劉久潭，李穎智，高宗軍，王 敏，劉曼茜，王 姝，王貞巖

（1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051）

水是重要的自然資源，是維持生態(tài)環(huán)境的重要因素［1］。天然水體中的化學(xué)組分受地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、氣候、地形地貌以及人類活動(dòng)等多種因素共同影響，其化學(xué)成分在一定程度上記錄了水的形成和運(yùn)移歷史［2］。不同水體之間具有密切聯(lián)系，是流域水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)［3］。氫氧同位素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在地表水-地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究中應(yīng)用十分廣泛［3］。許多學(xué)者通過對(duì)水化學(xué)和同位素特征的分析，在黑河流域［4］、小昌馬河流域［5］、昭蘇-特克斯盆地［6］、海河流域源區(qū)［7］等地區(qū)的水化學(xué)及地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究上取得了較好的效果。因此，了解區(qū)域水化學(xué)及穩(wěn)定同位素特征，不僅可以揭示水化學(xué)組成及同位素特征，也可對(duì)流域內(nèi)水化學(xué)演化研究、地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系，水資源合理開發(fā)利用具有十分重要的意義［3］。

拉薩河流域地處世界上最清潔的地區(qū)之一——青藏高原，中下游地區(qū)是西藏自治區(qū)人口密集地區(qū)，具有豐富的水資源，但開發(fā)利用程度相對(duì)較低，并且關(guān)于水化學(xué)及地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究十分有限。張惠芳等［8］分析了1995—2014年拉薩河流域水環(huán)境變化及其驅(qū)動(dòng)力，發(fā)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量稍有下降，且農(nóng)牧非點(diǎn)源污染是拉薩河流域的主要污染源。張清華等［9］對(duì)拉薩河流域河水主要離子化學(xué)特征及來源進(jìn)行了相關(guān)研究。龔晨［10］對(duì)拉薩河流域水化學(xué)時(shí)空變化及影響因素進(jìn)行研究。張鳳熔［11］分析了拉薩河流域水化學(xué)特征并對(duì)水體重金屬源進(jìn)行了解析。隨著拉薩地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，區(qū)內(nèi)水資源的開發(fā)利用程度逐漸增加。因此，本研究利用拉薩河流域中下游地區(qū)水化學(xué)及穩(wěn)定同位素資料，對(duì)水化學(xué)特征和地表水地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行研究，闡明水化學(xué)組成特征，揭示地表水-地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系，以期為拉薩河流域中下游地區(qū)的水環(huán)境保護(hù)和水資源的合理開發(fā)利用提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處西藏自治區(qū)南部（圖1），拉薩河是雅江流域面積最大的一條支流，平均海拔高度在3 600 m以上。拉薩河發(fā)源于念青唐古拉山脈南麓，流經(jīng)林周、墨竹工卡、達(dá)孜以及拉薩等地，于下游的曲水匯入雅江。從河源至桑曲匯入口為上游段，自桑曲匯入口到直孔為中游段（圖1），自直孔以下為下游段。研究區(qū)地勢(shì)受地質(zhì)構(gòu)造及河流侵蝕切割影響，南北高，中部低。拉薩河谷由東北向西南，平均海拔3 700～3 800 m；南北為起伏較大的山地，崇山峻嶺，深山峽谷，地形坡度大，基巖裸露。

研究區(qū)屬高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候，日照時(shí)間長，空氣稀薄，晝夜溫差大，旱雨兩季分明。降雨主要分布在6—8月，多為陣雨。地表水資源豐富，河流密布，常年性河流主要有拉薩河、堆龍曲、澎波曲等，其余多為季節(jié)性溪流。拉薩河主要接受大氣降水補(bǔ)給、地下水的側(cè)向補(bǔ)給以及冰雪融水補(bǔ)給。研究區(qū)地下水類型主要有松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水、基巖裂隙水四大類。松散巖類孔隙水分布于主要河流的一級(jí)階地與高漫灘及支溝沖洪積扇等地帶。碳酸鹽巖裂隙溶洞水主要分布在堆龍德慶、拉薩市奪底溝北部及墨竹工卡、林周部分地帶，富水性較好。碎屑巖類裂隙孔隙水賦存于堆龍德慶北部地區(qū)，富水性較弱；基巖裂隙水賦存于拉薩河、堆龍曲河谷兩側(cè)、墨竹工卡東部、林周縣大部分地區(qū)，富水性弱。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

