水文地理与环境研究

玉龙雪山—丽江水体水化学和同位素特征及其变化规律与成因

  • 任坤 , 1, 2 ,
  • 曾洁 1, 3, 4 ,
  • 彭聪 1, 2 ,
  • 潘晓东 1, 5 ,
  • 于正良 6 ,
  • 吴华英 1
展开
  • 1.中国地质科学院岩溶地质研究所,桂林 541004
  • 2.自然资源部/广西岩溶动力学重点实验室,桂林 541004
  • 3.广西岩溶资源环境工程技术研究中心,桂林 541004
  • 4.广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站,平果 531406
  • 5.西藏自治区地质矿产勘查开发局,拉萨 850000
  • 6.中国科学院青藏高原研究所,北京 100101

任坤(1988-), 男, 湖北襄阳人, 博士生, 副研究员, 主要研究方向为表层地球化学、水资源水环境。E-mail:

收稿日期: 2024-04-10

  修回日期: 2024-09-13

  网络出版日期: 2024-12-02

基金资助

中央引导地方专项(XZ202301YD0005C)

广西科技项目(2021JJA150041)

广西科技项目(2023JJD150024)

国家自然科学基金项目(41702278)

中国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务费(2023018)

Hydrochemical and isotopic characteristics, changes and controlling factors of waters in the Yulong Snow Mountain-Lijiang area, China

  • REN Kun , 1, 2 ,
  • ZENG Jie 1, 3, 4 ,
  • PENG Cong 1, 2 ,
  • PAN Xiaodong 1, 5 ,
  • YU Zhengliang 6 ,
  • WU Huaying 1
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  • 1. Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, Guangxi, China
  • 2. Key Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of Natural Resources & Guangxi, Guilin 541004, Guangxi, China
  • 3. Guangxi Karst Resources and Environment Research Center of Engineering Technology, Guilin 541004, Guangxi, China
  • 4. Pingguo Guangxi, Karst Ecosystem, National Observation and Research Station, Pingguo 531406, Guangxi, China
  • 5. Tibet Bureau of Geological and Mineral Exploration and Development, Lhasa 850000, China
  • 6. Institute of Tibetan Plateau Research, CAS, Beijing 100101, China

Received date: 2024-04-10

  Revised date: 2024-09-13

  Online published: 2024-12-02

Supported by

Dedicated Project of Xizang Autonomous Region Guided by the Central Government(XZ202301YD0005C)

Guangxi Natural Science Foundation of China(2021JJA150041)

Guangxi Natural Science Foundation of China(2023JJD150024)

National Natural Science Foundation of China(41702278)

Special Fund for Basic Scientific Research of Institute of Karst Geology, CAGS(2023018)

摘要

水体水化学与同位素组成受自然和人为因素共同控制,研究其组成及变化成因对流域水资源合理利用和科学管理具有重要意义。本文系统采集了玉龙雪山—丽江地区地表—地下水水化学、氘氧(δD/δ18O-H2O)和碳(δ13C-DIC)同位素样品,重点分析上述指标沿径流方向的空间演化,并对比2005年与2021年水化学组分浓度变化,探讨人类活动影响区域水环境的时空差异。结果表明:① 流域地表—地下水以大气降水和冰雪融水补给为主,水化学类型主要为Ca·Mg-HCO3和Ca-HCO3型,部分民井受人类活动影响,Na+、K+、Cl- S O 4 2 -浓度上升。② 受自然和人为因素共同影响,δD和δ18O-H2O值沿地表—地下水径流方向增加,δ13C-DIC值减小,Na+、K+、Cl- S O 4 2 -在流经主城区后因污废水输入而浓度明显增加。③ 玉河河水流经大研古镇后由III类水降低至IV类水(NH4+超标),且古镇内井水Na++K+与δ13C-DIC、Cl-+   S O 4 2 -与δ13C-DIC显著性负相关,揭示了古城旅游活动对水环境的负面影响。④ 与2005年相比,受市政污水补给的漾弓江Na+、K+、Cl- S O 4 2 -浓度增长速率大于拉市海、玉峰寺泉和团山水库。研究揭示人类活动对玉龙雪山—丽江水环境产生了一定的负面影响,为流域水资源保护提供了基础数据;同时证实同位素和水化学相结合是研究水环境变化及控制因素的重要手段。

本文引用格式

任坤 , 曾洁 , 彭聪 , 潘晓东 , 于正良 , 吴华英 . 玉龙雪山—丽江水体水化学和同位素特征及其变化规律与成因[J]. 地理学报, 2024 , 79(11) : 2864 -2879 . DOI: 10.11821/dlxb202411011

