重慶老龍洞巖溶地下水化學(xué)特征及影響因素

藍(lán)家程, 孫玉川, 胡 寧

(1. 貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001; 2. 貴州師范大學(xué)國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001; 3. 巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715; 4. 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715; 5. 河南省新鄉(xiāng)市地震局，河南 新鄉(xiāng) 453000 )

圖1 采樣點(diǎn)位置及水文地質(zhì)

巖溶地區(qū)由于獨(dú)特的“二元”水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)[1]，土層淺薄，污染質(zhì)容易通過落水洞、巖溶裂隙等進(jìn)入地下水系統(tǒng)，具有特殊的脆弱性。巖溶地下水水文地球化學(xué)受地質(zhì)背景、降水等自然因素及人為因素的影響[2-3]，導(dǎo)致地下河水質(zhì)隨時(shí)空變化。隨著巖溶區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、旅游發(fā)展、城市擴(kuò)張，其地下水水質(zhì)不斷惡化。人類活動(dòng)對巖溶地下水水質(zhì)演變、水文地球化學(xué)特征及污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響受到越來越多的關(guān)注，揭示不同尺度、不同人類活動(dòng)對巖溶地下水的影響成為巖溶學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。這些研究集中于：①不同自然條件和人類活動(dòng)影響下巖溶地下水系統(tǒng)地球化學(xué)敏感性研究[4-6]，研究表明巖溶地下水地球化學(xué)對人類活動(dòng)非常敏感，人類活動(dòng)越強(qiáng)，其敏性感越明顯；②不同尺度和人類活動(dòng)對巖溶地下水水化學(xué)的影響，表現(xiàn)為降雨尺度、月尺度、年尺度和長時(shí)間尺度條件下，不同人類活動(dòng)影響下巖溶地下水水文地球化學(xué)變化、污染組分動(dòng)態(tài)變化、地下水來源及運(yùn)移路徑變化[7-14]。本文基于月尺度水化學(xué)數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析重慶老龍洞地下水水化學(xué)特征，并探討地下水水化學(xué)組成的影響因素，旨在為地下水污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及分析測試方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)老龍洞地下河流域位于重慶市區(qū)東南面南岸區(qū)與巴南區(qū)境內(nèi)，東經(jīng)29°32′30″，北緯106°37′30″，為典型的巖溶地下河流域。區(qū)內(nèi)海拔為350～685 m，為亞熱帶濕潤氣候，年均降雨量為1 100 mm，降雨主要集中在4—9月，年均氣溫為18.7°C。區(qū)內(nèi)植被主要為亞熱帶常綠闊葉林，土壤為黃壤和石灰土。區(qū)域整體地貌類型為背斜低山，老龍洞地下河流域位于南山巖溶槽谷核部，沿背斜軸部南北縱向發(fā)育，流域內(nèi)碳酸鹽巖面積約11 km2，主要出露三疊系地層。

流域面積約為12.6 km2，其中居民建設(shè)用地約占1/3(4.2 km2)，廠礦用地約為2.5 km2，農(nóng)業(yè)用地約為2 km2，其余為林地及在建地。地下河上游排放的生活污水通過落水洞直接進(jìn)入到地下河系統(tǒng)。流域內(nèi)污水主要來自于黃桷埡城鎮(zhèn)污水和流域內(nèi)企業(yè)、學(xué)校及居民點(diǎn)污水。排放的污水幾乎未經(jīng)處理，直接排入農(nóng)田和菜地或落水洞，進(jìn)而污染地下水。隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，農(nóng)地被占用，建設(shè)用地有擴(kuò)大趨勢，流域內(nèi)的地下水將遭受更為嚴(yán)重的污染威脅。研究區(qū)域內(nèi)桂花灣泉上覆主要為林地和重慶郵電大學(xué)宿舍區(qū)，土層較厚；趙家院子泉上覆主要為菜地、居民建筑地及山上的林地；老龍洞地下河為管道系統(tǒng)，沿途廣泛分布落水洞、巖溶洼地，巖溶裂隙發(fā)育，地下河總長約6 km，其出口常流量為50～80 L/s。污水取樣點(diǎn)位于黃桷埡鎮(zhèn)南部污水渠道內(nèi)。

1.2 采樣與分析測試方法

用SPPS17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和單因素方差分析(ONE-WAY ANOVA)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水化學(xué)類型

圖2 研究區(qū)水化學(xué)Piper圖(單位：%)

2.2 水化學(xué)特征

表1 水化學(xué)分析結(jié)果

注：同列平均值數(shù)據(jù)后表不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)，相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。

2.3 水化學(xué)影響因素分析

2.3.1 地質(zhì)背景及水巖作用控制

(1)

