基于高分辨率技术的西南岩溶地下水系统地球化学形成研究

随着社会经济的高速发展，岩溶水资源问题已逐渐成为制约我国西南地区社会经济发展的瓶颈。西南岩溶区具有地表、地下双层特殊的水文地质结构，使得岩溶系统对外界环境具有高度的敏感性和脆弱性。岩溶地下水系统对气候的响应极其灵敏，其水质极易受到外界环境的污染。针对前人在岩溶地下水系统地球化学研究中存在的不足，本项目以地球系统科学为指导，选取川东平行岭谷区重庆青木关岩溶地下河系统为研究对象。通过对非降雨、不同雨强及施肥期等三种不同条件下研究区地下水系统输入端和输出端进行野外定位高分辨率监测和采样，获取与水-岩相互作用和外界环境输入有关的化学数据，运用地球化学、岩溶动力学、水文地质学和气象学等知识，探讨这三种不同条件下地下水地球化学的行为特征和形成。以期完善岩溶动力学理论，为岩溶地下水资源的合理开发和保护提供科学依据，为实现IGCP598国际科学目标做出项目发起国应有的贡献。

当前中国西南岩溶地下河正面临着成为“下水道”的威胁，岩溶地下水资源逐渐成为当地经济发展的瓶颈因素。本项目以地球系统科学为指导，选取重庆川东平行岭谷区典型岩溶地下水系统——青木关地下河为例，通过野外定位高分辨率监测和高密度人工观测采样，结合示踪定量解译技术、流量衰减法以及地球化学法，对岩溶地下水水文地球化学的形成进行了研究。研究发现，研究区岩溶含水介质裂隙和管道并存，二者分别占83.3%和16.7%，管道单一，直径为2.27~3.35m。由于研究区特定的水文地质条件和降雨强度，悬浮颗粒物的临界粒径为4μm，对于泉水是否受到微生物的污染可能有着重要的指示意义。项目重点研究了研究区地下水流域水化学组分的来源、迁移路径及形成过程。水-岩作用和农业活动，以及水土流失是研究区岩溶地下水化学组分的主要来源。K+、Na+、NO3-、Cl-和PO43-等离子从地表输入后，与碳酸盐岩溶解产生的Ca2+、Mg2+、Sr2+和HCO3-等一并存储于裂隙、孔隙和溶隙等岩溶非饱和带中，受岩溶非饱和带的调蓄。这些离子在降雨期间随扩散流补给地下河，其浓度较为稳定，变异系数低。而土壤中的全Fe、全Mn和Al3+等未经岩溶非饱和带的调蓄，在降雨期间随坡面漫流直接通过落水洞灌入地下河，其浓度极不稳定，变异系数高。农业活动和水土流失输入的物质严重威胁着岩溶地下水生态环境和当地居民的健康，因而有必要加强岩溶生态系统管理工作，从控制岩溶地下水外界物质输入端的源头抓起。