Abstract

The hydrochemical and isotopic compositions of water are controlled by natural and anthropogenic factors, therefore, it is of great significance to study the hydrochemical and isotopic compositions, changes and contributing factors for the rational utilization and scientific management of water resources within a watershed. Hydrochemistry, water (δD/δ18O-H2O) and carbon (δ13C-DIC) isotope samples from surface-groundwater in the Yulong Snow Mountains-Lijiang area, China, were analyzed to reveal the spatial evolution of the above indicators along the water flow direction, to compare the changes of water chemical compositions between 2005 and 2021, and to explore the spatio-temporal differences of regional water environment affected by human activities. Results showed that: (1) In the basin, surface water and groundwater were mainly recharged by local atmospheric precipitation and glacier-snow meltwater, and the water chemistry types were mainly Ca·Mg-HCO3 and Ca-HCO3, while the concentrations of Na+, K+, Cl- and S O 4 2 - increased in some wells due to human activities; (2) Under the influence of natural processes and human activities, δD/δ18O-H2O values increased along the direction of the surface-groundwater flow, while the value of δ13C-DIC decreased. Concentrations of Na+, K+, Cl- and S O 4 2 - increased significantly after water flows through the main urban area; (3) Water quality of the Yuhe River was reduced from class III to class IV (NH4+ exceeded the standard) after the river flows through the Dayan ancient town, and significant negative correlation between Na++K+ and δ13C-DIC, Cl-+   S O 4 2 - and δ13C-DIC occurred in wells from the ancient town, which revealed the negative impact of tourism activities on the water environment; and (4) Compared with 2005, the growth rates of Na+, K+, Cl- and S O 4 2 - concentrations in the Yanggong River, which were fed by urban sewage and wastewater, were greater than those of Lashi Lake, Yufengsi Spring and Tuanshan Reservoir waters. Our study revealed that human activities had a certain negative impact on the water environment in the Yulong Snow Mountain-Lijiang area, which provided basic data for water resources protection in the river basin and also confirmed that the combination of isotopes and water chemistry is an important means to study the water environment change and the contributing factors.

1 引言

水体水化学组分和同位素组成是流域地层岩性、地形地貌、气候和流域面积等自然因素和城镇、农业和旅游等人类活动的综合体现,也是水资源评价的基础[1-3]。天然水体的水化学组分和同位素组成主要受控于地质条件,受人类影响后会发生转变[4-5];而水环境的转变也会对人类社会经济产生影响[6]。目前人类活动对水环境的影响逐渐增强,已威胁到部分地区地表水和地下水的水质及可利用性[7]。因此,查明水体水化学和同位素组成及其变化原因在流域水资源利用和管理方面具有重要的指导意义[7]
根据流域水化学组成特征,Gibbs将岩石风化、蒸发—结晶和大气沉降定义为影响全球河流、湖泊和海洋等地表水水化学组成的3类自然过程,此分类方法也广泛应用于地下水的研究[8]。然而,这种分类方法考虑的是主要矿物的风化,忽略了人类活动及微量矿物溶解对水化学组分的影响[9]。水化学和同位素相结合可以提供水的补给来源、混合作用、水—岩作用和污染物溯源等其他手段无法获得的重要信息[10]。如水同位素(δD和δ18O-H2O)低温条件下不易分馏,在示踪水的来源、运移和混合等动态过程发挥了重要作用[11]。然而,地表水和地下水来源大于2个补给端时,单独的水同位素在定量化分割补给来源时存在困难,需要与其他保守元素(如Cl-)联合使用以解决其不足[9]。另外,不同来源溶解无机碳(DIC)的13C值(δ13C-DIC)具有明显差异,δ13C-DIC成为研究水体溶解无机碳来源和转化的有效手段[12-13]。化肥和污废水等进入水环境会改变水体碳同位素组成,碳同位素逐渐运用于地表水和地下水中污染物溯源[14]。因此,同位素和水化学的结合是研究流域水体水化学和同位素组成变化成因和污染物示踪的有效手段[15-17]
玉龙雪山—丽江地区地理条件复杂、人类活动强度大,是研究水—岩作用、大气降水、冰雪融水和人类活动对水环境综合影响的理想区域。近年来,玉龙雪山—丽江地区虽实施了跨区域调水工程,但伴随着全球干旱、地下水的不合理开发和水污染加剧,流域水资源供需矛盾依然突出[18]。前人对该地区冰川[19]、表层雪[20]、降雨[21]、河流和湖泊[22]中的离子特征和水同位素组成进行了较为深入细致地研究,为本文探讨流域地表水和地下水水化学和同位素时间变化奠定了基础。然而,流域内沿地表—地下水径流方向,同时考虑自然因素和人类活动叠加对水环境时空影响的系统性研究还相对有限,制约了流域水污染的有效治理、水资源的合理开发利用与保护管理。
本文选取玉龙雪山—丽江盆地为研究区,沿径流方向并结合土地利用类型,系统采集地表—地下水的水化学和同位素(δD、δ18O-H2O和δ13C-DIC)样品,同时对比2005年流域部分泉水、湖泊水库和河流等不同水体水化学组成,旨在:① 查明玉龙雪山—丽江地区不同水体水化学和同位素特征;② 探讨流域水化学和同位素组成时空变化规律及控制因素。研究结果可以为该地区水资源的高效利用和水环境管理提供基础数据。