式(1)中，0

Mg2+

圖3取樣點(diǎn)主要水化學(xué)指標(biāo)對比

圖4 老龍洞地下河流域地下水Mg2+、Ca2+濃度關(guān)系

近年來的研究表明，硫酸和硝酸會(huì)參與溶蝕碳酸鹽巖[19-21]。方解石的溶解可形成碳酸鹽礦物的溶解[22-23]。其主要溶解方程式為

(2)

(3)

圖5 老龍洞地下水中(Ca2+Mg2+)與濃度關(guān)系

2.3.2 人類活動(dòng)的影響

3 結(jié) 論

致謝：西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院袁道先院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)對本論文工作給予了支持和幫助，在此表示感謝！

參考文獻(xiàn)：

[1]袁道先.中國巖溶學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[2]YANG P H,YUAN D X,YUAN W H,et al.Formations of groundwater hydrogeochemistry in a karst system during storm events as revealed by PCA[J].Chinese Science Bulletin,2010,55(14):1412-1422.

[3]LONG D T，VOICE T C，NIAGOLOVA N D，et al．Effects of human activities on karst groundwater geochemistry in a rural area in the Balkans[J].Applied Geochemistry,2012,27 (10):1920-1931.

[4]何守陽,朱立軍,董志芬,等.典型巖溶地下水系統(tǒng)地球化學(xué)敏感性研究[J].環(huán)境科學(xué),2010,31(5):1176-1182.(HE Shouyang,ZHU Lijun,DONG Zhifang,et al.Study on geochemical susceptivity of groundwater system in representative karstic regions[J].Environmental Chemistry,2010,31(5):1176-1182.(in Chinese))

[5]任坤,師陽,李曉春,等.典型巖溶槽谷區(qū)地下水化學(xué)特征及地球化學(xué)敏感性分析[J].中國巖溶,2014,33(1):15-21.(REN Kun,SHI Yang,LI Xiaochun,et al.Study of the geochemical features and geochemical susceptibility of the groundwater system in a typical karst trough valley[J].Carsologica Sinica,2014,33(1):15-21.(in Chinese))

[6]徐尚全,楊平恒,殷建軍,等.重慶雪玉洞巖溶地下河地球化學(xué)敏感性研究[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(1):77-83.(XU Shangquan,YANG Pingheng,YIN Jianjun,et al.Research on the sensitivity of geochemical of underground river in Chongqing Xueyu Cave[J].Environmental Science,2013,34(1):77-83.(in Chinese))

[8]于正良,袁道先,楊平恒,等.基于 PCA 和在線監(jiān)測技術(shù)研究旅游活動(dòng)對巖溶地下水水化學(xué)的影響[J].地球?qū)W報(bào),2016,37(2):232-240.(YU Zhengliang,YUAN Daoxian,YANG Pingheng,et al.Influences of tourism activities on hydrochemistry of karst groundwater revealed by principal component analysis and on-line monitoring technique[J].Acta Geoscientica Sinica,2016,37(2):232-240.(in Chinese))

[9]楊平恒,袁道先,葉許春,等.降雨期間巖溶地下水化學(xué)組分的來源及運(yùn)移路徑[J].科學(xué)通報(bào),2013,58(18):1755-1763.(YANG Pingheng,YUAN Daoxian,YE Xuchun,et al.Sources and migration path of chemical compositions in a karst groundwater system during rainfall events[J].Chinese Science Bulletin,2013,58(18):1755-1763.(in Chinese))

[10]王鳳康,梁作兵,于正良,等.巖溶地下河水文地球化學(xué)對降雨的響應(yīng):以重慶雪玉洞地下河系統(tǒng)為例[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(10):3716-3721.(WANG Fenkang,LIANG Zuobin,YU Zhengliang,et al.Formation of geochemistry in underground river under rainfall conditions:an example for underground river at Xueyu cave,Chongqing[J].Environmental Science,2014,35(10):3716-3721.(in Chinese))

[11]林永生,裴建國,杜毓超,等.基于多元統(tǒng)計(jì)方法的巖溶地下水化學(xué)特征及影響因素分析[J].環(huán)境化學(xué),2016,35(11) :2394-2401.(LIN Yongsheng,PEI Jianguo,DU Yuchao,et al.Hydrochemical characteristics of karst groundwater and their influencing factors based on multiple statistical analysis[J].Environmental Chemistry,2016,35(11):2394-2401.(in Chinese))

[12]蔣勇軍,袁道先,謝世友,等.典型巖溶農(nóng)業(yè)區(qū)地下水質(zhì)與土地利用變化分析[J].地理學(xué)報(bào),2006,61(5):471-481.(JIANG Yongjun,YUAN Daoxian,XIE Shiyou,et al.The groundwater quality and land use change in a typical karst agricultural region:a case study of Xiaojiang water shed,Yunnan[J].Acta Geographica Sinica,2006,61(5):471-481.(in Chinese))

