【类型】期刊

【作者】冯亚伟，孙自永，补建伟，蔡鹤生（山东省鲁南地质工程勘察院；中国地质大学）

【作者单位】山东省鲁南地质工程勘察院；中国地质大学

【刊名】冰川冻土

【关键词】 黑河源区；地表水；水文地球化学；水质分析；聚类分析

【资助项】地质矿产调查评价国家专项“青藏高原矿产资源开发地质环境承载力评价”(12120113038400)资助

【ISSN号】1000-0240

【页码】P680-687

【年份】2019

【期号】第3期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】黑河源区河水水文地球化学特征的研究有助于了解黑河源区河水沿流域水质变化概况,对黑河源区生态环境的保护具有积极意义。以黑河源区干流为研究对象,对河水进行取样检测,结果显示:河水化学组成以K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-、NO3-、HCO3-、SO42-为主。通过聚类分析、舒卡列夫分类和Piper三线图分析发现主要离子中,阳离子主要来源于石灰岩风化产物,SO42-主要来源于蒸发岩矿物风化产物和人类活动,HCO3-主要来源于纯碳酸盐风化产物。通过对重金属污染调查发现,V、Co、Cu、Pb、Cr、Mn和Zn含量较高,矿山开采是重金属污染的主要来源。

【全文】 文献传递

祁连山黑河源区八一冰川—黄藏寺段河水水文地球化学特征

冯亚伟1， 孙自永2*， 补建伟2， 蔡鹤生2

(1.山东省鲁南地质工程勘察院， 山东 兖州 272100； 2.中国地质大学， 湖北 武汉 430074)

摘 要： 黑河源区河水水文地球化学特征的研究有助于了解黑河源区河水沿流域水质变化概况， 对黑河源区生态环境的保护具有积极意义。以黑河源区干流为研究对象， 对河水进行取样检测， 结果显示：河水化学组成以K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+和Cl-、 、 、 为主。通过聚类分析、 舒卡列夫分类和Piper三线图分析发现主要离子中， 阳离子主要来源于石灰岩风化产物， 主要来源于蒸发岩矿物风化产物和人类活动， 主要来源于纯碳酸盐风化产物。通过对重金属污染调查发现， V、 Co、 Cu、 Pb、 Cr、 Mn和Zn含量较高， 矿山开采是重金属污染的主要来源。

关键词： 黑河源区； 地表水； 水文地球化学； 水质分析； 聚类分析

0 引言

近年来， 随着气候变化、 社会经济发展和人类活动等多方面因素的影响， 我国的淡水资源已受到不同程度的污染， 地表水污染尤为严重。对地表水水化学开展研究可更好地了解我国地表水污染现状， 探索污染诱因， 从而为今后污染的治理提供科学依据。

黑河源区生物资源和矿产资源众多、 生态环境脆弱、 气候自我调蓄能力差[1]， 在青藏高原生态环境方面具有很好的代表性。基于此， 相关科研机构已在黑河地区开展过多种研究， 包括草地退化过程中土壤理化性质及养分和酶的变化规率[2]， 以及河流的最佳集水面积阈值的确定[3]。纵观以往科研成果， 在黑河流域， 上游为水资源的主要形成区， 地下水主要来源于当地地表水[4]， 随着经济的发展和人类的活动， 黑河源区水资源利用率逐渐增高[5]， 水质逐渐恶化。开展黑河源区水化学调查， 可为日益变化的生态环境和以后科研的开展提供背景资料， 以期能为政府职能部门制定生态环保措施提供科学依据， 为整个黑河流域以及青藏高原的环境保护、 生态研究提供基础资料。

1 黑河源区概况

黑河源区位于我国青海省海北州祁连县， 包括祁连县央隆乡全境及野牛沟乡的大部， 总面积 2 600 km2， 流域内没有铁路分布， 交通干线为贯穿整个祁连县的二尕公路， 主要的乡镇包括扎麻什乡、 野牛沟乡和央隆乡(图1)。

黑河源于祁连县八一冰川， 上游指八一冰川到莺落峡， 有两大分支河流， 东支为八宝河， 西支为野牛沟河， 在黄藏寺汇合后为黑河中游。黑河源区水系较发育， 较大的河流有托来河、 夏拉河等， 每条河流相互交错， 构成了黑河源区的水文网。