圖1 研究區(qū)及取樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of the study area and sampling sites

本次研究數(shù)據(jù)資料來自中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心西藏項(xiàng)目組，共選取水樣數(shù)據(jù)53個(gè)（圖1），其中地下水26個(gè)，地表水18個(gè)，泉水9個(gè)。取樣時(shí)間為2014年7月，取樣時(shí)采用清潔、干燥的聚乙烯塑料瓶，取樣前先用待取水樣清洗取樣瓶2～3次，取樣后用封口膜進(jìn)行封口，防止外漏。所取樣品均進(jìn)行冷藏貯存，并盡快送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。

在取樣現(xiàn)場，采用便攜式儀器（哈希，HQ40d）對(duì)p H 值及電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）進(jìn)行測定；主要陽離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）采用火焰原子吸收光譜儀測定，總硬度（total hardness，TH）和HCO-3采用滴定法測定，Cl-、和采用離子色譜儀測試，溶解性總固體（total dissolved solids，TDS）采用烘干法測定。氫氧同位素采用液態(tài)水同位素分析儀（L2130-i）進(jìn)行測定，測定結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)平均海水同位素（Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW）進(jìn)行校正。

2.2 分析方法

利用水化學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件，綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線圖、Gibbs圖以及離子比值端元圖等方法分析水化學(xué)特征和控制因素，并利用水化學(xué)資料和穩(wěn)定同位素分析了地表水和地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系。其中，Piper三線圖由AqQA 軟件繪制，采用SPSS 21.0和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并繪制Gibbs圖，另外利用Photoshop和MapGIS 6.7軟件進(jìn)行其他圖件的繪制。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)組成

3.1.1 地表水水化學(xué)統(tǒng)計(jì)特征

地表水樣共18個(gè)，主要水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。拉薩河流域中下游地區(qū)地表水陽離子以Ca2+和Mg2+為主，呈Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+的關(guān)系；陰離子以和為主，存在＞的關(guān)系。TDS含量較低，為121.17～334.93 mg·L-1，平均值為192.61 mg·L-1，屬低礦化度型水。p H 值為4.33～9.88，平均值為7.81，呈弱堿性。TH 值介于74.47～251.90 mg·L-1，平均值為125.60 mg·L-1，按照水的硬度分類，屬軟水。EC為81.50～458.00μs·cm-1，均值為209.58μs·cm-1。含量為0.10～2.30 mg·L-1，平均值為0.45 mg·L-1。變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）較大，其中，CV=SD/Mean，SD為標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation），表明在地表水中含量不穩(wěn)定，與人類活動(dòng)有關(guān)，但其含量很低，說明受人類影響很小。

表1 研究區(qū)地表水和地下水水化學(xué)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of chemical compositions of surface water and groundwater samples

3.1.2 地下水和泉水水化學(xué)統(tǒng)計(jì)特征

地下水水樣26個(gè)，泉水9個(gè)，水化學(xué)組成統(tǒng)計(jì)見表1。研究區(qū)地下水和泉水陰陽離子均以HCO-3、、Ca2+和Mg2+為主，且陰陽離子濃度關(guān)系為Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+和。地下水和泉水的EC均值分別為289.75和198.99μs·cm-1。地下水中TDS含量較泉水大，介于155.48～803.63 mg·L-1，均值為315.89 mg·L-1。泉水TDS含量為122.02～346.77 mg·L-1，均值為177.67 mg·L-1。地下水和泉水的p H 均值分別為7.66和7.59，屬弱堿性水。按照水硬度分類地下水和泉水為中硬水和軟水。地下水和泉水NO-3含量分別為0.1～19.50 mg·L-1和0.1～4.30 mg·L-1，變異系數(shù)均較大，但其平均含量較低，說明研究區(qū)地下水和泉水受人類活動(dòng)影響很小。

3.2 水化學(xué)類型

Piper三線圖在分析水體水化學(xué)類型及各離子組分含量的比例關(guān)系中應(yīng)用十分廣泛［12-13］。由圖2可以看出，拉薩河流域中下游地區(qū)地表水、地下水以及泉水均沿軸分布，且水體中Cl-含量較低，陰離子以和為主；陽離子則沿Ca2+和Mg2+分布，表明研究區(qū)水體中陽離子以Ca2+和Mg2+為主。

