西藏薩迦縣卡烏地熱水的水環境效應

張 慶,譚紅兵,張文杰, 孔 娜, 張燕飛

(河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 210098)

西藏薩迦縣卡烏地熱水的水環境效應

張 慶,譚紅兵,張文杰, 孔 娜, 張燕飛

(河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 210098)

對西藏薩迦縣卡烏村高溫地熱水進行實地調查,發現該地區地熱水中超標(GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類與WHO《飲用水水質標準》(第二版))的有害元素主要有F、B、As、Sb、Tl、Be,放射性有毒元素主要為Th、U。借助折線圖、內梅羅指數法,分析沖曲河在流經該地熱區前后各超標有害元素的質量濃度變化情況。結果表明,地熱水嚴重影響了沖曲河的水質。最后,對卡烏村高溫地熱水的利用提出了相關建議。

地熱水;有害元素;水環境效應;折線圖;內梅羅指數法;沖曲河;薩迦;西藏

近年來,我國旅游業作為一種綠色產業迅速發展。在這樣的大環境下,西藏的地熱旅游資源已經受到越來越多的關注,亟待開發。卡烏村距西藏薩迦縣城18 km,是歷代薩迦法王洗浴休閑的地方。該村可見數十眼溫泉出露于河谷內,一年四季水流不斷,熱水出口溫度超過當地沸點。這些沸泉噴涌出地熱水,噴高10余m,總流量超過20L/s[1],直接匯于臨近的沖曲河。地熱水中含有的大量有害元素,直接影響著沖曲河水質。沖曲河下游是著名的旅游景點——薩迦縣城。薩迦縣曾經是西藏自治區的政治、經濟和文化中心,同時也是“薩迦王朝”和“薩迦教”的發源地,擁有我國重點文物保護單位——“薩迦寺”。沖曲河是薩迦縣最主要的河流,是當地居民與牲畜的主要飲水水源,沖曲河的水質將直接關系到當地居民的健康以及旅游業的發展。因此,在當下地熱水尚未全面開發、旅游業日趨發展的情況下,探討卡烏地熱水對沖曲河水質的影響具有重要意義。

1 研究區簡況

表2 河水 (H) 和地熱水 (Q) 的有害微量元素組成

注:“標準1”指GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅱ類標準,“標準2”指WHO《飲用水水質標準》(第二版),“—”表示相關標準中未提及。

研究區位于西藏日喀則薩迦縣境內,雅魯藏布江南岸,是西藏典型的高溫地熱系統所在區之一。研究區位于西藏主中央斷層和主邊界斷層的北側,為斷層上沖盤內,其巖體規模較小,巖性單一,以片麻狀二云母二長花崗巖為主。由于南北向擠壓力作用,藏南中段有許多規模小、延伸不遠的南北向張斷裂,這些張斷裂的附近發育有眾多第四紀的斷塹盆地,而薩迦縣的高溫地熱系統就位于這些斷塹盆地中[2]。西藏的高溫地熱系統分布于雅魯藏布江縫合線附近,熱源主要是陸陸碰撞產生的地殼重熔體。這些重熔體加熱地下水,地下水沿著斷裂帶不斷上升,形成泉水,直接匯入薩迦縣重要的河流——沖曲河,對沖曲河水質的影響毋庸置疑。

薩迦縣的氣候同西藏其他地方一樣,有垂直分布的特點,海拔較高地區寒冷,海拔較低處則較溫暖濕潤。當地年降雨量大約在150～300 mm左右,雨量多集中在6—8月；年均氣溫為5～6℃,最高氣溫為27℃,最低氣溫為-20℃；冬季多西南風,干燥寒冷、風沙較多;夏季則多東南、西南風,較溫暖,屬于半干旱地帶。薩迦主要為半農半牧狀態,居民與牲畜的飲用水源多為當地河流與地下水。地熱水多富含多種有害元素,且直接匯入當地河流,必然引起河流水質的變化,因而直接影響當地居民與牲畜的健康。

