西藏巴松措冷季水化学特征及其影响因素

罗 珍,仁增拉姆,陈虎林,黄 香

西藏巴松措冷季水化学特征及其影响因素

罗 珍,仁增拉姆,陈虎林,黄 香*

(西藏大学理学院,西藏 拉萨 850000)

于2018年12月(冷季),结合水体现场理化参数和入湖河流,湖泊表层,湖泊垂直分层及出水口各样点水样分析结果对其水化学组成和分布特征以及影响因素进行了研究.结果表明,冷季巴松措水体呈弱碱性.湖区TDS含量较低,平均值仅达107mg/L.湖区平均水温为5.7℃,在水深45～60m范围内存在温度跃变,但变化梯度较小.空间上,各现场理化参数值从入湖河流到湖泊表层且沿垂直方向至最深处均有一定的变化规律,但是这些变化并无显著性差异(>0.05).巴松措湖泊水体溶解相中,Ca2+和HCO3-为主导离子,分别占阳离子和阴离子总量的80.35%和72.95%.各主要离子浓度在平面空间分布上表现为入湖河流高于湖泊表层,汇入湖泊后趋于平稳的趋势.在垂直空间分布上却呈随水深增加而轻微增大的趋势.巴松措水化学类型为HCO3·SO4-Ca型.流域内受岩石风化作用的影响,特别是碳酸盐岩的风化过程是影响巴松措水化学组成和分布特征的主要控制因素.

主要离子；水化学；控制因素；巴松措；藏东南外流湖区

西藏湖泊星罗棋布,总面积达24000km2以上,约占全国湖泊面积的30%[1].根据分布特点,西藏湖泊可被分为三个湖区,即藏东南外流湖区,藏南外流内陆湖区和藏北内陆湖区[2].其中,藏东南外流湖区主要发育于山脉之间,河谷深切,区内气候温润,降水充足,是下游河流重要的补给源.巴松措(措或错,藏语意为湖泊)位于西藏林芝市工布江达县巴河上游的高深峡谷内,是西藏红教的著名神湖和圣地,湖区自然风貌保护相对完好[3].巴河是尼洋河(雅鲁藏布江五大一级支流之一)上游重要的支流.巴松措湖面约27km2,位于E 93°53¢～94°01′和N 29°59¢～30°04¢之间.湖面海拔约3490m,集水面积1209.5km2,补给系数为47.4[4],是藏东南最大的冰川堰塞湖[5],也是尼洋河上游流域最大的补给水源.巴松措整体呈狭长的条状,分为东,西两个湖盆.区域年降水量为600～700mm,年平均气温为6.0℃左右[4].湖区四周被常年积雪的雪山环绕,境内森林茂密,动植物种类繁多,植被覆盖率良好[6].湖泊主要靠湖区降水与冰川融水补给.其地表冰川(曲:藏语意为河流)及由东头汇入的白朗曲和罗杰曲等三条河流.巴松措在1994年被评为国家风景名胜区,2017年被世界旅游组织提升为世界旅游5A级景区.该景点是工布江达县旅游产业的主要力量[7].越来越多的旅游输入,无疑将增加湖区的环境压力.然而,截止到目前,关于该湖泊水环境化学

特征及其控制因素的研究相对匮乏.本文首次以巴松措湖泊水体溶解相为研究对象,采集入湖河流,湖泊表层,垂直分层和出水口各样点水样,结合现场理化参数与仪器分析数据对该湖泊冷季(12月)在旅游最淡季时的水化学特征及其主要控制因素开展研究,以此为巴松措水环境现状背景,为下一步探明旅游开发对湖泊水环境的潜在影响提供基础数据.

1 材料与方法

1.1 样点布设与样品采集

于2018年12月(冷季)在巴松措上共计设置了32个采样点(图1),包括:表层(水面以下0.5m处,A,B1-B3,C1-C3,D1-D3,E,=11),湖心(B2,C2,D2)垂直分层断面(=15),湖泊补给水源河流(J1-J5,=5)和湖泊出水口(F,=1)等样点,覆盖了湖泊深水区,浅水区,湖心区等不同区域.