2 研究区概况

玉龙雪山—丽江地处青藏高原东南缘(图1),位于第一阶梯和第二阶梯过渡带,主要包含玉龙雪山和丽江盆地两个地形单元。研究区地处西部季风气候区,干湿季分明,垂直变化显著;多年平均降雨量约900 mm,年内分布不均,集中在6—9月,约占全年降雨量的80%。每年6—10月玉龙雪山冰雪剧烈消融补给河流、湖泊水库等地表水和地下水;12月—次年4月,冰雪融水少,流域主要接受雨水补给。金沙江流经西北部,再由北向南囊括全区,主要由融雪和降雨补给,丰枯流量变化幅度一般小于10倍。漾弓江为金沙江右岸支流,发源于玉龙雪山东麓,丽江境内主流长49.3 km,流域面积680 km2,5—10月为丰水期,11月—次年2月为枯水期[21];受岩溶含水层的调节作用,丰枯流量变化幅度为10~20倍,经木家桥水文站出丽江盆地。研究区地层出露齐全,除侏罗系(J)和白垩系(K)缺失外,从泥盆系(D)到第四系(Q)均有分布。玉龙雪山及周围以泥盆系(D)和石炭系(C)的灰岩为主,其次为二叠系中统峨眉山组(P2β)玄武岩。丽江盆地位于玉龙雪山东侧溶蚀高原区,海拔2360~3000 m,属断陷盆地,为新生代以来的连续沉降盆地,松散沉积物堆积厚度可达1000 m,具有上层潜水下层承压水及双层承压水结构;三叠系中统北衙组(T2b)碳酸盐岩深埋于丽江盆地沉积物之下,富含埋藏型岩溶水。地下水类型有岩溶水、孔隙水和基岩裂隙水,其中岩溶水主要分布在泥盆系中统(D2)、二叠系中统长兴组(P2ch)和三叠系中统北衙组(T2b)碳酸盐岩地层,排泄于丽江等盆地边缘;孔隙水主要赋存于丽江盆地、文海和拉市海等山间盆地和河谷阶地松散沉积物;基岩裂隙水主要分布于东部及西部二叠系中统(P2)玄武岩和三叠系(T)泥岩、砂岩的山麓地带。漾弓江、丽江盆地边缘出露的岩溶大泉和周围的湖泊水库是丽江市重要的生活生产和景观用水。
图1 玉龙雪山—丽江地区水文地质概况和采样点分布

Fig. 1 Hydrogeological schematics and sampling point distribution of Yulong Snow Mountain-Lijiang area

玉龙雪山—丽江地区是“三江并流”世界自然遗产的重要组成部分,丽江市接待海外游客由2005年404.23万人次(总收入38.58亿元)激增至2019年5402.4万人次(总收入1078.3亿元),旅游业快速发展带来经济效益的同时也给丽江市水环境带来了巨大压力。

3 研究方法

3.1 样品采集

2021年8月在玉龙雪山—丽江地区采集河水(5组)、湖泊水库(10组)、民井(22组)和泉水(33组)样品共计70组,采样点分布见图1。其中,河流、湖泊水库和民井采集水面以下5~10 cm的水体,泉水直接在地下水出露处(泉口)采集。民井主要分布在居住区,出露地层为第四系松散沉积物;泉水分布在丽江盆地边缘、拉市海、文海和玉龙雪山山麓等地区,出露于碳酸盐岩地层及岩性接触带附近。综合考虑土地利用类型及水文地质条件,在河流漾弓江源头、流经农牧业区和城市主城区各采集1组代表性水样,在玉河流经大研古镇前后各采集1组水样,沿地下水流向在同一个岩溶水系统采集3组代表性样品,探讨水化学和同位素组成沿流程的变化。
用WTW3630测水面以下5~10 cm水体pH,精度为0.001;   H C O 3 -用碱度计现场滴定,精度为0.1 mmol/L。阳离子用50 mL聚乙烯塑料瓶采集,加HNO3至pH<2;阴离子(含 N H 4 +)用500 mL聚乙烯塑料瓶采集,不酸化。δD、δ18O-H2O和δ13C-DIC用50 mL棕色高密度聚乙烯塑料瓶采集,δ13C-DIC样加3~5滴饱和HgCl2。以上取样瓶用过滤(0.45 μm)水润洗3~4次后采集滤后水体。化学需氧量(CODMn)用100 mL聚乙烯塑料瓶采原样。水样4 ℃冷藏待测。

