西南典型岩溶地下河系统水文地球化学特征对比:以重庆市青木关、老龙洞为例

为探究不同土地利用类型和人类活动方式下西南典型岩溶地下河的水文地球化学特征,以地质背景相似的重庆青木关和老龙洞地下河为例,从月动态、单场降雨动态两个尺度,利用独立样本t检验、主成分分析(PCA)等方法对两岩溶地下河出口姜家泉、老龙洞的水文地球化学特征及其影响因素进行对比研究.结果表明,姜家泉与老龙洞的Ca~(2+)、HCO_3~-、Mg~(2+)、K~+、NO_3~-、Na~+、SO_4~(2-)、Cl~-、电导率等差异显著,姜家泉K+、NO-3的月动态变化幅度和浓度均值大于老龙洞,Na~+、SO_4~(2-)、Cl~-的月动态变化幅度和浓度均值则小于老龙洞.由PCA分析可知,水-岩作用对两岩溶地下河水的水化学特征及变化都起重要作用,但青木关主要受农业活动影响,老龙洞则主要受城镇活动、工业活动影响.由于人类活动影响方式和程度的差异,两岩溶地下河对单场降雨的响应也不同,姜家泉各指标变化与流量变化高度一致,老龙洞各指标的变化相对无序.青木关水化学特征的动态变化受水土流失、农业活动影响较大,水-岩作用次之.老龙洞则主要受到水-岩作用的影响,受城镇活动、工业活动、水土流失作用的影响也较明显.     

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%.     

川东平行岭谷区典型岩溶含水系统中NO3-的存储和运移

为了研究NO3-在岩溶含水系统中的存储和运移规律,对降雨条件下重庆川东平行岭谷区青木关地下河系统的水化学动态进行在线监测和高密度采样测试,结合NO3-的月动态变化,并利用主成分分析方法.结果表明,降雨期间地下河中的NO3-与全Fe、全Mn、Al3+是两组不同来源的元素,在含水系统中表现出不同的地球化学行为.NO3-从地表输入后随土壤水下渗存储于岩溶非饱和带的裂隙、孔隙和溶隙等含水介质中,而全Fe、全Mn、Al3+则是地表受雨水侵蚀的土壤随地表径流通过落水洞、竖井等通道,以集中流的形式灌入地下河造成的.进而将NO3-在岩溶含水系统中的运移过程分为输入存储、快速输出和再输入存储这3个理想的阶段.在外部条件大致相同的情况下,非饱和带的岩溶发育程度是影响降雨期间地下河中NO3-浓度变化的关键因素.降雨条件下存储于非饱和带的NO3-很容易被释放出来,破坏地下水生态环境,严重威胁着当地群众的健康安全.需要加强岩溶生态系统管理工作,改善土地利用方式,科学施肥,有效控制地下水营养成分的地表输入.     

岩溶地下河流域水循环方式的降水效应

岩溶水中锶元素来源于碳酸盐岩地层的溶解,其浓度受地层岩性及地下水径流条件的控制.通过对贵州荔波板寨地下河流域微量元素锶的水文地球化学特征分析,发现在纯碳酸盐岩流域范围内,岩溶水中锶浓度只受控于地下水径流条件,因而Ca/Sr值能良好的示踪岩溶区地下水循环.在本文中,以Ca/Sr值为判别依据,将板寨地下河流域7个水样点划分...     

