岩溶地下河水文地球化学对降雨的响应：以重庆雪玉洞地下河系统为例

通过对降雨条件下重庆雪玉洞地下河水文地球化学指标的监测,发现各种指标对降雨响应迅速,且存在相关性.采用主成分分析对各指标数据进行处理,提取能代表82.761%信息量的3个主成分,来分析降雨条件下岩溶地下河水文地球化学的特征及其成因.结果表明,以全Fe、全Mn、Al3+等浓度升高为代表的土壤淋失和以K+、Na+、Sr2+浓度降低、EC下降为代表的稀释效应,对水文地球化学特征变化的贡献率为41.718%,降雨加剧了岩溶区土壤的侵蚀,同时危及饮用水的安全,应引起相关部门的足够重视;岩溶水对白云岩的溶解和补给区农业活动、洞穴生物对水文地球化学特征变化的贡献率为29.958%;以Ca2+浓度升高为代表的岩溶水对灰岩的溶蚀作用对水文地球化学特征的贡献率为11.084%.     

降雨期间岩溶城镇区地下河水重金属变化特征及来源解析

2014年6月降雨期间对重庆城镇区南山老龙洞流域地下河出口处的流量及Mn、Pb、Cu、As等重金属质量浓度进行观测,研究了流量的变化特征及岩溶水文系统内部结构,探讨了4种重金属对降雨的响应,用主成分分析法和实际测试值来解译降雨期间地下河水的重金属来源.结果表明,地下河流量、Mn、Pb、Cu和As对降雨响应迅速,推断研究区属于一个管道与裂隙组合的岩溶水文系统;非渗透地表产流迅速,其携带的地表污染物质Mn、Pb、Cu通过落水洞、竖井及岩溶天窗进入地下河,使这些污染物质在最大降雨量峰值的6 h后达到最大质量浓度峰值,较流量最大峰值提前到来;城市地表径流、水土流失是老龙洞地下河Mn、Pb、Cu、As的主要来源,洞穴滴水和雨水也会输入一定量的Mn、Pb和As;岩溶区的城镇建设要进行合理规划,完善相关基础设施,做到从源头上防止地下水遭受污染.     

降雨条件下岩溶地下水微量元素变化特征及其环境意义

对降雨期间青木关岩溶地下河水的化学特征进行连续监测,获取了Ba、Sr、Fe、Mn、Al这5种微量元素及其他常量元素质量浓度的高分辨率数据.运用相关性分析和浓度变化曲线分析微量元素来源及其迁移路径,并结合流域地质背景探讨地下河微量元素变化特征的形成过程.研究发现,Ba和Sr元素为碳酸盐岩溶解的产物,储存于岩石裂隙、孔隙等介质中,经扩散作用进入地下河,质量浓度变化较小;而Fe、Mn、Al均来源于土壤,其中Fe、Al元素主要通过落水洞直接进入地下河,而Mn则通过土壤-岩石多孔介质补给地下河,三者浓度变化很大,对降雨响应强烈.结果表明,5种微量元素质量浓度均低于1 mg·L-1,Fe、Mn、Al元素最高质量浓度均超过饮用水限值.地下河Al、Fe元素质量浓度变化在一定程度上指示着水土流失和水质变化状况,因此有必要加强落水洞附近的环境保护和治理,从源头控制污染源.     

降雨条件下典型岩溶流域地下水中的物质运移

通过对2008年4月下旬降雨期间,重庆青木关地下河系统出口姜家泉泉水的水文过程、浊度、悬浮颗粒物、主要阳离子和TOC浓度的监测,结合悬浮颗粒物的扫描电镜和能谱分析图,来研究岩溶流域地下水中悬浮颗粒物浓度、浊度、主要阳离子和TOC等物质的运移特征.结果表明,在单一岩溶管道较发育的地下河出口,泉水流量、浊度、悬浮颗粒物浓度、主要阳离子和TOC浓度对降雨事件响应迅速;与碳酸盐岩溶解有关的Ca2+、Mg2+和Sr2+等在流量上升的过程中表现为稀释效应;降雨期间,地下河中受雨水侵蚀的土壤输入量增大,引起泉水中浊度和悬浮颗粒物浓度的增大;泉水中Al3+、Fe、Mn、Ba2+和TOC等物质是悬浮颗粒物的伴生物,其浓度随浊度的增大而增大;在研究的2场降雨期间,地下水携带悬浮颗粒物(0.45μm)的总量约为9.7t;在泉水流量的上升和衰减的过程中,水质较差或极差;降雨期间流域内土壤侵蚀和养分的流失,不但严重破坏了脆弱的岩溶生态环境,而且极易造成地下水由土壤侵蚀引起的非点源污染,对当地居民的饮水安全造成严重的威胁.     

