富砷地热废水排放的水环境效应——以西藏羊八井热田为例

富砷地热废水排放的水环境效应1——以西藏羊八井热田为例郭清海，叶露，魏晓阳，常军坦中国地质大学环境学院，湖北武汉（430074）E-mail：qhguo2006@摘要：西藏羊八井热田是我国目前唯一用于地热发电的高温热田，地热电厂产生的高砷废水直接排入了藏布曲（河）——热田内最主要的地表水体。

通过地热废水、藏布曲（河）河水、羊八井河水和藏布曲南溪水的砷含量的对比，阐明了地热废水排放与其他水体汇入对藏布曲河水砷含量变化的影响。

地热废水中的砷在排入藏布曲后受到了河水稀释作用与河床沉积物吸附作用的影响。

计算了藏布曲不同河段内砷的综合衰减系数，并与河床沉积物对砷的吸附分配系数进行了对比，发现二者的拟合曲线符合指数关系。

这表明随着河床沉积物吸附作用的加强，河水中砷的天然衰减将相应呈指数形式增加。

关键词：地热废水；砷；稀释作用；吸附作用；羊八井热田1.引言在环境科学研究领域，砷是公认的环境中危害性最大的致癌物质之一。

早在1968年，世界卫生组织就在其颁布的环境污染报告中把砷排在有害污染物的首位；20世纪80年代，世界卫生组织推荐的饮用水砷浓度的上限为50 µg/L[1]，到90年代，该组织进一步把饮用水砷浓度的上限降低为10 µg/L[2]。

目前，学界普遍认为环境中的砷主要来源于人类活动（如铜、铁、铅、锌等金属的冶炼，木材和煤炭的焚烧、化工生产、含砷矿床的开采、含砷农药的使用、含砷废物的不合理弃置等）或天然过程（如火山活动、地表岩石风化，地表/地下水-沉积物系统中的含砷矿物对砷的释放等）。

此外，值得指出的是，来源于地下热水系统的砷正日益引起国外研究者的注意。

据报道，日本本州Akita地区地热水的砷含量可高达13 mg/L[3]，智利Rio Loa盆地El Tatio地热田出露的热泉的砷含量更高达27.0 mg/L[4]。

由此可见，地热流体中砷含量可达到异常高的程度，因此，富砷地热流体的排放（以热泉的形式排放，或经人类开发利用后排入环境）不但是环境中砷的重要来源，而且在进入地表或浅部地下环境后常常还具有特别大的危害。

我国西藏羊八井热田的地热流体的砷含量最高可达5700 µg/L[5]，而羊八井地热电厂的富砷地热废水则直接排入了区内最大的地表水体——藏布曲（河）。

由于地热电厂排污口下游有26 个村庄以藏布曲（河）河水和堆龙德庆曲（河）河水作为部分人畜饮用水[6]，因此，对地热废水以及受其影响的藏布曲（河）河水的砷含量进行调查，并查明地热废水排放影响下的藏布曲（河）河水砷含量变化趋势及其影响因素，无疑具有重要的现实意义。

2. 研究区概况羊八井盆地位于西藏拉萨市当雄县羊八井镇，为西南-东北方向延伸的宽阔谷状低地，海拔高度在4290-4500 m之间，盆地西北为主峰高7162 m的念青唐古拉山脉，东南为海拔6000 m以上的唐山山脉，地势上具有西北高、东南低的特征。

羊八井热田地处盆地东侧，被中尼公路分为南、北两区。

热田年均气温为2.5 ℃，最高26.5℃，最低-32.5℃；年均降水量为382.3 mm，其中65%以上集中在7、8月；年平均气压在0.580 - 0.609 atm之间。

热1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金项目（20070491008）、国家自然科学基金项目（40702041）、湖北省自然科学基金项目（2007ABA312）的资助。

