典型地下水人工回补区有机质的动态变化及影响因素

【摘要】：通过人为补给地下水,可缓解地下水位的持续下降。天然有机质(NOM)对地下水自然补给过程具有良好的响应,但人工回补地下水影响溶解态有机质(DOM)的动态变化依然不够明确,地下水DOM与颗粒态有机质(POM)相互转化过程以及DOM对人工回补分子响应的研究非常匮乏。针对上述问题,本研究选取北京密怀顺地区潮白河流域的再生水和南水北调水人工回补区作为研究区,采集了222个地下水、40个地表水样品,并通过碱性溶液提取了67个水体颗粒物的有机质,利用三维荧光光谱结合平行因子分析(EEMPARAFAC)和傅里叶变换离子回旋共振质谱,测定地表水和地下水中有机质的表观特征和分子种类,分析了回补过程中有机质的动态变化,深入研究了回补区水体有机质的季节性动态、DOM和POM相态特征的表观响应以及地下水回补导致的DOM分子响应,为人为地下水补给的生物地球化学过程和风险评估提供理论依据。论文取得以下主要认识:(1)类蛋白组分具有示踪南水北调回补过程的潜力。再生水回补区地下水较南水北调区DOM含量更丰富。丰水期DOM的含量最高、分子量较小且生物活性较高。五组分DOM的PARAFAC模型中类腐殖质(C3)能较好的区分地表-浅层地下水-深层地下水,微生物产生的类蛋白(C4)、微生物能利用的类蛋白物质(C5)体现出地表水-浅层地下水-深层地下水季节变化的关联。(2)类腐殖质具有对人为地下水回补过程的响应及其示踪回补过程的潜力。四组分DOM-POM的PARAFAC模型中类腐殖质组分(C1和C4)的DOM/POM分配比值大于类蛋白质组分(C2和C3),即惰性类腐殖质比类蛋白物质更易进入水相。C1浓度和组成在再生水区和南水区剖面上存在明显梯度变化,即类腐殖质C1可以显著区分两个补给区。回补区样点随深度沿PC1呈梯度变化。(3)有机质的分子响应能够有效地追踪人为地下水的补给过程。再生水区域地下水DOM分子多样性较南水北调水更丰富,且共同分子出现率要大于南水区域。再生水回补区分子多样性随深度变化不大,分子响应敏感度较低;南水回补区总分子数随深度呈增加趋势,但深层地下水共同分子出现率显著低于浅层,显现出随着深度的增加共同分子出现率降低趋势。