2 樣品采集與分析

注:樣品號H0—H2代表河流水;Q代表地熱水圖1 研究區地表水系簡圖及樣品采集位置

表1 河水(H)和地熱水 (Q) 的基本化學成分組成 mg/L

3 結果與討論

3.1 卡烏地熱水特征

卡烏村眾多地熱水是薩迦縣主要的高溫地熱水,其泉口溫度超過當地沸點。根據地熱水中的Si質量濃度(59.55 mg/L),利用石英溫標計算熱儲層溫度為151.28℃[3]。溫泉群區,熱霧騰騰,聲響極大,并帶有濃烈刺鼻的硫黃味。溫泉群區還分布有大量硅華,且古硅華高出泉群口10 m之多。這些硅華有效地指示了地下高溫地熱系統的存在[4]?，F場測量地熱水的pH=8.7,TDS值為2 600.00 mg/L,EC值為5 213.00 μS/cm。由此可知,卡烏村地熱水呈堿性,這也是西藏地熱水的特點。地熱水由于溫度高,不含有膠體,除SiO2之外,鹽均以離子態存在,導致其電導率EC超過一般的地下水EC值,呈強電解質溶液。

3.2 地熱水對河流的影響評價

卡烏地熱水屬于高溫地熱水,水中含有較多有害元素。這些有害元素大量排至沖曲河,導致當地的水環境受到污染。根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》,對照表2,得知卡烏地熱水和沖曲河中超標的有害元素均為F、B、As、Sb、Tl、Be。對于放射性元素Th、U,GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中雖未提及,但是這兩種放射性元素應得到重視。沖曲河不僅是當地重要的地表水,也是薩迦縣重要的生產與生活水源,因此對地熱水的水環境影響評價選用GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類與WHO《飲用水水質標準》(第二版)(以下簡稱兩個標準)作為評價依據。以下通過幾種方式對此污染問題進行闡述。

3.2.1 一般污染元素

地熱水對河流產生的環境效應主要由F、B、As、Sb、Tl、Be這6種元素引起。圖2為這6種元素在沖曲河上游、沖曲河所經地熱水、沖曲河下游的質量濃度變化趨勢。

這些年，但凡我每次從老家回來，母親看我坐定，總是先詳細詢問我老家的棗樹、院落、房屋的情況，聽到棗樹垂暮、滿院荒草、屋頂漸漏，她常常深嘆一口氣，幽幽地說：“啥時候能把房子拾掇拾掇，讓我再回去住幾天，看看棗樹、澆澆水，就好了?！笨墒牵霞医K究是沒人住的，拾掇了也無用，荒了幾十年，連水電都沒有了，母親看似簡單的要求，卻終難實現。

由圖2(a)知,地熱水和河水中的F質量濃度不僅超過了地表水環境標準,且超過了飲用水標準。這樣的河水對人畜的健康會產生極大的威脅。羊八井地區的地方病在地熱開發以前沒有出現,但是地熱開發后,當地百姓因為飲用藏布河河水而不同程度地患有氟斑牙、禿頂等疾病[7]。因此在地熱開發前,有必要對排至河流中的F元素進行處理,以免出現類似于羊八井地區的地方病。

圖2(b)為B質量濃度的變化趨勢圖。在所有污染元素中,B質量濃度是最高的,已經高達147.6 mg/L,遠遠超過兩個標準的標準值。B質量濃度如此高的地熱水在全球也是少見的。羊八井深部高溫地熱水中的B質量濃度為119.0 mg/L[8],意大利伊斯基亞島地熱水中B質量濃度為18.951 mg/L[9],土耳其Cumali泉水中B質量濃度為16.600 mg/L[10]。卡烏村的地熱水分布區正好位于西藏富硼地帶,此地帶分布有富硼巖石。在較高的溫度下,熱水與巖石反應進而溶濾出含B物質,或者地熱水得到巖漿分異的含B流體的補給?？傊?地熱水中富B與巖漿活動有較大關系[11]。在沖曲河下游,B濃度仍然很高,若當地居民長期直接以此河作為飲水源,人體免疫系統將受到威脅。

