拉木县樟木镇27.990385.9829226380河流水碌曲县郎木镇34.0949102.63183393
63河流水聂拉木县亚来乡亚来村28.382886.1070437381河流水诺尔盖县红星乡34.0959102.75453161
64河流水康马县涅如堆乡日果村28.486589.9269456982河流水迭部县扎尕那业日村34.2394103.17922974
65河流水康马县涅如堆乡日果村28.489489.9265458483河流水迭部县扎尕那34.2374103.20252978
66河流水康马县涅如麦乡白墩村28.641989.8728438984河流水迭部县扎尕那34.2370103.19792939
67河流水康马县雄章乡青卓村28.618389.3708448985河流水迭部县34.0558103.23732355
68河流水康马县萨玛达乡孟则村28.349589.5377444786河流水迭部县旺藏乡33.9520103.60592007
69河流水康马县萨玛达乡28.251789.6455457387河流水迭部县花园乡黑杂村33.9885103.92071733
70河流水康马县嘎拉乡克村28.238889.1817447488河流水迭部县花腊子乡腊子村34.2426103.91132948

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2 数据与方法

2.1 研究区概况

青藏高原位于中国西南边境地区(26°00'12''N~39°46'50''N,73°18'52''E~104°46'59''E),总面积2.57×106 km2,平均海拔超过4 km[37]。青藏高原的东北部边界地区处于青藏高原和黄土高原过渡地带,地势西北部高(草甸草原),东南部低(岷迭山区);南部边界地区地处喜马拉雅山区,地貌类型主要为深切高山峡谷和高原宽谷湖盆;西部边界地区地处羌塘高原的西北部,北部、中部和西部分布着昆仑山脉、冈底斯山脉和喜马拉雅山脉,地貌类型主要为高原湖盆、河流谷地、土林和高山沟谷等类型。青藏高原元古代以来地层发育齐全,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,岩石种类复杂[38]。青藏高原各地区降雨量存在较大差异,东部和南部降雨充沛、径流丰富,地表水和地下水供给充足,西部和北部十分干旱,是全球的寒旱核心。各边界采样县的年均降水量分别约为:620 mm(东北边界)、570 mm(南部边界)、130 mm(西部边界)[39]。青藏高原多年平均地表水资源量达5.4634×1011 m3,约占全国地表水资源总量的20.23%,地下水资源总量约1.568×1011 m3 [40]。2016年青藏高原各边界地区地级市内的县均GDP分别为:17.07亿元(东北边界,甘南藏族自治州)、12.12亿元(南部边界,日喀则市、山南市、林芝市)、6.04亿元(西部边界,阿里地区)[39]

2.2 采样及现场分析

水样的位置信息通过使用手持GPS(GARMIN, Rino 530HCx, 台北, 台湾, 中国)设备在每个采样点处记录。水样的pH值、电导率(electrical conductivity, Ec)和温度(temperature, T)分别使用pH计(SX-620, 三信, 上海, 中国, 检测限: 0.01)和电导率仪器(SX-650, 三信, 上海, 中国, 检测限: 0.1 μS/cm)原位测定,电阻率(resistivity, RES)、盐度(salinity, SAL)和总溶解固体(total dissolved solids, TDS)由仪器通过Ec自动换算而得。所有水样采集存储于用去离子水清洗过的聚乙烯瓶中,并保持4 °C恒温。取样方法严格按照国家《生活饮用水标准检验方法》(GB/T 5750-2006)[41]进行。