地表水水化學(xué)類型以SO4·HCO3-Ca·Mg和HCO3·SO4-Ca·Mg型為主，地下水以HCO3·SO4-Ca·Mg和HCO3-Ca為主，泉水則主要為SO4·HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和SO4·HCO3-Mg·Ca型；并且由Piper三線圖（圖2）可以明顯地看出，水樣點(diǎn)可分為三個(gè)區(qū)域：地表水區(qū)域、地下水區(qū)域以及地表水、地下水和泉水的混合區(qū)域，這表明研究區(qū)地表水和地下水水力聯(lián)系密切，存在明顯的轉(zhuǎn)化關(guān)系。此外，沿軸分布依次為地下水、混合區(qū)和地表水，也能說明研究區(qū)地表水受到了地下水的補(bǔ)給。

圖2 地表水和地下水Piper三線圖Fig.2 Piper diagram of surface water and groundwater

3.3 水化學(xué)控制因素

自然界中，各種水體一直與其周圍環(huán)境發(fā)生各種水文地球化學(xué)作用。Gibbs圖［14］常用來判別水體中各種離子的控制因素（巖石風(fēng)化、大氣降水和蒸發(fā)-結(jié)晶作用）［2］。Gibbs圖（圖3）的縱坐標(biāo)為TDS的對(duì)數(shù)坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為陰、陽離子的比值，即Na+/（Na++Ca2+）和Cl-/（Cl-+）。右下角Na+/（Na++Ca2+）或的比值接近于1，且TDS值較低，此區(qū)域表示水體的主要控制因素是大氣降水；中間部分Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+）比值低于0.5或者接近0.5，表明水體水化學(xué)組分主要受巖石分化作用控制；而右上角，Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+）比值較高接近于1，且TDS含量很高，此區(qū)域表示水體水化學(xué)組分主要受到蒸發(fā)-結(jié)晶作用控制。由圖3可以看出，拉薩河流域中下游地區(qū)不同水體的水樣點(diǎn)均落在Na+/（Na++Ca2+）或Cl-/（Cl-+）比值小于0.5的區(qū)域，處在巖石風(fēng)化作用控制區(qū)域，說明水體水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化作用的控制。

離子比值端元圖［15］（Ca2+/Na+、Mg2+/Na+和/Na+）可以更進(jìn)一步地判斷控制水體水化學(xué)組成的巖石風(fēng)化源類型［16］。由端元圖（圖4）可知，硅酸鹽巖端元：Ca2+/Na+=0.35±0.15，Mg2+/Na+=0.24±0.12，/Na+=2±1；碳酸鹽巖端元：Ca2+/Na+=50，Mg2+/Na+=10，/Na+=120［16］。根據(jù)水化學(xué)數(shù)據(jù)繪制研究區(qū)不同水體離子比值端元圖如圖4所示?？偟膩砜?，水體水化學(xué)組成主要分布于硅酸鹽巖與碳酸鹽巖之間，且偏向碳酸鹽巖，這表明，拉薩河流域中下游地區(qū)水化學(xué)特征主要受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解控制，且碳酸鹽巖的影響更大。同時(shí)，還可以明顯看出，端元圖中的水樣點(diǎn)可以明顯分成三個(gè)區(qū)域：地表水區(qū)域、地下水區(qū)域以及地表水、地下水和泉水的混合區(qū)域，且地表水靠近碳酸鹽巖作用區(qū)，而地下水則靠近硅酸鹽巖風(fēng)化作用區(qū)，混合區(qū)域位于地表水和地下水區(qū)域之間；這說明地表水主要受碳酸鹽巖溶解風(fēng)化作用影響，而地下水則以硅酸鹽巖風(fēng)化溶解為主，并且地表水和地下水之間具有明顯的水力聯(lián)系，兩者轉(zhuǎn)化頻繁。

圖3 水化學(xué)Gibbs圖Fig.3 Gibbs plots of the study area

圖4 離子比值端元圖Fig.4 The end-member diagram of ionic ratios

3.4 氫氧同位素組成特征

拉薩河流域中下游地區(qū)穩(wěn)定同位素統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由表2可知，地表水同位素δD和δ18O 值分別為-17.50‰～-20.14‰和-130.78‰～-148.88‰，平均值分別為-18.65‰和-139.84‰；地下水同位素δD和δ18O值分別為-16.86‰～19.60‰和-126.27‰～147.74‰，均值分別為-18.11‰和-137.44‰；泉水的同位素δD 和δ18O 分別為-16.28‰～-18.43‰和-128.59‰～-140.47‰，平均值分別為-17.54‰和-136.41‰。地表水和地下水同位素組成比較相近，說明兩者存在轉(zhuǎn)化關(guān)系。

