高分辨率降水氧氘同位素变化及洞穴水响应:以河南鸡冠洞为例

大气降水稳定同位素受温度、雨量、海拔高程、水汽源等多种因素控制,进而影响洞穴水及沉积物的同位素变化.为了更好地认识我国南北交汇带季风敏感区洞穴水对降水的响应过程,本研究分析了2015年8月4~6日河南栾川县鸡冠洞强降雨和洞内4处地下水点样品,并结合2009~2015年栾川地区近6年大气降水氧氘同位素数据研究发现:1采用HYSPLIT模型可以将鸡冠洞强降雨划分为不同水汽来源的2个阶段:高空来自南中国海的水汽以及近地面来自内陆局地蒸发的水汽,并且可以记录在单场降雨期间雨水的δ~(18)O变化特征上.2近地面来自内陆局地蒸发水汽的蒸发过程一定程度上掩盖了温度效应,并使局地大气降水线的斜率、截距和雨水过量氘均减小.3此次降雨期间鸡冠洞洞穴滴水δ~(18)O特征主要响应夏季风海源水汽的降水;鸡冠洞洞穴滴水对降雨响应最快,间隔时间约为3 h,滴水δ~(18)O随滴率升高变重,之后缓慢变轻;地下河具有相似的模式,稍有滞后;靠近洞口的池水反映出不同阶段的雨水δ~(18)O变化的差异.     

河南鸡冠洞洞穴水对极端气候的响应及其控制因素研究

为揭示洞穴水地球化学动态的变化特征及其控制因素,从2009年10月至2013年12月对黄土高原东南缘河南西部栾川县鸡冠洞洞穴水的水化学指标进行了4个完整水文年的动态监测.结果表明:1鸡冠洞洞穴水的化学类型主要是HCO-3-Ca2+-Mg2+和HCO-3-Mg2+-Ca2+型,阴离子中HCO-3占80%以上,阳离子中Ca2+、Mg2+是优势离子,地下河常年处于溶蚀状态,池水、滴水处于沉积状态.2鸡冠洞洞穴滴水、池水可以很好地响应外部气候环境的变化,其地球化学指标具有显著的季节效应.3Ca2+、Mg2+、SO2-4能够敏感地响应极端气候事件引起的年际降水量变化,Ca2+、Mg2+、SO2-4浓度洪涝年升高,干旱年降低.HCO-3主要受CO2浓度控制,对极端气候事件响应不明显.4鸡冠洞地下河中Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4浓度波动幅度较小,且无明显的季节变化规律.对2010年和2013年的极端降水事件响应不明显.     

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.     

基于15N 同位素示踪技术的地下河硝态氮来源时空变化特征分析

根据2007年10月至2008年10月每月对青木关地下河水的监测,利用~(15)N 同位素示踪技术并结合水化学指标,分析地下河硝态氮来源的时空变化特征.结果表明,地下河出口S2硝态氮浓度(20.35 mg/L)比入口D1(3.20 mg/L)高6倍多.受农业生产施肥和降雨冲刷稀释效应的影响,地下河水硝态氮浓度2007年10月至2008年3月较低且比较稳定,2008年4月至7月较高但受降雨冲刷稀释影响变化较大,2008年8月至9月随降雨减少,土壤中残留的化肥造成地下河水硝态氮浓度偏高.根据NO_3~--δ~(15)N 值识别出了地下河硝态氮来源变化特征为:D1处2007年10月至2008年3月以及2008年7月至10月NO_3~--δ~(15)N 值为-0.857‰±2.01‰(n=9),其硝态氮来源为稻田中残留的化肥;2008年4月、6月中下旬NO_3~--δ~(15)N 值为2.50‰±0.29‰(n=3),其来源为稻田中施用的化肥与土壤有机氮的混合;2008年5月下旬至6月上旬NO_3~--δ~(15)N 值分别为-3.74‰和0.52‰,其来源为稻田中施用的化肥.S2处硝态氮不仅来自上游的化肥,更主要的是来自中下游的耕地、林地土壤渗透水或侧向裂隙水带来的土壤有机氮与化肥,其中2007年10月至2008年3月以及2008年7月至10月NO_3~--δ~(15)N 值为4.77‰±0.73‰(n=9),其硝态氮主要来自于土壤有机氮;2008年4～6月NO_3~--δ～15N 值为3.16‰±0.39‰(n=5),其硝态氮来自于土壤有机氮与化肥的混合.