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重庆青木关地下河系统的水文地球化学特征及悬浮颗粒物运移规律

杨平恒  
【摘要】: +我国南方岩溶地区(包括贵州、云南、广西、重庆、湖北、湖南、四川、广东等8个省、市、自治区)的岩溶总面积约有60×10~4 km~2,岩溶地下水是这些地区生产生活用水的重要来源。近年来,随着该地区经济的发展和石漠化治理进程的推进,岩溶地下水资源战略储备显得特别重要。但人类活动对岩溶地下水水质的影响日渐明显,水环境问题呈现污染源多样化,3066条地下河面临城市生活、工业、矿山以及农业多重污染的挑战,受到国内岩溶研究学者的高度关注。 岩溶含水介质是岩溶区地下水存储的场所,其形态千差万别,主要表现为含水介质的不均匀性,因而在研究岩溶地下水储藏、运移规律以及水文地球化学特征之前,必须弄清岩溶含水介质的几何形态特征。目前岩溶动力学阐明了与碳酸盐岩溶解有关的离子,如钙、镁、重碳酸根等离子的来源,国内外这方面的研究成果也很丰富,而对于地下水中其他非岩溶作用产生的离子来源,大部分的研究只是停留在现象的描述上,且数据的随机性很大,需要进行在高分辨率监测基础上的研究,寻找一种定量的方法来确定源头。悬浮颗粒物在地下水中扮演着重要的角色,目前国内在这方面的研究基本是空白,而国外大部分的研究是集中在悬浮颗粒物和微生物、有机物等的相互作用关系研究上,对于悬浮颗粒物来源的研究甚少。 本文从保护岩溶地下河水资源和环境出发,以重庆青木关地下河系统为例。首次引进国外在线示踪试验技术,初步定量地了探明岩溶含水介质特征。采用在线高分辨率技术进行了多次示踪试验,根据示踪剂的浓度历时曲线为单峰型的特点,以及利用美国环保局的Qtracer2软件对岩溶含水介质几何形态特征和水力参数计算的结果,初步判断了研究区存在规模较大的单一岩溶管道。进而利用地下水衰减方程,计算得到赋存于流域内溶洞-管道的水资源量,占总贮水量的8.6%,而赋存于流域内岩溶化的裂隙水占总贮水量的91.4%,表明研究区存在溶洞-管道和裂隙多重介质。 将高分辨率的取样和数理统计作为分析工具,辨别了降雨期间地下水无机离子的来源。随着实验室测试技术和野外自动化监测技术的不断发展,地下水长时间尺度和短时间尺度(极端气候事件,如暴雨、干旱)的水文地球化学动态变化过程可被持续记录,产生庞大的数据。而这些数据所包含的指标之间往往存在一定的相关性,用一般方法很难进行充分的分析并得出可靠的结论。通过对降雨期间姜家泉82组高分辨率的水文地球化学指标进行主成分分析,提取了能代表85%信息量的3个主成分,降雨造成的以流量、浊度、Al3+、全Fe、全Mn.Ba~(2+)和NO2-等离子浓度升高为代表的水土流失,和以HC0_3~-、Ca~(2+)、Sr~(2+)等与灰岩溶解有关的离子浓度和电导率降低为代表的稀释效应,对水文地球化学特征变化的贡献率为41.5%;以Na~+、N0_3~-、PO_4~(3-)、K~+、C1~-等离子浓度和电导率升高为代表的农田中残留肥料及鸭子代谢物,对水文地球化学特征变化的贡献率为37.4%;白云质灰岩、白云岩的溶解对水文地球化学特征变化的贡献率为6.0%。降雨对于地下水文地球化学特征的变化有着极为关键的影响,而水质是水文地球化学指标的综合反映。因而在不同流量时段,主导地下水水质变化的因子不尽相同,需要综合各种水文地球化学指标来分析。建议将流量也纳入岩溶区地下水水质评价的指标中,全面探讨岩溶地下水水质变化的影响因素。 辨别了地下水中悬浮颗粒物的来源。采用在线颗粒计数仪对姜家泉泉水中悬浮颗粒物的粒径分布进行了监测,表明在降雨初期悬浮颗粒物主要为外源物质;随后当地下水流量主要靠裂隙水补给时,岩溶裂隙中沉积物的再悬浮作用占到主导地位;而当雨水补给地下水时,地下水悬浮颗粒物为外源物质。不同粒径悬浮颗粒物的搬运方式与颗粒的大小有关,沉积物颗粒越小,则地下水搬运的量越大,沉积物颗粒越大,则地下水搬运的量越小,在青木关地下河系统中,其颗粒物直径以4μm为临界值。降雨期间流域内土壤的侵蚀和养分的流失,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。


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