江汉平原地下水化学特征及水流系统分析

江汉平原水质性缺水问题日益突出,识别江汉平原地下水流系统分布模式,对地下水资源的合理利用与保护具有重要意义.选取江汉平原典型区域,综合水文地质条件、水动力场及水化学同位素指标深入分析地下水补给过程、水岩作用及滞留时间.得出由于碳酸盐岩的溶解,研究区的地下水化学类型属于HCO3-Ca (Mg)型.地下水中典型离子随深度增加逐渐降低,同位素随深度增加逐渐偏负,表现出地下水流系统呈局部与区域水流系统的特点,系统深度界限在10~20m.独立而复杂的局部水流系统在平枯水期地下水向河渠地表水排泄.根据3H的含量,局部水流为现代水,水循环交替迅速.受地形控制,中深层地下水总体由西和西北向东和东南径流,汇入汉江和长江,为区域水流系统.由于补给源的高程效应,区域水流的18O值存在明显分区,指示不同的补给来源与水流路径.山前丘陵区基本为现代水,向平原腹地纵深至汉江和长江排泄区,地下水年龄在几百年至6000a不等,水循环交替缓慢.研究发现江汉平原低洼排泄区存在区域水流的顶托补给,可为原生劣质水的分布与聚集研究提供依据.     

江汉平原典型地区季节性水文条件影响下氮的动态变化规律

江汉平原东部地区地下水硝态氮和氨氮污染严重,地表水-地下水相互作用强烈,季节性水文条件变化极其显著.选取典型试验场地,对试验场内沉积物(0~25 m)氮形态进行测定,并对地下水氮含量及其他水化学指标进行连续性监测.研究表明:沉积物NO₃--N含量较高(25.8~119.48 mg/kg),是可交换态氮的主要组成部分,NH₃-N含量与TOC和TN均呈一定的正相关性,表明NH₃-N含量主要受沉积物中埋藏有机质的控制.试验场深度较深(≥2 m)地下水氮的含量和形态对地下水位波动有明显响应:雨季开始,地下水位抬升,含水介质还原性增强,NO₃--N生成受抑制且通过反应消耗,矿化作用加强,导致NH₃-N成为氮的主要赋存形态;雨季结束,地下水水位下降,含水介质的氧化性增强,NO₃--N的生成受到促进,硝化作用增强而反硝化作用减弱,导致NO₃--N的浓度增加.近地表人类活动(外源输入)对试验场浅表地层(＜2 m)地下水氮形态有明显的影响.自然或者人为因素引起的水文条件变化导致地下水流场的变化,从而改变含水介质固有的氧化还原环境,是导致试验场氮季节性变化的主要原因.      

江汉平原东部地区浅层地下水水化学特征

浅层地下水是江汉平原东部地区重要的供水水源,但面临着污染及天然水质异常等问题.基于水化学与氢氧同位素结果,并运用数理统计和因子分析等方法,查明了研究区浅层地下水的化学特征、控制过程以及影响因素.结果显示,浅层地下水的化学类型主要为HCO₃-Ca型;其中潜水中Ca2+和Mg2+含量与承压水接近,Fe、As和NH₄+含量低于承压水,而Cl-、SO₄2-、Mn和NO₃-含量高于承压水.浅层地下水主要为大气降水补给,其中潜水经历了一定程度的蒸发以及与地表水的混合.在影响浅层地下水化学特征的因素中,地质成因在总体上可能起主导作用;人类活动的输入显著地改变着潜水的化学特征,而浅层承压水则主要受径流过程中水-岩相互作用的影响.      

流域地球关键带调查理论方法:以长江中游江汉平原为例

围绕如何运用地球关键带理论解决巨型流域生态环境保护问题,在总结国内外地球关键带研究进展的基础上,结合在长江中游开展的地球关键带调查实践,将流域侵蚀基准面定义为流域地球关键带底边界,建立了流域生态环境问题库、地球四大圈层变量库和人类活动变量库;构建了以典型生态环境问题为导向的、基于地球系统四大圈层、人类活动和时间的六维环境变量矩阵;提出了流域地球关键带横向三断面和垂向五界面的结构概化模型,识别了各断面和界面的共性变量和特征变量.有效突破了传统地球关键带研究局限于小流域、环境变量梯度和生态环境问题相对单一的不足,科学回答了流域地球关键带“在哪里调查”、“调查什么”和“监测什么”的问题,初步构建了流域地球关键带调查理论方法体系,并在江汉平原进行了示范性研究.本文为长江流域地球关键带调查以及长江大保护战略的实施提供了科学依据,并为我国流域地球关键带调查理论方法体系的建立提供探索性经验.      

江汉平原高砷地下水中DOM三维荧光特征及其指示意义

水体中溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是含水层中砷释放的主控因素之一.江汉平原河湖众多、沟渠广布,地表水体与浅层地下水的交互作用使得DOM的组分特征及其强度有显著差异.为查明江汉平原地下水中溶解性有机质在砷迁移转化过程中的作用,对江汉平原地表水和浅层地下水进行三维荧光光谱分析,使用平行因子分析法提取水体中有机质的分子组成、功能特点和荧光特征,并分析各组分相对含量与地下水中砷与铁的关联.江汉平原水体中DOM包括3种主要组分,组分C1、C2为类腐殖质,C2是生物降解过程中产生的小分子,C3为类蛋白物质.地下水DOM以类腐殖质组分C1、C2为主,地表水以类蛋白类物质C3和小分子腐殖质C2为主.高砷地下水中DOM以陆源为主,主要通过两种途径促进As的迁移转化:(1) DOM的腐殖质组分充当微生物群落的电子运输工具,促进微生物作用下的有机质氧化和铁氧化物的还原,并伴随As的释放及大量溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)和HCO₃-的产生;(2) As以铁等金属阳离子为桥接物与腐殖质结合,通过形成As-Fe-DOM络合物,导致地下水中砷的迁移.      

汉江下游河流渗滤系统原生劣质地下水分布特征及影响因素研究

江汉平原原生劣质地下水问题日趋严重,地下水中砷、亚铁、锰、铵态氮含量严重超标,对居民生产生活和饮用水安全造成了不利影响,但相关研究仍较为薄弱。以汉江下游典型河流渗滤系统为研究对象,对研究区内距离汉江5 km及主要支流2 km范围内的地下水样品的水化学成分及原生劣质组分进行测试分析,旨在查明江汉下游河流渗滤系统原生劣质地下水的分布特征,并探讨其主要影响因素。结果显示:平面上,地下水原生劣质组分呈高度空间异质性,相邻的采样点浓度可能相差很大,极大值点多出现在河流拐弯处;垂向上,地下水中As、Fe²⁺、Mn、NH₄-N高值多出现在20 m左右的深度;强烈的还原环境、中性pH值和富含有机质是该层地下水富集原生劣质组分的主要原因;河流渗滤通过改变地下水的氧化还原条件、酸碱条件和有机质含量影响河流渗滤系统原生劣质地下水的分布。