拉薩河流域地熱水中重金屬分布及其污染風險評估

劉勇　吳堅扎西　梅朵等

摘要西藏是中國地熱活動最強烈的地區，地熱蘊藏量居中國首位，各種地熱顯示幾乎遍及全區，有700多處，拉薩河谷地區是地熱資源十分豐富的區域之一，羊八井溫泉、日多溫泉等著名的地熱就分布在拉薩河谷地區。對分布在拉薩周邊區域的羊八井溫泉、日多溫泉、德仲溫泉、賈桑溫泉等4個典型高原地熱溫泉水環境中的Zn、Co、Cr、Fe、Mo、Pb、As、Sb、Ni、Cd、Hg、Be、Cu、Mn、Se等15種主要金屬元素的含量、分布情況進行了初步研究，評估了地熱資源在開發利用過程中對周圍環境的影響，提出了相應的環境影響控制對策。研究成果將為西藏高原地區地熱資源的合理開發及其生態環境保護提供重要的參考和借鑒。

關鍵詞拉薩河；流域；地熱水；重金屬；風險評估

中圖分類號S273.2文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-225-03

The Distribution of Heavy Metals in Geothermal Water in Lhasa River Basin and Its Potential Risk

LIU Yong1， WUJIAN Zha-xi2， MEI Duo1， BU Duo2，3* et al

（1. Tibet Autonomous Region Environmental Engineering Assessment Center， Lhasa， Tibet 850000； 2. College of Science， Tibet University， Lhasa， Tibet 850000； 3. Department of Environmental Science and Engineering， Fudan University， Shanghai 200043）

AbstractTibet as the most violent areas of geothermal activities in China， the reserves of geothermal resources is Chinas first， various geothermal almost all over Tibet， there are more than seven hundreds. The Yangbajing Geothermal Field is the biggest wet steam field which is developing in China， the special quality of geothermal water attracted wide attention. This thesis analyzed the 15 kinds of main metal elements（ as Zn， Co， Cr， Fe， Mo， Pb， As， Sb， Ni， Cd， Hg， Be， Cu， Mn， Se etc.） in four geothermal water（as the Yangbajing Hot Springs， the Riduo Hot Springs， the Dezhong Hot Springs， the Jiasang Hot Springs）. The impact of geothermal resources on the surrounding environment in the process of utilization was evaluated. Several measures to control the impact on the surrounding environment were put forward. Research results will provide important reference for reasonable development of geothermal resources in Tibet Plateau and eco-environmental protection.

Key wordsLhasa River； Basin； Geothermal water； Heavy metal； Risk assessment

基金項目國家自然科學基金項目（20767005，21267021）；科技部“973”前期研究課題（2014CB460612）；西藏自治區自然科學基金項目（Z2012A02G02/00）；環境化學與生態毒理學國家重點實驗室開放基金課題（KF2009-20）。

地熱水，是溫度顯著高于當地年平均氣溫，或者高于觀測深度的圍巖溫度的地下水。地熱水不僅是寶貴的地下水資源，而且是珍貴的清潔可再生能源。地熱水既是一種熱源、又含有多種礦物成分。地熱是一種應用廣泛、易于開發、費用低廉、無環境污染的新型能源礦產。目前其廣泛應用于發電、供暖、沐浴、游泳、理療、醫療、養殖、種植等多個領域[1-3]。西藏是中國地熱活動最強烈的地區，地熱蘊藏量居全國首位，熱泉、熱水湖、熱沼澤等地熱顯示遍布全區，其中高溫地熱資源占全國地熱總量的80%。拉薩河流域是地熱資源相對集中的地區之一，分布有羊八井地熱田、日多溫泉、德仲溫泉、賈桑溫泉等地熱資源區，其中羊八井地熱田是我國正在開發的最大濕蒸汽田。作為一種清潔、環保、可持續利用的能源，地熱水資源的開發利用，對增加能源供應，改善能源結構，保障能源安全，保護環境具有重要作用。由于溫度高和深層循環過程中的水—巖相互作用，地熱水一般礦化度較高及含有一些特殊的化學成分，如氟、鉛、砷、汞等。在地熱水開發利用過程中，若不采取相應的防治措施，必將會帶來一些環境問題，如地面沉降、地熱水資源衰竭、熱污染、空氣污染、水和土壤的污染等[4-7]。

筆者對分布在拉薩周邊區域的羊八井溫泉、日多溫泉、德仲溫泉、賈桑溫泉等4個典型高原地熱溫泉水環境中的Zn、Co、Cr、Fe、Mo、Pb、As、Sb、Ni、Cd、Hg、Be、Cu、Mn、Se等15種主要金屬元素的含量、分布情況進行了初步研究，評估了地熱資源在開發利用過程中對周圍環境的影響，提出了相應的環境影響控制對策。

