巖溶含水介質(zhì)各向異性綜合探究

李靜文+楊旭宏+李青文+

摘要：巖溶地下水處于土壤與巖層之間，是聯(lián)系土壤水與裂隙水的紐帶，對巖溶地下水與周圍聯(lián)系的研究有著重要意義。介紹了地下水與土壤、地下水與圍巖的作用過程，綜述了當(dāng)前人類活動(dòng)的主要方面以及產(chǎn)生的后果，系統(tǒng)闡述了地下水、土壤水和地層之間的關(guān)系，希望通過溶質(zhì)運(yùn)移研究土壤有機(jī)物流失規(guī)律。巖溶含水層水力聯(lián)系的各向異性在疏干排水過程中對地下水的動(dòng)態(tài)影響，即巖溶含水層結(jié)構(gòu)與土地利用方式差異對水化學(xué)物質(zhì)運(yùn)移的影響進(jìn)行綜合探究，并提出了一些參考意見。

關(guān)鍵詞：巖溶水；溶質(zhì)運(yùn)移；地下水響應(yīng)；水質(zhì)指示

中圖分類號(hào)：P642．２5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０14）08－1737-05

Comprehensive Studies on Aｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ Ｋａｒｓｔ Ａｑｕｉｆｅｒ Ｍｅｄｉｕｍ

ＬＩ Ｊｉｎｇ－ｗｅｎ１，２，ＹＡＮＧ Ｘｕ－ｈｏｎｇ２，ＬＩ Ｑｉｎｇ－ｗｅｎ3

（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４００７１５， Ｃｈｉｎａ； ２.Ｔａｉｙｕａｎ Ｆｉｆｔｙ－ｓｘｔｈ ｍｉｄｄｌｅ ｓｃｈｏｏｌ， Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４， Ｃｈｉｎａ； ３.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｋａｒｓｔ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔａｃｔs ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｆｉｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ， ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｎ stduying the contaction between ｋａｒｓｔ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ． Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ between ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｏｉｌ， ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ were introduced. Tｈｅ ｍａｉｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ were ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ. Tｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ， ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ was ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｔｏ ｄｒａｗ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｌｏｓｓ ｒｕｌｅ ｏｆ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｉｌ． Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｋａｒｓｔ ａｑｕｉｆｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ， ｗａｔｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ aｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｋａｒｓｔ ａｑｕｉｆｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ and ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ of ｌａｎｄ ｕｓｅ. Sｏｍｅ advices were put forward．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｋａｒｓｔ ｗａｔｅｒ； ｓｏｌｕｔｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ； ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ； ｗａｔｅｒ－ｑｕａｌｉｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ

巖溶水是人類重要的水源地，全球２５％的人口將巖溶水作為飲用水源。“大氣降水＋地表水＋土壤水＋地下水系統(tǒng)”構(gòu)成了整個(gè)巖溶區(qū)水系統(tǒng)，而巖溶地下水是其中最復(fù)雜的部分。巖溶多重介質(zhì)環(huán)境中存在物質(zhì)、能量、信息３個(gè)組成部分，由于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，水源漏失，造成農(nóng)田灌溉、城市供水、人畜飲水困難，甚至巖溶地下水污染。整個(gè)含水層和土壤－植物－大氣是一個(gè)連續(xù)開放系統(tǒng)，該系統(tǒng)對人類的任何一項(xiàng)活動(dòng)都能產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)過程。人類活動(dòng)對地下水的影響已被眾多學(xué)者研究，也取得到了可觀的成就。但人類活動(dòng)不僅在于人類在地表的作用所導(dǎo)致的土地利用與土地覆被變化，也在于人類在地下活動(dòng)，例如地下隧洞、地下排水通道的修建以及地下礦床的開采等帶來的水流流速、流量變化甚至突水事件的發(fā)生。鑒于此，研究巖溶地下水的特征顯得尤為重要。對其結(jié)構(gòu)、功能、運(yùn)行機(jī)制的正確認(rèn)識(shí)，是科學(xué)合理地解決巖溶區(qū)乃至全球與此相關(guān)的重要環(huán)境問題的關(guān)鍵。