图1 巴松措水化学特征研究采样点设置

巴松措深水区(如D2)冷季实测最大深度为100m左右[8],因此本研究在湖心三个样点(B2,C2,D2)除设置了表层样点外,按水面以下4m,30m,45m,60m和100m还分别设置分层样点(图1).水深小于40m的水样采用卡盖式采样器(WB-PM型有机玻璃定深采水器/有机玻璃分层采水器,北京普利特仪器有限公司)采集,水深40m以上的水样则使用深水采样器(QCC15型卡盖式深水采样器,北京普利特仪器有限公司)采集.河流水样直接使用4L聚丙烯(PP)材料的烧杯采集.采集水样前,采样器均用原水润洗2～3次.采集到的水样分两部分执行相关操作,一部分于2L烧杯(PP材料)内用于现场理化参数的即时测定,另一部分则立即用0.45μm孔径针头式滤膜(聚醋酸纤维,美国密理博)过滤.滤液分别收集于酸洗过的PP样品瓶中,于4℃便携式冷藏箱保存.冷藏保存的样品运至实验室,分别用于水样溶解相中K+,Na+, Ca2+,Mg2+,SiO2和HCO3-,NO3-,Cl-,SO42-, PO43-,F-等11项水化学主要组成成分的测定.

1.2 样品分析与质量控制

现场理化参数,如水温,pH,总溶解盐(TDS),电导率(EC),矿化度(Sal.)的测定采用多参数测试笔(新加坡优特PCTestr35,新加坡Eutech,精度:水温:0.1℃, pH:0.01,TDS:0.01mg/L,EC:0.01μS/cm,Sal.:0.01mg/L)完成;溶解氧(DO),氧化还原电位(ROD)和浊度(Turb.)分别采用微电脑溶解氧-生化需氧量测定仪(HI98193,HANNA,精度:0.01mg/L),数字化pH/ORP型(ECO10,HACH,精度:1mV)分析仪和2100P ISO型浊度仪(2100P,HACH,精度:0.01NTU)完成测定.

水样溶解相中的K+,Na+,Ca2+,Mg2+和SiO2采用电感耦合等离子体发射光谱仪(PerkinElmer,Optima 5300DV)分析测定;主要阴离子HCO3-通过容量法测定;F-,Cl-,SO42-,NO3-,PO43-则由离子色谱分析仪(DIONEX,ICS-1000)测定.天然水体的离子总量通常可由八大离子的总和表示,即TDS计算值=[Ca2++ Mg2++Na++K+]+[HCO3-+SO42-+Cl-+NO3-][9].本研究TDS现场测量值与TDS计算值,EC测量值与EC计算值的线性关系均良好,R分别为0.992及0.994.水样中主要阴离子(A-)与阳离子(A+)当量浓度之间也具有良好的相关性(2=0.965),离子平衡相对偏差在10%以内.说明本研究相关数据质量满足质控要求.

2 结果与讨论

2.1 巴松措湖区水体现场理化参数特征

冷季,巴松措湖区入湖河流(J1-J5),湖泊表层(A-E)及出水口(F)各现场理化参数变化趋势较一致(图2).由图2可以看出,入湖河流水温较湖泊表层及出水口低. DO值在入湖河流样点最高,而湖泊表层与出水口处的DO低,表明DO的变化除了受水温的影响外,还与水流的速度相关[10].与DO空间变化不同,湖区ROD数值由河流到湖泊表层呈升高的趋势.冷季湖水清澈,入湖河流与湖泊表层以及出水口的浊度均低于5NTU.入湖河流与湖泊表层以及出水口pH值整体变化差异较小(8.36～8.75,平均值为8.53),湖水整体呈弱碱性.巴松措为典型外流湖泊,其表层TDS,EC和矿化度与其出水口一致,整体较湖区入湖河流低.

