第一作者简介: 刘沛(1989—),男,工程师,主要从事水文地质与水资源调查研究工作。Email: 304789204@qq.com。
南伊沟是林芝地区重要水源涵养区,研究南伊沟水体水化学和氢氧同位素特征,揭示“三水转化”规律,对提高林芝地区水体水文地球化学研究程度,支撑当地林水关系研究,服务高原地区水生态保护具有重要意义。运用水化学和氢氧同位素分析方法,分析了地区水化学特征、水岩作用情况和水循环特征。结果表明: 南伊沟水体为极低矿化度淡水,地表水水化学类型为HCO3-Ca·Mg型和SO4·HCO3-Ca·Mg型,地下水水化学类型为HCO3-Ca·Na型; 地表水和地下水的水化学离子成分主要受岩石风化控制,离子来源主要受碳酸盐岩溶解和硅酸盐岩风化影响,地表水中Na+、K+、Cl-主要来源于盐岩溶解,同时还受降雨影响,地表水和地下水中Ca2+、Mg2+主要来源于碳酸盐岩矿物溶解; 地下水和地表水水岩作用较弱,对比上游雅鲁藏布江和拉萨河地表水,大部分 δ18O、 δD值具有明显的高度效应和大陆效应; 南伊沟枯水年内强烈的不平衡蒸发作用是导致地区大气降雨线斜率和截距偏小的主要原因之一。
Nanyi Gully is an important water source conservation area in Linzhi. The study of hydrochemistry and hydrogen and oxygen isotope characteristics of Nanyi Gully water body reveals the law of “three water transformation”, which is of great significance for improving the hydrochemistry research degree, supporting the research on the relationship between local forests and water, and serving the protection of water ecology in the plateau area. The characteristics of regional water chemistry, water-rock interaction and water cycle were analyzed by water chemistry and hydrogen and oxygen isotope analysis methods. The results show that water body of Nanyi Gully is very low salinity fresh water. The chemical types of surface water are HCO3-Ca·Mg type and SO4·HCO3-Ca·Mg type, and the chemical types of the underground water are HCO3-Ca·Na type. The hydrochemical characteristics of surface water and groundwater are mainly affected by the weathering of rocks, and the ions source is mainly affected by the carbonate dissolution and silicate rocks weathering. Na+, K+, Cl- ions mainly come from the dissolution of evaporative salt rocks, which is also affected by the rainfall. The Ca2+ and Mg2+ mainly come from the dissolution of carbonate rock minerals. The water-rock interaction of the underground and surface water in the study area is weak, and most of the δ18O and δD values have obvious height effect and continental effect compared with the surface water in Yarlung Zangbo River and Lhasa River. The strong unbalanced evaporation during dry years is one of the main reasons for the small slope and intercept of the regional atmospheric rainfall line.