2.3 室内分析

所采集的样品均在中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心分析测定。碳酸根(CO32-)和重碳酸根(HCO3-)采用酸碱指示剂滴定法测定[42,43],阴离子(包括F-、Cl-、SO42-、H2PO4-、NO3-、NO2-和Br-)使用离子色谱仪(ICS-900, Thermo Fisher Scientific, Massachusetts State, USA;检测限: 0.001 mg/L)通过美国环境保护局的方法300.0测定[44]。主要阳离子(Al、B、Ca、Fe、K、Mg、Na、P、Sr和SiO2)使用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES, Optima 5300 DV, PerkinElmer, Massachusetts State, USA;检测限: 0.001 mg/L)测定。总硬度(TH)通过计算得出,TH=镁硬度+钙硬度=Mg2+(ppm)×100÷24.4+Ca2+(ppm)×100÷40。在分析过程中,通过使用经过认证的外部标准溶液、内标校正和重复样品测量进行质量控制。主要阳离子元素的标样使用ICP-MS的多元素标准物质(Lot# 15-76JB, Cat# N9300233)制备。阴离子F-、Cl-、SO42-、H2PO4-、NO3-、NO2-和Br-的标样分别为GBW(E)080549、GBW(E)080268、GBW(E)080266、GBW(E)080435、GBW(E)080264、GBW(E)080223和BW3063(GB代表从国家标准物质中心获得的标准样)。所有的分析方法在测试水样过程中,每测定10个水样,进行一次平行样的测定,以保证数据和仪器的稳定性。水样测试后计算阴阳离子相对误差,88个水样中阴离子和阳离子浓度的相对误差在0.01%~4.67%之间,均小于5%(图2)。因此,可认为所测水样数据准确可靠[45]

图2

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图2水样中总阳离子与总阴离子图

Fig. 2Total cations versus total anions in water samples



3 结果与讨论

3.1 水化学性质

青藏高原各边界地区的水样具有良好的水化学性质和感官性状(表2)。水样pH值介于6.52~8.88之间,平均值为7.75。TDS的平均值为171 mg/L,TH值介于3.69 mg/L(极软水)至512 mg/L(高硬水)之间,平均值为168 mg/L。

Tab. 2
表2
表2青藏高原边界地区天然水水样的理化性质与常量元素指标检测结果
Tab. 2Statistical summary of the parameters determined in the studied natural water samples of Qinghai-Tibet Plateau
参数pHTDS
(mg/L)
TH
(mg/L)
Ca2+
(mg/L)
K+
(mg/L)
Mg2+
(mg/L)
Na+
(mg/L)
HCO3-
(mg/L)
Cl-
(mg/L)
SO42-
(mg/L)
NO3-
(mg/L)
SiO2
(mg/L)
单位
全部水样最小值6.526.113.691.100.000.190.192.950.001.290.002.08
最大值8.885835121498.4371.032.830521.735632.220.7
平均值7.7518016844.71.0313.56.061272.3359.22.608.77
中位数7.7517114342.30.879.023.751090.6828.71.157.64
标准差0.5013012730.91.0614.66.3095.83.9880.84.484.10
偏度-0.041.130.880.773.891.751.660.372.942.034.330.85
西部边界最小值6.9932.927.69.380.000.990.1916.40.003.480.004.85
最大值8.8839139469.38.4352.932.830221.719932.220.7
平均值8.3814212231.01.4410.610.81065.6246.93.4110.2
中位数7.7417114642.40.869.093.541080.6729.61.177.50
标准差0.4479.182.817.41.7711.18.3770.16.7945.07.424.96
偏度-1.971.451.760.543.372.950.740.921.082.133.230.75
南部边界最小值6.526.113.691.100.000.190.382.950.311.290.402.08
最大值8.075835121492.7258.723.73059.8435619.218.3
平均值7.5718716344.50.7712.54.3298.60.9674.41.748.46
中位数7.6613112838.40.645.303.0274.30.5738.31.046.95
标准差0.3615614636.00.6815.24.6890.61.6895.72.714.04
偏度-1.110.920.900.850.761.441.920.934.471.515.300.68
东南部边界最小值6.8711914840.60.344.440.991620.973.350.923.51
最大值8.1433046281.92.8771.020.629812.413916.314.0
平均值7.6619823159.91.4019.56.502383.1124.54.388.22
中位数7.7719822458.11.0017.14.342502.5415.72.098.04
标准差0.4047.766.812.00.7614.45.4837.22.5831.23.962.64
偏度-0.680.912.270.140.472.541.55-0.282.702.901.590.34

