金佛山流域不同水体中氢氧稳定同位素特征及其环境意义

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岩溶水文系统作为地下水的重要存储和运移介质,因其具有高度开放性和脆弱性,容易受外界环境的影响。岩溶水系统调蓄能力差、转换迅速,高度发育的岩溶管道和地表地下二元结构,使地表污染物极易进入地下岩溶系统并随裂隙和管道扩散,污染地下水。探究岩溶区地下水的水文循环过程,对其水资源的保护具有重要意义。本文以重庆市金佛山水房泉流域为研究对象,结合当地气象资料,于2015年10月至2016年10月期间对研究区内大气降水、地表水(湖水)、地下水(泉水)、土壤水进行采样,分析不同水体中氢氧稳定同位素的变化特征及影响机制。以获取流域地下水与地表水的补给形式,进而追踪研究区水文循环的规律,为当地地下水资源的开发与保护提供基础科学依据。研究结果如下:(1)大气降水氢氧稳定同位素特征流域内大气降水δD、δ18O、d-excess具有明显的季节差异,具体表现出冬半年富集、夏半年贫化的特征,并得到当地大气降水线δD=9.49δ18O+28.7(r=0.98,n=16,P<0.01),由于海拔、蒸发条件影响,研究区大气降水线的斜率与截率偏高;大气降水δ18O与气温、降水量的统计关系表明,大气降水稳定同位素具有显著的负温度效应与降水量效应;影响研究区大气降水稳定同位素季节差异的主要原因可能是不同季节水汽来源的差异,通过选取春、夏、秋、冬四个季节不同降水事件进行后向气团轨迹模拟,证实了研究区夏半年主要是来自于海洋的西南季风与东南季风带来的降水,冬半年则受大陆气团的控制,主要是西风带的输送及局地水汽再蒸发影响。(2)地表水氢氧稳定同位素特征流域湖水δD、δ18O、d-excess较大气降水稳定,季节变化波动范围都比较小,且对降水δD、δ18O、d-excess的季节变化具有一定的延迟效应。初步确定地表水体的水线方程:δD=8.13δ18O+9.27(r=0.89,n=19,P<0.01),地表水蒸发线的斜率与截距均小于当地大气降水线,表明研究区地表水接受降水补给并受到一定蒸发作用的影响。降水通过地表径流汇入湖体中,湖水需要经过长期的滞留更替,导致湖水中δD和δ18O离散,但是湖体较小,水体与围岩接触面积小,水—岩交换作用不强烈,所以地表水蒸发线的斜率和截距偏离当地大气降水的初始值,但是偏离程度不高。(3)地下水氢氧稳定同位素特征受补给路径以及复杂含水介质的影响,地下水中δD、δ18O、d-excess较大气降水稳定,季节变化范围以及变异系数在四种水体中最小。日尺度监测下地下水δ18O与降水量、气温、相对湿度均表现出正相关关系,气温与降水量对相对湿度的控制作用影响了地下水稳定同位素的富集。冬、夏半年地下水蒸发线存在差异,冬季地下水蒸发作用强烈,受深层地下水的补给较多,还有少量的降雪融水补给,导致冬季水线斜率更低;而夏半年,地下水受降水补给比例增多,因此地下水夏半年的水体蒸发线更接近于当地降水线。(4)土壤水氢氧稳定同位素特征土壤水δD、δ18O、d-excess旱季末期及雨季初期(26月)明显偏正,而秋冬季节偏负;从不同深度的土壤层来看,土壤水稳定同位素随着土层深度的增加逐渐富集;土壤水稳定同位素基本落在大气降水线附近,说明土壤水接受大气降水补给;土壤水稳定同位素特征与降水的差异主要原因是上覆土层对降水的滞留和调蓄作用使源自不同降水事件甚至不同月份降水的岩溶水发生混合。土壤水δD、δ18O、d-excess特征与地下水非常接近,表明土壤水与地下水水分运移过程中都受到储存在岩溶裂隙中“老水”的调蓄作用。(5)金佛山水体循环规律降水是研究区地表水、地下水以及土壤水的共同补给来源,然而地表水与地下水δD、δ18O组成差异较大,动态变化也无明显响应,地表水与地下水并无直接补给上的联系。通过计算,发现降水有效补给地下水、地表水的同位素加权平均值约为(-9.11‰,-53.2‰)、(-14.3‰,-125.6‰)。以δ18O为示踪剂,计算了大气降水以及深层地下水对水房泉不同季节的补给比例,泉水的主要补给来源为深层地下水,水房泉仅在夏季受大气降水补给更直接。大气降水为本流域的主要补给来源,降水一部分直接进入水体,一部分通过径流的形式或下渗补给土壤水并最终转化为地下水或通过再蒸发重新进入大气,成为大气降水水汽来源的一部分。
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