天然水体水化学成分是水在运移过程中与周围环境相互作用的结果, 反应了水体的补给、运移、排泄等规律及气候变化和人类活动情况[1], 对开展林水关系, 水质评价, 地表水、地下水和大气水之间的转化关系等研究具有指示作用[2, 3]。δ 18O、δ D同位素示踪技术可有效识别不同的补给来源, 研究水质演化过程和流域水文循环等[4, 5], 具有快速、简便、准确、可定位等优点。水化学结合同位素技术可以有效识别不同水体的补给来源及水质演化过程[6, 7]。Gibbs[8, 9]通过对全球各种水体水化学组成分析, 提出了岩石风化、大气降水和蒸发-结晶作用是控制水体水化学组分的三大因素; 施则明等[10]系统采集了阿坝地区地表水样品, 查明了地区地表水的氢氧同位素与微量元素特征; 秦欢欢等[11]利用离子分析和同位素方法分析了拉萨河补给的来源, 研究了河流与其他水体的相互作用以及示踪水文循环过程等; 刘久潭等[12]利用拉萨河流域中下游水化学及稳定同位素资料, 阐明了水化学组成特征, 浅析了地表水-地下水的转化关系。
林芝地区被誉为“ 西藏江南” , 南伊沟是林芝地区重要的水源涵养区, 随着当地社会、经济的发展, 区内湿地环境保护要求也不断提高。前人曾在南伊沟开展过一些林水关系水化学特征研究[13, 14], 但有关水体水化学成分的补给来源, 水体的补给、运移和排泄规律等研究尚待深入, 亟需开展水资源调查和研究工作。因此, 本文采用水体水化学分析方法和氢氧同位素特征分析, 研究南伊沟水体水化学和氢氧同位素特征, 揭示“ 三水转化” 规律, 旨在提高林芝地区水体水文地球化学的研究程度, 支撑当地林水关系研究, 服务高原地区水生态保护工作。
南伊沟位于西藏林芝市米林县南部的南伊珞巴民族乡境内, 在雅鲁藏布江干流南面, 喜玛拉雅山脉北麓(图1)。南伊沟属峡谷地貌, 平均海拔约3 050 m, 沟内水体自南向北汇入雅鲁藏布江。研究区气候温和、降雨充沛, 降雨一般多集中在夏季。区内主要出露寒武系— 新元古界肉切村岩群石英片岩(Pt3Є R)(图1), 地层岩性以浅中灰色长石石英片岩、二云石英片岩为主, 夹少量大理岩, 第四纪沉积物主要为更新统湖积、冰水堆积层以及全新统冲洪积层的含砂砾石层, 分布于沟谷及两侧支沟缓坡。区内水文地质条件较简单, 主要地下水类型为第四系松散岩类孔隙水(图1), 沟内砂卵砾石层厚度达数十米至百余米, 结构较为松散, 孔隙发育, 水力联系密切。地下水补给以降雨、冰雪融水和河流入渗为主, 地表水沿冲沟缓坡径流, 同时入渗补给浅层地下水, 地下水在重力作用下向沟口径流, 最终主要储存于第四系含水介质中, 部分补给雅鲁藏布江。地下水总体水质优良, 水量丰富, 单井涌水量普遍大于500 m3/d。
本次研究共采集地表水样15组, 地下水样3组(图2)。样品采集工作按照《SL 187-96水质采样技术规程》[15]相关要求严格执行。取样时, 利用全球GPS进行定位, 水样容器用干净清洁的聚乙烯塑料容器, 取样后用聚乙烯薄膜密封瓶口, 贮存在暗处4 ℃左右的地方冷藏保存, 并及时送实验室测试。水化学分析委托西藏晟源环境工程有限公司, 采用原子吸收分光计测定, 测试精度为± 2%。δ 18O、δ D值测定委托深圳市华科精信监测科技有限公司, 采用同位素质谱仪测试, δ 18O、δ D值测试精度可达± 0.2‰ 和± 2‰ 。
研究区地下水均为取样深度小于50 m的浅层地下水。地表水、地下水的水化学成分分析结果见表1。
南伊沟地表水及地下水pH值变化区间为[7.5, 8.2], 呈弱碱性。矿化度为4~60 mg/L, 为国内少有的天然低矿化度水资源区。由Piper三线图(图3)可知, 所有样本水体中离子含量以碱土金属离子和弱酸根离子为主, 碳酸盐硬度超过50%, 且碱土金属离子(Ca2++Mg2+)毫克当量浓度大于碱金属离子(Na++K+)毫克当量浓度。结合舒卡列夫分类, 综合分析得出: 地表水水化学类型为HCO3-Ca· Mg型和SO4· HCO3-Ca· Mg型, 地下水水化学类型为HCO3-Ca· Na型。
由水化学Gibbs图(图4)可知: 研究区水体矿化度在4~60 mg/L之间。Na+/(Na++Ca2+)毫克当量浓度比值变化区间为[0.017, 0.29], Cl-/(Cl-+
南伊沟两岸岩性主要为长石石英岩夹大理岩; 沟内及岸坡为第四系坡洪积堆积物, 其物质来源主要为长石石英岩、大理岩等的风化、搬运。利用Ca2+/Na+、Mg2+/Na+、