图2 入湖河流(J1-J5)与湖泊表层(A-E)以及出水口(F)样点现场理化参数变化趋势

受水深变化影响,这些现场理化参数在垂直剖面的变化差异较大(图3).由图3可以看出,湖水在垂直剖面的平均水温先由湖泊表层的6.3℃降至4m处的6.0℃,在4m～45m水深范围内基本保持不变,再由45m处的6.1℃降至60m处的5.7℃后至100m水深处保持不变.与此相对应,DO由湖泊表层(均值:7.77mg/L)沿垂直剖面到湖深处逐渐降低,并在100m样点处达到最低值(5.19mg/L).ROD但沿湖泊垂直方向缓慢降低至45m处(均值:170mV)后升高,并在100m处达最高值(均值:187mV).湖区内浊度最高值出现在垂直剖面的水深100m样点处,但其值仅为6.06NTU.TDS,EC和矿化度相应数值在垂直剖面上均随水深升高,在100m样点处达到最高值.

总体而言,巴松措水体的pH值变化较小(pH: 7.90～8.75).与同是藏东南外流湖然乌湖[11](pH: 7.54～8.48),易贡错[2](pH=5.6)相比,巴松措pH值较高.而与藏南外流内陆湖[12-13](pH:6.0～9.6,藏北内陆湖[14-15](pH:9.2～10.1)相比,则相对较低.可见,高原上不同湖区湖泊根据地域分区不同,其pH值表现出由东南向西北逐渐递增的趋势.受降水补给减少和蒸发量增加的影响,通常湖泊水体在冷季的TDS和矿化度高于暖季相关数值[4].但是,藏南外流内陆湖泊(玛旁雍错和拉昂错[12],普莫雍错和羊卓雍措[13])和藏北内陆湖泊(纳木错[14],色林错和达则错[15])在暖季(6～9月)的TDS数值仍分别是巴松措在冷季的2～12倍和21～106倍.与同是藏东南外流湖区且位于东部的然乌湖[11]和易贡错[2]暖季时期相比,巴松措的TDS仅高出了1～2倍.即,藏东南湖泊整体具有矿化度较低的特点[2].整体来看,随着湖区地理单元变化,湖泊水体中总的含盐量也表现出由藏东南向藏南再向藏北逐渐增高的趋势.

图3 巴松措湖心垂直分层样点(B2,C2,D2)现场理化参数随水深变化

在冷季,巴松措湖区被测的8项现场理化参数值从入湖河流到湖泊表层且沿垂直方向至最深处均有一定的空间变化规律,但是这些变化并无显著性差异(>0.05).通常,深水湖泊(水深>7m)可产生温跃层[16].夏季,随着太阳辐射的增强,表层湖水温度逐渐升高,湖水进入分层期[17-18].而在冷季,受上下层湖水密度差异和风力扰动的影响,湖水进入翻转期[19-20].水体密度主要受控于温度,盐度及压力[21].但由于压力对淡水湖泊水体分层影响极小[22],且巴松措盐度较低,因此温度是影响其湖水密度的主要因素.研究表明,藏北湖区淡水湖班公错[17]在10～11月间随着太阳辐射的季节性降低,气温和上层水温较低,上层湖水密度逐渐增大,而深部湖水基本保持不变,因此湖水稳定性降低,表层湖水逐渐与深层湖水发生交换;随着气温和上层湖水温度进一步降低,上层湖水与深部湖水密度几乎一致,因此产生对流或密度流有利于水体混合,伴随风力扰动,湖水发生翻转,进入翻转期[23-24].处于翻转期的湖泊各理化参数数值沿垂直梯度无显著差异[18,24].但是这种空间同质效应在有水温分层的情况下将会发生改变[17].相比之下,在12月巴松措却仍在水深45～60m范围内存在温度跃变.这是由于位于藏东南湖区的巴松措与位于藏北湖区的班公措在同期气温相差较大的原因所导致的.数据表明,位于高山峡谷间的巴松措所属林芝区域内12月多年平均气温为1.2℃.而位于高原开阔区的班公措所属噶尔县区域内11月多年平均气温低至-7.1℃[26].相对气温较高和风力扰动较小的巴松措湖水在12月并未完全进入翻转期.然而,此时的巴松措水温跃变梯度小,水深45～60m之间温度变化强度仅为0.02～0.03℃/m.因此,虽然各理化参数在垂直剖面表现出一定的变化,但该变化并无显著性差异.本研究只在表层以下0.5,4,30,45,60和100m处进行了6个梯度的垂直剖面分层,但仍能在一定程度上反映水温在垂直剖面的变化规律.

