藏东热曲水化学特征及物质来源研究_王明国.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2021 12 09基金项目:中国地质调查局地质调查项目(DD20190534，DD20221754)作者简介:王明国，男，高级工程师，主要从事水文地质环境地质研究。E mail:wangmingguo mail cgs gov cn文章编号:1001 4179(2023)02 0120 07引用本文:王明国，李敬杰，梁倩 藏东热曲水化学特征及物质来源研究 J 人民长江，2023，54(2):120 126藏东热曲水化学特征及物质来源研究王 明 国1，2，3，李 敬 杰1，梁倩3(1 中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051;2 郑州大学 化学学院，河南 郑州450001;3 河南省有色金属地质勘查总院，河南 郑州 450052)摘要:为研究横断山区小流域水化学特征及物质来源，在藏东金沙江一级支流热曲系统采集地表水和大气降雨样品，通过数理统计、离子比、Piper 三线图和 Gibbs 模型等方法，分析热曲的水化学特征，探讨城镇生活、农牧活动及矿业开发等对地表水水化学的影响及主要离子来源。结果表明:热曲(干流及支流马曲)地表水 pH介于 7 25 8 41，均值 7 95，呈弱碱性;TDS 介于 59 11 453 11 mg/L，均值 224 94 mg/L;阳离子以 Ca2+和Mg2+为主，当量浓度分别占阳离子总量的 66 06%和 22 07%，阴离子以 HCO3和 SO2 4为主，当量浓度分别占阴离子总量的 76 08%和 1694%;地表水类型以 HCO3 Ca 和 HCO3 CaMg 为主;地表水离子主要受岩石的风化溶解控制，并以方解石和白云石的溶解为主。关键词:水化学特征;离子比;离子来源;热曲;横断山区;金沙江中图法分类号:X143文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0180引 言高原河流是全球水文地球化学循环的重要组成部分，是高原物质和能量传输的重要通道，对生态系统平衡和气候变化具有重要的指示和调节作用1 3。河流水化学特征是水体与岩石、土壤、沉积物、悬浮物、微生物等长期相互作用的结果，常用来研究水化学过程、水文循环及环境演化等1，4 8，进而应用于水资源管理、生态保护规划等。热曲是金沙江横断山区右岸的最大支流，河长 145 km，流域面积 5 450 km2。热曲上游江达县青泥洞乡至贡觉县相皮乡为高原典型畜牧区，同时为中国第二大铜矿玉龙铜矿所在地，下游支流马曲源自于阿旺镇，为畜牧及子羊培育区。近年来研究人员对金沙江流域水化学的研究日益重视，主要集中于金沙江的干流以及下游的部分支流9 13，而对金沙江横断山区主要支流的系统研究鲜见报道。通过系统的样品采集与统计分析，分析横断山区金沙江重要支流水化学特征，识别该区水化学演化的控制因素及离子来源，分析矿业开发、畜牧养殖及城镇生活对水质的影响，对于促进流域水资源管理和水质安全保障具有重要意义。1研究区概况热曲位于西藏自治区昌都市东部，源自玛拉山东麓，南流至贡觉县北接纳二级支流马曲，折向东汇入金沙江。流域主要包括贡觉县西部、北部及江达县西南部，涉及贡觉县县城、相皮乡、阿旺乡及江达县青泥洞乡。流域以牧业为主，农业为辅，工业基础薄弱。青泥桐乡和阿旺乡为典型纯牧业乡，牲畜存栏均在 4 万头(只/匹)以上。牲畜以绵羊为主，牦牛为辅，孕育了藏东最大的农牧品牌阿旺绵羊。研究区属于大陆性高原季风气候，空气稀薄，年平均气温 6 5，昼夜温差大，年均降雨量 480 mm，雨雪较多。水源补给主要为大气降水和冰川融水，具有第 2 期王明国，等:藏东热曲水化学特征及物质来源研究明显的季节性，冬春季靠降水(雪)补给，夏秋季靠大气降水和冰川融水综合补给。