重庆南山表层岩溶泉与地下河三氮运移及氮通量估算

岩溶区特殊的地质构造使地下水系统存在多重水流.为研究三氮在表层岩溶带水流和地下河水流中的特征和运移方式,选取城市化进程中的重庆南山老龙洞地下河流域表层岩溶泉和地下河按月采样,分析水化学特征,结合SPSS的相关性分析,认为两种水流三氮特征差异很大.表层岩溶泉三氮质量浓度月变化小,受降水、污水影响较小,NO_3~--NNH_4~+-N;地下河水三氮质量浓度月变化大,受降水、污水影响较大,旱季NH_4~+-NNO_3~--N,雨季NO_3~--NNH_4~+-N.表层岩溶泉DIN主要来源于与农业活动有关的非点源污染,在土壤、表层岩溶带中经氨化、吸附、硝化作用等过程以扩散流形式运移至出露地表.地下河DIN随管道流、扩散流运移,并以管道流为主.DIN全年有点源的工业、生活污染物经落水洞、裂隙、溶隙进入.雨季同时存在占更大比例的非点源污染物,或由降雨产生的表面坡流、壤中流、表层岩溶带水流经落水洞进入,或经深裂隙、溶隙下渗进入,硝化作用明显.流域DIN输出通量为56.05 kg·(hm~2·a)~(-1),其中NH_4~+-N、NO_3~--N分别占46.03%、52.51%;根据径流分割法估算出点源污染、非点源污染的贡献率分别为25.08%、74.92%.     

岩溶盆地中农业和村镇引起的地下水化学演变

在西南地区有众多大小不等的岩溶盆地,相比于岩溶石山地区,盆地是水、土资源丰富和人类聚集、经济发展较快的地区。岩溶盆地的水资源自成系统,水循环从降雨开始,经过表层岩溶带、河网、包气带、饱水带的调蓄,然后进入到地下河管道,最终通过地下河排泄。在农田面源污染和村镇生活排污的作用下,水循环的各个环节受到不同程度的影响,具体表现在:(1)受人类活动影响的表层岩溶泉K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-和NO3-八种离子的浓度有所升高,并且表层岩溶泉之间K+、Na+和Cl-浓度的离散程度增大;(2)易受影响的或脆弱性高的浅层地下水(包含表层岩溶泉)、地表水和地下河中的K+、Na+和Cl-离子浓度较高且接近,与脆弱性低的饱水带岩溶泉的差别较大,浅层地下水和河流的SO42-浓度较高且接近,而与饱水带岩溶泉和地下河的差别较大;(3)易受污染的浅层地下水的NO3-浓度最高。因此可以认为农田和生活排污首先影响到的是浅层地下水和地表水,然后伴随水循环向深部地下河转移,而饱水带岩溶泉脆弱性低,水化学变化不明显。研究还发现村镇生活排污对表层岩溶泉水质的影响比农田面源污染更显著。     

碧水岩地下河中微量金属元素对降雨的响应特征及来源分析

在降雨条件下,利用自动采样器对广西碧水岩地下河出口进行高频采样,分析了碧水岩地下河出口水体中Cu、Pb、Zn、Cd等微量金属元素的水化学动态变化特征,探讨了地下河水中微量金属来源及其对降雨的响应机制.结果表明,地下河水化学组分表现出了较明显的规律,其中主要元素Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO-3等在降雨过程中稀释作用明显,而Al、Mn、TFe、Cu、Pb、Zn、Cd等金属元素对降雨响应敏感,其质量浓度在降雨过程中有所升高,相应质量浓度曲线均表现出多峰值特点,且在最大降雨发生后第9 h达到最大峰值.推断水岩作用、河底沉积物再释放和水土流失是导致河水金属元素浓度增高的原因,金属元素不同来源及地下河双入口的结构特征是形成金属元素质量浓度曲线多峰值的原因,其中水岩作用引起的水化学变化较河底沉积物再释放和水土流失更敏感,而后者是导致河水重金属元素增加的主要原因.监测期间,溶质在地下河中的平均迁移速度约为0.47 km·h~(-1),污染物运移速度较快,因此,通过对岩溶地下河水化学动态的监测,掌握微量金属组分来源及迁移特性,对于地下河水环境污染治理具有重要意义.     

