暴雨對地下河理化性質的影響

李天衡

碳酸鹽巖地區在CO2和H2O的作用下被溶蝕產生溶隙、溶洞，甚至發育出地下河，如位于重慶南山的總長約6km，常年流量50～80L/s的老龍洞地下河。地下河出口處形成溶洞，成為AA級景區。有約600m可步行進入，再向內約400m可劃船進入。老龍洞地下河流域面積約12km2，屬亞熱帶季風區，年均降水量約1100mm，主要集中在5～9月。巖溶區地表發育土壤層薄，甚至缺失，再加上巖溶管道、裂隙、落水洞、豎井發育，因此地表與地下河聯系緊密，降水會導致地下河物理化學性質產生變化。為研究暴雨對地下河理化性質的影響，于2015年7月21日至26日一場64mm的暴雨期間對地下河水溫、水位、流速、pH值以及含量較高的Ca2+和HCO3-進行監測。

一、實驗方法

地下河出口處有一人工修建的矩形溝渠，為測量工作提供了方便。監測工作白天每4小時進行一次，晚上8小時一次。實驗器材和方法：①用卷尺測得矩形渠寬2.10m，數根筆直的竹竿或木棍、卷尺用于測量水位：將木棍或竹竿豎直插入水中反復測量水深，求平均值。②旋杯式流速儀（精度為0.001m/s）用于測定地下河水流速度：將流速儀置于地下河道中斷面不同位置反復測定流速，求平均值。根據公式1（Q=10HLV）用測到的水位和流速計算流量。式中：Q為流量（L/s）；H為水位（cm）；L為矩形溝渠寬度（m）；V為流速（m/s）。③使用德國（WTW公司）Multi3430便攜式多參數水質分析儀：測定水溫、pH值，測量精度分別為0.1℃、0.01pH單位。④用鈣離子試劑盒（德國Merck KGaA）測定水中的Ca2+、HCO3-濃度，精度分別為0.1mg/L和0.1mmol/L。⑤降水數據來源于http：//rp5.ru/重慶市天氣_。

二、實驗數據分析

1.降水

本次降水共64mm，從7月21日22：00開始至23日15：00結束，并伴有閃電。降水開始后的24小時降水量達62mm，屬于暴雨，主要集中在21日22：00至23日10：30，用origin軟件作出圖1，最大降水出現在7月22日6：30，半小時降水量8.4mm。考慮到從降水到匯集入地下河并流出將經歷一定時間，因此，觀測、采樣從7月21日23：00開始，到7月26日12：00左右，水位、流速、電導率、Ca2+、HCO3-等主要指標基本恢復到降水前水平，停止觀測。觀測時間共109小時。

2.流量

地下河流量變化很大，從降水前的172 L/s迅速增加到1901 L/s，增幅超過10倍，表明降水對地下河流量影響十分明顯（圖1）。從變化過程看，在降水8小時后流量迅速增加到最高值，隨著降水的停止，水位逐漸降低，經過95小時后，仍未能恢復到降水前流量。這種地下河流量隨暴雨陡漲緩落的現象，說明該區屬管道與裂隙組合的地下水系統，地表與地下河通過落水洞、豎井等管道直接相通，同時有深部裂隙和溶隙的調節，并以管道流為主。

3.水溫

降水期間老龍洞地下河水溫度平均22.5℃，變化范圍21.5～23.5℃；氣溫21.8～34.7℃，平均25.85℃。可見，地下河水溫明顯低于氣溫，變幅遠小于氣溫，表現出土壤、巖層對水溫的調節作用，使地下河處于相對恒溫狀態。從變化過程看，水溫并沒有隨著流量的上升而迅速降低，而是在流量達到最大值時才開始降低，體現出降水進入地下河路徑的復雜性。降水并不僅僅從落水洞快速進入地下河，還從裂隙、溶隙等下滲進入。降水前，裂隙、溶隙中充滿溫度較高的水，降水時將這部分水先擠壓進入地下河，因此水溫起初并不出現隨流量的增加而下降的現象。然后隨著降水停止，降水對地下河的影響逐漸減小，水溫逐漸隨氣溫的變化而變化。

4.PH值

降水過程中PH值平均7.02，呈弱堿性，體現了巖溶區地下水的基本水化學特點。PH值變幅為6.98～7.09，相對較穩定。隨著降水的來臨和流量的上升，PH值呈逐漸降低趨勢（圖1），到22日21：00降至最低，這可能與重慶降水呈酸性有關。隨后，暴雨的影響減小，PH值略有回升并出現波動。

5.Ca2+

根據方程1（CaCO3+CO2+H2O = Ca2+ + 2HCO3-）可知，地下水中Ca2+主要來源于碳酸鹽巖的溶解。研究時間內Ca2+平均質量濃度103.92mg/L，變化范圍92～118 mg/L，體現了巖溶區地下水的基本水化學特點。暴雨后隨著流量的增加Ca2+出現了短暫升高（圖1），這可能是因為降水除從落水洞直接進入地下河外，還進入裂隙、溶隙，將其中原有的高Ca2+濃度的地下水擠壓進入地下河。隨著流量的增加，Ca2+濃度迅速降低，在pH值降到最低時，Ca2+濃度也降到最低。說明此階段原來存儲在裂隙、溶隙中的“老水”已全部流出，低Ca2+濃度的降水經溶隙、裂隙進入地下河，體現出降水對地下河水的稀釋效應。隨后，降水對地下河影響減小，伴隨著pH值的升高Ca2+濃度波動上升，但二者變化趨勢并不完全同步。

6.HCO3-

根據方程1（CaCO3+CO2+H2O = Ca2+ + 2HCO3-），地下河中HCO3-也主要來源于碳酸鹽巖的溶解。研究時間內HCO3-平均質量濃度215.85mg/L，變化范圍195.2～262.3 mg/L。HCO3-的質量濃度在降水期間并沒出現與Ca2+相似的短暫升高過程（圖1），而是隨著降水的稀釋作用濃度迅速降低，然后跟隨Ca2+波動升高，但HCO3-最低值出現時間與Ca2+并不一致。說明該地下河中Ca2+ 與HCO3-并不完全同源，可能與該地下河污染較嚴重，大量有機物分解后產生了HCO3-有關。

三、結論

暴雨對地下河理化指標均產生不同程度的影響。流量對降水的反應非常迅速并且變幅最大。降水對水溫和pH值影響不大，但對Ca2+ 與HCO3-影響顯著。說明巖溶區地下河與地表聯系緊密，地表污染物也可以通過暴雨直接進入地下河，造成地下河污染。由此可見，分析暴雨期間地下河理化性質的影響對了解地下河污染情況有重要意義。

作者單位：西南大學附屬中學高一（13）班（400700）