岩溶槽谷区隧道建设对土壤水和地下水滞留时间的影响——以重庆市中梁山为例

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我国西南岩溶地区具有独特的地表-地下二元结构,地下含水层强烈发育,地表水缺失,土壤水和地下水是岩溶地区最主要的水资源。随着经济的发展和技术的进步,西南岩溶地区隧道建设数量和规模得到了前所未有的发展。隧道建设破坏地下含水层结构,降低地下水水位,切断了地表水、土壤水和地下水之间的联系,改变土壤结构,影响土壤水和地下水运动形式和滞留时间,最终影响整个水文循环过程。因此,岩溶地区隧道建设对土壤水和地下水滞留时间的影响的相关研究有利于深化关于隧道工程影响下的岩溶水循环的认识,为区域水资源管理、水污染防治和生态治理提供一定的理论依据。本研究以中梁山典型岩溶槽谷为研究区,选取建有重庆市轻轨6号线北碚隧道、渝武高速北碚隧道和绕城高速施家梁隧道的北部龙凤槽谷(隧道影响区),以及隧道影响较小的南部龙车槽谷(无隧道影响区)为主要研究对象,通过自动化气象站获取气温和降雨量数据,使用高精度仪器监测地下河流量和土壤含水率,获取降水、土壤水、地下水和隧道排水的氢氧稳定同位素数据,分析降雨事件下土壤含水率和地下河流量的时间变化特征,以氢氧稳定同位素示踪为主要手段,结合lc-excess质量平衡和流量衰减曲线方法,探讨隧道影响区和无隧道影响区的土壤水和地下水的运动形式和滞留时间,进而揭示隧道工程对岩溶槽谷区土壤水和地下水平均滞留时间的影响。主要研究结论如下:(1)大气降水δ18O、δ~2H和d-excess值雨季偏轻,旱季偏重。研究区土壤水和地下水δ18O和δ~2H值的变化趋势与大气降水δ18O和δ~2H值的变化趋势相似,但存在一定的滞后性。(2)隧道影响区林地0-20 cm和20-40 cm土壤容重相较于无隧道影响区的降低了9.70%和10.14%,孔隙度增加了4.91%和5.29%,土壤含水率减少了2.7%左右。在大雨事件下,隧道影响区和无隧道影响区0-20 cm和20-40 cm土壤含水率在一定时间的延迟后几乎同时反应;中雨条件下,隧道影响区土壤含水率对降雨响应更加迅速,浅层和深层土壤含水率对降雨响应的时间差小于无隧道影响区,这表明研究区土壤水运动同时存在活塞流和优先流。隧道影响区和无隧道影响区土壤水运动中活塞流的比例为76%和87%,土壤水运动主要以活塞流为主,隧道影响区土壤优先流程度较无隧道影响区高11%。(3)无隧道影响区0-20 cm土壤水的平均滞留时间较隧道影响区滞后了10天,20-40 cm土壤水的平均滞留时间较隧道影响区滞后了27天,隧道影响区上层土壤水和下层土壤水平均滞留时间的差距更小;无隧道影响区0-20 cm和20-40 cm土壤水的“新水”比例比隧道影响区的减少了6.2%和11.7%,隧道影响区上层土壤水和下层土壤水“新水”比例的差距更小。(4)隧道影响区凤凰地下河的流量对降雨事件响应灵敏,水文过程曲线呈现暴涨暴落,后续衰减相对缓慢的过程。地下河的流量衰减过程主要分为两个阶段:衰减初期主要以管道流(快速流)为主,衰减系数大,持续时间短;衰减中后期主要以裂隙流、孔隙流为主,衰减系数小,持续时间长。与无隧道影响区相比,隧道影响区地下水的δ18O和δ~2H值偏轻且变化幅度较小。研究区地下水和隧道排水的d-excess值在旱季多负值,其大小总体表现为:浅层地下水>地下河水>隧道排水,隧道影响区地下河水>无隧道影响区地下河水,这表明隧道影响区地下水运动较快,滞留时间更短。无隧道影响区地下河水的平均滞留时间比隧道影响区地下河水的平均滞留时间延迟了0.28年,而“新水”比例相似(隧道影响区多1.2%)。综上所述,隧道建设导致研究区地下水位下降,土壤含水率降低,土壤孔隙度增大,在降雨事件下,隧道影响区土壤优先流相较于无隧道影响区显著,土壤水下渗速度快,且与土壤中原有滞留水分的混合作用弱,因此隧道影响区土壤水滞留时间短,“新水”比例高。同时,隧道建设疏干了研究区上层管道、裂隙和孔隙中大部分水,地下河流量降低,降雨事件下,管道快速流显著,流量响应和衰减过程短暂,与地下含水介质中的原有滞留水分的混合作用弱,并且入渗补给的土壤水的滞留时间短,因此隧道影响区地下水滞留时间短。
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