论文投稿_医学论文投稿_核心期刊,职称论文投稿发表_论文部落

摘要：岩溶地下水处于土壤与岩层之间，是联系土壤水与裂隙水的纽带，对岩溶地下水与周围联系的研究有着重要意义。介绍了地下水与土壤、地下水与围岩的作用过程，综述了当前人类活动的主要方面以及产生的后果，系统阐述了地下水、土壤水和地层之间的关系，希望通过溶质运移研究土壤有机物流失规律。岩溶含水层水力联系的各向异性在疏干排水过程中对地下水的动态影响，即岩溶含水层结构与土地利用方式差异对水化学物质运移的影响进行综合探究，并提出了一些参考意见。

 

　　关键词：岩溶水；溶质运移；地下水响应；水质指示

 

　　中图分类号：P642．２5文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０14）08－1737-05

 

　　Comprehensive Studies on Aｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ Ｋａｒｓｔ Ａｑｕｉｆｅｒ Ｍｅｄｉｕｍ

 

　　ＬＩ Ｊｉｎｇ－ｗｅｎ１，２，ＹＡＮＧ Ｘｕ－ｈｏｎｇ２，ＬＩ Ｑｉｎｇ－ｗｅｎ3

 

　　（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４００７１５， Ｃｈｉｎａ； ２.Ｔａｉｙｕａｎ Ｆｉｆｔｙ－ｓｘｔｈ ｍｉｄｄｌｅ ｓｃｈｏｏｌ， Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４， Ｃｈｉｎａ； ３.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４， Ｃｈｉｎａ）

 

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｋａｒｓｔ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔａｃｔs ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｆｉｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ， ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｎ stduying the contaction between ｋａｒｓｔ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ． Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ between ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｏｉｌ， ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ were introduced. Tｈｅ ｍａｉｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ were ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ. Tｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ， ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ was ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｔｏ ｄｒａｗ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｌｏｓｓ ｒｕｌｅ ｏｆ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｉｌ． Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｋａｒｓｔ ａｑｕｉｆｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ， ｗａｔｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ aｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｋａｒｓｔ ａｑｕｉｆｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ and ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ of ｌａｎｄ ｕｓｅ. Sｏｍｅ advices were put forward．

 

　　Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｋａｒｓｔ ｗａｔｅｒ； ｓｏｌｕｔｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ； ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ； ｗａｔｅｒ－ｑｕａｌｉｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ

 

　　岩溶水是人类重要的水源地，全球２５％的人口将岩溶水作为饮用水源。“大气降水＋地表水＋土壤水＋地下水系统”构成了整个岩溶区水系统，而岩溶地下水是其中最复杂的部分。岩溶多重介质环境中存在物质、能量、信息３个组成部分，由于岩溶强烈发育，水源漏失，造成农田灌溉、城市供水、人畜饮水困难，甚至岩溶地下水污染。整个含水层和土壤－植物－大气是一个连续开放系统，该系统对人类的任何一项活动都能产生相应的响应过程。人类活动对地下水的影响已被众多学者研究，也取得到了可观的成就。但人类活动不仅在于人类在地表的作用所导致的土地利用与土地覆被变化，也在于人类在地下活动，例如地下隧洞、地下排水通道的修建以及地下矿床的开采等带来的水流流速、流量变化甚至突水事件的发生。鉴于此，研究岩溶地下水的特征显得尤为重要。对其结构、功能、运行机制的正确认识，是科学合理地解决岩溶区乃至全球与此相关的重要环境问题的关键。

 

　　１ 岩溶含水结构对地下水运移的影响

 

　　土壤系统与地下水系统密不可分，溶质迁移、淋溶作用都是其非常重要的作用方式。土壤或地下水受到污染的问题或是土壤中的矿物质随着降水进入地下，实质是可溶性物质在水流作用下在土壤或含水层中的运移影响地下水性状并使其性质改变。一方面是土壤向地下水输送物质，另一方面当地下管道储水量小于降水量时，地下水又会通过落水洞或出口向地表排出，反作用于地表土壤层。包气带中发生的各种物理、化学和生物过程与地下水作用耦合在一起， 形成一个复杂的动态系统［１，２］，由此可见，地下水位间歇性的上升和下降造成地下水和土壤水交换频繁。

 

　　１９６０年Ｔóｔｈ［３］设想了小流域地下水分析方法，将流域下从地表至地下的不透水边界设想为矩形区，再用一系列参数加以纠正，将拉普拉斯方程最终演化为:

 