黑河源区河水主要来源于祁连山区降水和冰雪融水[6]。预计到2050年， 多年冻土在青藏高原地区的巴颜喀拉山-唐古拉山、 冈底斯山地区出现退化， 中国的冻土面积较2006年减少约10.7%[7]， 黑河源区的冰川面积也会相应减少。

2 样品采集与测试

于2013年8月3日-28日， 从八一冰川开始沿河道从黑河源头向下游每5 km取一组河水样， 在有矿山分布和人类聚集较密集的地段适当的加密， 共采集河水样品16组， 雪冰样及冰川融水样为收集资料[8]。黑河源区水系和取样点位置分布见图2。

为了研究黑河源区地表水的水化学特征及其分布规律， 对以下指标进行了测试分析：阴离子、 阳离子、 微量元素和酸碱度。采样用聚乙烯瓶， 规格50 mL。取样之前， 先用待采水样对取样瓶进行 2～3次润洗， 采样完成后确保取样瓶内不留气泡并在野外用记号笔在瓶子上面编号并且注明采样时间和测试项目， 用表格记录。所有样品都在野外取样完之后用PARAFILM膜封口， 密封保存， 为了防止样品瓶上的信息在运输和保存中摩擦而模糊， 及时在瓶身用透明胶布保护。

在取样之前， 在现场对所测水样观察记录其颜色、 透明度等物理性质， 再用便携式水质分析仪测试pH值、 温度(TEP)等指标。已经取得的需测阳离子、 微量元素样品加硝酸至pH≤2。对阴离子则需先取样并在24 h以内采用滴定法测碱度)含量， 滴定误差忽略不计， 再取50 mL原水带回实验室测定。

水样的阴离子测试是在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室采用IC仪测定的， 仪器型号为DIONEX ICS-1100。阳离子和微量元素的测试是在中国地质大学(武汉)的地质过程与矿产资源国家重点实验室采用ICP仪测定的， 仪器型号分别为Optimass 9500和Agilent7500a， 检测限均为ppt级。

通过以上测试仪器及测试方法， 获得了黑河源区16个水样的pH值， 温度等阴离子， K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+等阳离子， 以及Mn、 Zn、 Cr和Pb等42个微量元素的含量。样品各主要指标数据见表1。

3 数据处理与分析

3.1 舒卡列夫分类法分析

由于舒卡列夫分类方法简明易懂， 适合水化学资料的初步分析[9]， 且利用舒卡列夫系统整理水分析资料时， 从舒卡列夫分类表的左上角向右下角与地下水的矿化作用过程一致， 所以， 本文选择该分类方法。

舒卡列夫分类的结果如下表2所示， QL03、 QL08、 QL13～QL16号取样点水类型为-Ca2+·Mg2+型水， 其他取样点水类型为型水， 主要分布在红泥沟、 葫芦沟一带。

通过舒卡列夫分类结果， 对于-Ca2+·Mg2+型水的集中分布特点， 可做如下分析推测：

(1) 据资料显示， 祁连县的多金属矿大多分布在这里(如野牛沟乡辽班台铅锌矿， 为富含硫的盐矿物)， 金属矿在开采过程中， 由于技术较落后和环保意识的缺失， 产生了大量的含有的废水流入黑河主河道， 导致黑河水中增多， 水的类型也由上游地区的-Ca2+·Mg2+变为-Ca2+·Mg2+。

(2) 黑河源区(八一冰川—黄藏寺)流经野牛沟乡、 扎麻什乡等乡镇， 这些区域人口相对比较密集， 生产生活废水， 未经处理流入黑河主河道， 也可能造成了黑河水中的含量增多， 导致水类型的改变。

(3) 黑河源区海拔落差较大， 水岩相互作用也十分明显， 当河水与基岩相互作用后， 基岩中的组分溶解汇入河水中， 河水中的相应组分也就逐渐增加， 是其中较为明显的一种离子。