地层属于羌塘 三江构造地层大区昌都 思茅地层区江达 德欣地层分区，出露第四系、古近系、三叠系、二叠系及石炭系等地层(见图 1)。岩石类型主要为砂岩、灰岩、页岩、白云岩、玄武岩、流纹岩、凝灰岩、火山角砾岩及花岗岩等，花岗岩以二长花岗岩岩体群形式出露。三叠系阿堵拉组(T3a)地层局部含石膏，区域矿产以铜矿、金矿、铅锌矿等为主，玉龙铜矿为区域规模最大的金属矿产。图 1研究区地质及采样点示意Fig1Geology of the study area and distribution of sampling points2材料与方法综合考虑流域河流走向、农牧业活动、城镇生产生活及地质矿产等要素，于 2020 年 9 月共采集地表水样品23 组(见图1)，其中热曲干流11 组，支流马曲12 组，雨水样品2 件。河水样品采集在水面 10 cm 以下，24 h内用045 m 醋酸纤维滤膜过滤，存储于 500 mL 聚乙烯样品瓶内。雨水样品分别布设于研究区北部热曲干流和南部支流马曲，采集周期为1 a(2019 年9 月始)。样品测试由自然资源部保定矿产资源监督检测中心完成。样品阳离子 Na+、K+、Ca2+和 Mg2+采用火焰原子吸收光谱法测试分析(安捷伦 240FS)。阴离子Cl、NO3、SO2 4和 F采用离子色谱法(戴安(ICS 1100)测定，HCO3和 CO2 3采用盐酸滴定法进行测定。H2SiO3采用硅钼蓝比色法(北京普析通用 TU 1901)测定。利用 NICB(Normalized inorganic chargebalance)验证主要元素总溶解阳离子和阴离子的电离平衡。NICB 范围为 10%40%，均值 1 2%，表明研究区河水主要离子电离是平衡的(介于 0 05 005)。利用 Excel 2019 分析主要离子组成，绘制水化学离子 比 值 关 系。通 过 AquaChem 9 绘 制 Piper 与Schoeller 图解，分析地表水样品的水化学组分和水化学类型。综合流域水化学特征、离子比及图解，分析流域水化学控制因素与物质来源，辨别城镇生活、农牧活动等对水质的影响。3结果与讨论3 1主要离子及 TDS 组成热曲和马曲河水阳离子均以 Ca2+和 Mg2+为主，离子当量浓度呈现 Ca2+Mg2+Na+K+的特征(见表 1 和图 2)。Na+和 K+含量较低，热曲均值分别为 0 32 meq/L 和 0 05 meq/L，马曲均值分别为 0 25meq/L 和 0 04 meq/L。热曲 Ca2+当量浓度占阳离子总量的55 89%71 78%，均值66 28%;Mg2+当量浓度占 阳 离 子 总 量 的 19 58%29 21%，均 值 为22 74%，二者合计占阳离子总量的 89 02%。马曲Ca2+当量浓度占阳离子总量的 58 99%71 90%，均值为65 84%;Mg2+当量浓度占阳离子总量的17 71%25 29%，均值为 21 40%，二者合计占阳离子总量的 87 24%。热曲和马曲河水阴离子均以 HCO3为主，阴离子当量浓度均呈现 HCO3 SO2 4 CO2 3Cl NO3的关系。流域 F普遍较低，均不高于 0 01meq/L。热 曲 HCO3占 阴 离 子 总 量 的 57 89%86 97%，均 值 为 78 00%;SO2 4占 阴 离 子 总 量 的5 36%36 81%，均值为 15 50%，二者约占阴离子总量的 93 50%。pH 介于 7 66 8 41，均值 8 05;TDS(溶解总固体)介于 122 31 453 11 mg/L，均值261 74 mg/L。马曲 HCO3占阴离子总量的39 33%92 05%，均 值 为 74 17%;SO2 4占 阴 离 子 总 量 的3 73%55 33%，均值为 18 39%，二者约占阴离子总量的 92 56%。pH 介于 7 25 8 17，均值 7 86;TDS 介于 59 11 384 22 mg/L，均值 188 14 mg/L。