　　?准＝ｇｚ■＋■＋■（１－ｃｏｓｂ′ｓ）＋

 

　　２■■＋■（ｃｏｓ ｍπ＋１）

 

　　·■｝

 

　　他还指出，约９０％的静态水不会参与自然界的水循环，且地形高低会影响区域水力传导和水化学特性，为模拟地下水运动提供了思想指导。Ｎｉｅ－ｌｓｏｎ首次系统地论述了ＣＤＥ（对流—弥散）方程的科学性和合理性，建立了溶质运移研究第一个成就。使用分层的矩形单元网格对多含水层系统提供了准三维处理办法ＭＯＤＦＬＯＷ［４］，被广泛用于模拟井流、河流、排泄、蒸发和补给对非均质和复杂边界条件的水流系统影响，还可以反映额外补给源、储蓄情况，但因其涵盖范围大对包气带的地下水容易出现无效问题，因此在调整参数的基础上出现了耦合模拟。在北方岩溶区水资源与煤炭分布方式多为“煤在楼上，水在楼下”，这种特殊水文地质格局给岩溶水资源的保护提出了更大的挑战。一方面，人工通道直接将污水导入含水层；另一方面，大量堆置的矿渣经雨水淋溶入渗，持续不断地向岩溶含水层输入有害物质［５］。在自然状态时，长期以来补给量大于地下储水空间因而向地表流出，供当地居民生活、生产之用甚至可以维持工业生产用水，但自从大规模开采煤炭资源以来，泉水出流量迅速减少甚至已出现多处断流现象，如晋祠泉域原本是保障地区工农业生产正常进行以及旅游业健康发展的重要水源。但从２０ 世纪７０年代开始， 其泉流量急剧下降， 到９０年代中期全面断流，５０年代晋祠泉群泉总流量平均为１．９４５ ｍ３／ｓ， ６０年代为１．６１0 ｍ３／ｓ，７０年代为１．２１0 ｍ３／ｓ，８０年代为０．５２0 ｍ３／ｓ［６］。泉域内采煤排水和人工过量开采是造成泉流量减少的主要因素，究其原因一是人工开采量的影响； 二是煤矿开采排水活动改变了泉域的水资源赋存状况和径流条件［７］。而南方岩溶地下结构多为“水在煤上，水在煤里”的分布，因此必须在开采资源前将水抽出排干［８］。

 

　　１．１岩溶地下水资源调蓄

 

　　岩溶地下水是岩溶水文系统的一部分，而岩溶地下水文系统实际上是水循环系统在岩溶地区的一个子系统，其参与到整个水循环中，且扮演着重要角色。蒸发量增高会减弱降水对可溶岩的溶蚀，减少降水向地下的渗透；降水通过地表径流、落水洞进入地下，或者由表层土壤下渗成为地下水将地表地下水系统联系起来构成统一的整体。

 

　　岩溶地下水在局地小循环方面也起着至关重要的作用。岩溶水分布的不均匀性导致勘探成井率低，通过水域调配地表水和地下水，进行土地整理，可达到防治旱涝的目的，并可促进生态环境的改善。一类是修建地下坝，另一类是对饱水带岩溶水的抽水工程［９］。西南岩溶区管道结构明显，从各种物质对降水的响应来看，地下河系统变化速度非常迅速，暴涨暴落，地下河岩溶裂隙、管道发育高度成熟，可见其自然调蓄能力较差。此外，表层岩溶带对地下水具有一定的调蓄作用［１０］，但由于人为地各种干涉，例如在工程建设中修筑引水渠、地下排水通道，以及铁路、公路的建设，通过堵水或开凿岩层改变原有地层结构等都会增加地下含水层的各向异性变化幅度，改变原有的补排运行机制，使调蓄能力下降。

 

　　１．２地下水短缺

 

　　缺水和饮水不安全的问题在岩溶山区仍然普遍存在，在贵州省仅严重缺水人口就有５６７万人［１１］。西南岩溶区降水量偏多，但岩溶区的岩溶水、降水与地表水之间“三水”转化迅速，造成地表水（河流） 极不发育，地表严重干旱缺水， 而丰富的岩溶地下水资源又未能充分而有效地开发利用，加上土少地薄，保水能力差［１２］，岩溶水资源的时空分配又不均匀，致使在水资源总量丰沛的喀斯特地区可利用水资源仍然很缺乏，所以常常表现出的是地表水贵如油，地下水滚滚流的现象，旱涝灾害非常频繁，人畜饮水困难。而地下水本身又可看成一个灰色系统，需要更进一步的综合探测，盲目地开挖输水通道或排水无疑会对局部水资源造成一定影响。