[13]賈亞男,袁道先.土地利用變化對水城盆地巖溶水水質(zhì)的影響[J].地理學(xué)報(bào),2003,58(6):632-838.(JIA Yanan,YUAN Daoxian.The impact of land use change on karst water in Shuicheng basin of Guizhou Province[J].Acta Geographica Sinica,2003,58(6):632-838.(in Chinese))

[14]朗贇超,劉叢強(qiáng),趙志琦,等.貴陽市地表水地下水化學(xué)組成:喀斯特水文系統(tǒng)水-巖反應(yīng)及污染特征[J].水科學(xué)進(jìn)展,2005,16(6):826-832.(LANG Yunchao,LIU Congqiang,ZHAO Zhiqi,et al.Chemical compositions of surface and ground waters of Guiyang City:discussion of water-rock interaction and contamination in karstic hydrological system[J].Advances in Water Science,2005,16(6):826-832.(in Chinese))

[15]詹兆君,陳峰,楊平恒,等.西南典型巖溶地下河系統(tǒng)水文地球化學(xué)特征對比:以重慶市青木關(guān)、老龍洞為例[J].環(huán)境科學(xué),2016,37(9):3365-3374.(ZHAN Zhaojun,CHEN Feng,YANG Pingheng,et al.Comparison on the hydrogeochemical characteristics of typical karst groundwater system in southwest China:a case of Qingmuguan and Laolongdong in Chongqing[J].Environmental Science,2016,37(9):3365-3374.(in Chinese))

[16]WHITE W B.Geomorphology and hydrology of karst terrains[J].Geological Magazine,1989,126(2):203-204.

[17]劉叢強(qiáng).生物地球化學(xué)過程與地表物質(zhì)循環(huán)：西南喀斯特流域侵蝕與生源要素循環(huán)[M].北京:科學(xué)出版社,2007:265-375.

[18]SZRAMEK K,WALTER L M,KANDUCˇT,et al.Dolomite versus calcite weathering in hydrogeochemically diverse watersheds established on bedded carbonates (Sava and Socˇa Rivers,Slovenia)[J].Aquat Geochem,2011,17:357-396.

[19]SEMHI K,AMIOTTE SUCHET P,CLAUER N,et al.Impact of nitrogen fertilizers on the natural weathering-erosion processes and fluvil transport in the Graonne basin[J].Applied Geochemistry,2000,15(6):865-874.

[20]PERRIN A,PROBST J.Impact of nitrogenous fertilizers on carbonate dissolution in small agricultural catchments:implications for weathering CO2uptake at regional and global scales[J].Geochimicaet Cosmochimica Acta,2008,72(13):3105-3123.

[21]BARNES R T,RAYMOND P A.The contribution of agricultural and urban activities to inorganic carbon fluxes within temperate watersheds[J].Chemical Geology,2009,266(3/4):327-336.

[22]MACPHERS ON G L.Hydrogeology of thin limestones-the Konza Prairie LTER Site[J].Journal of Hydrology,1996,186:191-228.

[23]MONTOROI J P,GRüNBERGER O,NASRI S.Groundwater geochemistry of a small reservoir catchment in Central Tunisia[J].Applied Geochemistry,2002,17:1047-1060.

[24]蔣勇軍,袁道先.城市發(fā)展對巖溶地下水質(zhì)影響的地球化學(xué)示蹤：以重慶南山老龍洞地下河系統(tǒng)為例[J].第四紀(jì)研究,2014,34(5):1044-1053.(JIANG Yongjun,YUAN Daoxian.Geochemical tracers to characterize effects of urbanization on karst groundwater quality from Nanshan underground river system,SW China[J].Quaternary Sciences,2014,34(5):1044-1053.(in Chinese))

[25]VALDES D,DUPONT J P,LAIGNEL B,et al.A spatial analysis of structural controls on karst groundwater geochemistry at a regional scale[J].Journal of Hydrology,2007,340 (1/2/3/4):244-255.

[26]JEONG C H.Effect of land use and urbanization on hydrochemistry and contamination of groundwater from Taejon area,Korea[J].Journal of hydrology,2001,253:194-210.

[27]藍(lán)家程,楊平恒,任坤,等.重慶老龍洞地下河流域氮、磷及微生物污染調(diào)查研究[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(4):84-90.(LAN Jiacheng,YANG Pingheng,REN Kun,et al.Investigation of nitrogen,phosphorus and microbial contamination in Laolongdong underground river system of Chongqing[J].Environmental Science,2014,35(4):84-90.(in Chinese))

[28]ADRIA′ N O G.Origin and geochemical evolution of groundwater in aosed-basin clayey quitard,Northern Mexico[J].Journal of Hydrology,2003,284:26-44.