趙陽(yáng), 趙衡,2, 王富強(qiáng),2,3, 陳希, 次仁曲吉

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450046; 3.河南省水環(huán)境模擬與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046; 4.大連理工大學(xué),遼寧 大連 116024; 5.西藏自治區(qū)水文水資源勘測(cè)局拉薩水文水資源分局,西藏 拉薩 850000)

河流在全球水循環(huán)中起著非常重要的作用,河流的水化學(xué)組分特征反映了地表風(fēng)化、剝蝕作用的強(qiáng)弱以及水體元素遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律[1]。于新生代抬升的青藏高原對(duì)全球氣候變化有著重要影響[2-3]。青藏高原是亞洲十大河流的源區(qū),發(fā)育了黃河、長(zhǎng)江、雅魯藏布江(布拉馬普特拉河)、怒江(薩爾溫江)等世界大河,哺育了眾多的人口。近年來(lái),對(duì)青藏高原河流水化學(xué)的研究日益受到重視,研究區(qū)域涵蓋青藏高原外流河流域[4-9]與內(nèi)流河流域[10],研究?jī)?nèi)容多為河流水化學(xué)特征、巖石化學(xué)風(fēng)化、巖石化學(xué)風(fēng)化速率對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)等。NOH Hyonjeong等[11]分析了青藏高原東部長(zhǎng)江、瀾滄江(湄公河)以及怒江(薩爾溫江)3條河流的巖石化學(xué)風(fēng)化過(guò)程,指出3條河流的水化學(xué)特征各異,其中怒江干流河水中離子主要由碳酸鹽巖風(fēng)化貢獻(xiàn)。陶正華等[12]在分析西南三江(金沙江、瀾滄江和怒江)流域化學(xué)風(fēng)化過(guò)程時(shí)指出,怒江總?cè)芙夤腆w(Total Dissolved Solids,TDS)的變化范圍為194～209 mg/L,怒江干流水化學(xué)類(lèi)型為Ca-HCO3型,怒江干流硫酸根離子主要來(lái)源于硫化物氧化。目前,關(guān)于青藏高原流域水化學(xué)的研究多集中在大流域尺度,獲得大區(qū)域的平均信息,而且針對(duì)雅魯藏布江、長(zhǎng)江源區(qū)、黃河源區(qū)的研究較多,但有關(guān)怒江源區(qū)那曲河流域河流水化學(xué)特征及主離子來(lái)源的研究較少[13-16]。本研究通過(guò)測(cè)定那曲河流域河水的基本理化參數(shù)和主離子含量,應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)方法分析了那曲河流域河流的水化學(xué)特征及主離子來(lái)源,辨識(shí)了那曲河水化學(xué)特征的空間差異性,以期為青藏高原河流水化學(xué)研究以及那曲河流域河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

那曲河流域是怒江的正源,是怒江和藏東地區(qū)重要水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障建設(shè)區(qū),在區(qū)域性板塊構(gòu)造劃分上隸屬于班公錯(cuò)—怒江縫合帶及岡底斯—念青唐古拉板片。流域地處唐古拉山脈和念青唐古拉山脈之間,介于東經(jīng)91°12′～92°54′,北緯30°54′～32°43′,位置如圖1所示。流域平均海拔在4 500 m以上,屬于高原丘陵地形,高寒草甸是主要植被[17-18]。流域面積16 350 km2,河段長(zhǎng)460 km,總落差約920 m,河道平均比降2‰。那曲河上游又稱(chēng)為拉日曲。那曲河主要支流包括母各曲、稱(chēng)曲、龔曲、羅曲,流域面積分別為2 103、1 090、1 232、1 479 km2。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)位置分布圖

流域大部分區(qū)域?qū)儆诟咴瓉喓畮Ъ撅L(fēng)半濕潤(rùn)氣候區(qū),空氣稀薄,大氣干潔,氣溫低,日溫差大,多年平均氣溫-0.6 ℃;降水主要受西南季風(fēng)影響,多年平均降水量為477.8 mm,多年平均5—9月降水量占全年降水量的89.4%左右。那曲河流域出露地層主要有:二長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖、中酸性火山巖、火山碎屑巖、變質(zhì)砂巖、板巖、泥質(zhì)砂巖、中粗砂巖互層、砂質(zhì)礫巖等。此外,那曲河流域人口密度低,人口分布從上游往下游呈遞增趨勢(shì),流域內(nèi)自然經(jīng)濟(jì)以牧業(yè)為主體。