岩溶槽谷石漠化治理区表层泉水化学特征研究:以重庆酉阳泔溪花椒基地老泉为例

背斜型岩溶槽谷区石漠化治理的关键之一是要厘清地下水资源动态变化特征,尤其要开展在线高分辨率连续动态监测。本文以重庆酉阳龙潭岩溶槽谷石漠化治理区老泉监测站为例,采用PONSEL多参数自动记录仪现场测定和样品室内分析相结合的方法,研究老泉2017年完整水文年的季节和强降雨期间的水化学动态特征,利用主成分分析法探究季节尺度和强降雨期间老泉水化学组分的主要来源。结果表明：（1）在季节尺度上,受雨水稀释作用的影响,雨季泉水pH、电导率、Ca²⁺、HCO₃^-、Mg²⁺低于旱季;土壤受淋溶作用的影响,泉水K⁺、Na⁺、全Mn、Al³⁺、全Fe浓度雨季高于旱季;水化学变化主要受4个主成分影响,累计贡献率为85.53%,但主导要素是水岩作用及土壤元素流失;（2）强降雨期间,石漠化背景下泉水水化学指标对降雨响应迅速,但在植被不同生长状态下各指标差异明显;典型的两次强降雨过程中水化学变化都主要受4个主成分影响,累计贡献率分别为85.63%和85.40%,但主导要素是农业活动和土壤元素流失;（3）花椒树种植后泉水中NO₃^-、SO₄^2-质量浓度较高,且硫酸和硝酸参与岩溶作用过程并对老泉水质造成重要影响。因此,背斜型岩溶槽谷表层泉水化学特征的监测研究,对于槽谷石漠化治理区水资源高效利用具有重要现实意义。     

岩溶流域地下水TOC输出及影响因素分析:以重庆丰都雪玉洞地下河流域为例

2014年8月至2015年9月通过野外在线监测获取岩溶流域连续、高精度的气象、地下水TOC和水文地球化学等数据,利用主成分回归模型探讨流域地下水TOC在不同时间尺度上的输出及影响因素.结果表明在季节时间尺度上,气温和地下水电导率(Sp C)夏季高,冬季低,p H则相反;TOC和浊度冬、夏季高,春、秋季低;地下水TOC和水文地球化学指标对降雨表现出明显的响应过程,但地下水TOC对不同降雨强度的响应时间和过程有明显差异,整体来说,TOC在降雨过程中表现出上升的趋势,而暴雨过后受稀释效应影响呈现下降趋势.主成分回归分析发现降雨、流量和浊度对TOC有正向促进作用,而气温和p H对TOC有负向的影响.     

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.     

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.     

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.     

桂林市峰林平原区岩溶水文地球化学特征

峰林平原区往往作为岩溶地下水系统的主要径流、排泄地段且人类活动密集,其水文地球化学特征具有一定的独特性.对典型峰林平原区岩溶水文地球化学特征进行合理分析,不仅能够反应峰林平原区在丰水期的补给模式,而且也能够反应出人类活动对岩溶盆地中水化学组分的影响.通过对桂林市典型峰林平原区的补给区、内排泄区、补给径流区、排泄区岩溶地下水主要出露点和漓江上下游在丰水期与枯水期的野外取样、现场测试,对各化学指标进行空间和时间上的对比分析,结果表明:桂林市峰林平原区水文地球化学性质在丰水期与枯水期均呈现出明显的空间分布规律,且含水层介质岩性对地下水主要离子组分具有强烈的控制作用;丰水期的岩溶水文地球化学信息反应了在峰林平原区内排泄与补给径流区的补给模式以快速流为主,第四系土壤孔隙水垂向补给次之;桂林市峰林平原区人类活动对岩溶水化学性质具有一定的影响,主要为生活污染与农业污染,其重点防护区为内排泄区与补给径流区.     

重庆老龙洞地下河流域氮、磷及微生物污染调查研究

随着城镇化不断发展,我国地下水普遍遭受了不同程度的污染,尤其是西南岩溶区地下水是当地重要的水源,一旦遭受污染将很难恢复.本研究选取NO-3、PO34、NH+4和总细菌(total coliform)、大肠杆菌(total E.coli)、粪大肠杆菌(fecal coliform)作为指标,对重庆南山老龙洞流域进行多年来的调查研究.结果表明,老龙洞流域地下水NO-3、NH+4、PO3-4含量均超过天然水规定值,尤其以NH+4、PO3-4污染较为严重.桂花湾泉NO-3含量为19.78~68.55 mg·L-1,有的月份超过了世界卫生组织规定的标准50 mg·L-1.老龙洞出口NH+4、PO3-4含量分别为2.71~12.92 mg·L-1、0.16~11.22 mg·L-1,是污染最重的地下水.老龙洞地下河NO-3含量低于岩溶表层泉,而NH+4、PO3-4含量则高于表层岩溶泉.城镇化的发展、农田减少以及洞内还原环境是导致老龙洞地下河NO-3含量从2008~2013年降低的原因,而高PO3-4含量污水不断输入地下河使得老龙洞地下河PO3-4含量呈增加趋势.微生物污染极为严重,甚至远超过中国地下水和饮用水规定的Ⅴ类标准,以粪大肠菌为例,地下水中其含量波动范围为3.4×104~3.68×104CFU·mL-1.岩溶区由于特殊的水文地质结构,岩溶洼地、天窗、落水洞导致岩溶地下水极易遭受到污染.农业活动、城镇、企业和居民点生产生活排污,是地下水氮、磷和微生物污染的主要来源.     