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主要离子的显著空间变异表明流域尺度上的人为活动和不同岩性对水化学性质的影响[46,47]表2列出了青藏高原不同边界地区水样中主要理化性质与常量元素的统计数据。水样中主要阳离子浓度的顺序为:Ca2+ > Na+ > Mg2+ > K+(青藏高原西部边界地区),Ca2+ > Mg2+ > Na+ > K+(青藏高原南部及东北部边界地区),而阴离子浓度的顺序为:HCO3- > SO42- > Cl- > NO3-(青藏高原西部边界地区),HCO3- > SO42- > NO3- > Cl-(青藏高原东南部和东北部边界地区)(表2)。水样中TDS和TH的最低值位于青藏高原西部边界地区,其平均值在该地分别为142.01 mg/L和122.55 mg/L。

青藏高原不同边界地区的水样主要是淡—软水和淡—硬水,未发现高TDS和高TH的咸—硬水(TDS > 1000 mg/L, TH > 1000 mg/L)(图3)。青藏高原西部边界地区大多数的水样是淡—软水,而东北部边界地区多为淡—硬水(图3)。

图3

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图3青藏高原不同边界地区的天然水水样的水质情况

Fig. 3Water quality of natural water samples in different border areas of Qinghai-Tibet Plateau



表3可以看出,各边界地区水样中TDS、Ca2+、Mg2+、Na+和Cl-含量均低于中国(GB5749-2006)和世界卫生组织(World Health Organization, WHO)标准;所有水样pH值均达到WHO标准,但仅有50%的西部边界地区的水样达到国家标准,其他南部和东北部边界地区的水样均同时达标中国和WHO标准;南部和东北部边界地区分别有7.5%和5.9%的水样超过TH国家标准,仅有1个南部边界的水样TH值超过了WHO标准;南部边界地区均有11%的水样中SO42-的浓度超过中国和WHO标准;所有水样的NO3-浓度均达到WHO标准,但是西部、南部和东北部边界地区分别有5.6%、1.9%和5.9%的水样NO3-浓度超过国家标准。因此,总体上看青藏高原边界地区的大部分天然水适宜饮用。

Tab. 3
表3
表3青藏高原边界地区超过饮用水标准的天然水水样分布
Tab. 3Distribution of natural water samples exceeding the drinking water standards in border areas of Qinghai-Tibet Plateau
参数GB[42]WHO[48]浓度超过饮用水标准的数量
西部边界南部边界东北部边界
pH6.5~8.56.5~9.59 (50%)00
TDS10001000000
TH45050004 (7.5%)1 (5.9%)
Ca2+-300000
Mg2+-300000
Na+200200000
Cl-250250000
SO42-25025006 (11%)0
NO3-10501 (5.6%)1 (1.9%)1 (5.9%)
注:GB代表国家标准。

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3.2 水化学特征

水中主要离子的百分比决定了水的水化学特征,而舒卡列夫分类法所得Piper三线图能很好的反映水中各主要离子的比例[49]。青藏高原边界地区水样的水化学类型主要有(图4):Ca-Mg-HCO3n = 19)、Ca-Mg-HCO3-SO4n = 13)、Ca-Mg-SO4-HCO3n = 13)、Ca-HCO3n = 13)和Ca-HCO3-SO4n = 10)。在不同的边界地区:① 西部边界地区的水样pH均值为8.38(表2),大部分水样的水化学类型为Ca-Mg-HCO3-SO4n = 4)和Ca-Mg-SO4-HCO3n = 2);② 南部边界地区的水样pH均值为7.57(表2),大部分水样的水化学类型为Ca-Mg-SO4-HCO3n = 11)、Ca-Mg-HCO3-SO4n = 9)、Ca-HCO3-SO4n = 9)、Ca-HCO3n = 7)和Ca-Mg-HCO3n = 7);③ 东北部边界地区的水样pH均值为7.66(表2),大部分水样的水化学类型为Ca-Mg-HCO3n = 11)和Ca-HCO3n = 4)。

图4

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图4青藏高原不同边界地区的水样的三线图

Fig. 4Piper diagrams for water samples from different border areas of Qinghai-Tibet Plateau



3.3 成因初探

Gibbs[50]通过建立模型来确定控制地表水中元素成因的3个自然因素的相对重要性,他将水中元素的成因类型归为主要3类:蒸发型、降水型、岩石风化型。Gibbs模型显示,青藏高原不同边界地区水的化学组成主要受岩石风化控制(图5),这与青藏高原内部河流的已有研究基本一致[3, 14, 17, 22, 26]