3.2 分析方法

Ca2+、Mg2+、Na+和K+用电感耦合等离子体原子发射光谱法(iCAP 7600)测定,精度分别为0.011 mg/L、0.013 mg/L、0.005 mg/L和0.02 mg/L;NO 3 -、SO 4 2 -和Cl-用离子色谱仪(Dionex ICS-1100)测定,精度分别为0.05 mg/L、0.2 mg/L和0.1 mg/L。 N H 4 + P O 4 3 -用可见分光光度计(新锐T6)测定,精度皆为0.02 mg/L。CODMn用酸性高锰酸钾滴定法测定,精度为0.5 mg/L。阴阳离子测试采用标准物质/加标回收、重复样和空白样控制,相对标准偏差小于3%。样品阴阳离子电荷差在-2.82%~15.21%之间,平均值为(1.96±3.3)%。
C B E s = ( T Z + - T Z - ) / ( T Z + + T Z - ) × 100 %
T Z + = N a + + K + + C a 2 + + M g 2 +
T Z - = C l - + S O 4 2 - + H C O 3 -
式中: C B E s为阴阳离子电荷差; T Z +为阳离子总电荷; T Z -为阴离子总电荷。
δD和δ18O-H2O用GasBench II连接MAT-253测定,精度分别为±0.5‰和±0.2‰,质量采用国标控制,结果用V-SMOW标准表示。δ13C-DIC用Gas Bench-IRMS测定,精度为±0.15‰,采用国标控制质量,结果用V-PDB标准表示。以上测定工作在自然资源部岩溶地质资源环境检测中心分析测试室完成。氘过量参数经公式(4)计算求得。
d = δ D - 8 × δ 18 O - H 2 O
式中:d为氘过量参数(‰); δ D为水样氘同位素测定值(‰);δ18O-H2O为水样氧同位素测定值(‰)。

4 结果分析

4.1 水化学特征

表1知,河流、湖泊水库、民井和泉水的pH分别为7.72±0.1、7.56±0.21、7.79±0.28和7.94±0.28,中至偏碱性。河流TDS为(161±65) mg/L,高于青藏高原西部受人类活动影响较小阿里地区天然水体的(142±79) mg/L[23];水库TDS为(132±38) mg/L,团山水库高达213 mg/L;泉水TDS为(187±66) mg/L;民井TDS为(343±157) mg/L,最高达915 mg/L,远高于河流、湖泊水库和泉水。
表1 玉龙雪山—丽江地区不同水体理化性质和同位素组成

Tab. 1 Physicochemical parameters and isotope ratios of waters from the Yulong Snow Mountain-Lijiang area

水体 pH K+
(mg/L)
Na+
(mg/L)
Ca2+
(mg/L)
Mg2+
(mg/L)
NH4+
(mg/L)
Cl-
(mg/L)
SO42-
(mg/L)
HCO3-
(mg/L)
NO3-
(mg/L)
PO43-
(mg/L)
CODMn
(mg/L)
TDS
(mg/L)
δD(‰) δ18O-
H2O(‰)
δ13C-DIC
(‰)
d
(‰)
河流 最大值 7.87 5.03 18.65 61.78 13.67 5.03 17.76 20.42 275.74 2.37 1.29 1.98 275 -94.5 -12.3 -5.5 11.9
最小值 7.60 0.07 0.22 37.44 3.54 bdl bdl 2.45 142.39 bdl bdl bdl 119 -108.6 -14.8 -7.8 4.1
平均值 7.72 1.83 5.83 43.92 7.98 1.35 5.45 8.21 176.29 0.65 0.38 0.78 161 -103.7 -13.9 -6.8 7.8
标准差 0.10 1.94 7.42 10.11 3.78 2.08 7.05 7.16 56.12 0.97 0.53 0.83 65 5.7 1.0 0.9 3.0
湖泊
水库
最大值 8.43 1.90 11.66 63.16 21.77 0.04 7.04 13.49 262.18 4.40 0.08 2.57 213 -64.7 -6.6 0.5 8.3
最小值 7.51 0.06 1.45 15.06 4.10 bdl 0.48 1.05 72.33 bdl bdl bdl 84 -103.7 -14.0 -9.1 -12.1
平均值 7.94 1.15 4.33 31.94 11.53 bdl 2.40 6.15 149.63 1.32 0.03 1.20 132 -83.9 -10.3 -4.5 -1.4
标准差 0.29 0.60 3.15 14.66 5.70 0.01 2.19 4.66 51.28 1.35 0.03 0.81 38 12.6 2.3 3.5 5.7
民井 最大值 8.03 55.69 89.72 177.30 59.25 1.17 169.59 166.20 506.28 227.64 5.36 2.94 915 -82.6 -10.7 -8.9 7.0
最小值 7.19 0.44 3.79 38.52 6.98 bdl 2.14 0.95 201.16 bdl bdl bdl 179 -104.8 -13.9 -15.1 1.8
平均值 7.56 12.66 18.88 80.90 21.72 0.13 23.01 27.32 317.07 33.88 0.53 0.80 343 -95.4 -12.6 -12.1 5.2
标准差 0.21 14.53 18.70 35.06 14.25 0.32 34.91 33.43 77.89 55.95 1.19 0.89 157 4.7 0.7 1.6 1.5
泉水 最大值 8.23 17.22 17.89 84.28 48.44 0.23 14.77 22.39 370.67 46.91 2.42 0.88 336 -91.4 -12.0 -0.6 11.8
最小值 7.36 0.18 0.19 22.84 1.24 bdl bdl 0.32 81.37 bdl bdl bdl 52 -112.4 -15.5 -11.0 2.4
平均值 7.79 2.05 4.13 53.10 12.37 0.02 3.23 7.47 214.72 4.99 0.24 0.08 187 -101.9 -13.7 -8.4 7.6
标准差 0.28 3.91 4.42 16.03 7.90 0.06 4.83 7.04 59.50 10.57 0.56 0.22 66 5.0 0.8 2.3 2.0