黔西拖长江流域水化学演化特征及驱动因素

拖长江为黔西典型的矿业型岩溶山地小流域,研究其水化学演化特征及驱动因素,对当地经济社会发展和水资源科学管理均具有重要的意义.通过采集拖长江流域河水、泉水和矿井水样品,利用水化学图解、数理统计和绝对因子分析-多元线性回归受体模型(APCS-MLR),研究了拖长江流域河水溶质来源及其对河水水化学组分的贡献.拖长江流域河水pH值为7.30～8.31,TDS值为40～520 mg·L^-1,TDS主要由Ca²⁺、 Na⁺、 HCO^-₃和SO₄^2-贡献.河水优势阳离子为Ca²⁺和Na⁺,优势阴离子为HCO^-₃和SO₄^2-,水化学类型从HCO₃-Ca过渡为HCO₃-Ca·Na和HCO₃·SO₄-Ca·Na型;矿井水主要为HCO     

典型岩溶区地下河中溶解态脂类生物标志物来源解析及其变化特征

利用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)测定了青木关地下河中溶解态类脂物的含量.研究了其在地下河中的来源、组成及迁移特征.结果表明,7~11月,各溶解态类脂物的平均含量随着青木关地下河运移距离的增加呈降低趋势,其中以溶解态饱和直链脂肪酸的下降最为显著,即由最初的5 704 ng·L~(-1)下降到1 043 ng·L~(-1),减少了约81.71%.正构烷烃能够较为详尽地指征地下河中溶解性有机质来源,而饱和直链脂肪酸、脂肪醇则对藻类和细菌等微生物有较好的指示意义.随着地下河运移距离增加,有机质输入类型呈现多样化,可能与岩溶地表不均一性有关.正构烷烃三端元图解中,水生植物的输入为地下河中溶解性有机质的主要来源,其次分别为陆地高等植物和藻类、细菌等微生物,但随着地下河运移距离的增加水生植物的相对贡献量逐渐减少.青木关地下河中正构烷烃TAR值对降雨有一定的指示意义,而饱和直链脂肪酸CPI、L/H值则指示细菌降解活动.     

岩溶地下河沉积物对氨氮的等温吸附特征

岩溶含水层是西南地区最重要的含水层之一.含水层的管道系统蕴藏着丰富的沉积物,这些沉积物可能成为污染物运移和转化的载体.以广西柳州市2个典型地下河系统为例,通过室内模拟的方法,研究地下河沉积物对氨氮的吸附特征.沉积物对氨氮的吸附平衡时间都小于2 h,最短的时间不足1 h,沉积物5 h平衡吸附量达到了最大吸附量的71%～9...     