1材料與方法

1.1研究區域概況及采樣點設置

拉薩作為西藏自治區首府城市，是西藏政治、文化、經濟、宗教中心，作為全國著名旅游城市，隨著拉薩旅游業的蓬勃發展，以療養、旅游為目的的地熱水資源得到了大規模的開發利用。根據拉薩周邊區域地熱資源分布情況，選擇確定了4個溫泉（圖1）進行地熱水樣品的采集，分別為：羊八井地熱溫泉（30°04′22.91″ N，90°29′24.32″ E），位于當雄縣羊八井鎮，距離拉薩市西北約90 km，該溫泉共設置5個采樣點；日多溫泉（29°41′42.24″ N，92°14′29.33″ E），位于墨竹工卡縣日多鎮，距離拉薩市東北約90 km，該溫泉共設置1個采樣點；德仲溫泉（30°09′13.70″ N，92°09′59.46″ E），位于墨竹工卡縣門巴鄉，距離拉薩市東北約140 km，該溫泉共設置3個采樣點；賈桑溫泉（29°16′03.53″ N，90°48′19.49″ E），位于山南地區貢嘎縣崗堆鎮，距離拉薩市西南約90 km，該溫泉共設置4個采樣點。

1.2樣品采集與處理

使用潤洗3次的聚四氟乙烯燒杯直接在溫泉水面垂直向下10 cm 左右處采集樣品，并將待測樣品經0.45 μm濾膜進行現場過濾并轉入60 ml聚四氟乙烯樣品瓶中，滴加優級純HNO3酸化至pH<2。每個采樣點采集3個平行樣品，共采集13組地熱水樣品，密封保存，運回實驗室置于4 ℃冰箱保存，用于實驗室檢測重金屬元素。待研究溫泉有多個采樣點的，重金屬濃度取其平均值。

圖1溫泉地理位置示意

1.3測試項目與方法

1.3.1重金屬含量分析方法。

經預處理后的水樣，利用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，美國Agilent7500ce 型）測定樣品中Zn、Mo、Pb、Cd、Be、Cu、Mn和Se總量；電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES，美國Optima 5300DV型）測定樣品Co、Cr、Fe和Ni總量；原子熒光光譜儀（AFS，北京AF-610A型）測定As、Sb和Hg總量。分析過程中所用聚四氟乙烯容器均在1∶1硝酸中浸泡48 h以上，玻璃容器浸泡24 h，高純水沖洗后晾干。分析所用酸均為優級純，水為高純水。試驗過程中每批樣品均做全程空白，以消除在樣品處理及測定過程中可能帶入的污染。同時同步分析由國家有色金屬及電子材料分析測試中心生產的多元素標準樣品（GSB 04-17667-2004）和Hg標準樣品（GSB G 62069-90），以控制樣品分析的精密度和準確度。重金屬元素平行樣品相對誤差<5%，標準物的回收率在90%～120%之間。

1.3.2水體重金屬污染評價方法。

重金屬元素綜合污染指數法是將同一站位的所有要研究的重金屬元素作為一個統一的整體，研究這些重金屬元素在相互作用的情況下對環境產生的影響。該研究利用綜合污染指數法對拉薩河谷設施農業區水體重金屬污染狀況進行評價[8-9]，其計算公式為：

Ai=Ci/Csi（1）

WQI=1n1nAi（2）

式中，Ai表示重金屬元素i的污染指數；Ci表示重金屬元素i的實測含量；Csi表示重金屬元素i的評價標準（取地表水環境質量標準I類標準作為拉薩河谷設施農業區各重金屬元素評價標準）；n為元素個數；WQI為水質綜合污染指數。