图5

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图5青藏高原不同边界地区的天然水水样的Gibbs图

Fig. 5Plots of the major ions within the Gibbs boomerang envelope for Qinghai-Tibet Plateau natural water samples, showing TDS values versus the weight ratio of Na+/(Na++Ca2+) and Cl-/(Cl-+HCO3-)



3.4 水化学性质控制机制

全球河流溶解物中来自硅酸盐的占11.6%,来自碳酸盐岩的约占50%,虽然蒸发岩占地表岩石分布面积比例虽小(仅约1.25%),但它的风化溶解却可以贡献全球河流溶解物的17.2%[51]。天然水中的Na++K+主要来源于蒸发岩或硅酸盐的风化产物,Ca2+和Mg2+可能来源于碳酸盐、蒸发岩或硅酸盐,Cl-和SO42-主要来源于蒸发岩的溶解,HCO3-主要来源于碳酸盐岩[46,47]

图6a可知,在青藏高原西部和南部边界地区的水样中大部分Cl-+SO42-和HCO3-的当量浓度比约等于1,Ca2++Mg2+在水样中与HCO3-图6b)和SO42-图6c)的当量浓度比值均大于1,且同HCO3-+SO42-的比值近似等于1(图6d),这说明这些水体中的离子主要由碳酸盐的风化作用和蒸发岩的溶解作用共同控制,进一步说明这些水中的Ca2+和Mg2+可能来源于碳酸盐矿物(如方解石、白云石)的风化和硫酸盐矿物(如石膏)的溶解[52]。同时,大部分水样Ca2+/SO42-和Mg2+/SO42-的当量浓度比略大于1(图6e),说明水中Mg2+的含量低于Ca2+,表明硫酸盐风化的贡献小于碳酸盐[26, 46]。而在青藏高原东北部边界地区的水样中,(Cl-+SO42-)/HCO3-远小于1(图6a),(Ca2++Mg2+)/HCO3-等于1(图6b),(Ca2++Mg2+)/SO42-远大于1(图6c),这说明Ca2+和Mg2+仅与HCO3-关系密切,进一步说明这些水体中的离子主要由碳酸盐的风化作用控制,这些水中的Ca2+和Mg2+可能来源于碳酸盐矿物(如方解石、白云石)的风化。

图6

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图6青藏高原边界地区水样散点图

Fig. 6Scatter diagrams of the water samples in different border areas of Qinghai-Tibet Plateau (in mEq/L)



大部分水样中Na+/HCO3-低于1(图6f),青藏高原西部和东北部边界地区水样中Na+/SO42-约等于1(图6g),这表明硫酸盐矿物(如芒硝)的溶解可能是青藏高原西部和东北部边界地区水中Na+的主要来源[17]。同时由于青藏高原南部边界地区水样中Na+/SO42-小于1(图6g),且没有观察到SO42-,Cl-和其他金属离子之间的相关性,所以青藏高原南部边界地区水样中的Na+可能来源于硅酸盐[17]。当蒸发盐的溶解对水化学组成起主要作用时,水中Na++K+与Cl-的当量浓度比值应等于1[50]。水样中Na+/Cl-图6h)和(Na++K+)/Cl-图6i)均大于1,表明蒸发岩中的石盐(NaCl和KCl)是水样中Cl-离子的主要来源。

水中(Ca2++Mg2+)/(Na++K+)比值可以作为判别不同类型岩石风化贡献程度的指标,硅酸盐风化释放出的Ca2++Mg2+比Na++K+更少[5]。水样中(Ca2++Mg2+)/(Na++K+)(图6j)和SO42-/Na+较大(图6g),这表明富含Ca2+-Mg2+-SO42-的岩石(如石膏、白云石等)对水样的水化学性质存在影响。世界河流(Ca2++Mg2+)/(Na++K+)比值平均为2.2[53]。碳酸盐风化控制的河流(Ca2++Mg2+)/(Na++K+)比值较高,例如中国的青海湖流域5.5~20.25[14]、印度的恒河—布拉马普特拉河碳酸盐岩基岩段5.2~11.5[6]、印度的印度河6.0[54]、中国的长江5.1[47]、加拿大麦肯齐河6.9[55]。相反地,含蒸发岩的流域(Ca2++Mg2+)/(Na++K+)比值较低,例如塔克拉玛干沙漠周边河流0.89[56];南美的奥里诺科河1.5[57];青海湖流域布哈河—黑马河1.36~6.81[14]。青藏高原边界地区水样中(Ca2++Mg2+)/(Na++K+)的平均比值由高到低排序为:东北部地区(23.8)> 南部地区(18.2)> 西部地区(9.8)。这表明青藏高原东北部与西部边界地区相比,前者的岩石风化更多来自于碳酸盐岩。