注:bdl低于检测限。

受流域内广泛分布的碳酸盐岩地层控制,玉龙雪山—丽江地区水体水化学以Ca·Mg-HCO3n=40)和Ca-HCO3n=19)型为主(图2)。剩余水体为Ca·Mg·(Na+K)-HCO3n=6)、Ca·Mg·(Na+K)-HCO3·Cl(n=4)和Ca·Mg·(Na+K)-HCO3·Cl·SO4n=1)型,均为民井。除NH4+外,民井离子浓度平均值都大于其他水体,并且有着较广的分布范围(图3),河流、民井、泉水和湖泊水库NH4+的检出率分别为80.0%、31.8%、30.3%和11.1%,部分河流和民井NH4+超过生活饮用水限值(GB5749-2022),超标率分别为40%和9.1%;4个民井和1个泉水NO3-超过生活饮用水限值,超标率分别为18.2%和3.0%;SO42-、Cl-和TDS均未超过限值。以地表水环境质量标准(GB3838-2002)看,河流2个NH4+超过III类水限值(占40.0%),湖泊水库全部符合I类水标准。以地下水质量标准(GB/T 14848-2017)看,民井SO42-和Cl-符合I类水有21个(占95.5%),仅有2个NH4+和3个NO3-超过III类水限值;泉水SO42-和Cl-全部符合I类水标准,31个NH4+符合I类水标准(占94.0%),30个NO3-符合II类水标准(占90.9%)。
图2 玉龙雪山—丽江地区水体Piper图与水化学组分潜在端元[24]

Fig. 2 Piper diagram for sampled waters and contributions from weathering of major potential rock types[24]

图3 玉龙雪山—丽江地区不同水体离子分布

Fig. 3 Ion distribution in waters in the Yulong Snow Mountain-Lijiang area

4.2 同位素特征

河流、泉水和民井 δD平均值分别为(-103.7±7.7)‰、(-101.9±5)‰和(-95.4±4.7)‰, δ18O-H2O分别为(-13.9±1)‰、(-13.7±0.8)‰和(-12.6±0.7)‰,略偏重于丽江站8月雨水 δD(-110‰)和 δ18O-H2O(-14.7‰)值(n=14)[21]。湖泊水库 δD和 δ18O-H2O的平均值分别为(-83.9±12.6)‰和(-10.3±2.3)‰,偏重于河流、泉水和民井均值。
河流 δ13C-DIC值在-7.8‰~-5.5‰之间,平均值为(-6.8±0.9)‰;最大值位于漾弓江源头的SR01,最小值为漾弓江流经城区后的木家桥SR03。湖泊水库 δ13C-DIC值在-9.1‰~0.5‰之间,平均值为(-4.5±3.5)‰。民井 δ13C-DIC值在-15.1‰~-8.9‰之间,平均值为(-12.1±1.6)‰。泉水 δ13C-DIC值在-11‰~-0.6‰之间,平均值为(-8.4±2.3)‰。 δ13C-DIC平均值最大为湖泊水库,平均值最小为民井,河流和泉水居中。

5 讨论

5.1 地表水和地下水补给来源

由河流、湖泊水库、民井和泉水的 δD与 δ18O-H2O分布(图4)可知:① 各水体线性斜率皆小于全球[25]和丽江市[21]大气降水线,指示补给端在到达不同水体前受到蒸发,引起了同位素分馏;② 湖泊水库主要位于降水线的右上角,河流和泉水集中于左下角,表明河流和泉水补给湖泊水库会受到二次蒸发,导致重同位素富集[26-27];③ 民井位于泉水、河流和湖泊水库之间,可能受到携带不同氘氧信息水源混合补给[15]。河流、泉水和民井的 δ18O-H2O平均值接近玉龙雪山4480~4750 m范围内的冰雪融水(-13.6‰)[19],说明也可直接接受此海拔范围内冰雪融水补给。整体而言,采样点落在了丽江市大气降水线上及附近,说明采样期间地表水和地下水以大气降雨及冰雪融水补给为主。
图4 玉龙雪山—丽江地区水体δD与δ18O-H2O关系

Fig. 4 Dual isotopic plot of δD and δ18O-H2O of different sampled waters

氘过量参数是大气降水的综合环境因素指标,可直观反映一个地区大气蒸发、凝结过程的不平衡[28-29]。氘过量参数延伸到水文地质学领域后成为一个极具有价值的定量指标:水体与围岩发生同位素交换后会导致 δ18O-H2O值升高,d值减小,即d值与水体滞留时间存在直接关系[30]。河流、泉水和民井的d值分别为(7.8±3)‰、(7.6±2)‰和(5.2±1.5)‰,说明河流和泉水运移滞留时间小于民井。d值表明民井水滞留时间长,也是其TDS高于泉水的一个原因,与宋献方等[31]在怀沙河流域的研究结果一致。湖泊水库相对封闭,水体滞留时间长、蒸发强[26]d值为(-1.4±5.7)‰,远小于河流、泉水和民井。