2 研究方法

2.1 水樣采集與分析

2.2 多元統(tǒng)計(jì)分析

多元統(tǒng)計(jì)分析方法,如聚類(lèi)分析、判別分析、主成分分析以及因子分析等方法,已經(jīng)在地表水和地下水水質(zhì)分析方面被廣泛應(yīng)用[23-28]。聚類(lèi)分析是一種無(wú)監(jiān)督分類(lèi)方法,可從時(shí)間尺度與空間尺度對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析,根據(jù)觀察值或者變量之間的相似程度進(jìn)行聚類(lèi),直至聚成一類(lèi)。因子分析可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維,從而降低多變量問(wèn)題的分析難度。本文應(yīng)用聚類(lèi)分析和因子分析來(lái)研究怒江源區(qū)那曲河水化學(xué)特征及河水中主離子來(lái)源。

3 結(jié)果分析

3.1 水化學(xué)特征的統(tǒng)計(jì)分析

那曲河流域河水水化學(xué)特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,那曲河流域河水pH值的變化范圍為7.71～8.41,均值為8.03,表明那曲河流域河水整體呈弱堿性;pH值的變異系數(shù)最小,為2.80%,表明那曲河流域河水pH值在空間上的變化較小。

表1 那曲河流域河水水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果

那曲河流域河水TDS含量的空間變化如圖2所示。由表1和圖2可知：那曲河流域河水TDS含量的變化范圍為120～512 mg/L；TDS含量最高的點(diǎn)(NQ1-1)位于那曲河干流上游,且自上游往下游TDS含量逐漸降低;TDS含量最低的點(diǎn)(GQ1-1)位于那曲河流域南部的龔曲干流上；那曲河流域河水TDS的均值為232.92 mg/L,與發(fā)源于青藏高原的雅魯藏布江的(204.51 mg/L)[30]相近,比紅河(172 mg/L)[31]、恒河(187 mg/L)[32]以及印度河(164 mg/L)[33]的高,比黃河上游(274 mg/L)[34]的低。

圖2 那曲河流域河水TDS空間變化

那曲河流域河水DO濃度的變化范圍為6.54～9.15 mg/L,均值為7.87 mg/L。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[35],就DO值而言,那曲河流域河水水質(zhì)優(yōu)于Ⅱ類(lèi)。那曲河流域河水ORP的變化范圍為42～229 mV,均值為154.69 mV。那曲河

流域河水濁度的變化范圍為8.72～392 NTU,均值為147.98 NTU,變異系數(shù)較大,為87.07%。

利用阿列金分類(lèi)法劃分那曲河流域河水的水化學(xué)類(lèi)型,結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知:①那曲河流域13個(gè)采樣點(diǎn)的水化學(xué)類(lèi)型可分為[C]CaⅠ型、[C]CaⅡ型、[S]CaⅡ型、[C]MgⅡ型4種。②NQ1-3、CQ1-1、CQ1-2、MGQ1-1采樣點(diǎn)的水化學(xué)類(lèi)型點(diǎn)為[C]CaⅠ型;NQ1-1、SQ1-1、BSQ1-1、MMQ1-1、ZQQ1-1、MGQ2-1、GQ2-1采樣點(diǎn)的水化學(xué)類(lèi)型為[C]CaⅡ型;GQ1-1采樣點(diǎn)的水化學(xué)類(lèi)型為[S]CaⅡ型;NQ1-2采樣點(diǎn)的水化學(xué)類(lèi)型為[C]MgⅡ型。③那曲河流域河水的水化學(xué)類(lèi)型以重碳酸鹽類(lèi)為主,只有GQ1-1采樣點(diǎn)的水化學(xué)類(lèi)型為硫酸鹽類(lèi)。分析其原因?yàn)?由于龔曲干流附近的人類(lèi)活動(dòng)較少,其可能存在石膏等蒸發(fā)鹽巖的溶解或硫化物的氧化風(fēng)化[38]。

表2 基于阿列金分類(lèi)法的那曲河水化學(xué)分類(lèi)

圖3 那曲河流域河水Gibbs圖

3.2 水化學(xué)組分的聚類(lèi)分析

圖4 空間尺度聚類(lèi)分析樹(shù)形圖

由圖4可知,當(dāng)類(lèi)間距離為10時(shí),水化學(xué)組分可分為A、B、C三大類(lèi),為進(jìn)一步區(qū)分那曲河流域河流水化學(xué)特征間的差異,選擇更小的類(lèi)間距離將13個(gè)河水樣品分為A1、A2、B、C4類(lèi)。