 

　　岩溶含水层水力联系的各向异性导致疏干排水会严重影响到地下水大动脉的动态出现“一处排水，多处缺水”的尴尬处境。当然对科学研究是会产生正面效应，有助于“黑箱”明了化。疏干排水的另一个重要影响即在于使地下裂隙、管道空洞化水岩作用机会下降，围岩支撑力下降，塌陷事件频繁发生，介质各向异性程度加强，因此可以探究含水介质的各向异性规律及人类活动对其产生的影响。矿山突水严重时会导致矿体淹没而使地表水灌入到矿区，造成污水增加、饮用水减少的局面。当前西南地区城市用水多为岩溶地下水，地下水流失或污染无疑会影响到整个地区正常生活、生产的运行。

 

　　１．３地下水污染

 

　　１．３．１污染情况西南岩溶区主要表现为岩溶多重含水介质结构，因此污染也具有多重特征。含水层处于中间层，腹、背任何一方变化都有可能会影响到其性质的变化。地下水既是资源，在特定情况下又是污染源。贵州省喀斯特地区水环境的污染十分严重，全省主要河流凡流经城市和工矿区的干流河段或支流河段均会遭受不同程度的污染，南明河、湘江、锦江、清水河等河流的平均污染负荷综合指数已从１９６７年的５．２８上升到１９９３年的８．５３，增加了６２％。２０世纪９０年代以后，地表水水质进一步恶化，尤其是喀斯特地区的乌江水系和沉江水系水质污染严重，其监测断面分别有６４％和７０％的水质超标。地下水污染也同样严重，１９９３年对贵阳、遵义、安顺、六盘水和凯里５个城市开采的地下水水质监测中，有８３％的项目超标；１９９６年对上述城市的继续监测结果表明，地下水污染仍十分严重，超标率达８１％，其中细菌总数和大肠杆菌含量普遍超标，总硬度、锰、酚的年平均含量超标率均有较大的增长。水环境的污染还加剧了喀斯特地区水资源的紧缺，致使贵州这一降雨丰富的湿润地区也出现供水危机［１３］。

 

　　１．３．２岩层物质运移岩溶管道在水岩长期相互作用过程中基本形成了稳定的水环境，水中各种物质的变化处于某个稳定的范围内，管道水的抽排会改变浓度差，而不同介质浓度差异会导致溶质分子的运移；人为对围岩形态的改变产生了新的水岩接触面；水力联系的好坏等都会改变岩溶水水质。管道中没有滞留原岩溶水，但管道输水的功能依然存在，强降雨产生的过量水资源仍会顺管道排出，围岩矿床的物质会溶入水中，这一方面会将更多的物质带到下游出口进而影响地表土壤，但另一方面有利于科学研究对其他地方起到指导作用。１９９５年佛罗里达环保部门立项对“含水层储存与回采的地球化学作用”研究，结果显示，当处于氧化环境时，ＦＡＳ含水层中有３０％的铀出现，改变地下水水质［１４］，岩层物质运移不一定导致污染的发生，但会改变地下水的矿化度。

 

　　２土地利用方式与地下水物质运移

 

　　人与自然共同组成了环境，人类在自然中生存，人类活动对自然环境必然要造成一定影响。西南岩溶区生态环境脆弱，地下水的各种问题更是十分突出。人类对地下水的索取和威胁更多带来的是负效应，地下水对人类活动的响应主要表现在水量的可利用程度和水质的好坏两个方面［２３］，人类活动与地下水响应。

 

　　２．１有机物质的交换

 

　　美国海洋学家Ｒｅｄｆｉｅｌｄ［１５］通过试验证实得到海洋浮游生物中碳（Ｃ）、氮（Ｎ）和磷（Ｐ） 存在比例关系，但目前就岩溶地区系统的全球变化的贡献多集中于碳汇研究，很少涉及碳氮关系分析。土壤圈是整个地球圈层的碳库，其所含碳量是大气圈的３倍，是植物系统的２倍［１６］。

 