2.2 巴松措湖区水化学特征及其影响因素

巴松措湖泊水体溶解相中,Ca2+为主导阳离子,占阳离子总量的80.35%.其次为Mg2+,仅占阳离子总量的9.47%.Na+和K+分别只占阳离子总量的6.54%和3.64%.HCO3-为主要阴离子,占阴离子总量的72.95%,其次为SO42-,占离子总量的25.60%.Cl-含量极低,仅占阴离子总量的1.45%.这样的离子分布特征也可从其阴阳离子三角图(图4,=32)中直观地看出,并辨别其控制端元[27].根据舒卡列夫分类法可以得知,巴松措水化学类型为HCO3·SO4-Ca型.

巴松措水化学类型与高原上其他湖区湖泊不同(表1).由表1可见,巴松措湖水水化学类型与同是藏东南外流湖区,且区域年平均气温及降水量差异不大[4]的然乌湖不同.对比这两个湖区的岩性可见,巴松措流域以花岗岩类,闪长岩类为主,主要矿物成分以石英,长石和云母为主,也有较少的超基性橄榄岩类分布[28],而然乌湖流域岩性则以白云质灰岩,白云岩和花岗闪长岩为主[11].由此可见,相同湖区内岩性分布种类及岩石风化作用的不同是导致水体水化学类型差异的主要因素.属于藏南外流内陆湖泊的普莫雍错流域,岩性主要以硅质砂岩和深灰色板岩为主,其水化学类型为HCO3–SO4-Mg–Ca型.虽然该湖泊属于藏南山地灌丛草原半干旱气候,年平均气温在2～4℃之间,年降水量300mm左右[4],但由于其属于半封闭湖泊,蒸发强烈,再加上湖泊本身的沉积作用,使得Mg2+成为了湖水中的主要阳离子[29].属于藏北内陆湖泊的纳木错,由于地处高寒半湿润向高寒半干旱气候的过渡地带,年平均气温为-2～0℃,年降水量在300～410mm之间.作为完全封闭性质的湖泊,蒸发效应更强烈.湖水主要受蒸发浓缩作用控制[4,14].其水化学类型转变为HCO3–SO4-Mg–Na.由表1也可以看出,藏东南湖区湖泊的补给系数远高于其他两个湖区.湖泊补给系数在不同地区上的变化规律,大致上和区域气候变化趋势相吻合[30].随着区域气候的逐渐干燥,湖区蒸发量加大,补给系数的大小也呈东南向西北逐渐递减的趋势.总体而言,不同湖区除流域内地质条件的影响之外,流域内气候变化及湖泊本身的构造特点也是造成水体水化学类型差异的重要因素.

本研究在分析测定常量离子的基础上对水体溶解相中的SiO2,F-和PO43-进行了测定.结果显示,F-和PO43-均未在巴松措湖水中检出,而NO3-含量除了J3样点有检出外,其余样点均低于检出限.SiO2的平均含量为3.96mg/L(3.47～7.06mg/L),只占离子总量的3%～4%,对水体溶解性盐的贡献较小.