(4) 结合图3， QL03和QL08号取样点出现异常， 分析发现， QL03号取样点附近有1、 4、 12号矿点， QL08号取样点附近更是有矿群的集中分布。当河水流过矿点集中区和人类聚居区之后， 又有大量-Ca2+·Mg2+型水汇入河流中， 河水又变为原来的-Ca2+·Mg2+型水。QL01处存在大量的矿点， 但QL01和QL02水样是-Ca2+·Mg2+型水， 推测是附近雪冰融水较多， 源源不断的汇入河流中， 对-Ca2+·Mg2+型水进行稀释。本文认为， 这是由于开矿产生的废水经支流流入黑河造成的异常。

3.2 Piper三线图分析

所取水样测得的数据绘制成Piper三线图如图4所示。

由图4可知， 碱土金属离子含量大于碱金属离子含量， 也就是说第二主族金属离子含量大于第一主族金属离子(Ca2++Mg2+远大于Na++K+)。

阳离子中各点集中分布于钙型水中， 阴离子中大部分分布于重碳酸根型水中， 小部分分布于硫酸根型水中。

一般地， 在阳离子三角图上， 蒸发岩矿物风化产物应落在Na++K+一端， 石灰岩风化产物应落在Ca2+一端[10]， 白云岩风化产物应落在石灰岩Mg2+和Ca2+线之间(Ca2+∶Mg2+=1∶1)。由此可以推测， 该地区水中的阳离子应该为石灰岩风化产物。

在阴离子三角图上， 纯碳酸盐的风化物质以为主， 因此数据点均落在组分一端； 蒸发岩矿物风化产物应落在一端。本论文中， 扎麻什乡以上区域， 水中阴离子以为主， 推测是以纯碳酸盐风化物质为主； 扎麻什乡以下区域， 以为主， 推测是以蒸发岩矿物风化产物为主。

从流域范围来看， 上游河水中化学物质主要来源于水岩作用过程， 以碳酸盐含量最高， 也有部分硫酸盐的贡献； 中游受到人为活动的严重影响， 硫酸盐、 岩盐含量逐渐增加； 到下游受蒸发浓缩作用的影响， 水中化学物质的含量最高， 其中以硫酸盐为主。

综合来看， 各点分布比较集中， 反映出各点的水化学成份没有大的差异， 也就是说黑河源区的水化学特征从八一冰川到黄藏寺没有比较大的改变。

3.3 离子随流域含量变化分析

Mn和Zn随流域含量变化如图5所示， 结合图3， 可以很明显的看出来， Mn和Zn出现峰值的地方， 正是矿点集中分布的区域。

Mn的峰值出现在QL01、 QL07和QL13号取样点。推测原因， 这三个取样点附近分布有蛇纹岩矿、 多金属矿和锰矿， 矿产开发过程中， Mn随附近小支流流入黑河主河道， 所以这三个取样点Mn含量较高。

Zn的峰值有4个， 出现在QL01、 QL08、 QL11、 QL13号取样点， 基本和Mn的峰值出现相吻合， 与Mn的峰值出现原因基本相同， 与矿点的集中分布有关。QL11号取样点离矿点集中分布地区较远， 初步的推测是该处存在没有合法注册的小矿山。

V、 Co、 Cu、 Pb和Cr随流域含量变化见图6， 5种元素出现峰值的取样点编号大致相同， 是与矿点的集中分布相对应的。铬铁矿的出现使得元素Cr的含量呈现较大的峰值变化。由此可以推测， 黑河水中各污染微量元素出现较大幅度的变化是与采矿密切相关的。

F-和含量变化和散点如图7和图8所示， 可以明显地看出， F-和的含量呈现相反的变化趋势。推测原因为所取各水样的类型为-Ca2+·Mg2+和-Ca2+·Mg2+， F-和都能与Ca2+和Mg2+结合形成沉淀， 由于Ca2+和Mg2+含量有限， F-和在水中互相竞争， 从而表现出相反的变化趋势。

3.4 水质分析

以上各离子含量与《中华人民共和国生活饮用水卫生标准》含量如表3所示， 所分析各离子的含量均低于国家标准。

表3中各离子和元素含量虽没超过国家标准， 只能说明该区域水质状况尚好， 但该区域属于黑河源区， 作为河流源区来讲， 该区域水质已经受到了一定程度的污染， 当地政府职能部门须做好相关措施遏制这一趋势。