　　碳和氮是组成土壤有机质的重要常量元素，虽然土壤具有较高的生物多样性、结构上的复杂性和空间异质性，但在土壤和土壤微生物体内具有非常一致的碳氮磷比率。一般情况下，每一类型土壤具有稳定的Ｃ／Ｎ，约为１０～１２，土壤有机质决定于进入土壤有机质的数量、损失量以及土壤有机质的碳平衡，其重要性体现在人们理解的生物过程和养分循环［１７］。Ｃ／Ｎ可以反映植物养分利用效率， 控制植物碳生产与养分吸收、植物向土壤归还有机物质与养分过程［１８］，对生态系统中碳氮利用、贮存和转移起着决定作用［１４］，土壤碳氮比可反映土壤碳、氮的耦合关系， 探究水中碳氮磷比率是评价土壤质量水平的一个重要指标［１９］，也是岩溶地下水与土壤、地上植物联系的客观反映。

 

　　２．２无机物质的交换

 

　　典型的岩溶地下河，水中主要含有ＨＣＯ３－、Ｃａ２＋、ＳＯ４２－、Ｍｇ２＋、Ｋ＋以及ＮＯ２－、ＮＯ３－等常规离子，同时Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ和Ｃｕ、Ｐｂ、Ａｓ等重金属也有含量，但变化范围极小，基本可以认为不受其污染影响。

 

　　地下水与土壤无机物的交换集中于离子化合物ＨＣＯ３－、Ｃａ２＋、ＳＯ４２－、Ｍｇ２＋、Ｋ＋以及ＮＯ２－、ＮＯ３－等。ＨＣＯ３－、Ｃａ２＋、ＳＯ４２－、Ｍｇ２＋的变化原因可归结为岩溶水与围岩相互作用，而Ｋ＋、ＮＯ２－、ＮＯ３－等含氮化合物离子则是由于本区雨季同时也是农业活动时期，残留化肥、人畜粪便溶于水中引起。用碳同位素示踪可以得到地表水与地下水ＤＩＣ浓度和δ１３ＣＤＩＣ值时空变化，为了使用方便，利用ＰＤＢ化石（Ｐｅｅ ｄｅｅ形成的Ｂｅｌｅｍｎｉｔｅｌｌａ ａｍｅｒｉｃａｎａ 化石，一种来自美国南卡罗莱纳州海洋中的石灰石）的碳同位素比为标准，计算试验样品与标准样品偏离的千分率（‰），这样就可以获得碳同位素组成比δ１３Ｃ［１］，即：δ１３Ｃ（‰）＝（Ｒｐ／Ｒｓ－１）×１ ０００。

 

　　关于碳同位素的广泛研究不仅会帮助人类解决在水资源日益缺乏的今天如何提高植物水分利用效率的问题，更会对进一步研究不同环境因子之间的交互作用以及研究对生态健康的影响有所帮助。因而，碳同位素技术的应用必将在未来的研究中起到重要作用［２０］。

 

　　用氮同位素跟踪可得知Ｎ元素的来源，岩溶水中ＮＯ３－的形成主要与区内人类活动和降雨有关，受居民生活污水或粪便的影响洞穴裂隙水具有较高的ＮＯ３－浓度和δ１５Ｎ（ＮＯ３）值。汪智军等［２１］利用稳定１５Ｎ同位素技术发现，青木关岩溶槽谷区春季地下河水中的硝态氮来自于稻田中残留的化肥。通常以大气氮作为工作标准， 用来检测各种含氮物质的氮同位素组成。在该标准下，δ１５Ｎ（‰，ａｉｒ） 被定义为：

 

　　δ１５Ｎ（‰，ａｉｒ）＝［（１４Ｎ／１５Ｎ）样品／（１４Ｎ／１５Ｎ）大气－１］×１ ０００

 

　　２．３土壤污染物渗漏

 

　　土地利用方式的集约化增加了污染物汇聚的能力并加快了运移的速度。岩溶水强烈的溶蚀作用造成了土下岩层薄的现象，土壤对地下水的作用主要是将未被植物完全吸收的农药或化肥的残留物随土壤淋溶或者被径流带到地下水中，土壤层和岩层对污染物质的净化能力较非岩溶地区低，污染物渗漏严重，致使污染物在地下水中的运移或沉积再度成矿。土壤中的残留物多数为有机物，土壤的渗透速率成为影响有机物进入地下的决定因素。

• 　　论文部落提供核心期刊、国家级期刊、省级期刊、SCI期刊和EI期刊等咨询服务。
• 　　论文部落拥有一支经验丰富、高端专业的编辑团队，可帮助您指导各领域学术文章，您只需提出详细的论文写作要求和相关资料。
•  
• 　　论文投稿客服QQ: 2863358778、 2316118108
•  
• 　　论文投稿电话:15380085870
•  
• 　　论文投稿邮箱:lunwenbuluo@126.com