高分辨率监测岩溶地下水NO-3的动态变化及对外界环境的响应

为深入揭示岩溶地下水文系统对外界环境的响应,利用多指标高分辨率在线监测技术对受农业活动影响的重庆青木关地下河水文地球化学变化进行研究.主要的高分辨率监测指标包括水位、电导率(EC)、pH值、降雨和NO 3-.在观测的6场降雨内,地下河水化学特征快速地反映着外界环境的变化.研究区地下水pH值的变化主要受到酸雨的影响,在降雨后都表现出明显的下降趋势,但在农业废水进入地下河系统后,它的变化受到两者的共同影响.EC受到雨水化学、稀释效应及农业活动废水的影响.NO 3-主要是农业活动的产物,受雨水水化学特征的影响较小,它的变化主要受农业废水及稀释效应的影响.在R1降雨影响下,水位上升,EC和NO 3-总体呈相反的快速变化过程而pH值的变化主要受酸雨影响而下降.在R2、R3、R4和R6降雨期,水位受降雨影响而快速的变化,pH值受酸雨影响而下降,EC和NO 3-受稀释效应影响也下降.但随着农业活动废水进入地下河系统,EC和NO 3-浓度在最快5 h最慢仅27 h的时段内同步地急剧升高,pH值也受影响而加速下降.在R5大暴雨期,水位急剧上升,EC和NO 3-受稀释效应影响而急剧下降,pH值先受到酸雨影响而下降,后由于稀释效应...     

降雨条件下岩溶碳汇的动态变化特征——以桂林毛村地下河为例

2010年6月13日至6月17日期间,对桂林毛村岩溶地下河出口HCO3-与流量对降雨的响应进行了高分辨率的监测,实时监测降雨量和地下河出口河水水位、水温、pH值、电导率、重碳酸根,结合计算地下河水方解石饱和指数(SIc)与二氧化碳分压(pCO2)的基础上,分析了降雨条件下岩溶碳汇的动态变化特征.相关数据表明,(1)岩溶...     

重庆雪玉洞岩溶地下河地球化学敏感性研究

引用地球化学敏感指数与敏感等值线的概念,对重庆雪玉洞地下河2010年9月～2011年8月的水化学数据进行分析,发现地下河水的化学成分受上覆基岩的控制,表现出高Ca2+、低Mg2+的特征,但受季风降雨的影响,水化学在旱、雨季存在较大差异:雨季各监测点[Mg2+]/[Ca2+](摩尔比)为0.018～0.051,旱季[Mg2+]/[Ca2+]为0.038～0.064,雨季要小于旱季;[HCO3-]/[SO42-](摩尔比)雨季为4.86～36.62,旱季为6.23～46.67,表现出高HCO3-低SO24-的特点.岩溶作用的季节性变化使得HCO3-、Ca2+成为最敏感的阴阳离子.由于岩溶区特殊的水文地质结构,雨水、地表水、地下水转化迅速,致使地下河对农业活动较为敏感,其中以Cl-、NO3-最为突出,敏感指数分别为0.286、0.022,在保护岩溶水资源时应引起重视.旅游活动对地下河的影响较小,主要与景区良好的管理有关,应提倡相关景区向其学习管理经验.做好地下河补给区的岩溶生态系统的管理工作,可发挥岩溶区地下河最大的经济与环境效益.     

