金佛山水房泉地下河流域硝酸盐来源与迁移转化

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水是生命之源,生产之要,生态之基。地下水约占地球上液态淡水的99%,是人类生产生活中的重要水源。然而,随着农业、工业、城市化、旅游快速发展,地下水硝酸盐污染成为国内外最普遍、污染面积最大的地下水污染问题,威胁着人类的供水安全。中国岩溶地下水占地下水资源总量的1/4,仅在中国西南岩溶区就有超过一亿人使用岩溶水。岩溶地区由于高渗透性的水文地质特征,地下水极易遭受硝酸盐污染,且污染后在高流速运移中难以得到有效降解。作为旅游胜地的金佛山岩溶世界遗产地,每年有大量的游客游览,导致了岩溶地下水硝酸盐污染。目前,国内外研究普遍关注了农业、城市发展背景下岩溶地下水硝酸盐来源与转化,对旅游活动影响下岩溶地下水硝酸盐来源及迁移转化过程关注很少。与此同时,硝酸盐的来源和迁移转化过程可能具有较大的时间变异性。然而,当前硝酸盐来源与迁移转化的相关研究仍以短期监测为主,这对于准确研究硝酸盐的来源和迁移转化过程是十分不利的。因此,从长时间视野下,系统地从补给、径流和排泄研究旅游活动影响下地下河流域硝酸盐来源与迁移转化过程是十分必要的。基于此,本文选取金佛山岩溶世界遗产地水房泉地下河流域为研究对象,在流域内根据地下河补给、径流和排泄的关系,设置酒店用水、化粪池污水、落水洞污水、水房泉地下水(地下河出口)、雨水、土壤水等六处代表性采样点。在2017年4月至2019年4月两个水文年期间,通过自动化监测流域降水量、地下河流量,每24d左右定期采集水样,测试水化学、硝酸盐氮氧同位素(δ15Nnitrate和δ18Onitrate),综合分析水文、水化学、δ15Nnitrate和δ18Onitrate,结合SIAR和Mix SIAR模型,研究了季节和年际尺度上硝酸盐动态、来源、迁移转化及其形成机理。综合水文、水化学和硝酸盐双同位素分析了硝酸盐及其同位素时空动态变化特征。地下河流量对大气降水响应较快,不同季节流量变化幅度较大。时间上,流域硝酸盐浓度主要在旅游高峰期升高;空间上,化粪池、落水洞污水硝酸盐浓度最高,酒店用水和水房泉地下水硝酸盐浓度基本保持在自然背景值范围内。两个水文年内,酒店用水各水化学指标和δ15Nnitrate、δ18Onitrate值稳定。酒店用水NO3浓度范围为4.41~17.61 mg/L,NO3浓度低,水质总体较好。化粪池、落水洞污水水化学指标和同位素值变幅较大。化粪池污水NO3浓度范围为0.73~105.34 mg/L,落水洞污水NO3浓度范围为0.96~86.38 mg/L,两个采样点的NO3浓度与游客人数相关性较好,主要随游客人数波动变化。水房泉地下水在两个水文年内NO3浓度范围为4.65~18.22 mg/L,水质总体较好,但在旅游高峰期(夏季伏旱和冬季干旱期),NO3浓度略微升高,硝酸盐双同位素相应变化,水质略微恶化,表明地下河水的自净能力是有限的。识别了流域硝酸盐来源及各来源贡献比例。流域δ15Nnitrate值变化范围为?0.8‰~21.5‰,δ18Onitrate值变化范围为?11.6‰~35.5‰。结合流域δ15Nnitrate、δ18Onitrate值和硝酸盐不同来源典型同位素值区间,辨别流域硝酸盐来源主要为土壤有机氮和粪肥污水。运用SIAR、Mix SIAR模型定量计算硝酸盐来源结果表明,两个水文年中,粪肥污水贡献比例最大,达60%~70%。具体地,硝酸盐来源贡献比例季节变化大,2018年雨季,粪肥污水贡献比例高达71.8%,达到两个水文年最高值,主要原因是游客人数增多所致。2018至2019年旱季,粪肥污水贡献比例降低至44%左右,达到两个水文年最低值,主要是金佛山西坡索道关闭维修,游客人数明显下降造成的。结合流域实际情况,对比SIAR和Mix SIAR模型定量计算结果,发现MixSIAR模型的计算结果更贴近流域实际情况。分析了两个水文年内地下河流域硝酸盐迁移转化规律及形成机理。通过分析水文、水化学、NO3/Cl–摩尔浓度比值和NO3浓度与δ15Nnitrate、δ18Onitrate值关系,表明酒店用水的硝酸盐转化过程主要为富氧环境下的硝化作用。酒店粪便污水在排入化粪池并经落水洞灌入含水层的过程中,粪便污水与富氧自来水混合后缓慢运移,主要发生硝化作用。然而,在游客人数增多的旅游高峰期,加之适宜的温度、厌氧或微厌氧等条件,化粪池与落水洞污水主要发生反硝化作用,降解了部分硝酸盐。雨季,污水灌入地下河后,出现了明显的稀释效应。旅游淡季(也是雨季),地下河中可能出现微生物同化作用。旅游高峰期(夏季伏旱和冬季干旱期),地下河水主要受粪便污水影响,发生硝化作用。本研究将为岩溶地下水资源的可持续开发利用和硝酸盐通量管控奠定一定的科学基础,同时也有助于我国绿水青山的保护和生态文明建设。
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