西南岩溶水系统的氮流失特征及模拟

由面源污染引起的水体污染问题日益突出。氮作为面源主要污染物之一，其在环境的地球化学行为复杂。岩溶地区由于"土在楼上，水在楼下"的双层空间结构，管道等快速流的存在，氮的转化运移更加特殊，但目前缺少切实可行的面源污染评价方法。本项目在西南地区选择有研究基础的典型岩溶地下河流域，开展氮的流失机制及模拟的研究。通过在线监测地下河出口的水文过程和水化学，取样分析流域内不同部位的水和出口悬浮颗粒物的氮形态、浓度以及氮、氧同位素值，推断岩溶水系统氮的来源比重，分析氮的流失特征及其影响因素。改进水文功能较为完备的SWAT模型，选择适合岩溶区的子流域和水文响应单元划分方法，增加表层岩溶带的调蓄功能，显示落水洞在水循环中的作用，模拟岩溶水系统硝态氮的流失，提出适合西南岩溶流域的面源污染迁移模型。目的是掌握西南岩溶水系统氮的流失机制及其控制因素，为国家治理面源污染的问题提供科学支撑。

地下水中氮的污染已经相当普遍，对环境影响大。岩溶含水层中氮的迁移、转化过程并不清楚。以管道流为主的岩溶水系统水文动态变化大，地下水运动速度快，水力联系密切。以网状裂隙为主的岩溶含水层地下水滞留时间相对较长，易造成面源污染。对裸露型地下河系统的研究表明，表层岩溶泉受人类活动的影响最为明显，表现为NO3-浓度最高、变化范围最广。两种主要土地利用方式下的土壤及土壤水的三氮形态及含量，在不同深度有差异，反映氮流失的部位不一致。土层氮库中硝态氮对地下水硝酸盐的贡献率仅为6.63%，表明地下水中硝态氮主要不是来源于土壤的自然淋溶，而是人类活动的输入通过地表岩溶形态如落水洞等的快速漏失。计算了该地下河流域氮的平衡率为32%，降雨期间氮的流失量占全年流失量的24%。覆盖型岩溶含水层地下水中氮的研究显示，地下水中氮的污染以点状污染为主，沿着地下水的径流方向，NO3-浓度呈明显的区带分布。该区地下水CFCs年龄为17-35年之间，不同类型地下水年龄差异小，说明含水层水力联系好。硝酸盐的δ15N值范围为5‰~25‰，δ18O值范围在5‰~10‰，表明该区地下水硝酸盐来源为家畜粪便和生活污水，也可能有土壤有机氮和化肥的混合。含水层基本处于氧化状态，但氧化还原电位大都小于250mv，表明可能存在反硝化作用。含水层地下水数值模拟基本能反映地下水的初始流场，但忽略强径流带可能会导致初始水头的偏差。研究成果提高了西南岩溶地区两种类型水系统的氮分布和运移机理的认识，为下一步岩溶含水系统氮运移模拟，进而提高地下水管理水平、保护岩溶含水层提供依据。