田主要地表水体为蜿蜒于东南边缘的藏布曲（河），河水汇入羊八井河后，经堆龙德庆曲（河）和拉萨河流入雅鲁藏布江。

羊八井地热田是我国热储温度最高的热田，也是我国最早利用高温地热进行发电、洗浴、水产养殖和旅游观光的热田。

热田地热调查始于1975年，并于1977年成功运行了发电容量为1000 kW的试验发电机组。

1981和1986年，羊八井第一、第二地热电厂先后建成投产，目前两电厂的总发电量达24,180 kW。

地热电厂的生产废水直接排入了藏布曲（河），对河水水质造成了明显影响。

图1 研究区简图与样品采集位置Fig. 1 Simplified map of the study area and sampling locations3. 样品采集与分析本次研究共采集水样21件，其中藏布曲河水样品10件、羊八井河水样品6件、草原溪水样品1件、地热废水样品4件。

采样位置见图1。

采样瓶采用350ml的聚乙烯瓶，在取样前用蒸馏水清洗，再以所采水样润洗2-3次。

采样时，用带0.45 µm滤膜的简易过滤装置过滤水样。

所有样品的砷含量在取样2周内用原子荧光光谱仪测定。

除水样外，本次研究还采集了藏布曲的河床沉积物样品10件，并开展了河床沉积物对砷的等温吸附实验。

实验步骤如下：用分析纯As2O3配制浓度分别为0.5、1.0、2.0、4.0、6.0 mg/L的含砷溶液。

对于每个河床沉积物样品，称取5份干燥后的子样品，重量均为2 g。

将沉积物子样品与30 ml的不同浓度含砷溶液混合，在25 ℃恒温水浴中振荡12小时，达到平衡后，取出混合液进行过滤，对于过滤后达不到分析要求的样品进行离心（离心速率为10,000 rpm）。

用原子荧光光谱仪分析过滤后滤液或离心后上清液中的砷浓度，并据此计算相应的沉积物吸附砷含量。

图2 地热废水（A）、藏布曲河水（B）、羊八井河水（C）、藏布曲南岸溪水（D）中砷含量的Box-whisker图。

图中的●代表异常值。

Fig. 2 Box and whisker plot of the As concentrationin water samples of type A, B, C, and D. Type A:Geothermal wastewater; Type B: Zangbo Riverwater; Type C: Yangbajing River water; Type D:Stream water. ●represents outlier values.4. 藏布曲（河）河水中砷含量沿流向的变化趋势及其影响因素为分析羊八井地热电厂废水排放对区内地表水环境质量的影响，我们绘制了地热废水、藏布曲河水、羊八井河水、藏布曲南岸溪水中砷含量的Box-whisker 图（图2）。