3.5 聚类分析

图9为使用“组间联接”方法[12]生成的树状聚类[13]， 聚类分析所用数据为测试全部数据。根据图9可以得出， 16个水样基本可以分为三类， 第一类为QL02、 QL03、 QL04三个水样， 第二类为QL01、 QL05、 QL06、 QL07、 QL08、 QL09六个水样， 第三类为QL10、 QL11、 QL12、 QL13、 QL14、 QL15、 QL16四个水样。与舒卡列夫分类表现的相同， 聚类分析的结果也是与实际情况是相符的， 随着流域的改变， 水类型也相继发生变化， 而且临近水样的水类型基本是相同的。

聚类分析结果与舒卡列夫分类结果进行对比， 基本是相吻合的， 舒卡列夫分类的结果基本上也是临近水样的水类型相同， 随着流域而发生变化。

4 结论

本研究通过野外调查， 采取测试分析方法， 得出以下结论：

由于水岩相互作用、 采矿和人类活动等的影响， 黑河源区河水中各微量元素和离子含量随着流域的变化而逐渐增加， 从舒卡列夫分类所得出的2种分类结果和以聚类分析所得出的3种分类结果共同表明， 各微量元素和离子含量表现出较强的区域性。

对所采集的16个水样结果进行统计， 分析其中12种主要污染因子的最高含量， 各微量元素和离子含量都未超过《中华人民共和国生活饮用水卫生标准》， 但作为河流源区水质来讲， 该区域水质已经受到了一定程度的污染， 相关政府职能部门须做好相关防治措施。

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(本文编辑： 周成林)

The hydrogeochemical characteristics of the river water in the section from BayiGlacier to Huargzangsi of the Heihe River, Qilian Mountains

FENG Yawei1， SUN Ziyong2， BU Jianwei2， CAI Hesheng2

(1.Shandong Lunan Geological Engineering Investigation Institute, Yanzhou 272100, Shandong, China;2.China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

Abstract: Research of the hydrogeochemistry in the source regions of the Heihe River is useful to search the basic changes in water quality along the river, and has positive significance for protecting the eco-environment in the regions. Through the previous researches, the lack of relevant background information about water quality in the source regions has improved. In this study, the source regions of the Heihe River are taken as the research object to understand the water quality of the river basin, through sampling and tasting the river water. The results show that the major chemical composition of the river water are K+, Na+, Ca2+, Mg2+ and Cl-, , , . According to cluster analysis, Schukalev classification and trilinear diagram analysis, it was found that among the major ions, cations mainly comes from limestone weathering products, mainly comes from evaporating of mineral weathering products and human activities, and mainly comes from pure carbonate weathering substances. Through heavy metal pollution surveying, it was found that the content of V, Co, Cu, Pb, Cr, Mn and Zn are much higher, and mine exploration is the main cause of heavy metal pollution.

Key words： Heihe River riparian areas; surface water; hydrogeochemistry; water quality analysis; cluster analysis

DOI： 10.7522/j.issn.1000-0240.2017.0077

收稿日期： 2017-01-09;

修订日期: 2017-03-16

基金项目: 地质矿产调查评价国家专项“青藏高原矿产资源开发地质环境承载力评价”(12120113038400)资助

作者简介: 冯亚伟(1990-)， 男， 山东济宁人， 助理工程师， 2014年毕业于中国地质大学(武汉)， 从事盆地岩溶水方面研究.

E-mail： 1102844258@qq.com

中图分类号： P342

文献标志码： A

文章编号： 1000-0240(2017)03-0680-08

FENG Yawei, SUN Ziyong, BU Jianwei, et al. The hydrogeochemical characteristics of the river water in the section from Bayi Glacier to Huargzangsi of the Heihe River, Qilian Mountains[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2017, 39(3)： 680-687. [冯亚伟， 孙自永， 补建伟， 等. 祁连山黑河源区八一冰川—黄藏寺段河水水文地球化学特征[J]. 冰川冻土, 2017, 39(3)： 680-687.]

*通讯作者： 孙自永， E-mail: ziyong.sun@gmail.com.