岩溶地下河污染物运移模型对比研究

两区模型（TRM）和暂时存储模型（TSM）为两种常用的岩溶地下河（管道）污染物运移模型,为了更好表征岩溶地下河污染物运移过程,开展模型对比研究.采用两种模型拟合室内管道示踪实验穿透曲线,从概念模型框架、模型优缺点、参数校正过程和物理意义、参数敏感性等方面对比分析两种模型的异同.结果表明,OTIS软件提供TSM的数值解,而CXTFIT软件提供TRM的解析解,但两者均能通过下游不同位置的穿透曲线分段表征地下河不同阶段的污染物运移过程.两种模型的物理意义相近,均可近似描述岩溶地下河中溶质的暂时性存储现象,较好地拟合溶质运移曲线.采用TSM可校正得到暂时存储区的横截面积,但采用TRM只能获得非流动区所占的比例.两种模型中弥散系数和传质/交换系数的敏感度较低,并且弥散系数的变化对穿透曲线拖尾无显著影响.研究结果为岩溶地下河污染物运移模型的选取与应用提供了依据.     

Denitrification: its importance in a river draining an intensively cropped watershed

Nitrogen transport was studied during summer low flows in a 20-km reach of the Nottawasaga River which drains an intensively cropped sand plain which has an underlying shallow water-table aquifer. Nitrogen inputs to the river were measured on days in May to October of 1977-81. These data indicated that about 38% of the daily nitrate input entered the river through ground water. The magnitude of this input is a consequence of widespread contamination of the shallow aquifer by nitrogen fertilizer. Ground water entering the river from springs and seeps near fertilized fields frequently contained more than 10 mg 1^?1 of NO₃-N. Mass balance studies of nitrogen transport in the river revealed an average daily nitraof 46 ± 23 kg N. This rate of nitrate removal represented about 40% of the ground water input to the river from the sand plain. Analysis of a mass balance for total Kjeldahl nitrogen revealed an essentially balanced budget, whereas chloride showed a small daily gain of about 5%. Laboratory experiments involving the incubation of stream sediment cores and the use of the acetylene block technique suggested that the bulk of the nitrate loss during river transport was caused by denitrification in bottom sediments.     

复杂岩溶矿床延深水平涌水量的预测

随着岩溶矿床的延深开采,矿坑涌水量的计算成为防治水害首先要解决的难题。文章创造性地采用国外广泛采用的岩溶水衰减动态分析法,选择了我国南方复杂岩溶含水层中有代表性的重庆市红岩煤矿,将丛林采区茅口组岩溶水动力单元和该单元南大巷(标高+370 m)的茅口灰岩岩溶含水层的主要排水点-1号突水点作为研究对象,建立了该单元岩溶含水层的计算模型-衰减动态(流量和水位)方程,求出了岩溶水动力单元水均衡、地下水储量计算和矿坑涌水量预测的水文地质参数:a、T、K、S、μ、Ie,建立了该单元岩溶裂隙-管道水的水均衡方程, 根据连续观察一个水文年以上的丰富地下水动态资料,预测了红岩煤矿370 m标高以下的延伸开采水平(295- 370 m)矿坑涌水量。     

城镇化进程中珠江三角洲高锰地下水赋存特征及成因

地下水中高浓度的锰对人体健康存在危害,快速城镇化地区锰来源复杂.基于不同历史时期的2500余组水化学数据,运用数理统计和主成分分析等技术方法,研究了珠江三角洲地区不同含水层和不同城镇化水平地区地下水中锰的空间分布特征、来源及其成因.结果表明,孔隙含水层地下水中锰含量明显高于裂隙和岩溶含水层.孔隙高锰地下水比例是裂隙和岩溶含水层的2倍.高锰地下水在城镇化和城郊地区比例明显高于非城镇化地区.在区域尺度上,还原条件下沉积地层中有机质的分解和铁锰（氧）氢氧化物的还原溶解可能是控制孔隙含水层锰浓度升高的主要因素.裂隙含水层中高锰地下水可能受城镇化伴随的低氧生活污水渗漏和工业化伴随的工业废水入渗影响.地下水pH值和氧化还原条件是控制研究区地下水中锰浓度的重要因素.孔隙高锰地下水受控于还原条件,而裂隙和岩溶高锰地下水弱酸性环境是其重要影响因素.近10年来,研究区地下水环境稳中向好,地下水氧化还原电位和pH不同程度地升高不利于高锰地下水的形成,这也是城镇化进程中不同类型含水层地下水中Mn²⁺浓度总体降低的主要成因.     

