典型岩溶流域地下水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

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有机碳是全球碳循环过程的重要参与者,为陆地和水生生态系统中异养动植物和微生物的生存生长提供所需要的物质和能量,其对全球变化的响应以及反馈作用对水生生态系统结构和功能甚至全球碳汇的大小有着很大程度的影响。而且,水体中有机碳的浓度水平以及变化趋势是影响水质及水体生态系统稳定的重要因素之一。迄今为止已经有很多研究都关注到有机碳浓度升高的趋势。美国、欧洲等对不同水体环境的长期监测表明,水体中可溶性有机碳有逐渐增高的趋势,水体中碳的增加对水质,尤其是对气候变化有重要的影响,但其影响机制的研究仍存在着争论。  本研究以重庆市丰都雪玉洞地下河流域为研究对象,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,分析雪玉洞地下河水中TOC的季节变化以及对不同强度降雨的响应情况,另外通过建立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的影响因素。  经过一个完整水文年的在线监测和室内实验分析,研究内容以及得出的主要结论主要包括以下三个方面:  (1)整个监测期间,雪玉洞流域地下河水中的pH值的变化范围是7.12~8.31,平均值为7.72,表明地下河水属于中性偏碱性水质。地下河水中Ca2+和 HCO3-分别是主要的阳离子和阴离子,代表着雪玉洞地下河的水化学类型为HCO3—Ca型,属于低矿化度岩溶水。雪玉洞地下河主要水化学指标存在明显的季节变化特征,pH值夏季明显低于冬季,与降水呈负相关关系。SpC、Ca2+、HCO3-和其它主要离子变化趋势相似,总体上呈现出夏季高、冬季低的趋势。TOC浓度和浊度的整体变化趋势为冬夏季高、春秋季低,但是有机碳通量主要受到地下河流量的影响,表现出夏季高、冬季低的趋势。  (2)因为岩溶区具有独特的地上、地下“双层空间结构体系”,另外,由于岩溶区土壤层厚度薄且其分布极其不连续,各种污染物很容易通过落水洞、竖井等裂隙、管道被带入到岩溶地下水文系统中,因此,岩溶地下水的水文地球化学指标会在降雨尤其是暴雨前后对外界环境做出及时且明显的响应。因此,本研究中通过分析一个水文年中出现不同降雨强度时(小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨条件下)的TOC浓度和各种水文地球化学指标对降雨的响应情况,结果表明,地下水TOC浓度和水文地球化学指标对降雨表现出明显的响应过程,但是其对不同降雨强度的响应时间和过程存在着明显差异,整体来说,TOC在降雨过程中表现出上升的趋势,而当降雨量增大,即在暴雨以及大暴雨过后TOC浓度主要受稀释效应的影响呈现一定的下降趋势,但是在不同降雨强度下的有机碳通量有着和地下河流量相似甚至一致的变化趋势。  (3)以TOC浓度为因变量,主要气象指标和地下河水中主要水化学指标为自变量建立主成分回归模型来分析影响TOC输出变化的主要因素,从最终回归方程可以看出,浊度、流域气温、降雨量、地下河流量和土壤温度对地下水 TOC的输出具有明显的正向作用,而地下水pH和SO42-对TOC的输出呈反向促进作用,但是与pH对TOC输出的反向作用相比,SO42-对TOC输出的反向作用较弱。
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