3.5 人为输入

水中主要离子的化学性质受各种人类活动的显著影响[53, 58-59]。由于中国工业和农业活动的急剧增加,导致这些影响的程度在近些年变得更加深入[47]。一般而言,非点源污染物(例如农业肥料)和地表地质作用(例如岩石风化)是NO3-的两个重要来源[60]。在天然水中存在的生物源物质(包括氮、硫和磷化合物,例如NO2-、NO3-、SO42-和H2PO4-等),能够在一定程度上反映人类活动对水的化学组成的影响[61]

表4图7可以看出,青藏高原不同边界地区氮氧化物的平均值从高到低依次为:东北>西>南>东南,这一顺序基本与这些地区的社会经济发展情况相吻合。各边界地区硫氧化物平均值的总体趋势是:南部 >东部 >西部,而所有水样中的磷化合物均低于检测限或未能检出(表4)。从表4可以看出,水样中所有生物源物质的浓度都很低,远低于国家和WHO标准,这表明目前青藏高原各边界地区受人类活动的影响仍较小。

图7

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图7青藏高原不同边界地区天然水水样中硝酸盐浓度的箱形图

Fig. 7Box and whisker plot of natural water nitrate concentrations in different border areas of QT



Tab. 4
表4
表4水样中人为输入的地球化学变量与中国国家饮用水和世界卫生组织标准中相关值的对比
Tab. 4Values of anthropogenic input geochemical varaiables in waters compared with China's and WHO standards for drinking water
参数边界地区GB[42]WHO[48]
西部南部东北部
NO2- (mg/L)n.a.0.020.08-3
NO3- (mg/L)3.411.714.381050
SO42- (mg/L)46.9174.4524.53250250
PO43- (mg/L)n.a.n.a.n.a.--
注:n.a.(not applicable),表示参数浓度低于仪器检测限或未被检测出。

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3.6 主要离子的主成分分析

通过主成分分析(PCA)对水样中物理化学参数推导出3个重要向量(表5)。结果表明,青藏高原西部、南部和东北部边界地区水样中3种主向量分别占变异总量的85.34%、75.40%和80.61%。主成分轴上的变量得分如图8所示,它显示了青藏高原不同边界地区水样中各变量之间的相似性。

图8

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图8变量主成分分析结果

Fig. 8PCA results for variables



Tab. 5
表5
表5水样主成分分析各向量的特征值和方差百分比结果
Tab. 5Results from the principal component analysis vectors, eigenvalues and % of variance
向量编号西部边界地区南部边界地区东北部边界地区
特征值方差百分比(%)特征值方差百分比(%)特征值方差百分比(%)
17.317852.27036.933049.52156.976249.8304
23.463124.73622.155115.39342.391417.0814
31.16668.33261.468210.48731.917113.6934
40.66984.78430.94676.76221.12438.0310
50.49543.53870.71845.13130.72625.1872
60.33402.38590.70595.04180.51763.6968
70.26221.87290.40282.87740.13300.9501
80.14491.03490.30452.17530.10230.7308
90.10130.72360.20391.45610.06770.4835
100.03680.26270.09230.65940.02410.1724
110.00760.05420.06620.47280.01960.1397
120.00050.00370.00190.01350.00050.0034
130.00000.00000.00110.00790.00000.0000
140.00000.00000.00000.00000.00000.0000
注:主成分向量加粗表示。