圖2(c)為As質量濃度的變化趨勢圖。Guo等[6]在調查羊八井地區時,發現淺層地熱水中的As質量濃度為3.12 mg/L,并提到ZK4001熱水中As質量濃度為5.70 mg/L。卡烏地熱水中As質量濃度相對較低,為137.30 μg/L。地熱水中As質量濃度雖高于兩個標準的標準值,但是沖曲河河水中As質量濃度只超過WHO提供的飲用水標準值,因此,沖曲河不宜作為直接飲用水水源。

圖2(d)為Sb質量濃度的變化趨勢圖。對于地熱水中的Sb,前人少有研究。Lima等[9]在研究伊斯基亞島上的地熱水時,發現Sb的質量濃度異常高,最高值為131 μg/L,平均值為7 μg/L?？醯責崴蠸b的質量濃度為93.3 μg/L,沖曲河流經地熱區后,Sb的質量濃度增高近15倍。H1點河水中Sb質量濃度是H2點河水中Sb質量濃度的2倍。相比于其他元素,Sb在河流中的質量濃度降低程度較高。黏土礦物對Sb的吸附性較強[12],因此Sb質量濃度的下降與河底黏土礦物的存在有極大關系。沖曲河下游中Sb質量濃度高于飲用水標準值,而Sb對人體的五官、心臟、肝臟等均有刺激,嚴重者將致人死亡。

Tl是一種劇毒性元素,由圖2(e)知,卡烏地熱水與沖曲河水中的Tl已經遠遠超過地表水環境質量標準值。H2點河水中,Tl質量濃度仍然很高,沖曲河河水明顯不能作為健康的飲用水水源。在不同的巖漿巖中,花崗巖是含Tl量最高的巖石[13]。當地地熱水和河水中Tl質量濃度極高,是與藏南多分布花崗巖有密切關系的。

圖2 沖曲河、地熱水中超標有害元素質量濃度的變化

Be是一種堿土金屬,其單質及化合物均有劇毒,Be的化合物毒性較大,是一種全身性毒物,可引起肺炎、癌癥等。Be的地表水環境質量標準值為2 μg/L,卡烏地熱水中Be質量濃度是標準值的3倍之多。圖2(f)表明,在沖曲河下游段H1、H2處,Be質量濃度已低于標準值。Be的吸附性強、表生作用差，沖曲河河水常年水流不斷,河底黏土礦物和有機質被不斷沖刷而粒徑變細,隨之對Be的吸附性也增強。沖曲河H1點河水的pH=10.79,這樣堿性的條件極不利于Be化合物的存在。

由以上分析可知,沖曲河在卡烏地熱水的匯入后,其水質急劇下降,不符合本文選用的水質環境評價標準值。在這6種有害元素超標的情況下,有必要運用單因子指數法和綜合指數評價法對沖曲河水質進行綜合評價。單因子指數法和綜合指數評價法屬于環境質量評價方法,選用標準為GB 3838—2002《地面水環境質量標準》。

單因子污染指數計算公式為

(1)

式中:Pi為單項指標污染指數,ρi為某污染因子的實測質量濃度值,mg/L；ρoi為某污染因子的排放質量濃度標準限值,mg/L。

利用式(1),計算6種超標有害元素的Pi值,見表3。由表3得知,沖曲河中,F、B的質量濃度在上、下游均嚴重高于標準值,而Sb和Tl的質量濃度在河流下游高于標準值,且Sb在河流下游H2處的Pi值已經低于1。F、B是最嚴重的污染物,如果當地居民繼續飲用沖曲河河水,需要對下游水中的F、B、Sb和Tl進行重點處理,如利用生物和化學的方法凈化水質。

表3 沖曲河中有害超標元素的Pi值

綜合污染指數的計算方法有很多種,本文為了突出易活化元素As對環境質量的影響和作用,選用目前應用較多的最大值法,并利用內梅羅指數計算式計算綜合污染指數PZi:

(2)