１ 巖溶含水結(jié)構(gòu)對地下水運(yùn)移的影響

土壤系統(tǒng)與地下水系統(tǒng)密不可分，溶質(zhì)遷移、淋溶作用都是其非常重要的作用方式。土壤或地下水受到污染的問題或是土壤中的礦物質(zhì)隨著降水進(jìn)入地下，實(shí)質(zhì)是可溶性物質(zhì)在水流作用下在土壤或含水層中的運(yùn)移影響地下水性狀并使其性質(zhì)改變。一方面是土壤向地下水輸送物質(zhì)，另一方面當(dāng)?shù)叵鹿艿纼?chǔ)水量小于降水量時(shí)，地下水又會(huì)通過落水洞或出口向地表排出，反作用于地表土壤層。包氣帶中發(fā)生的各種物理、化學(xué)和生物過程與地下水作用耦合在一起， 形成一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)［１，２］，由此可見，地下水位間歇性的上升和下降造成地下水和土壤水交換頻繁。

１９６０年Ｔóｔｈ［３］設(shè)想了小流域地下水分析方法，將流域下從地表至地下的不透水邊界設(shè)想為矩形區(qū)，再用一系列參數(shù)加以糾正，將拉普拉斯方程最終演化為:

?準(zhǔn)＝ｇｚ■＋■＋■（１－ｃｏｓｂ′ｓ）＋

２■■＋■（ｃｏｓ ｍπ＋１）

·■｝

他還指出，約９０％的靜態(tài)水不會(huì)參與自然界的水循環(huán)，且地形高低會(huì)影響區(qū)域水力傳導(dǎo)和水化學(xué)特性，為模擬地下水運(yùn)動(dòng)提供了思想指導(dǎo)。Ｎｉｅ－ｌｓｏｎ首次系統(tǒng)地論述了ＣＤＥ（對流—彌散）方程的科學(xué)性和合理性，建立了溶質(zhì)運(yùn)移研究第一個(gè)成就。使用分層的矩形單元網(wǎng)格對多含水層系統(tǒng)提供了準(zhǔn)三維處理辦法ＭＯＤＦＬＯＷ［４］，被廣泛用于模擬井流、河流、排泄、蒸發(fā)和補(bǔ)給對非均質(zhì)和復(fù)雜邊界條件的水流系統(tǒng)影響，還可以反映額外補(bǔ)給源、儲(chǔ)蓄情況，但因其涵蓋范圍大對包氣帶的地下水容易出現(xiàn)無效問題，因此在調(diào)整參數(shù)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了耦合模擬。在北方巖溶區(qū)水資源與煤炭分布方式多為“煤在樓上，水在樓下”，這種特殊水文地質(zhì)格局給巖溶水資源的保護(hù)提出了更大的挑戰(zhàn)。一方面，人工通道直接將污水導(dǎo)入含水層；另一方面，大量堆置的礦渣經(jīng)雨水淋溶入滲，持續(xù)不斷地向巖溶含水層輸入有害物質(zhì)［５］。在自然狀態(tài)時(shí)，長期以來補(bǔ)給量大于地下儲(chǔ)水空間因而向地表流出，供當(dāng)?shù)鼐用裆?、生產(chǎn)之用甚至可以維持工業(yè)生產(chǎn)用水，但自從大規(guī)模開采煤炭資源以來，泉水出流量迅速減少甚至已出現(xiàn)多處斷流現(xiàn)象，如晉祠泉域原本是保障地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正常進(jìn)行以及旅游業(yè)健康發(fā)展的重要水源。但從２０ 世紀(jì)７０年代開始， 其泉流量急劇下降， 到９０年代中期全面斷流，５０年代晉祠泉群泉總流量平均為１．９４５ ｍ３／ｓ， ６０年代為１．６１0 ｍ３／ｓ，７０年代為１．２１0 ｍ３／ｓ，８０年代為０．５２0 ｍ３／ｓ［６］。泉域內(nèi)采煤排水和人工過量開采是造成泉流量減少的主要因素，究其原因一是人工開采量的影響； 二是煤礦開采排水活動(dòng)改變了泉域的水資源賦存狀況和徑流條件［７］。而南方巖溶地下結(jié)構(gòu)多為“水在煤上，水在煤里”的分布，因此必須在開采資源前將水抽出排干［８］。