表2 穩(wěn)定同位素結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of stable isotopes

Craig［17］于1961年通過計(jì)算全球大氣降水中δD和δ18O的關(guān)系，得到了全球大氣降水線（global meteoric water line，GWML）方程：δD=8δ18O+10。不同區(qū)域的水汽來源、蒸發(fā)條件以及氣候變化各不相同，使得區(qū)域大氣降水線（local meteoric water line，LWML）存在一定的差異［18］。本次研究的LWML為田立德等［19］2001年研究得到拉薩地區(qū)大氣降水線：δD=7.90δ18O+6.29。通過對(duì)比不同水體的δD 和δ18O 組成與大氣降水線的關(guān)系，可以識(shí)別研究區(qū)地表水、地下水和泉水的來源并可用來分析其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系［20］。拉薩河流域中下游地區(qū)地表水、地下水和泉水的δD和δ18O的關(guān)系如圖5所示。

結(jié)合表2和圖5，可以看出：①地表水、地下水和泉水靠近大氣降水線分布，表明地表水、地下水和泉水的補(bǔ)給來源為大氣降水，并且在補(bǔ)給前受到了不同程度的蒸發(fā)作用影響［21］；②地表水、地下水和泉水的蒸發(fā)線方程（表1）偏離大氣降水線，斜率存在地下水＞泉水＞地表水的關(guān)系；就截距而言，則有地表水＞泉水＞地下水的關(guān)系，且地下水和泉水相差很小；③氫氧穩(wěn)定同位素組成可以明顯地分為地表水、地下水以及地表水、地下水和泉水的混合區(qū)三個(gè)區(qū)域，這說明地下水和地表水之間存在明顯的轉(zhuǎn)化關(guān)系；④地表水主要分布于大氣降水線以上，而地下水則主要在大氣降水線以下，相比而言，地下水更加偏離大氣降水線，這說明地下水經(jīng)歷了更強(qiáng)烈的蒸發(fā)。

圖5 地表水和地下水δD-δ18 O關(guān)系圖Fig.5 Relation betweenδD andδ18 O of surface water and groundwater

3.5 地表水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系

基于對(duì)地表水和地下水的水化學(xué)及穩(wěn)定同位素組成分析，發(fā)現(xiàn)拉薩河流域中下游地區(qū)地表水和地下水的水化學(xué)及氫氧穩(wěn)定同位素呈明顯的差異性，表明地表水和地下水之間存在轉(zhuǎn)化關(guān)系。受數(shù)據(jù)資料的限制，本次以研究區(qū)水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，結(jié)合取樣點(diǎn)位置分布、水化學(xué)和穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)干流拉薩河以及主要支流堆龍曲和彭波曲的地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系僅進(jìn)行定性分析。

3.5.1 TDS和同位素變化特征

主要支流（堆龍曲、彭波曲）：堆龍曲上游在支溝地帶（L41、L42、L43）以及中游地帶（L47、L48、L51）有地下水溢出成泉，徑流補(bǔ)給堆龍曲，說明堆龍曲河水受地下水補(bǔ)給；同樣，彭波曲上游也見地下水溢出成泉（L32）向彭波曲補(bǔ)給，沿彭波曲（L31→L40）δ18O 呈富集趨勢(shì)（-18.71‰→-18.51‰），說明彭波曲河水可能受到了δ18O較富集的地下水（L35→L38，-17.46‰→-17.64‰）補(bǔ)給。

干流：研究區(qū)中游段，地下水的TDS減小，且δ18O 呈貧化趨勢(shì)；而地表水則出現(xiàn)TDS增大、δ18O 富集的趨勢(shì)（圖6），表明地下水受到了低TDS和δ18O較貧化的地表水的補(bǔ)給，反之，則地表水受到了高TDS和δ18O較富集的地下水的補(bǔ)給，即在中游地區(qū)存在地表水和地下水的相互補(bǔ)給關(guān)系。此外，上游河水受到冰川融水的補(bǔ)給，所以中游的地表水的δ18O值還受到上游冰川融化形成的低δ18O 值融水的補(bǔ)給影響。下游地段，地下水TDS表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，而地表水則表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。L14點(diǎn)之前，河水TDS升高，說明地表水受到了地下水的補(bǔ)給，而L14點(diǎn)之后，地表水TDS值降低，這主要是由于支流匯入的影響所致，比如堆龍曲L45點(diǎn)TDS值164.05 mg/L，明顯低于干流的TDS。而地下水TDS下降則可能是由于低TDS的地表水補(bǔ)給。另外，δ18O沿程表現(xiàn)出輕微的富集趨勢(shì)，說明地表水受到了δ18O 較為富集的地下水補(bǔ)給。