5.2 水化学和同位素空间变化特征及成因

空间变化主要探讨水化学和同位素组成沿地表河流和地下水径流方向及流经不同土地利用类型前后变化。其中,玉河(古城段)主要探讨大研古镇旅游活动对地表溪流水质的影响。

5.2.1 沿地表水径流变化

研究水化学和同位素沿地表水流的变化的河流:一是漾弓江源头(SR01)、流经农牧业区(SR02)和主城区后(SR03)变化(图5a),二是玉河流经大研古镇前后(SR04→SR05)的变化(图5b)。
图5 水化学和同位素随河流流程变化

Fig. 5 Variations of hydrochemistry and isotopes along the river flow direction

漾弓江发育于玉龙雪山东麓,源头直接受冰雪融水补给的SR01离子浓度最低(图5a),Na+、K+和NO3-与丽江市雨水相当[32],Cl-、NH4+、PO43-和CODMn低于检测限;流经农牧业区后SR02的Na+、K+、Cl-和SO42-浓度呈上升趋势,这是由农牧业区化肥、粪肥及部分污水渗入造成的[22];流经丽江市区后SR03的Na+、K+、Cl-、SO42-、NH4+、PO43-、CODMn和HCO3-急剧升高,表明城市人类活动对漾弓江的影响剧烈,经市区后地表水由源头的I类水变为V类水(NH4+超标)。
水体若受富含有机质的污废水补给,有机质的腐烂分解会导致受纳水体HCO3-升高,偏轻的C进入导致 δ13C-DIC值降低[15]。沿漾弓江流向HCO3-增加(图5a), δ13C-DIC值随Na++K+图6a)和Cl-+SO42-图6b)浓度的上升而降低,证实了人为活动对漾弓江的影响。Li等[16]在山西晋祠岩溶水系统研究发现生活污废水含有偏重的 δD和 δ18O-H2O,水流在流动的过程中受水—岩作用和污废水影响, δD与 δ13C-DIC、 δ18O-H2O与 δ13C-DIC存在负相关关系。沿漾弓江流向, δ13C-DIC值随 δD(图6c)和 δ18O-H2O(图6d)值的上升而减小,是污废水影响漾弓江的又一个证据。值得注意的是,玉龙雪山—丽江地区氘氧同位素的高程效应和蒸发效应也会导致 δD和 δ18O-H2O值随水流方向增加[21],农牧业区偏轻土壤CO2的进入会导致河流 δ13C-DIC偏轻,因此河水 δ13C-DIC值由SR01的-5.5‰降低至SR02的-6.4‰(图6c6d)。
图6 采样点水化学和同位素之间的关系

Fig. 6 Relationships between hydrochemical and isotopic data of the sampling points

玉河在流经大研古镇后Na+、K+、Cl-、SO42-、NH4+、PO43-、CODMn和HCO3-浓度增加(图5b),且由III类水降低至IV类水(NH4+超标),表明古城旅游活动对玉河(古城段)水质产生了较大影响。2004年玉河流经古城后同样由III类水降低至IV类水(NH4+超标)[33],现阶段古镇水环境仍较差。地表水在玉河(古城段)作为景观和消防用水,流程短、流速快,流经古城前后 δD、 δ18O-H2O和 δ13C-DIC值变化不明显(图6c6d)。相较于其他离子,自然来源的Ca2+和Mg2+沿漾弓江和玉河(古城段)流向浓度变化不明显(图5)。

5.2.2 沿地下水径流变化

选择处于同一岩溶水系统的玉峰寺泉(SP01)→九鼎龙潭(SP02)→白马龙潭(SP03)3个泉水,探讨水化学和同位素组成沿地下水流向变化(图7)。3个泉水Cl-、SO42-和NO3-浓度较低,NH4+、PO43-和CODMn低于检测限,均达到地下水I类水标准。
图7 玉龙雪山—丽江地下水水化学和同位素随水流变化

Fig. 7 Variations of hydrochemical and isotopic data of groundwater along the water flow direction in the Yulong Snow Mountain-Lijiang area