溶质迁移模型在地下水有机污染源识别中的应用

采用现场调查与数值模拟的方法,借助RT3D(reactive transport in 3-dimensions),对我国北方某城市局部地区地下水中的四氯乙烯(PCE)和三氯乙烯(TCE)污染来源进行了识别,对污染输入强度进行了反演,并利用Matlab中的Stepwise函数,对影响污染物输入强度的因素进行了多元回归分析.研究结果显示,研究区地下水中的PCE和TCE主要来源于区内使用有机溶剂的工厂和企业.地下水中的PCE和TCE存在天然衰减,在173天中,3个点的PCE浓度分别衰减了93.15%、61.70%和61.00%;TCE分别为70.05%、73.66%和63.66%.通过模拟识别出的4个点状污染源在模拟期间共向含水层中输入0.910 6kg PCE和95.693 8 kg TCE.回归分析结果显示,大气降水与包气带厚度是有机物输入地下水的主要影响因素.35 cm深的包气带中PCE和TCE浓度介于0～5 mg.kg-1之间.以上结果表明,区内地下水中PCE和TCE来源于地表释放的有机污染物.有机污染物一部分在向下迁移过程中自然衰减了,一部分进入包气带,然后又进入了含水层.由于本区第四系以砂卵砾石为主,所以大气降水促进了PCE和TCE向含水层的迁移.     

百朗地下河沉积柱芯有机氯农药的高分辨记录

测定了广西百朗地下河大石围天坑河段沉积柱芯中有机氯农药(OCPs)的质量分数,探讨了有机氯农药的垂直分布特征,结合210Pb定年研究了百朗地下河流域有机氯农药的污染历史。研究结果表明,沉积柱中总有机氯农药含量为0.42~10.63 ng/g,平均值为2.74 ng/g。百朗河流域历史上主要使用的有机氯农药有六氯苯、六六六(HCHs)、滴滴涕(DDTs)、狄氏剂和艾氏剂5种表层沉积物分析显示近年地下河流域仍有新的γ-HCH(林丹)和DDTs输入。有机氯农药的垂直分布表征百朗地下河流域在1955-1960年间六氯苯被最先使用,1961年替换为六六六,同时使用的有狄氏剂、艾氏剂农药,而滴滴涕使用可能稍晚,与我国有机氯农药的生产使用历史基本一致。研究提出了大石围天坑河段沉积柱芯中有机氯农药污的染峰值滞后于使用高峰期,与喀斯特山区土地利用方式和土壤颗粒在地下河中的迁移有关。     

于桥水库流域暴雨径流中锰的输送特征及其对水库水质的影响

对于桥水库流域内暴雨径流中锰含量形态的研究表明,锰主要以悬浮状态存在,其中易释放的、潜在释放的和非释放形态的锰所占比例分别为10％、60％和30％.以溶解态迁移的锰极少.流域内的锰矿-含锰页岩带提高了暴雨径流中总锰的浓度,对于桥水库水质造成了一定的影响.     

利用氮氧同位素解析赤水河流域水体硝酸盐来源及其时空变化特征

赤水河流域作为长江上游重要的水源涵养区,其生态环境状况及水环境质量备受关注。为了了解流域河水氮素来源,本次研究利用硝酸盐稳定同位素(~(15)N、~(18)O)示踪技术并结合流域土地利用类型空间分布分析了赤水河流域丰水期与枯水期干流及主要支流河水硝酸盐来源与转化过程。结果表明,流域水体NO_3~-浓度具有明显的时空变化,其中丰水期NO_3~-浓度要高于枯水期,喀斯特区域的NO_3~-浓度要高于非喀斯特区域。流域干、支流水体δ~(15)N-NO_3~-、δ~(18)O-NO_3~-季节性差异明显,丰水期支流δ~(15)N-NO_3~-差异较大,干流差异较小,而枯水期支流δ~(15)N-NO_3~-差异较小,干流差异较大。结合氮氧同位素和土地利用信息发现,丰水期支流NO_3~-受其土地利用方式的影响,其来源具有多样性;干流NO_3~-浓度则主要受支流混合作用影响。枯水期干流NO_3~-受流域人为活动影响较为显著,点源输入造成水体氮同位素分布范围较宽,主要来源表现为生活污水和土壤有机氮;而支流NO_3~-多表现为土壤有机氮来源,部分支流受流域内城镇影响,生活污水对河流NO_3~-贡献较大。流域水体氮污染控制应以农业面源氮流失为主,同时严格控制点源污染的输入。