表1 青藏高原不同湖区湖泊水化学类型比较

注:“*”表示水化学类型是按舒卡列夫分类法进行分类的.

巴松措湖泊的水化学特征与其入湖河流差别小.这是由于巴松措湖区内山体切割,地形破碎,湖泊成了外流水系组成部分的缘由[2].然而,在平面空间分布上,入湖河流样点的主要阴阳离子含量与现场测定的TDS,EC和矿化度含量普遍较湖泊表层样点高,且整体呈汇入后趋于平稳的趋势(图5和图2).入湖河流J4样点各相关参数含量整体最低,致使其下游与J3汇合后的J5样点的相关含量也较低,但并未对下游湖泊(D断面)产生显著影响.水量差异及其湖泊本身的作用使得整个湖泊的水化学条件趋于一致[28].巴松措湖水主要阴阳离子含量在湖泊垂直剖面变幅较小,且均表现出随深度小幅升高的趋势(图6).12月巴松措流域降水量和入湖河流径流均明显减少,深部湖水受扰动较小,再者受湖泊本身的沉积作用影响[4,29],使巴松措湖水化学离子在垂直剖面上呈现从水深45m开始随水深小幅递增的趋势.但整体上,入湖河流,湖泊表层和湖泊垂直分层各样点(=32)主要离子含量间无显著性差异(>0.05).

Gibbs将水体化学成分的主控因子分为岩石风化,大气降水和蒸发结晶3个因素[31].数据表明巴松措湖区水体水化学组成受流域内岩石风化作用的影响显著(图7).这与藏东南外流湖区其他两个湖泊[11]一致,与藏北内陆湖区纳木错的主导因素不同.纳木错为全封闭型湖泊[32].虽有多条河流注入纳木错,但湖水蒸发量大(935～1015mm).受入湖河水化学组成和湖面蒸发的影响,蒸发结晶是纳木错水化学的主要控制因素[33].

图5 入湖河流(J1-J5)与湖泊表层(A-E)以及出水口(F)样点主要离子空间变化

图6 巴松措湖心垂直分层样点(B2,C2,D2)主要离子平均含量空间变化

岩性端元图[34](图8)可进一步探明不同的岩石风化,包括碳酸盐岩,硅酸盐岩和蒸发岩盐3种作用对巴松错水体主要离子来源的贡献大小.由图8可见,巴松措及其入湖河流水体的所有样点均落在碳酸盐岩控制端元,表明湖区内离子组分主要来源于流域内碳酸盐岩风化的产物溶解.其中,入湖河流3个样点(图8)受碳酸盐岩风化作用影响相对显著.计算结果表明,入湖河流与湖泊水中钠吸附比(SAR= Na+/[Ca2++ Mg2+/2]0.5)[28]平均值分别为0.318,0.357.即,入湖河流水中钠吸附比稍低于湖水的钠吸附比,说明入湖河流发生离子交换吸附程度比湖水小.

图7 冷季巴松措水体Gibbs分布

图8 冷季巴松措水体岩性端元

在天然条件下,碳酸盐(方解石,白云石等)的溶解风化是提供Ca2+和HCO3-的最主要来源,同时含镁的碳酸盐风化则会使Mg2+进入水体中[35].根据岩石风化的主要化学反应式,方解石等碳酸盐岩风化过程所产生的Ca2+和Mg2+的当量浓度值应与HCO3-大体一致[36].因此,[Ca2+和Mg2+]的当量浓度之和与HCO3-当量浓度的比值也常被用来判断区域内化学风化的类型[34,37].由[Ca2++Mg2+]与HCO3-浓度关系图(图9a)中可见,湖区所有样点均位于等值线1:1上方,平均值为1.23,相关性系数达0.96.说明湖区碳酸盐岩风化程度高.而阳离子当量浓度关系(图9b)表明,Ca2+和Mg2+即为湖区主要阳离子(相关性系数为0.99),Na+和K+占阳离子总量的比值极低(图9c),相关性系数仅为0.41.由此可见,湖区主导离子Ca2+和HCO3-的来源即为流域内碳酸盐岩的风化过程.