水体中的离子主要来源自大气降水、岩石风化、蒸发盐岩溶解和人为因素等, 因此可以通过水体中离子毫克当量浓度比值进行反推。由图7可知, 地表水Na+/Cl-毫克当量浓度比值变化区间为[0.36, 2.8], 地下水Na+/Cl-毫克当量浓度比值变化区间为[4.03, 13.75]。地表水Na+/Cl-毫克当量浓度比值较接近大气降水Na+/Cl-毫克当量浓度比值(0.7)[18]和海水Na+/Cl-毫克当量浓度比值(0.86)[18], 说明海洋大气的搬运对地表水中的Na+、Cl-产生了影响; 而地下水Na+/Cl-毫克当量浓度比值明显偏离大气降水Na+/Cl-毫克当量浓度比值(0.7)和海水Na+/Cl-毫克当量浓度比值(0.86), 说明海洋大气的搬运对地下水的影响较小。由图8可知, 地表水与地下水中的Na++K+与Cl-毫克当量浓度变化区间分别为[0.007, 0.261]和[0, 0.016]。地表水主要分布于(Na++K+)/Cl-=1的等值线附近且偏上的位置, 表明除受到盐岩的溶解作用影响, 还可能受到其他作用的影响; 地下水明显高于(Na++K+)/Cl-=1的等值线, 表明其主要来源于盐岩溶解, 而地下水中过量的Na+、K+离子还来源于其他含钠、钾矿物溶解。
通过Ca2++Mg2+/
南伊沟地表水δ 18O值在-13.52‰ ~-9.92‰ 之间, 平均值为-11.91‰ , δ D值在-95.4‰ ~-65‰ 之间, 平均值为-79.58‰ (表2)。与研究区上游雅鲁藏布江和拉萨河地表水相关数据(表3, 图11)相比, 存在富重同位素组成, 具有明显的高度效应和大陆效应。
由图12可知, 南伊沟内分水岭附近(SY15)至沟口(SY01)地表水氢氧同位素组成呈略微下降趋势, 靠近分水岭附近(SY15)的δ 18O值为-11.35‰ ~-9.92‰ 、δ D值为-76.6‰ ~-66.3‰ , 而南伊沟森林核心景区(SY10)至沟口(SY 01)的δ 18O值为-13.52‰ ~-11.82‰ 、δ D值为-95.4‰ ~-75.4‰ 。这一结果看似与传统的氢氧同位素“ 高度效应” 不符, 但结合研究区特别的气候条件, 这可能与当地的地表水循环存在局部频繁的陆— 陆小循环有关。林芝地区年蒸发量为1 325.3~2 617.2 mm, 印度洋暖流顺雅鲁藏布江河谷向上, 同时将当地水蒸汽带向南伊沟深处, 在遭遇喜马拉雅山脉阻挡后, 气流被迫缓慢上升, 发生凝结作用而形成地形雨, 其中重同位素优先凝结, 导致冲沟上游地表水存在轻微的富重同位素组成现象。
图13为研究区大气降水线, 研究区降水的δ D值和δ 18O值有明显相关性。斜率、截距数值的大小可以在一定程度上反映水源经历的分馏和蒸发作用的强弱[21, 22, 23]。通过查阅林芝地区降雨资料, 2010年8月林芝市降雨量为160 mm, 2021年8月林芝市降雨量为52 mm, 同时选取前人在相近区域(卧龙至林芝段雅江及周边地表水系)2010年8月丰水期测试氢氧同位素数据[20], 绘制大气降水线方程为δ D=8.7δ 18O+21.6。全球大气降水线方程为δ D=8δ 18O+10, 与其相比, 研究区降水线方程斜率均小于前两者, 说明水源较往年同期可能经历了较强的蒸发作用。
氘剩余值(d值)用方程d=δ D-8δ 18O来表示, 是地区水源蒸发、凝结过程不平衡程度的直接反映[22]。一般降水水汽来源于空气相对湿度越低的干燥地区, 其不平衡蒸发越强烈, d值越高; 反之d值则越小[24]。研究区地表水d值为9.4‰ ~21.56‰ , 平均值为15.35‰ , 高于全球大气降雨线(对应10‰ )和相近区域2010年8月同期的d值。
综上, 研究区枯水年相对干旱的气候条件造成了强烈的不平衡蒸发作用, 是影响南伊沟大气降雨线斜率和截距偏小的主要原因之一。
(1)南伊沟水体整体呈弱碱性, 矿化度为4~60 mg/L, 是国内少有的天然低矿化度水资源区。地表水水化学类型为HCO3-Ca· Mg型和SO4· HCO3-Ca· Mg型, 地下水水化学类型为HCO3-Ca· Na型。
(2)地表水和地下水的水化学离子成分主要受岩石风化控制, 离子来源受碳酸盐岩溶解和硅酸盐岩风化影响。地表水中Na+、K+、Cl-的来源除了受盐岩溶解控制外, 还受到降雨的影响; 地表水和地下水中Ca2+、Mg2+、
(3)南伊沟地表水δ 18O平均值为-11.91‰ , δ D平均值为-79.58‰ , 与上游雅鲁藏布江和拉萨河地表水相关数据相比, 存在富重同位素组成, 具有明显的高度效应和大陆效应。南伊沟大气降水线方程为 δ D=7δ 18O+3.47, 枯水年相对干旱的气候条件造成了强烈的不平衡蒸发, 是造成南伊沟大气降雨线斜率和截距偏小的主要原因之一。
(责任编辑: 刘丹)
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