１．１巖溶地下水資源調(diào)蓄

巖溶地下水是巖溶水文系統(tǒng)的一部分，而巖溶地下水文系統(tǒng)實(shí)際上是水循環(huán)系統(tǒng)在巖溶地區(qū)的一個(gè)子系統(tǒng)，其參與到整個(gè)水循環(huán)中，且扮演著重要角色。蒸發(fā)量增高會(huì)減弱降水對可溶巖的溶蝕，減少降水向地下的滲透；降水通過地表徑流、落水洞進(jìn)入地下，或者由表層土壤下滲成為地下水將地表地下水系統(tǒng)聯(lián)系起來構(gòu)成統(tǒng)一的整體。

巖溶地下水在局地小循環(huán)方面也起著至關(guān)重要的作用。巖溶水分布的不均勻性導(dǎo)致勘探成井率低，通過水域調(diào)配地表水和地下水，進(jìn)行土地整理，可達(dá)到防治旱澇的目的，并可促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的改善。一類是修建地下壩，另一類是對飽水帶巖溶水的抽水工程［９］。西南巖溶區(qū)管道結(jié)構(gòu)明顯，從各種物質(zhì)對降水的響應(yīng)來看，地下河系統(tǒng)變化速度非常迅速，暴漲暴落，地下河巖溶裂隙、管道發(fā)育高度成熟，可見其自然調(diào)蓄能力較差。此外，表層巖溶帶對地下水具有一定的調(diào)蓄作用［１０］，但由于人為地各種干涉，例如在工程建設(shè)中修筑引水渠、地下排水通道，以及鐵路、公路的建設(shè)，通過堵水或開鑿巖層改變原有地層結(jié)構(gòu)等都會(huì)增加地下含水層的各向異性變化幅度，改變原有的補(bǔ)排運(yùn)行機(jī)制，使調(diào)蓄能力下降。

１．２地下水短缺

缺水和飲水不安全的問題在巖溶山區(qū)仍然普遍存在，在貴州省僅嚴(yán)重缺水人口就有５６７萬人［１１］。西南巖溶區(qū)降水量偏多，但巖溶區(qū)的巖溶水、降水與地表水之間“三水”轉(zhuǎn)化迅速，造成地表水（河流） 極不發(fā)育，地表嚴(yán)重干旱缺水， 而豐富的巖溶地下水資源又未能充分而有效地開發(fā)利用，加上土少地薄，保水能力差［１２］，巖溶水資源的時(shí)空分配又不均勻，致使在水資源總量豐沛的喀斯特地區(qū)可利用水資源仍然很缺乏，所以常常表現(xiàn)出的是地表水貴如油，地下水滾滾流的現(xiàn)象，旱澇災(zāi)害非常頻繁，人畜飲水困難。而地下水本身又可看成一個(gè)灰色系統(tǒng)，需要更進(jìn)一步的綜合探測，盲目地開挖輸水通道或排水無疑會(huì)對局部水資源造成一定影響。

巖溶含水層水力聯(lián)系的各向異性導(dǎo)致疏干排水會(huì)嚴(yán)重影響到地下水大動(dòng)脈的動(dòng)態(tài)出現(xiàn)“一處排水，多處缺水”的尷尬處境。當(dāng)然對科學(xué)研究是會(huì)產(chǎn)生正面效應(yīng)，有助于“黑箱”明了化。疏干排水的另一個(gè)重要影響即在于使地下裂隙、管道空洞化水巖作用機(jī)會(huì)下降，圍巖支撐力下降，塌陷事件頻繁發(fā)生，介質(zhì)各向異性程度加強(qiáng)，因此可以探究含水介質(zhì)的各向異性規(guī)律及人類活動(dòng)對其產(chǎn)生的影響。礦山突水嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致礦體淹沒而使地表水灌入到礦區(qū)，造成污水增加、飲用水減少的局面。當(dāng)前西南地區(qū)城市用水多為巖溶地下水，地下水流失或污染無疑會(huì)影響到整個(gè)地區(qū)正常生活、生產(chǎn)的運(yùn)行。