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青藏高原西部边界地区水样的主成分分析(表5图8a、图8b)显示,EC、TDS、TH、Ca2+、Mg2+、K+、SO42-和HCO3-在第一向量中的强相关性,反映了碳酸盐风化和蒸发溶解[47, 50]。第二向量中Na+、Cl-、NO3-和SiO2之间的地球化学关系表明硅酸盐风化、蒸发溶解和一些人为输入[47, 50, 62]。由于青藏高原西部边界地区的降水量和人类活动最少[63,64],因此硅酸盐的风化和蒸发溶解对水中的各离子贡献更大。图8b中的第三向量显示了F-的主导性,这解释了基岩与土壤的地质、化学和物理特征对水样水化学性质的作用[65]

图8c和图8d显示青藏高原南部边界地区水样的第一向量中EC、TDS、TH、Ca2+、Mg2+、Na+、SO42-和HCO3-之间的强相关性,显示了碳酸盐风化和蒸发溶解;第二向量中的K+,Cl-和NO3-反映了蒸发和一些人为输入的溶解;而第三向量中的SiO2和F-则证明硅酸盐的风化和地质特征的影响。青藏高原东北部边界地区水样的主成分分析表明大部分参数在第一向量中有一些关系,而第二向量中仅有Ca2+相关性较大,第三向量中Cl-和NO3-有较高相关性,这表明青藏高原东北边界地区水样中多种因素的共同影响的结果(图8g、图8h)。

4 结论

通过对青藏高原存在人类活动的3个边界地区天然水水样的采集、实验测定和分析,总体上看青藏高原西部、南部和东北部边界地区水质较好,大部分能够满足国家和WHO生活饮用水卫生标准,适宜饮用,个别水样部分指标甚至优于中国饮用矿泉水标准。

(1)水样pH处于6.52~8.88范围内,平均值为7.75,总体属于弱碱性水,且在不同边界地区存在差异:西部(8.38)、南部(7.57)、东北部(7.66);水样中TDS均值为171 mg/L,总溶解性固体总体较少;水样TH范围从3.69 mg/L(极软水)到512 mg/L(高硬水),平均值为168 mg/L,硬度较低。

(2)水样中Ca2+和Mg2+为主要阳离子,HCO3-和SO42-为主要的阴离子;水化学类型在3个边界地区分别主要为:西部(Ca-Mg-HCO3-SO4与Ca-Mg-SO4-HCO3型)、南部(Ca-Mg-SO4-HCO3、Ca-Mg-HCO3-SO4、Ca-HCO3-SO4、Ca-HCO3和Ca-Mg-HCO3)和东北部(Ca-Mg-HCO3与Ca-HCO3)。

(3)水样的成因类型主要为岩石风化型,水中的离子主要由碳酸盐的风化作用和蒸发岩的溶解作用共同控制且碳酸盐岩风化的过程更为强烈;水样中Cl-的主要来源是蒸发岩中的石盐,西部和东北部边界地区的水中硫酸盐矿物的溶解可能是Na+的来源之一,而南部边界地区水样中的Na+可能来源于硅酸盐。

(4)各边界地区水样中含氮化合物的平均浓度从高到低为:东北部 > 西部 > 南部,这一顺序基本与当地的社会经济发展情况吻合;含硫化合物平均浓度的总体趋势是南部 > 东部 > 西部;各边界地区水样中的生物源物质均远低于国家和WHO标准,表明这些地区目前受人类活动的影响仍较小。

(5)各边界地区水样的水化学性质区域差异主要是地理环境、地质条件等综合作用的结果,而人类活动对区域水化学性质也存在一定影响。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。