马曲 SO2 4和 Cl变异系数均大于 1，变化波动较大，其他离子含量相对稳定。推测 SO2 4波动与河谷区局部121人民长江2023 年硫化物矿化蚀变有关。Cl与河谷居民生活有关。流域河水 pH 均呈弱碱性，TDS 均值 223 34 mg/L，为低矿化水，略高于长江流域均值 176 10 mg/L14。热曲和马曲主要阴阳离子组成规律相一致，无显著差异。热曲 pH、K+、Na+、Mg2+、Ca2+、CO2 3、HCO3、NO3、H2SiO3、TDS 等参数或者组分含量均高于马曲，SO2 4含量与马曲相当，而 Cl略低于马曲，可能与马曲流经县城，与城市生产和生活更紧密相关。表 1主要组分分析结果统计Tab 1Statistics of major ions in surface water河流参数pHK+Na+Ca2+Mg2+SO2 4CO2 3HCO3ClNO3H2SiO3TDS热曲均值805005032214074058014252005002001826174偏差02500102305702805400805400200100087693最小值766004010076037008008123002000201212231最大值841007098322150211031332010004004045311变异系数 0030170720270380930580220460540047029马曲均值786004025158050057008166006001001518814偏差03000101308102007800005300700100038175最小值72500201003501300300805100100020135911最大值817007047364090293008220019003002138422变异系数 0040350520510401380000321180440018043注:pH 无量纲，TDS 单位为 mg/L，H2SiO3单位为 mol/L，其余单位为meq/L。TDS 系主要阴阳离子相加所得。3 2水化学类型及分布将主要阴阳离子的毫克当量百分比(meq%)投到派珀(A M Piper)三线图上(见图 2(a)，可以直观显示阴阳离子组成特征和水化学类型，进而推测水化学演化15 16。派珀图解法将菱形分成 9 个区，研究区样点总体位于图中 1/3 区(弱酸根大于强酸根)。在阳离子图中，水样点均落在左下侧，表明以 Ca2+、Mg2+等碱土金属为主，其中 Ca2+含量高于 Mg2+;阴离子图中主要样点均落在左下侧，表明 HCO3离子占优势，其次为 SO2 4，结合表 1，参照舒卡列夫法分类，依据含量大于 25%(meq)的阴、阳离子划分水化学类型，构成研究区水化学类型主要为 HCO3 Ca、HCO3 CaMg。点 S16 水化学类型为 HCO3SO4 Ca，其上下游各有铜矿点一处。S1 点水化学类型为 HCO3SO4 CaMg，其处于玉龙铜矿外围多金属异常区。两点均与硫化物矿化有关。3 3水化学组分控制因素分析天然条件下，大气降雨、岩石风化、蒸发浓缩、溶滤、阳离子交换吸附、氧化还原等水化学过程均能影响水体成分，同时矿产开发、农牧业及城镇生产生活等人为活动亦能输入较多的 Cl、NO3、SO2 4等17 19 改变水体组成。3 3 1岩石风化溶解水体自上而下直至汇入金沙江，一直与周围介质图 2河水 Pipper 三线图与主组分箱式图Fig2iver piper trilinear chart and main component box diagram发生物质交换。Gibbs 图解常用来识别自然水体的水化学离子组成与演化，判断水化学控制因素及程度17 19。Gibbs 模型图纵坐标为 TDS 质量浓度，横坐标分别为 Na+/(Na+Ca2+)和 Cl/(Cl+HCO3)的毫克当量(用字母 表示)比值。将研究区水样测试数据投到 Gibbs 图中，该区水样具有较低的 TDS(均小于1 g/L)、(N