圖5展示了河水樣品中A1、A2、B、C類(lèi)水化學(xué)組分的最小值、最大值和平均值。

圖5 基于聚類(lèi)分析的那曲河水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)圖

水化學(xué)組分對(duì)應(yīng)的河水樣品中TDS的變化范圍為120.0～162.0 mg/L,均值最小,為133.2 mg/L;A2類(lèi)水化學(xué)組分對(duì)應(yīng)的河水樣品中TDS的變化范圍為169.0～303.0 mg/L,均值為246.8 mg/L;A1類(lèi)水化學(xué)組分對(duì)應(yīng)的河水樣品中TDS的變化范圍為294～322 mg/L,均值為308 mg/L;B類(lèi)水化學(xué)組分對(duì)應(yīng)的河水樣品中TDS濃度最高,為512 mg/L。③樣品NQ1-1獨(dú)自為一類(lèi)，表明那曲河干流上游的水化學(xué)特征與那曲河干流中下游以及其他支流的差異較大。

3.3 水化學(xué)組分的因子分析

表3 水化學(xué)組分相關(guān)系數(shù)矩陣

表4 各成分解釋的總方差

表5 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

表6為各個(gè)采樣點(diǎn)河水樣品的公因子得分,根據(jù)公因子得分的高低,可以推測(cè)出那曲河流域河水的主離子來(lái)源。稱(chēng)曲(CQ1-1、CQ1-2)、那曲干流中下游(NQ1-2、NQ1-3)、母各曲干流(MGQ1-1)河水離子組成主要受硅酸鹽巖風(fēng)化溶解控制;那曲干流上游(NQ1-1)、龔曲(GQ1-1、GQ2-1)、母各曲支流(MGQ2-1)、宗青曲(ZQQ1-1)河水離子組成主要受到蒸發(fā)鹽巖溶解或者硫化物氧化風(fēng)化控制;巴索曲(BSQ1-1)、桑曲(SQ1-1)、母姆曲(MMQ1-1)河水離子組成主要受碳酸鹽巖風(fēng)化溶解控制。

表6 公因子得分

3.4 討論

阿列金分類(lèi)法按優(yōu)勢(shì)離子成分進(jìn)行水化學(xué)分類(lèi),雖然可以直觀地看出河水中的優(yōu)勢(shì)離子,但是無(wú)法體現(xiàn)出同一種水化學(xué)分類(lèi)之間的差異。將阿列金分類(lèi)法與聚類(lèi)分析相結(jié)合可以更加全面地分析怒江源區(qū)那曲河水化學(xué)特征,辨識(shí)出不同河流之間水化學(xué)特征的差異大小。

在聚類(lèi)分析中,那曲干流上游(NQ1-1)獨(dú)立分為一類(lèi),其為[C]CaⅡ型水,而且在所有采樣點(diǎn)中,NQ1-1海拔最高,TDS含量最高,NQ1-1與其他采樣點(diǎn)的較大差異,也反映出那曲干流上游與那曲支流、那曲干流中下游水化學(xué)特征差異較大。結(jié)合因子分析結(jié)果分析其原因,可能是蒸發(fā)鹽巖溶解的貢獻(xiàn)使那曲干流上游的TDS含量較高。

根據(jù)Gibbs圖可以看出那曲河流域河流水化學(xué)特征控制機(jī)制以巖石風(fēng)化為主。利用因子分析,結(jié)合3個(gè)公因子的得分高低,可以區(qū)分不同巖石風(fēng)化端元對(duì)那曲河流域河流水化學(xué)組成的影響。但是由于缺乏大氣降水的水化學(xué)數(shù)據(jù),本文在利用因子分析區(qū)分巖石風(fēng)化端元時(shí),未扣除大氣降水對(duì)河水中離子的輸入,這也增大了那曲河流域河水主離子來(lái)源分析的不確定性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用描述性統(tǒng)計(jì)、聚類(lèi)分析、因子分析等多元統(tǒng)計(jì)分析方法研究了那曲河流域河流水化學(xué)特征及主離子來(lái)源,得出以下結(jié)論:

2)根據(jù)聚類(lèi)分析,可以將那曲河流域河流分為A1、A2、B、C4類(lèi),按照TDS均值由大到小排序?yàn)锽類(lèi)、A1類(lèi)、A2類(lèi)、C類(lèi)。那曲河干流上游與那曲河支流、那曲河干流中下游水化學(xué)特征差異較大。

3)那曲河流域河流水化學(xué)特征控制機(jī)制以巖石風(fēng)化為主,根據(jù)因子分析,稱(chēng)曲、那曲河干流中下游、母各曲干流河水離子組成主要受硅酸鹽巖風(fēng)化溶解控制;那曲河干流上游、龔曲及其支流、母各曲支流、宗青曲河水離子組成主要受到蒸發(fā)鹽巖溶解或硫化物氧化風(fēng)化控制;巴索曲、桑曲、母姆曲河水離子組成主要受到碳酸鹽巖風(fēng)化溶解控制。