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文中引用次数倒序
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湖泊水质是研究湖泊变化及其对气候变化响应的重要指标.分析了藏南羊卓雍错流域主要湖泊的水化学指标概况、 水化学组成、 矿化度时空分布及其驱动, 并在此基础上对各湖泊的水质现状进行了评价. 研究表明: 流域内各湖泊水化学性质虽有一定的相似性, 但矿化度等水化学指标浓度存在显著差异, 各湖泊水化学组成亦差异显著. 羊卓雍错和巴纠错均为硫酸盐类-镁组, 沉错为硫酸盐类-钠组, 普莫雍错和空姆错则分别为重碳酸盐类-镁组和重碳酸盐类-钙组. 各湖泊矿化度差异较大的主要原因在于其补给来源不同, 以降水补给为主的湖泊矿化度远高于以冰雪融水补给为主的湖泊. 与全球气候变暖相对应, 各湖泊矿化度变化反映了气候变化的影响, 而水电站运行对羊卓雍错水体化学性质变化有所贡献. 目前, 羊卓雍错、 普莫雍错水质为劣V类, 空姆错、 沉错、 巴纠错水质为V类. 深入探讨该流域水质对气候变化的响应, 亟需更长时间序列的数据支持. 为此, 必须继续在该流域长期开展全方位的水化学观测与水质监测、 评价工作.
[ 张雪芹, 孙瑞, 朱立平 . 藏南羊卓雍错流域主要湖泊水质状况及其评价
冰川冻土, 2012,34(4):950-958.]

Magsci [本文引用: 1]
湖泊水质是研究湖泊变化及其对气候变化响应的重要指标.分析了藏南羊卓雍错流域主要湖泊的水化学指标概况、 水化学组成、 矿化度时空分布及其驱动, 并在此基础上对各湖泊的水质现状进行了评价. 研究表明: 流域内各湖泊水化学性质虽有一定的相似性, 但矿化度等水化学指标浓度存在显著差异, 各湖泊水化学组成亦差异显著. 羊卓雍错和巴纠错均为硫酸盐类-镁组, 沉错为硫酸盐类-钠组, 普莫雍错和空姆错则分别为重碳酸盐类-镁组和重碳酸盐类-钙组. 各湖泊矿化度差异较大的主要原因在于其补给来源不同, 以降水补给为主的湖泊矿化度远高于以冰雪融水补给为主的湖泊. 与全球气候变暖相对应, 各湖泊矿化度变化反映了气候变化的影响, 而水电站运行对羊卓雍错水体化学性质变化有所贡献. 目前, 羊卓雍错、 普莫雍错水质为劣V类, 空姆错、 沉错、 巴纠错水质为V类. 深入探讨该流域水质对气候变化的响应, 亟需更长时间序列的数据支持. 为此, 必须继续在该流域长期开展全方位的水化学观测与水质监测、 评价工作.

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Magsci [本文引用: 1]
<p>2011 年季风期前和季风期后,分别对纳木错湖中两个站点的湖水和周边16 条入湖河流进行水样采集,水化学分析结果表明:湖水中各离子含量在季风期后都比季风期前有明显的增加,其中Mg<sup>2+</sup>在两个站点分别增加46.84% 和46.95%,Ca<sup>2+</sup>分别增加67.02%和75.11%,HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>分别增加27.61%和25.02%.河水中大部分离子含量也都表现为季风期后的增加,而F<sup>-</sup>、Cl<sup>-</sup> 和NO<sub>3</sub><sup>-</sup>则表现为降低趋势.离子含量的动态变化主要受流域内风化作用影响,即风化产物是造成大部分离子含量升高的主要来源,而蒸发作用对湖水离子含量的升高也起一定作用.</p>
[ 王君波, 鞠建廷, 朱立平 . 季风期前后西藏纳木错湖水及入湖河流水化学特征变化
地理科学, 2013,33(1):90-96.]

Magsci [本文引用: 1]
<p>2011 年季风期前和季风期后,分别对纳木错湖中两个站点的湖水和周边16 条入湖河流进行水样采集,水化学分析结果表明:湖水中各离子含量在季风期后都比季风期前有明显的增加,其中Mg<sup>2+</sup>在两个站点分别增加46.84% 和46.95%,Ca<sup>2+</sup>分别增加67.02%和75.11%,HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>分别增加27.61%和25.02%.河水中大部分离子含量也都表现为季风期后的增加,而F<sup>-</sup>、Cl<sup>-</sup> 和NO<sub>3</sub><sup>-</sup>则表现为降低趋势.离子含量的动态变化主要受流域内风化作用影响,即风化产物是造成大部分离子含量升高的主要来源,而蒸发作用对湖水离子含量的升高也起一定作用.</p>