从玉峰寺泉(SP01)到九鼎龙潭(SP02),Na+、K+、Cl-、SO42-和NO3-有升有降(图7a),推测SP01与SP02不处于同一地下水主径流带上或者补给来源有差异。同一含水层系统,氘过量参数d变化可反映地下水的补给,地下水补给量多d值低[30]。SP02的d值为8.3‰,低于SP01的11.8‰,证实SP02有不同的补给来源,即SP02冰雪融水补给比例降低,地下水补给比例上升。
出露丽江主城区的白马龙潭(SP03)Na+、K+、Cl-和SO42-都存在明显的上升趋势,且Na++K+和Cl-+SO42-高于SP01和SP02(图7a), δ13C-DIC值低于SP01和SP02(图7b),说明SP03受到了城市污废水的影响。在岩溶含水层,随着水流方向水岩作用时间增加, δD与 δ18O-H2O呈增加趋势;同时,更多来自碳酸盐岩偏重的“老碳”进入含水层导致水中 δ13C-DIC值增加[16]。由SP01到SP03,地下水 δD和 δ18O-H2O值增加,但 δ13C-DIC却呈降低的趋势(图7b)。玉龙雪山雪线以上及附近主要为裸露的石灰岩山体,围岩经冰雪融水溶蚀后直接进入岩溶含水层[22],导致雪山南麓的SP01中 δ13C-DIC值(-0.6‰)接近碳酸盐岩值的(1±0.2)‰[34]。SP01到SP02山体植被覆盖率高且人类活动影响较弱,偏轻的土壤CO2进入岩溶含水层使 δ13C-DIC值由-0.6‰降低至-8.6‰[16]。SP02到SP03主要流经丽江主城区, δ13C-DIC值降低至-9.7‰,同时Na+、K+、Cl-、SO42-和HCO3-浓度激增(图7a),再次证实了城镇污废水对丽江地下水的影响。土壤CO2和污废水的叠加影响下玉龙雪山—丽江地区 δ13C-DIC值随地下水径流方向逐渐降低。另外,受污染的地表溪流在径流方向下渗也可导致处于城区中南部的SP03离子浓度升高[33]
SP01到SP03地下水经历了冰雪融水下渗补给、径流和排泄的过程。氘过量参数d值从SP01的11.8‰到SP02降为8.3‰,到SP03降为7.9‰,表明地下水滞留时间增加,水岩作用时间延长。因此,与地表水流不同,地下水中自然来源的Ca2+和Mg2+沿水流方向浓度逐渐上升(图7a)。

5.3 水化学和同位素时间变化特征及成因

时间变化主要对比2005年7月与2021年8月监测数据,探索河流(漾弓江木家桥)、湖泊水库(拉市海/团山水库)和泉水(玉峰寺泉)中Na+、K+、Cl-、SO42-和NO3-浓度随时间的变化特征(表2)。
表2 2005年7月与2021年8月玉龙雪山—丽江地区离子组成(mg/L)

Tab. 2 Ion composition in the Yulong Snow Mountain-Lijiang area in July 2005 and August 2021

水体类型 时间 K+ Na+ Cl- SO42- NO3-
木家桥(河流) 2021年 5.03 18.65 17.76 20.42 0.37
2005年 0.24 0.85 0.9 1.03 0.53
拉市海(湿地公园) 2021年 0.99 4.93 4.42 11.25 1.63
2005年 0.12 0.44 0.29 1.32 0.01
团山水库(饮用水源) 2021年 1.25 4.82 1.02 2.24 4.4
2005年 0.98 2.96 0.69 4.76 /
玉峰寺(泉) 2021年 0.69 5.77 1.05 12.26 0.78
2005年 0.37 3.4 0.16 6.02 0

注:2005年的数据来自朱国锋等[22]

漾弓江自玉龙雪山东麓流经农牧业区、丽江城区后由木家桥流出丽江盆地,是人类综合活动的体现。与2005年相比(表2),2021年漾弓江木家桥河水Na+、K+、Cl-和SO42-浓度增长率分别为2094%、1996%、1873%和1883%,呈显著(P<0.01)上升趋势,表明近十几年来人类活动对漾弓江水化学组成产生了深刻影响。2021年木家桥NO3-浓度为0.37 mg/L,与2005年相比浓度降低,说明污水处理厂对硝态氮的处理效果较好。
拉市海为国际湿地公园,游客众多。与2005年相比,2021年拉市海Na+、K+、Cl-和SO42-浓度增长率分别为1020%、730%、1420%和750%,呈显著(P<0.01)上升趋势。值得注意的是,拉市海NO3-浓度由2005年的0.01 mg/L增至2021年的1.63 mg/L,增长率达16300%,表明旅游活动对拉市海水化学组成也产生了深刻影响。
团山水库位于漾弓江支流东山河上游,补给区以林地为主,村庄零星分布,水库周围已划定为水源地保护范围。与2005年相比,2021年团山水库Na+、K+、Cl-和SO42-增长率分别为63%、28%、48%和-53%。团山水库受旅游活动影响程度低,Na+、K+和Cl-的增长与季风环流携带的南亚、中国南方工业区的气溶胶相关[22];丽江旅游规模扩大,汽车尾气排放和化石燃料燃烧也是原因之一[22]。但无论是季风环流还是旅游活动,对团山水库的影响有限,Na+、K+和Cl-的增长率都小于100%。SO42-浓度降低可能与丽江市SO42-排放量减少有关[35],具体原因还需后期开展深入研究。
玉峰寺泉位于玉龙雪山南麓,地下水径流区地表植被为林地和草甸,少有人类活动;但补给区为5A级景区玉龙雪山,排泄于4A级景区玉水寨内,局部游客活动强度高。与2005年相比,2021年玉峰寺泉Na+、K+、Cl-和SO42-增长率分别为86%、70%、556%和104%。2005年玉峰寺泉NO3-未检出,2021年浓度为0.78 mg/L。Cl-的快速增长与补给区和排泄区高强度的旅游活动密不可分,旅游活动的生产生活次生废水和排泄物等直接进入水体导致Cl-增长率高达556%[22]