內梅羅指數法計算的綜合污染指數結果:H0為1.27,河水尚清潔;H1為7.88,屬于嚴重污染;H2為4.63,屬于中度污染(表4)。由PZi值可知,在沖曲河未經主地熱田區時,地熱田上游仍然有地熱泉向河流排泄。在沖曲河流經地熱區后,河水的PZi值增加5倍左右,地熱水的匯入對河流的嚴重影響極為突出;在H2處,PZi值逐漸下降,這與河床沉積物的吸附作用、微生物作用等有直接的關系,但是仍然高于上游的PZi值。沖曲河進入薩迦縣城,其水質仍然是令人擔憂的,相關部門必須高度重視。

表4 水質綜合污染程度分級標準

3.2.2 放射性元素

卡烏地熱水中不僅一般性有毒元素質量濃度高,具有放射性的Th、U質量濃度也極高。這兩種元素均是放射性的金屬元素,232Th的半衰期為140億年,238U的半衰期為45億年。由于這兩種元素在一般地表水與飲用水中質量濃度極小,因此本文選取的兩個標準中均未提及。相比于Th來說,沖曲河在流經地熱區后,U質量濃度變化更大,而且下游H2比H1河水中U質量濃度更高,說明U是一種易在河水中富集的元素。若在研究區內進行地熱開發,這兩種放射性元素必須進行處理,以免對人類、牲畜等產生長期毒害。

由前文述及卡烏總流量超過20 L/s,運用下式計算以上8種有害元素每年輸入沖曲河的量:

mi=10-6QρiT

(3)

式中:mi為地熱水中某有害元素向外環境排放的總量,kg;Q為某地熱水的天然流量,20 L/s;T為時間,a。計算結果見表5。

表5 各類污染元素每年排向沖曲河中的總量 kg

由表5可知,多種有害元素每年直接排放到附近河流中,降低了沖曲河的水質。縱使河流具有稀釋有害元素的作用,或沉積物對有害元素有吸附作用,或當地冰川對河流進行大量補給,但是,有害元素的排放總量仍是不可忽視的。

地熱水對沖曲河水質的影響不僅表現在流量、TDS、主量元素,而且表現在有害元素對河流的影響上。從表5可知,沖曲河下游中各有害元素排放的總量非常大。河流中的有害元素隨著河流的流動不斷減少,但是沉積物對有害元素的吸附一直在進行。地熱水的噴涌時時刻刻在進行,有害元素在河床中的積累同時在不斷增加,但是河床沉積物對有害元素的吸附承載能力是有限的,當吸附量達到一定值后,河床沉積物吸附能力將降低。另外,隨著愈演愈烈的全球變暖,當周圍的冰川雪融水量突然增加,從各個方面影響沖曲河,極有可能使吸附物中的有害物質活化,重新匯入河水中,對河水造成再次嚴重的污染。沖曲河下游的旅游區薩迦縣城的居民、牲畜以及旅游業都會受到嚴重的影響,對薩迦文化也將間接產生嚴重的影響。1997年3月,智利發生洪水事件,水力梯度極高的Rio Loa主要水體中As和重金屬質量濃度驟然升高,斯洛曼水庫As質量濃度猛增至30 mg/L[14],而此水體中有害物質同樣來源于地熱水。沉積物中的有害物質由于突發地質災害而進入水體中,將對水體產生較大污染。

4 結 論

a. 薩迦縣是西藏境內重要的旅游景區之一,其地熱旅游資源日益發展?？醮宸植加兴_迦縣最主要的地熱水。這些地熱水富含眾多有害元素,超標有害元素主要為F、B、As、Sb、Tl、Be以及放射性元素Th、U。地熱水在噴涌出地表后直接匯入當地最重要的河流中,大量有害元素直接惡化了沖曲河的水質。

b. 本次采樣為一年中干旱-多雨交替期,河水化學組成成分代表中值水平。進入雨季后(7—9月),河水受到雨水的稀釋作用,地熱對河流污染的影響減輕。相反,到了冬季,降水、冰雪融水急劇減少,地表徑流減少,地熱勢必會造成對地表水體更嚴重的污染。

c. 我國作為能源消耗大國,青藏高原地熱資源大規模開發勢在必行,但對富含有害元素的地熱田開發之后,需對廢水進行嚴格處理,以免影響周圍水環境質量。

[1] 佟偉,廖志杰,劉時彬,等.西藏溫泉志[M].北京:科學出版社,2000.