图2指示地热废水的砷含量（最高达3.18 mg/L ）远大于研究区内各类地表水体的砷含量。

与羊八井河水相比，藏布曲（河）河水具有明显偏高的砷含量，这显然是地热废水在藏布曲（河）中直接排放的结果。

有趣的是，藏布曲南岸小溪（M7）的砷含量高达1.05 mg/L ，我们推测可能是因为溪水受到了热田高砷地热水的补给（是否如此有待于进一步调查分析）。

为精细分析地热废水排放对藏布曲（河）河水砷含量的影响，我们还绘制了河水砷含量沿其流向的变化趋势图（图3）。

图3显示，藏布曲河水的砷含量背景值较低，表现为一电厂排污口上游河水的砷含量平均值（由S1和S2的砷含量计算）仅为0.016 mg/L 。

此外，藏布曲河水砷含量的变化趋势与地热电厂排污口的位置有明显的对应关系。

例如，河水砷含量在S3处达到了峰值，而该水样的采样位置恰好位于地热一电厂的排污口的正下方。

与地热一电厂的排污方式不同，二电厂的废水先排入两条小溪（图1），而后汇入了藏布曲，造成从水样S5-S16-S15，河水砷含量逐渐升高。

藏布曲（河）南岸小溪的汇入则进一步提高了河水的砷含量。

由于羊八井河水中的砷含量很低，该河的汇入则降低了藏布曲河水的砷含量。

在图3中，我们同时也发现了从水样S3到S4，河水砷含量有急剧的下降，而该河段中并无其他水体的汇入。

这反映了河流对河水中的砷污染物有天然净化作用。

事实上，从地热废水排入藏布曲（河）起，其中的砷就受到了河水的稀释作用。

同时，在河水的流动过程中，其中的砷也受到了河床沉积物的吸附作用，致使在没有其他水体汇入的情况下，河水砷含量沿流向呈下降趋势。

我们将在下文详细讨论河水的稀释作用和河床沉积物的吸附作用对河流中砷污染物的净化效应。

0.00.10.20.3S1S2S3S4S5S16S15S14S13S11S12样品编号A s (m g /L )图3 藏布曲河水砷含量沿流向的变化趋势Fig. 3 Variation of As concentration of Zangbo River waters along the flow direction5. 藏布曲（河）对地热废水中砷的净化作用5.1 河水对地热废水的混合稀释作用如前所述，羊八井地热电厂排放的含砷地热废水对藏布曲（河）河水的砷含量变化有直接影响，同时，河流对排入其中的含砷废水也具有净化作用。

河水的混合稀释作用主要由河水的分子扩散作用、紊流扩散作用、弥散作用组成。

污染物进入河道后，河流中将出现三种不同的混合区域，即竖向混合区、横向混合区和纵向混合区。

从排污口到污染物在河流纵深方向混合均匀的位置，为竖向混合区，该混合区的长度与平均河水深度成正比。

一般而言，河流的水深与河宽、河长相比较小（如藏布曲），所以竖向混合区的长度相对较短。

从污染物在纵深方向混合均匀的位置到在河宽方向混合均匀的位置，为横向混合区。

横向混合区之前的河段称为纵向混合区，此区域内沿河水流向各断面之间的污染物平均浓度差要比断面上各点的河水浓度差大得多，因此，在纵向混合区只需考虑沿河水流向的污染物浓度变化，即在此区域河水中污染物的浓度变化属于一维问题。

当然，应该指出，纵向混合作用事实上在竖向混合区和横向混合区就已经开始。

在本次研究中，由于沿藏布曲（河）流向共有3个地热电厂的排污口（渠），同时河水砷含量还受到藏布曲南岸小溪的影响，因此，定量分析河水的扩散作用和弥散作用对地热废水来源砷的影响，并在河道中精细划分竖向混合区、横向混合区和纵向混合区相当困难。

这样，我们在此不考虑河水的弥散作用，仅把藏布曲视为一个连续快速搅拌反应水槽，采用槽列模型来计算在地热废水排放和其他水体汇入影响下的河水砷浓度。

在不同的季节，藏布曲流量变化较大，据文献[7]，其流量在1.72-30.98 m 3/s 之间。

本次研究的河水样品采集工作开展于2007年8月，恰为雨季，且降水量非常大，河水流量也远远大于旱季，因此我们取以上流量变化范围的上限值30.98 m 3/s 为藏布曲流量，河水中砷含量的背景值则选用电厂排污口上游水样S1和S2的平均值0.016 mg/L 。

地热电厂废水和藏布曲南岸小溪为藏布曲的污染源。

虽然沿河水流向有3个电厂废水排污口，其代表性水样分别为W1（一电厂排污口）和W2、W3（二电厂排污渠），但我们仅有电厂排污总量方面的数据，所以我们在槽列模型中仅考虑电厂废水总量和废水平均砷浓度，其中电厂废水总量为2000 万m 3/y [6]，折合为0.634 m 3/s ，废水平均砷浓度取一电厂和二电厂地热废水的平均值2.93 mg/L （一电厂和二电厂地热废水的代表性水样为W1和W4，其砷含量相差不大）。