西南亚高山岩溶区降雪地球化学特征及其对地下水的影响

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随着我国现代化进程的加快,大气污染问题日益严重。大气中的污染物质、气溶胶等主要通过降雪等大气湿沉降移除,因此降雪能够较好的指示区域大气环境状况,参与地表生物地球化学循环。同时,积雪融水也是全球重要的淡水资源。岩溶地区特殊的地上-地下双层结构,使地下水污染与地下水资源利用困难等问题并存,这在我国亚高山岩溶区表现尤为明显。鉴于岩溶地下水的脆弱性和重要性,研究西南亚高山岩溶区降雪地球化学特征及其对地下水化学的影响,定量评估降雪对地下水资源的贡献,对于岩溶地下水水质保护,地下水资源合理利用具有重要意义,同时也是对降雪影响下岩溶动力系统演化过程的探索和补充。以金佛山水房泉岩溶地下水流域为研究对象,于2016年3月1日~2017年4月3日期间,分别周期性、高密度采集流域地下水等样品,于2016年11月~2017年3月采集降雪样品9次,对各水体环境指标、氢氧同位素、阴阳离子、微量元素进行测定,以研究降雪中同位素特征及影响因素,物质组成特征、变化及来源,进而分析降雪对地下水同位素、水化学特征的影响,定量评估降雪对地下水流量的贡献比例。研究结果表明:研究区降雪、降雨、土壤水的δ18O、δD波动较大,污水、地下水波动较小。降雪、降雨δ18O、δD季节变化显著,共同表现出“降水量效应”和“负温度效应”,土壤水夏半年变化显著,冬半年趋于稳定,污水、地下水整体变化平稳。降雨、土壤水与降雪dD-d18O蒸发方程线(dD=8.41δ180+24.24)的斜率、截距均大于GMWL,污水、地下水明显小于GMWL。降雪中pH值呈酸性,电导率较低且变幅较大。微量元素含量整体较低,且各元素含量、含量变幅差异较大。降雪中阴离子浓度、浓度变幅整体大于阳离子,SO42-浓度远高于其他水体,Cl-、HCO3-、NO3-、Na+浓度也较高;土壤水中NO3-、K+、Si浓度明显高于其他水体;污水中HCO3-、Cl-、Na+、Fe为各水体最高,NO3-浓度最低;地下水中Ca2+最高,HCO3-、Cl-、SO42-次之。降雪中各离子、微量元素季节变化显著,且与降雪量变化呈正相关性。气团来源、性质及运移路径差异是影响降雪同位素、无机离子、微量元素组成和季节变化的根本原因。秋末受西南暖湿气团影响,雪中同位素、无机离子、微量元素浓度明显偏低。冬季受大陆性干冷气团控制,雪中同位素、物质组成持续升高;冬末—春初,受海洋性暖湿气团、大陆性气团共同控制,上述指标整体降低,在大陆性气团控制下又有所升高。降雪中高浓度的Cl-、SO42-、NO3-几乎全部源自化石燃料燃烧、汽车尾气排放等人为活动;K+、Na+全部来自于土壤,含钠岩石、岩盐矿物等风化;Ca2+主要源于周边硅酸盐、建筑工业活动中的Ca CO3粉尘;Mg2+受到海洋气溶胶、土壤和岩石风化的双重影响;Al、Si主要来源于土壤、岩石风化;Ba、Sr、Mn、Fe主要来源于金属冶炼等人为污染;Li、Cr、Cu、Zn受化石燃料燃烧、金属冶炼和交通污染的共同影响;垃圾焚烧与填埋、重油燃烧对Cd、Pb、Co含量贡献较大。降雪δ18O、δD较大的波动变化对地下水同位素影响不大,降雨、土壤水同位素对其影响也较小,污水对地下水的混合补给影响明显,且一定程度上掩盖了地下水自然状态下的同位素信息。降雪缓慢的消融、下渗过程使地下水水-岩作用更充分,其Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度增加;雪中Cl-、SO42-下渗对地下水相应离子、电导率起到直接的补给作用。酸性降雪及融水携带的土壤酸性离子使地下水pH值降低,电导率升高;较大的降雪量、积雪消融速度对地下水主要离子、电导率的稀释效应明显。降雪后旅游活动导致的污水排放使地下水中主要离子浓度、电导率显著升高,pH值降低。地下水流量随降雪量、积雪消融速度变化明显。对自然状态下的水房泉同位素径流分割结果显示,非降雪期壤中流、降雨对径流的贡献分别为34.9%~86.2%、13.8%~65.1%;降雪期间,降雪融水、壤中流、降雨的贡献比例分别介于4.4%~66.5%、30.3%~71.4%、0.2%~24.2%。降雪的贡献突出,壤中流的贡献稍有降低,降雨的贡献率大大降低。降雪对水房泉径流的贡献率因雪量大小、降雪融化速率差异而变化较大。由于研究区水文地质条件复杂,加上污水对地下水地球化学特征的强烈影响,部分地下水径流划分结果不理想,同位素径流分割方法在岩溶泉域的适用性有待进一步验证。
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