[2] 廖志杰,張振國.西藏南部地熱[J].地質論評,1989(4):366-373.(LIAO Zhijie,ZHANG Zhenguo,Geothermics of southern Tibet[J].Geological Review,1989(4):366-373.(in Chinese))

[3] 張衛民.應用SiO2地熱溫度計估算地熱儲溫度:以贛南橫涇地區若干溫泉為例[J].地球學報,2001,22(2): 185-188.(ZHANG Weimin.The application of SiO2geothermometer to estimating temperature of the geothermal reservoir: exemplified by some thermal springs in Henging Area,South Jiangxi[J].Acta Geoscientica Sinica,2001,22(2):185-188.(in Chinese))

[4] 劉時彬.地熱資源及其開發利用與保護[M].北京: 化學工業出版社,2005.

[5] 廖志杰,趙平.滇藏地熱帶: 地熱資源和典型地熱系統[M].北京: 科學出版社,1999.

[6] GUO Q,WANG Y,LIU W.B,As,and F contamination of river water due to wastewater discharge of the Yangbajing geothermal power plant,Tibet,China[J].Environmental geology,2008,56(1): 197-205.

[7] LI Huixia,HE Xiaorong,HU Xiancai,et al.Environmental issues of geothermal development in Yangbajing,Tibet and the countermeasures[J].Wuhan University Journal of Natural Sciences,2003,8(3B):965-974.

[8] GUO Q.Hydrogeochemistry of high-temperature geothermal systems in China:a review[J].Applied Geochemistry,2012,27(10):1887-1898.

[9] LIMA A,CICCHELLA D,DI F S.Natural contribution of harmful elements in thermal groundwaters of Ischia Island (southern Italy)[J].Environmental Geology,2003,43(8):930-940.

[12] 曹積飛,楊秋榮,李英杰,等.黏土礦物對重金屬有害元素吸附性研究[J].環境科學與技術,2008,1(31): 42-44.(CAO Jifei,YANG Qiurong,LI Yingjie,et al.Absorbality of clay minerals to harmful elements of heavy metal[J].Environment Science & Technology,2008,1(31): 42-44.(in Chinese))

[13] 牟保磊.元素地球化學[M].北京: 北京大學出版社,1999.

[14] ROMERO L,ALONSO H,CAMPANO P,et al.Arsenic enrichment in waters and sediments of the Rio Loa (Second Region,Chile)[J].Applied Geochemisty,2003,18(9):1399-1416.

Water environmental effects of Kawu geothermal water in Sajia County,Tibet

ZHANG Qing, TAN Hongbin, ZHANG Wenjie, KONG Na, ZHANG Yanfei

(SchoolofEarthScienceandengineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

An investigation to high temperature geothermal water in Kawu Village of Sakya County, Tibet was made. We found that harmful elements in geothermal water whose concentrations were far higher than the limits of class Ⅱof “environmental quality standard of surface”(GB3838—2002) and the safety limits of “Drinking Water Quality Standards”(the second edition) were F、B、As、Sb、Tl、Be, while radioactive toxic elements are mainly Th, U. We analyzed the concentration variation of harmful elements before and after Chongqu River flows through the geothermal area with line charts and the Nemerow index method. The results show that geothermal water seriously affects the water quality of Chongqu River. In the end, some useful suggestions about the utilization of geothermal water were put forward.

geothermal water; harmful elements; water environmental effect; line charts; Nemerow index method; Chongqu River; Sajia County; Tibet

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.02.009

國家自然科學基金(41173049; 41271041)

張慶(1989—),女,碩士研究生,研究方向為環境污染。E-mail:994078843@qq.com

譚紅兵,教授。E-mail:zhangyu91716@163.com

X141

A

1004-6933(2015)02-0045-05

2014-05-04 編輯：彭桃英)