當WQI≤1時，表明該水域無重金屬污染；當13時，表明該水域重金屬為重度污染。

2結果與分析

2.1拉薩周邊區域地熱水環境重金屬元素分布情況

圖2為拉薩周邊區域4個典型溫泉地熱水環境中15種主要金屬元素Zn、Co、Cr、Fe、Mo、Pb、As、Sb、Ni、Cd、Hg、Be、Cu、Mn和Se的含量分布情況。4個典型溫泉地熱水環境中重金屬As、Ni、Cd和Cu的含量范圍分別為：0.96～4.13 μg/L、1.83～9.27 μg/L、nd（表示未檢測出）～0.21 μg/L和0.78～7.77 μg/L，其中4個溫泉地熱水中重金屬As、Cd和Cu含量均達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅰ類水標準，重金屬Ni符合《漁業水質標準》（GB11607-89）規定的Ni限值（50 μg/L）標準。重金屬Zn除在德仲溫泉未檢測到之外，在羊八井地熱溫泉、日多溫泉和賈桑溫泉的含量分別為847.85、225.00和748.25 μg/L，均達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅱ類水標準；羊八井地熱溫泉和德仲溫泉中重金屬Cr含量分別為3.98和3.63 μg/L，符合《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅰ類水標準，日多溫泉和賈桑溫泉Cr含量分別為25.90和18.45 μg/L，符合《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅱ類水標準；日多溫泉和德仲溫泉未檢測到重金屬Pb，但羊八井地熱溫泉和賈桑溫泉地熱水中Pb含量較高，分別為10.12 μg/L（符合《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類水標準）和69.46 μg/L（符合《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅴ類水標準）；日多溫泉地熱水環境中重金屬Hg含量低于檢測限，其在羊八井地熱溫泉、德仲溫泉和賈桑溫泉含量分別為0.23、0.08和0.20 μg/L，分別達到了《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅳ類、Ⅲ類和Ⅳ類水標準；日多溫泉未檢測到重金屬Se，賈桑溫泉地熱水中Se含量為0.14 μg/L，符合《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅰ類水標準，羊八井地熱溫泉和德仲溫泉Se含量分別為16.98和15.30 μg/L，均達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅳ類水標準。《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）集中式生活飲用水地表水源地補充項目規定Fe和Mn的標準限值分別為300 μg/L和100 μg/L，德仲溫泉和賈桑溫泉地熱水中Fe和Mn均符合該項目標準；羊八井地熱溫泉Mn符合該項目標準，Fe含量超出該規定限值倍數為1.9倍；日多溫泉Fe和Mn均超出相應標準限值，超標倍數分別約為3倍和0.85倍。我國相關水環境質量標準中均未涉及Co、Mo、Sb和Be，該研究中羊八井地熱溫泉和德仲溫泉地熱水中未檢測到Co含量，日多溫泉和賈桑溫泉Co含量分別為0.12和0.24 μg/L；除德仲溫泉未檢測到Mo外，賈桑溫泉Mo含量最高（1.30 μg/L），其次為日多溫泉（0.34 μg/L），羊八井地熱溫泉最低（0.06 μg/L）；上述4個典型溫泉中，Sb的含量順序依次為：羊八井地熱溫泉>日多溫泉>德仲溫泉>賈桑溫泉；德仲溫泉地熱水環境中Be含量最高，賈桑溫泉Be含量最低。由圖2 可知，不同溫泉同種重金屬含量相差較大，可能與溫泉所處區域礦產資源種類不同有關，需要進一步研究。總之，通過對拉薩周邊區域溫泉地熱水中重金屬的研究，可在一定程度上掌握該區主要溫泉重金屬豐度，同時可為西藏高原地區地熱資源的可持續開發利用及其生態環境保護提供有益參考。

圖2拉薩河沿岸地區四大主要溫泉水中重金屬元素的分布示意

2.2拉薩周邊區域地熱水環境重金屬污染評價

分別選取《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中涉及，且對環境和生物危害極大的8種重金屬（Zn、Cr、Pb、As、Cd、Hg、Cu和Se）和7種重金屬（Cr、Pb、As、Cd、Hg、Cu和Se）[10-18]，通過公式（1）和（2）計算得到拉薩周邊溫泉地熱水環境重金屬綜合污染指數（見表1）。結果表明，由于羊八井地熱溫泉、日多溫泉和賈桑溫泉地熱水環境中Zn含量較《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅰ類水標準規定限值相差較大，考慮Zn計算WQI時，羊八井地熱溫泉WQI值大于3，表明該水體為重度污染，賈桑溫泉WQI值介于2～3之間，表現為中度污染，日多溫泉WQI值為1.50，表現為輕度污染；當不考慮重金屬Zn計算WQI時，只有羊八井地熱溫泉表現為輕度污染，且主要污染物質為重金屬Hg，其余溫泉均表現為無重金屬污染。綜上所述，參照《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅰ類水標準計算WQI時，羊八井地熱溫泉、日多溫泉和賈桑溫泉Zn污染問題比較突出；上述3個典型溫泉地熱水Zn含量均又滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅱ類水標準，因此無法確保相應溫泉Zn的污染程度，建議國家相關部門在修訂水質標準過程中，應縮小Ⅰ類水和Ⅱ類水相關重金屬的限值范圍，但重金屬Zn污染問題需要引起注意，防止對周邊居民的健康帶來不利影響。