１．３地下水污染

１．３．１污染情況西南巖溶區(qū)主要表現(xiàn)為巖溶多重含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此污染也具有多重特征。含水層處于中間層，腹、背任何一方變化都有可能會(huì)影響到其性質(zhì)的變化。地下水既是資源，在特定情況下又是污染源。貴州省喀斯特地區(qū)水環(huán)境的污染十分嚴(yán)重，全省主要河流凡流經(jīng)城市和工礦區(qū)的干流河段或支流河段均會(huì)遭受不同程度的污染，南明河、湘江、錦江、清水河等河流的平均污染負(fù)荷綜合指數(shù)已從１９６７年的５．２８上升到１９９３年的８．５３，增加了６２％。２０世紀(jì)９０年代以后，地表水水質(zhì)進(jìn)一步惡化，尤其是喀斯特地區(qū)的烏江水系和沉江水系水質(zhì)污染嚴(yán)重，其監(jiān)測斷面分別有６４％和７０％的水質(zhì)超標(biāo)。地下水污染也同樣嚴(yán)重，１９９３年對貴陽、遵義、安順、六盤水和凱里５個(gè)城市開采的地下水水質(zhì)監(jiān)測中，有８３％的項(xiàng)目超標(biāo)；１９９６年對上述城市的繼續(xù)監(jiān)測結(jié)果表明，地下水污染仍十分嚴(yán)重，超標(biāo)率達(dá)８１％，其中細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌含量普遍超標(biāo)，總硬度、錳、酚的年平均含量超標(biāo)率均有較大的增長。水環(huán)境的污染還加劇了喀斯特地區(qū)水資源的緊缺，致使貴州這一降雨豐富的濕潤地區(qū)也出現(xiàn)供水危機(jī)［１３］。

１．３．２巖層物質(zhì)運(yùn)移巖溶管道在水巖長期相互作用過程中基本形成了穩(wěn)定的水環(huán)境，水中各種物質(zhì)的變化處于某個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，管道水的抽排會(huì)改變濃度差，而不同介質(zhì)濃度差異會(huì)導(dǎo)致溶質(zhì)分子的運(yùn)移；人為對圍巖形態(tài)的改變產(chǎn)生了新的水巖接觸面；水力聯(lián)系的好壞等都會(huì)改變巖溶水水質(zhì)。管道中沒有滯留原巖溶水，但管道輸水的功能依然存在，強(qiáng)降雨產(chǎn)生的過量水資源仍會(huì)順管道排出，圍巖礦床的物質(zhì)會(huì)溶入水中，這一方面會(huì)將更多的物質(zhì)帶到下游出口進(jìn)而影響地表土壤，但另一方面有利于科學(xué)研究對其他地方起到指導(dǎo)作用。１９９５年佛羅里達(dá)環(huán)保部門立項(xiàng)對“含水層儲(chǔ)存與回采的地球化學(xué)作用”研究，結(jié)果顯示，當(dāng)處于氧化環(huán)境時(shí)，ＦＡＳ含水層中有３０％的鈾出現(xiàn)，改變地下水水質(zhì)［１４］，巖層物質(zhì)運(yùn)移不一定導(dǎo)致污染的發(fā)生，但會(huì)改變地下水的礦化度。

２土地利用方式與地下水物質(zhì)運(yùn)移

人與自然共同組成了環(huán)境，人類在自然中生存，人類活動(dòng)對自然環(huán)境必然要造成一定影響。西南巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，地下水的各種問題更是十分突出。人類對地下水的索取和威脅更多帶來的是負(fù)效應(yīng)，地下水對人類活動(dòng)的響應(yīng)主要表現(xiàn)在水量的可利用程度和水質(zhì)的好壞兩個(gè)方面［２３］，人類活動(dòng)與地下水響應(yīng)。

２．１有機(jī)物質(zhì)的交換

美國海洋學(xué)家Ｒｅｄｆｉｅｌｄ［１５］通過試驗(yàn)證實(shí)得到海洋浮游生物中碳（Ｃ）、氮（Ｎ）和磷（Ｐ） 存在比例關(guān)系，但目前就巖溶地區(qū)系統(tǒng)的全球變化的貢獻(xiàn)多集中于碳匯研究，很少涉及碳氮關(guān)系分析。土壤圈是整個(gè)地球圈層的碳庫，其所含碳量是大氣圈的３倍，是植物系統(tǒng)的２倍［１６］。