5.4 水资源保护指示意义

从空间上看,大气降水和冰雪融水是丽江盆地地表—地下水体的重要补给来源,自玉龙雪山补给区到盆地南侧排泄区,多项污染指示性离子都存在上升趋势(图8)。尤其在地表—地下水流经丽江城区后Na+、K+、Cl-、PO43-和CODMn明显上升,说明城镇人类活动对水环境的影响远大于农牧业(图8)。在土壤CO2和污废水影响下, δ13C-DIC值沿地表—地下水径流方向呈下降趋势;蒸发作用、水岩作用和污废水导致 δD与 δ18O-H2O值随水流呈上升趋势。90%民井位于居住区,民井中Na++K+、Cl-+SO42- δ13C-DIC存在显著性负相关关系(P<0.05)(图6a6b), δD与 δ13C-DIC、 δ18O-H2O与 δ13C-DIC存在负相关关系(图6c6d),揭示了人类活动对地形相对平坦的丽江盆地及河流阶地地下水的负面影响。位于丽江古城区的三眼井、溢璨井、署古井、石榴井和月季井5口井水Na+、K+、Cl-、SO42-和PO43-浓度平均分别为11.47 mg/L、8.97 mg/L、10.97 mg/L、16.12 mg/L和1.37 mg/L,远高于泉水的平均值(表1); δ13C-DIC平均值为-9.1‰,偏负于所采泉水平均值-8.4‰(表1)。与民井相似,古城区5口井Na++K+ δ13C-DIC、Cl-+SO42- δ13C-DIC存在显著性负相关关系(P<0.01),证实了旅游活动对大研古镇地下水的负面影响。
图8 玉龙雪山—丽江地区地表水—地下水水化学和同位素空间演化概念图

Fig. 8 Conceptual map of water chemistry and isotope spatial evolution along the surface water and groundwater flow direction in the Yulong Snow Mountain-Lijiang area

从时间上看,与2005年相比,2021年直接接受城区污废水补给的漾弓江木家桥Na+、K+、Cl-和SO42-浓度增长率远高于旅游活动为主的拉市海;局部旅游活动也使水环境条件较好的玉峰寺泉Na+、K+、Cl-和SO42-浓度呈上升趋势,其中Cl-增长率高达556%;团山水库受人类活动影响较小,在区域背景下,各项离子存在不同升降趋势。不同水体代表性离子随时间的变化说明人类活动对水环境的负面影响为城镇活动>旅游活动>大气沉降。
为保障丽江市用水安全和促进旅游业高速发展,使水资源的社会效益和生态效益相融合,初步提出玉龙雪山—丽江水环境管理措施如下:① 建立战略储备水源地,地表—地下水联合调度,构建有弹性的水系统[36];② 建立地表—地下耦合的水质监测网,监测点沿径流方向布设,水土协同治理,使水数据可获取可利用[37];③ 加强人类活动和气候变化对水资源影响的研究[38];④ 节约用水,回收废水,推行阶梯水价[38];⑤ 推行地表—地下水科普知识,提高居民和旅游者水环境意识[39]

6 结论

通过分析玉龙雪山—丽江地区水化学和同位素组成沿地表—地下水流的变化,并对比2005年和2021年部分采样点离子组成差异,得到以下结论:
(1)流域内地表水和地下水主要来源于大气降水和冰雪融水,水化学类型以Ca·Mg-HCO3(40个)和Ca-HCO3(19个)型为主;受人类活动影响,民井离子浓度平均值大于其他水体(NH4+除外),部分民井中Na++K+、Cl-和SO42-浓度增加,水化学类型转变为Ca·Mg·(Na+K)-HCO3(6个)、Ca·Mg·(Na+K)-HCO3·Cl(4个)和Ca·Mg·(Na+K)-HCO3·Cl·SO4型(1个)。
(2)空间对比发现,受污废水影响,漾弓江由源头的I类地表水流经丽江市区后变为V类水(NH4+超标),玉河由III类水流经大研古镇后降低至IV类水(NH4+超标)。在土壤CO2和污废水影响下, δ13C-DIC值沿地表—地下水径流方向呈下降趋势;蒸发作用、水岩作用和污废水导致 δD与 δ18O-H2O值随水流方向呈增加趋势;民井和古城泉水Na++K+ δ13C-DIC、Cl-+SO42- δ13C-DIC存在显著负相关关系。水化学和同位素组成空间变化揭示了城镇和古城旅游活动已对地表水产生了深刻影响,导致水质下降。
(3)时间对比发现,受城镇污废水补给的漾弓江Na+、K+、Cl-和SO42-浓度增长率远高于旅游活动为主的拉市海,而局部受旅游活动影响的玉峰寺泉增长速率也高于人类活动影响较小的团山水库,表明人类活动对水化学组分的影响程度为城镇活动>旅游活动>大气沉降。
(4)玉龙雪山—丽江地区的水质补给径流区好于排泄区,地下水优于地表水,排泄于盆地边缘的岩溶泉水质好于以孔隙水为主的民井。水化学和同位素空间和时间的演变揭示人类活动对玉龙雪山—丽江地区的水环境已产生了深刻的负面影响,应加强地表—地下水资源的管理和保护。
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