表1拉薩周邊區域溫泉地熱水重金屬元素的綜合污染指數

WQI羊八井地熱溫泉日多溫泉德仲溫泉賈桑溫泉

WQI（含Zn） 3.09 1.50 0.65 2.99

WQI（不含Zn） 1.10 0.60 0.65 0.99

3結論與建議

3.1結論

羊八井地熱溫泉、日多溫泉、德仲溫泉和賈桑溫泉地熱水As、Cd和Cu均符合《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅰ類水標準，Ni符合《漁業水質標準》（GB11607-89）標準限值，重金屬Zn和Cr至少符合《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅱ類水標準，重金屬Pb、Hg和Se相對含量較高。

參照《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅰ類水標準，通過計算水環境綜合污染指數（WQI），羊八井地熱溫泉、日多溫泉和賈桑溫泉分別表現為重度污染、中度污染和輕度污染，且主要污染物均為重金屬Zn，相關部門應采取相應措施保障周邊居民的身體健康。

3.2建議

加大對溫泉區地熱水資源地系統、科學管理，在

提高地熱水資源利用效率的同時，防止地熱資源大量開采所導致的土壤污染、地表水污染、熱污染等環境問題。

對溫泉周邊土壤、水體及農作物建立長期監測機制，尤其是氟化物和重金屬的監測，防止地熱水中的礦物質大量進入土壤、水體，進而對周邊居民身體健康帶來不利影響。

43卷7期

劉 勇等拉薩河流域地熱水中重金屬分布及其污染風險評估

參考文獻

[1] 尤孝才，姚書振，顏世強，等.我國地熱資源勘查開發利用及保護對策[J].中國礦業，2007，16（6）：1-3.

[2] 徐軍祥.我國地熱資源與可持續開發利用[J].中國人口·資源與環境，2005，15（2）：139- 141.

[3] 鄭克棪，潘小平.中國地熱發電開發現狀與前景[J].中外能源，2009，14（2）：45-48.

[4] 吳錫剛，劉同憎，何平.地熱水的開發利用及存在問題研究[J].地下水，2011，33（3）：46-47.

[5] 張金華，魏偉.我國的地熱資源分布特征及其利用[J].資源經濟，2011（8）：23-27.

[6] 楊明金，楊帆，王謀鳳，等.地熱水水質及其對農田和農作物影響研究[J].福建農業科技，2005（6）：65-67.

[7] 李曉華，馬馳.地熱水資源開發引起的環境問題分析[J].安徽農業科學，2009，37（18）：8675-8677.

[8] 廖為權，姜齊.水質評價的濃度級數法[J].水文，1992（3）：25-32.

[9] 沈春燕，馮波，盧伙勝.茂名放雞島海域水體重金屬的分布與污染評價[J].海洋通報，2008，27（5）：116-120.

[10] MCLAUGHLIN M J，PARKER D R，CLARKE J M.Metals and micronutrients-food safety issues[J].Field Crops Research，1999，60（1/2）：143-163.

[11] 劉鳳，李梅，張榮飛，等.拉薩河流域重金屬污染及健康風險評價[J].環境化學，2012，31（5）：580-585.

[12] 楊軍，陳同斌，鄭袁明，等.北京市涼鳳灌區小麥重金屬含量的動態變化及健康風險分析—兼論土壤重金屬有效性測定指標的可靠性[J].環境科學學報，2005，25（12）：1661-1668.

[13] VOUTSA D，GRIMANIS A，SAMARA C.Trace elements in vegetables grown in an industrial area in relation to soil and air particulate matter[J].Environmental Pollution，1996，94（3）：325-335.

[14] 李波，林玉鎖，張孝飛，等.寧連高速公路兩側土壤和農產品中重金屬污染的研究[J].農業環境科學學報，2005，24（2）：266-269.

[15] NICHOLSON F A，SMITH S R，ALLOWAY B J，et al.An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales[J].Science of the Total Environment，2003，311（1/3）：205-219.

[16] YANG Q W，QIU J W，SHU W S，et al.Lead in paddy soils and rice plants Lechang and its potential health risk around lead/zinc Mine，Guangdong，China[J].Environment International，2004，30（7）：883-889.

[17] 李真熠.重慶市土壤重金屬污染的功能分異評價[J].農業環境與發展，2013，30（4）：35-40.

[18] 李藝紅，王宏，劉瑞志，等.錦州灣表層沉積物重金屬潛在生態風險評價[J].沈陽理工大學學報，2013，32（5）：17-22.