碳和氮是組成土壤有機(jī)質(zhì)的重要常量元素，雖然土壤具有較高的生物多樣性、結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性和空間異質(zhì)性，但在土壤和土壤微生物體內(nèi)具有非常一致的碳氮磷比率。一般情況下，每一類型土壤具有穩(wěn)定的Ｃ／Ｎ，約為１０～１２，土壤有機(jī)質(zhì)決定于進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量、損失量以及土壤有機(jī)質(zhì)的碳平衡，其重要性體現(xiàn)在人們理解的生物過程和養(yǎng)分循環(huán)［１７］。Ｃ／Ｎ可以反映植物養(yǎng)分利用效率， 控制植物碳生產(chǎn)與養(yǎng)分吸收、植物向土壤歸還有機(jī)物質(zhì)與養(yǎng)分過程［１８］，對生態(tài)系統(tǒng)中碳氮利用、貯存和轉(zhuǎn)移起著決定作用［１４］，土壤碳氮比可反映土壤碳、氮的耦合關(guān)系， 探究水中碳氮磷比率是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量水平的一個(gè)重要指標(biāo)［１９］，也是巖溶地下水與土壤、地上植物聯(lián)系的客觀反映。

２．２無機(jī)物質(zhì)的交換

典型的巖溶地下河，水中主要含有ＨＣＯ３－、Ｃａ２＋、ＳＯ４２－、Ｍｇ２＋、Ｋ＋以及ＮＯ２－、ＮＯ３－等常規(guī)離子，同時(shí)Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ和Ｃｕ、Ｐｂ、Ａｓ等重金屬也有含量，但變化范圍極小，基本可以認(rèn)為不受其污染影響。

地下水與土壤無機(jī)物的交換集中于離子化合物ＨＣＯ３－、Ｃａ２＋、ＳＯ４２－、Ｍｇ２＋、Ｋ＋以及ＮＯ２－、ＮＯ３－等。ＨＣＯ３－、Ｃａ２＋、ＳＯ４２－、Ｍｇ２＋的變化原因可歸結(jié)為巖溶水與圍巖相互作用，而Ｋ＋、ＮＯ２－、ＮＯ３－等含氮化合物離子則是由于本區(qū)雨季同時(shí)也是農(nóng)業(yè)活動(dòng)時(shí)期，殘留化肥、人畜糞便溶于水中引起。用碳同位素示蹤可以得到地表水與地下水ＤＩＣ濃度和δ１３ＣＤＩＣ值時(shí)空變化，為了使用方便，利用ＰＤＢ化石（Ｐｅｅ ｄｅｅ形成的Ｂｅｌｅｍｎｉｔｅｌｌａ ａｍｅｒｉｃａｎａ 化石，一種來自美國南卡羅萊納州海洋中的石灰石）的碳同位素比為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算試驗(yàn)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品偏離的千分率（‰），這樣就可以獲得碳同位素組成比δ１３Ｃ［１］，即：δ１３Ｃ（‰）＝（Ｒｐ／Ｒｓ－１）×１ ０００。

關(guān)于碳同位素的廣泛研究不僅會(huì)幫助人類解決在水資源日益缺乏的今天如何提高植物水分利用效率的問題，更會(huì)對進(jìn)一步研究不同環(huán)境因子之間的交互作用以及研究對生態(tài)健康的影響有所幫助。因而，碳同位素技術(shù)的應(yīng)用必將在未來的研究中起到重要作用［２０］。

用氮同位素跟蹤可得知Ｎ元素的來源，巖溶水中ＮＯ３－的形成主要與區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)和降雨有關(guān)，受居民生活污水或糞便的影響洞穴裂隙水具有較高的ＮＯ３－濃度和δ１５Ｎ（ＮＯ３）值。汪智軍等［２１］利用穩(wěn)定１５Ｎ同位素技術(shù)發(fā)現(xiàn)，青木關(guān)巖溶槽谷區(qū)春季地下河水中的硝態(tài)氮來自于稻田中殘留的化肥。通常以大氣氮作為工作標(biāo)準(zhǔn)， 用來檢測各種含氮物質(zhì)的氮同位素組成。在該標(biāo)準(zhǔn)下，δ１５Ｎ（‰，ａｉｒ） 被定義為：

