怒江源區那曲河水化學特征的多元統計分析

趙陽, 趙衡,2, 王富強,2,3, 陳希, 次仁曲吉

(1.華北水利水電大學,河南 鄭州 450046; 2.水資源高效利用與保障工程河南省協同創新中心,河南 鄭州 450046; 3.河南省水環境模擬與治理重點實驗室,河南 鄭州 450046; 4.大連理工大學,遼寧 大連 116024; 5.西藏自治區水文水資源勘測局拉薩水文水資源分局,西藏 拉薩 850000)

河流在全球水循環中起著非常重要的作用,河流的水化學組分特征反映了地表風化、剝蝕作用的強弱以及水體元素遷移轉化的規律[1]。于新生代抬升的青藏高原對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,發育了黃河、長江、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,對青藏高原河流水化學的研究日益受到重視,研究區域涵蓋青藏高原外流河流域[4-9]與內流河流域[10],研究內容多為河流水化學特征、巖石化學風化、巖石化學風化速率對全球氣候變化的響應等。NOH Hyonjeong等[11]分析了青藏高原東部長江、瀾滄江(湄公河)以及怒江(薩爾溫江)3條河流的巖石化學風化過程,指出3條河流的水化學特征各異,其中怒江干流河水中離子主要由碳酸鹽巖風化貢獻。陶正華等[12]在分析西南三江(金沙江、瀾滄江和怒江)流域化學風化過程時指出,怒江總溶解固體(Total Dissolved Solids,TDS)的變化范圍為194～209 mg/L,怒江干流水化學類型為Ca-HCO3型,怒江干流硫酸根離子主要來源于硫化物氧化。目前,關于青藏高原流域水化學的研究多集中在大流域尺度,獲得大區域的平均信息,而且針對雅魯藏布江、長江源區、黃河源區的研究較多,但有關怒江源區那曲河流域河流水化學特征及主離子來源的研究較少[13-16]。本研究通過測定那曲河流域河水的基本理化參數和主離子含量,應用多元統計方法分析了那曲河流域河流的水化學特征及主離子來源,辨識了那曲河水化學特征的空間差異性,以期為青藏高原河流水化學研究以及那曲河流域河流水質監測提供參考。

1 研究區概況

那曲河流域是怒江的正源,是怒江和藏東地區重要水源涵養區和生態屏障建設區,在區域性板塊構造劃分上隸屬于班公錯—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460 km,總落差約920 m,河道平均比降2‰。那曲河上游又稱為拉日曲。那曲河主要支流包括母各曲、稱曲、龔曲、羅曲,流域面積分別為2 103、1 090、1 232、1 479 km2。

圖1 研究區采樣點位置分布圖

流域大部分區域屬于高原亞寒帶季風半濕潤氣候區,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:二長花崗巖、花崗閃長巖、石英閃長巖、中酸性火山巖、火山碎屑巖、變質砂巖、板巖、泥質砂巖、中粗砂巖互層、砂質礫巖等。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,流域內自然經濟以牧業為主體。

2 研究方法

2.1 水樣采集與分析

2.2 多元統計分析

多元統計分析方法,如聚類分析、判別分析、主成分分析以及因子分析等方法,已經在地表水和地下水水質分析方面被廣泛應用[23-28]。聚類分析是一種無監督分類方法,可從時間尺度與空間尺度對水質進行分析,根據觀察值或者變量之間的相似程度進行聚類,直至聚成一類。因子分析可實現數據的降維,從而降低多變量問題的分析難度。本文應用聚類分析和因子分析來研究怒江源區那曲河水化學特征及河水中主離子來源。

3 結果分析

3.1 水化學特征的統計分析

那曲河流域河水水化學特征的統計結果見表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特征統計結果

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(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(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《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[35],就DO值而言,那曲河流域河水水質優于Ⅱ類。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,變異系數較大,為87.07%。

利用阿列金分類法劃分那曲河流域河水的水化學類型,結果見表2。由表2可知:①那曲河流域13個采樣點的水化學類型可分為[C]CaⅠ型、[C]CaⅡ型、[S]CaⅡ型、[C]MgⅡ型4種。②NQ1-3、CQ1-1、CQ1-2、MGQ1-1采樣點的水化學類型點為[C]CaⅠ型;NQ1-1、SQ1-1、BSQ1-1、MMQ1-1、ZQQ1-1、MGQ2-1、GQ2-1采樣點的水化學類型為[C]CaⅡ型;GQ1-1采樣點的水化學類型為[S]CaⅡ型;NQ1-2采樣點的水化學類型為[C]MgⅡ型。③那曲河流域河水的水化學類型以重碳酸鹽類為主,只有GQ1-1采樣點的水化學類型為硫酸鹽類。分析其原因為:由于龔曲干流附近的人類活動較少,其可能存在石膏等蒸發鹽巖的溶解或硫化物的氧化風化[38]。

表2 基于阿列金分類法的那曲河水化學分類

圖3 那曲河流域河水Gibbs圖

3.2 水化學組分的聚類分析

圖4 空間尺度聚類分析樹形圖

由圖4可知,當類間距離為10時,水化學組分可分為A、B、C三大類,為進一步區分那曲河流域河流水化學特征間的差異,選擇更小的類間距離將13個河水樣品分為A1、A2、B、C4類。

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

圖5 基于聚類分析的那曲河水化學組分統計圖

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

3.3 水化學組分的因子分析

表3 水化學組分相關系數矩陣

表4 各成分解釋的總方差

表5 旋轉因子載荷矩陣

表6為各個采樣點河水樣品的公因子得分,根據公因子得分的高低,可以推測出那曲河流域河水的主離子來源。稱曲(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鹽巖溶解或者硫化物氧化風化控制;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化溶解控制。

表6 公因子得分

3.4 討論

阿列金分類法按優勢離子成分進行水化學分類,雖然可以直觀地看出河水中的優勢離子,但是無法體現出同一種水化學分類之間的差異。將阿列金分類法與聚類分析相結合可以更加全面地分析怒江源區那曲河水化學特征,辨識出不同河流之間水化學特征的差異大小。

在聚類分析中,那曲干流上游(NQ1-1)獨立分為一類,其為[C]CaⅡ型水,而且在所有采樣點中,NQ1-1海拔最高,TDS含量最高,NQ1-1與其他采樣點的較大差異,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特征差異較大。結合因子分析結果分析其原因,可能是蒸發鹽巖溶解的貢獻使那曲干流上游的TDS含量較高。

根據Gibbs圖可以看出那曲河流域河流水化學特征控制機制以巖石風化為主。利用因子分析,結合3個公因子的得分高低,可以區分不同巖石風化端元對那曲河流域河流水化學組成的影響。但是由于缺乏大氣降水的水化學數據,本文在利用因子分析區分巖石風化端元時,未扣除大氣降水對河水中離子的輸入,這也增大了那曲河流域河水主離子來源分析的不確定性。

4 結語

本文利用描述性統計、聚類分析、因子分析等多元統計分析方法研究了那曲河流域河流水化學特征及主離子來源,得出以下結論:

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

3)那曲河流域河流水化學特征控制機制以巖石風化為主,根據因子分析,稱曲、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鹽巖溶解或硫化物氧化風化控制;巴索曲、桑曲、母姆曲河水離子組成主要受到碳酸鹽巖風化溶解控制。