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天然水体特别是河水和地下水的物理特性和化学成分既受流域岩石风化程度的影响, 也受流域气候、地貌、地质构造背景等的制约. 依据对塔克拉玛干沙漠南部地区的克里雅河、策勒河、土米亚河、玉龙喀什河的河水及沙漠南、北缘和沙漠腹地的地下水的物理参数和主要阴、阳离子(Cl<SUP>-</SUP>, HCO<SUB>3</SUB><SUP>-</SUP>, SO<SUB>4</SUB><SUP>2-</SUP>, NO<SUB>3</SUB><SUP>-</SUP>, Na<SUP>+</SUP>, Ca<SUP>2+</SUP>, K<SUP>+</SUP>, Mg<SUP>2+</SUP>)含量的测定结果, 分析探讨塔克拉玛干沙漠地区天然水体的特征及其中溶解物的来源. 离子含量通过离子色谱和盐酸滴定法测定, pH、可溶性固体总量(TDS)和电导率用便携式仪器在野外测定. 实验数据说明, 塔克拉玛干沙漠南部地区河水虽属淡水, 但TDS含量相对较高, 呈微碱性. 地下水水质变化在淡水和微咸水之间, TDS普遍高于当地河流河水. 河水和地下水的水化学组成都呈现一定的地域性特征, 反映了沙漠干旱气候和区域地质地貌的影响. 分析数据显示, 研究区河水中溶解物主要受岩石风化作用、蒸发结晶作用控制, 而地下水中溶解物受蒸发结晶作用控制. 天然水中溶解物主要来自蒸发岩, 人类活动对地下水已造成轻度污染.
[ 朱秉启, 杨小平 . 塔克拉玛干沙漠天然水体的化学特征及其成因
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天然水体特别是河水和地下水的物理特性和化学成分既受流域岩石风化程度的影响, 也受流域气候、地貌、地质构造背景等的制约. 依据对塔克拉玛干沙漠南部地区的克里雅河、策勒河、土米亚河、玉龙喀什河的河水及沙漠南、北缘和沙漠腹地的地下水的物理参数和主要阴、阳离子(Cl<SUP>-</SUP>, HCO<SUB>3</SUB><SUP>-</SUP>, SO<SUB>4</SUB><SUP>2-</SUP>, NO<SUB>3</SUB><SUP>-</SUP>, Na<SUP>+</SUP>, Ca<SUP>2+</SUP>, K<SUP>+</SUP>, Mg<SUP>2+</SUP>)含量的测定结果, 分析探讨塔克拉玛干沙漠地区天然水体的特征及其中溶解物的来源. 离子含量通过离子色谱和盐酸滴定法测定, pH、可溶性固体总量(TDS)和电导率用便携式仪器在野外测定. 实验数据说明, 塔克拉玛干沙漠南部地区河水虽属淡水, 但TDS含量相对较高, 呈微碱性. 地下水水质变化在淡水和微咸水之间, TDS普遍高于当地河流河水. 河水和地下水的水化学组成都呈现一定的地域性特征, 反映了沙漠干旱气候和区域地质地貌的影响. 分析数据显示, 研究区河水中溶解物主要受岩石风化作用、蒸发结晶作用控制, 而地下水中溶解物受蒸发结晶作用控制. 天然水中溶解物主要来自蒸发岩, 人类活动对地下水已造成轻度污染.

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<p>以西藏阿里地区草地为研究对象,对草地资源概况、草地资源类型和草地载畜量等进行了分析。阿里地区草地理论载畜量为299.37万绵羊单位,2010年实际载畜量为346.66万绵羊单位,实际载畜量与理论载畜量相比超载15.80%。通过分析认为,阿里地区应因地制宜地发展草地畜牧业,合理布局草地载畜量,科学利用草地资源,促进草地畜牧业可持续发展。</p>
[ 畅慧勤, 徐文勇, 袁杰 , . 西藏阿里草地资源现状及载畜量
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<p>以西藏阿里地区草地为研究对象,对草地资源概况、草地资源类型和草地载畜量等进行了分析。阿里地区草地理论载畜量为299.37万绵羊单位,2010年实际载畜量为346.66万绵羊单位,实际载畜量与理论载畜量相比超载15.80%。通过分析认为,阿里地区应因地制宜地发展草地畜牧业,合理布局草地载畜量,科学利用草地资源,促进草地畜牧业可持续发展。</p>

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