岩溶地下河水中多环芳烃、脂肪酸分布特征及来源分析

为探究重庆青木关岩溶地下河水中多环芳烃(PAHs)和脂肪酸的含量组成、分布特征、来源及污染水平,2013年雨季和旱季分别于地下河中进行水样采集,并利用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对水样中PAHs和脂肪酸的组分进行定量分析.结果表明,青木关地下河水中PAHs和脂肪酸的含量范围分别为77.3~702 ng·L~(-1)和3 302~45 254 ng·L~(-1).组成上,PAHs以2~3环为主,其比例高于90%,脂肪酸碳数范围为C10~C28,以饱和直链脂肪酸为主,其次为单不饱和脂肪酸.分布特征上,雨季:地下河水中各采样点PAHs的含量差异较小,脂肪酸的含量在入口、出露处和出口呈现依次降低的趋势,其中出露处和出口脂肪酸的含量较为接近;旱季:地下河水中PAHs含量在入口、出露处和出口呈现先降后升的趋势,脂肪酸含量在各采样点较为接近.总体上,地下河水中PAHs和脂肪酸的含量都表现为雨季显著高于旱季.来源分析表明,青木关地下河水中PAHs主要来源于该河流域煤和木材、农作物秸秆等生物质的燃烧;脂肪酸主要来自该河流域内硅藻、绿藻等水生藻类和细菌,其中以水生藻类的贡献占主导.地下河水受到PAHs中轻度污染,相对于旱季,雨季污染更严重.     

基于δ15N和δ18O的农业区地下河硝酸盐污染来源

为研究岩溶区农业活动为主导的地下河流域硝酸盐污染来源,于2017年5~10月每24 d左右对重庆青木关流域6个采样点进行监测,利用~(15)N和~(18)O同位素技术对示踪硝酸盐来源进行解译,应用IsoSource模型计算出不同端元硝酸盐的贡献率.结果表明:(1)青木关农业区地下河系统存在较大的硝酸盐污染风险,大部分采样点出现不同程度NO_3~--N浓度超标现象.(2)空间上,青木关地下河中NO_3~--N浓度整体呈现由上游向下游升高的趋势.时间上,上游鱼塘和岩口落水洞以及下游姜家泉样点NO_3~--N浓度在5~6月因受农业施肥的影响,均呈上升趋势,6~9月受降水影响而出现不同程度升高或降低,9月之后随着农业活动减少而逐渐降低;中游土壤点NO_3~--N浓度保持较高值;中下游大鹿池NO_3~--N浓度较低且变幅不大.(3)通过硝酸盐~(15)N和~(18)O同位素分析,表明上游鱼塘和岩口落水洞的硝酸盐源于土壤有机氮、动物粪便及污废水混合;中游土壤点硝酸盐源于土壤有机氮、降水和肥料中NH_4~+;中下游大鹿池中硝酸盐来源于动物粪便及污废水、土壤有机氮、降水和肥料中NH_4~+的混合作用.地下河出口处姜家泉硝酸盐污染严重,其源于土壤有机氮、降水和肥料中NH_4~+、动物粪便及污废水、大气沉降的综合作用.(4)基于IsoSource模型对地下河出口处硝酸盐来源进行定量分析,发现动物粪便及污废水贡献率占46.4%,土壤有机氮占32.6%,降水与肥料中NH_4~+占18.6%,大气沉降仅占2.4%.     

马莲河流域化学风化的季节变化和影响因素

为查明黄土高原马莲河流域不同季节河水化学的变化特征、来源及主要控制因子,2016年1~12月在流域下游雨落坪水文站采集时间序列水样40组,分析了主要离子组成并计算了化学风化速率.结果表明,河水总溶解固体(TDS)均值1 154.0 mg·L~(-1),远高于长江、黄河和珠江.阳离子以Na+为主,均值202.8 mg·L~(-1),其次为Ca~(2+)和Mg~(2+),阴离子以SO_4~(2-)为主,均值431.2 mg·L~(-1).主要离子质量浓度的季节变化明显,总体规律是雨季前降低,雨季后增高,在融冰期和暴雨期分别突增和骤降.离子来源主要为岩石化学风化,蒸发岩、硅酸盐和碳酸盐贡献比例均值分别为67.1%、13.7%和19.2%.矿物含量和风化速率的不同决定了各风化作用对气候变化的差异响应:蒸发岩因其高风化速率对季风气候响应积极,雨季风化作用增强;雨季前期河水流量低,较长的水岩作用时间有利于硅酸盐风化进行;碳酸盐风化作用在雨季晚期和后期明显增强,可能因其在黄土中含量较高,雨季后降雨吸收了更多的土壤CO_2形成H2CO3增进了碳酸盐的溶解.蒸发岩、碳酸盐风化速率和流量显著正相关,流量是控制流域化学风化的主要因素.