图9 冷季巴松措水体离子当量浓度关系

3 结论

3.1 冷季,巴松措湖区pH值整体差异较小(7.90～ 8.75),平均值为8.41,湖水整体呈弱碱性.湖区平均水温为5.7℃.湖泊本身水温沿表层小幅降至水深4m处,在4m～45m水深范围内基本保持不变,再小幅由45m处降至60m处后至湖底保持不变.受水温及水深的影响,DO值由湖泊表层沿垂直梯度到湖底逐渐降低,并在100m样点处达到最低值.与DO空间变化不同,湖区ROD数值沿湖泊垂直方向缓慢降至45m处后升高,并在100m处达最高值.虽然在冷季巴松措于水深45m～60m范围内仍存在温度跃变,湖水并未完全进入翻转期,但因其水温跃变梯度较小,各理化参数在入湖河流、湖泊表层、湖泊垂直分层以及出水口各样点的变化并无显著性差异(>0.05).

3.2 巴松措湖区,Ca2+和HCO3-为主导离子,分别占阳、阴离子总量的80.35%和72.95%.在平面空间分布上,入湖河流的主要离子含量整体较湖泊表层高,且呈汇入湖泊后趋于平稳的趋势.冷季深部湖水受扰动较小和湖泊本身沉积作用的影响,主要离子含量在垂直分布上却呈随水深增加而轻微增大的趋势.但整体上,入湖河流,湖泊表层和湖泊垂直分层各样点(=32)主要离子含量间无显著性差异(>0.05).

3.3 巴松措水化学类型为HCO3·SO4-Ca型.流域内的岩石风化,特别是碳酸盐岩的风化过程是影响巴松措湖区水化学组成和分布特征的主要控制因素.

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Hydrochemical characteristics and its controlling factors of Basong Lake in cold season in Tibet.

LUO Zhen, RENZENG LaMu, CHEN Hu-lin, HUANG Xiang*

(School of Sciences, Tibet University, Lhasa 850000, China)., 2021,41(9)：4263～4270

In Dec. 2018, study on hydrochemical characteristics and its controlling factors of Basong Lake was carried out. Water samples were collected from the lake surface, vertical layers, inlets and outlets river and, on-site measurement were performed for various physicochemical parameters. The results showed that the Basong Lake overall was slightly alkaline. The measured TDS were relatively low, with an average value of 107mg/L. The average water temperature in the lake area was 5.7℃, with a thermocline appeared at the depth of 45～60m. However, since the temperature variation was minor, there was no significant difference between these measured physicochemical parameters at each sampling sites (>0.05). Among major ions,Ca2+and HCO3-were the two dominants,account for 80.35% and 72.95% of the total cations and anions, respectively. Spatially, contents of the major ions in the inlet rivers were generally higher than that of lake surface, then after showed a homogeneous feature over the lake surface. In contrast, vertically, the contents of the major ions were slightly increased with an increasing water depth. The water chemistry type of the Basong lake was HCO3•SO4-Ca type. Weathering of rocks in the lake catchments, especially carbonate weathering was the major controlling factor that determined the composition and distribution of ionic contents in the lake area.

major ions；water chemistry；controlling factors；Basong Lake；the outflow lake area of Southeast Tibet

X524

A

1000-6923(2001)09-4263-08

罗 珍(1995-),女,藏族,西藏曲水人,西藏大学硕士研究生,研究方向为高原环境监测与生态安全.发表论文2篇.

2021-02-13

国家自然科学基金资助项目(21667027,31660620);中央支持地方高校改革发展资金[藏财科教指(2021)1号]

* 责任作者, 教授, xiang.huang@utibet.edu.cn