圖6 拉薩河干流地表水和地下水TDS及δ18 O沿程變化Fig.6 Change of TDSandδ18 O of surface water and groundwater along Lhasa river

3.5.2 電導(dǎo)率變化特征

電導(dǎo)率在一定程度上反映了水體徑流路徑的長度和在水循環(huán)中的滯留時(shí)間，因此，在一定程度上可以描述區(qū)域水體的補(bǔ)給、徑流、排泄方式［22］。

研究區(qū)中游地段地下水電導(dǎo)率呈下降趨勢(shì)，而地表水則呈先下降后上升趨勢(shì)（圖7），說明地下水和地表水存在相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。而下游地段，地下水沿徑流路徑電導(dǎo)率整體呈上升趨勢(shì)，地表水則呈先上升后下降的變化趨勢(shì)（圖7），在L11點(diǎn)地表水電導(dǎo)率下降至接近地下水電導(dǎo)率值，說明地表水受到了地下水補(bǔ)給。L14點(diǎn)后地表水電導(dǎo)率下降，可能受到低電導(dǎo)率地下水的補(bǔ)給，另外，地下水電導(dǎo)率上升則可能是受地表水補(bǔ)給所致。另外，支流的匯入也是地表水電導(dǎo)率下降的一個(gè)原因。

總的來看，堆龍曲和彭波曲兩條主要支流地表水受地下水的補(bǔ)給，而拉薩河干流中下游地段存在地下水地表水的互補(bǔ)關(guān)系。研究區(qū)是典型的高山河谷區(qū)，地下水與地表水的關(guān)系受地形地貌、高程、季節(jié)等多個(gè)因素影響。拉薩河與地下水存在地段性互補(bǔ)關(guān)系，但總體來看，拉薩河是區(qū)域地下水的主要排泄通道，其補(bǔ)徑排示意圖如圖8所示。

圖7 拉薩河干流地表水和地下水EC沿程變化Fig.7 Change of EC of surface water and groundwater along Lhasa river

圖8 拉薩河地下水補(bǔ)徑條件排示意圖Fig.8 Sketch map of groundwater recharge，runoff and discharge in Lhasa river

4 結(jié)論與建議

1）拉薩河流域中下游地區(qū)地表水和地下水中主要離子含量相對(duì)較低，受人類活動(dòng)影響較小。不同水體礦化度均較低，整體呈弱堿性，且水化學(xué)類型均以HCO3·SO4（SO4·HCO3）-Ca·Mg（Mg·Ca）型為主。

2）不同水體的水化學(xué)組成主要受巖石風(fēng)化作用控制，且以碳酸鹽巖和硅酸鹽巖的溶解風(fēng)化為主。Piper圖和端元圖均將水樣點(diǎn)分為地表水、地下水以及混合區(qū)三個(gè)區(qū)域，表明地表水和地下水存在明顯的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

3）不同水體δD和δ18O同位素均靠近大氣降水線分布，表明補(bǔ)給來源均為大氣降水；且不同水體經(jīng)歷了不同程度的蒸發(fā)作用。此外，氫氧穩(wěn)定同位素組成明顯地分為地表水、地下水以及混合區(qū)三個(gè)區(qū)域。

4）堆龍曲和彭波曲兩條支流地表水主要受地下水補(bǔ)給，拉薩河干流中、下游地表水和地下水存在地段性互補(bǔ)關(guān)系。整體上來看，拉薩河是區(qū)域地下水的主要排泄通道。

受資料限制，本次僅定性分析拉薩河與主要支流的地表水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系，沒有對(duì)地表水地下水的轉(zhuǎn)化比例關(guān)系進(jìn)行分析，且沒有對(duì)季節(jié)變化特征和影響地表水地下水轉(zhuǎn)化的因素等進(jìn)行研究，希望后續(xù)研究可以進(jìn)一步完善，為拉薩河流域水資源的合理開發(fā)和科學(xué)利用提供依據(jù)。