δ１５Ｎ（‰，ａｉｒ）＝［（１４Ｎ／１５Ｎ）樣品／（１４Ｎ／１５Ｎ）大氣－１］×１ ０００

２．３土壤污染物滲漏

土地利用方式的集約化增加了污染物匯聚的能力并加快了運(yùn)移的速度。巖溶水強(qiáng)烈的溶蝕作用造成了土下巖層薄的現(xiàn)象，土壤對地下水的作用主要是將未被植物完全吸收的農(nóng)藥或化肥的殘留物隨土壤淋溶或者被徑流帶到地下水中，土壤層和巖層對污染物質(zhì)的凈化能力較非巖溶地區(qū)低，污染物滲漏嚴(yán)重，致使污染物在地下水中的運(yùn)移或沉積再度成礦。土壤中的殘留物多數(shù)為有機(jī)物，土壤的滲透速率成為影響有機(jī)物進(jìn)入地下的決定因素。

３展望

巖溶地下水處于土壤與巖層之間，是聯(lián)系土壤水與裂隙水的紐帶，對巖溶地下水與周圍聯(lián)系的研究意義，首先是分析地表水與地下水的關(guān)系，探討土壤水與地下水的動(dòng)力聯(lián)系，以及地下水與巖石裂隙的相關(guān)性，從而討論地下水對地質(zhì)作用、地層巖石類型、人類地下活動(dòng)的指示作用。目前，對地下水在微觀方面的研究集中于通過暴雨事件的監(jiān)測從直觀上評(píng)價(jià)水中溶質(zhì)成分、水質(zhì)狀況、水文響應(yīng)等零散內(nèi)容，宏觀上則側(cè)重水環(huán)境在生態(tài)上的影響?？傮w上看，對此缺乏系統(tǒng)的研究，而探究溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律恰好可以彌補(bǔ)這一狀況。

３．１巖溶水水質(zhì)對地質(zhì)的指示意義

巖溶地下水特殊的系統(tǒng)決定其具有特殊功能，同位素氮元素可以監(jiān)測水中含有的氮的來源，可以得到土壤與地下水的關(guān)系，土壤中的Ｃ／Ｎ反映土壤肥力，水中的碳、氮含量則可估算出植物元素利用率，進(jìn)而研究溶質(zhì)運(yùn)移的規(guī)律。水中含有的金屬離子可以預(yù)測周圍的礦產(chǎn)資源。人工補(bǔ)給和人工排水會(huì)對地下水水質(zhì)水量產(chǎn)生影響，存在離子交換吸附作用以及氧化還原作用，人工補(bǔ)給和人工排水參與到地下水循環(huán)中，對局地甚至整個(gè)地下水系統(tǒng)均有可能產(chǎn)生影響。因此無論是在自然狀態(tài)還是在人類參與下對地下水的長期監(jiān)測都具有深遠(yuǎn)意義。

３．２各向異性含水介質(zhì)的運(yùn)移對比研究

水體中的營養(yǎng)元素在研究溶質(zhì)運(yùn)移上的方法備受關(guān)注。采礦抽水會(huì)使土壤和水體營養(yǎng)鹽迅速流失；磷、氮肥的施用，導(dǎo)致磷（或硫）進(jìn)入地下水環(huán)境是化學(xué)風(fēng)化釋放的４倍多，因此會(huì)引起這些元素的二次沉降。

土壤圈和巖石圈的碳酸鹽是地球系統(tǒng)的最大碳庫，大量的碳酸鹽只是在庫與庫之間進(jìn)行簡單遷移［２２，２３］，而遷移伴隨著沉降與釋放的過程。流域排泄量是影響巖溶碳匯的主要因素，且同時(shí)受水中ＨＣＯ３－質(zhì)量濃度的控制［２４］。了解碳的遷移和變化規(guī)律成為深入理解全球碳循環(huán)乃至全球變化的重要方向。用碳同位素示蹤，地表水與地下水ＤＩＣ濃度和δ１３ＣＤＩＣ值時(shí)空變化，李廷勇等［２５］通過對碳同位素在芙蓉洞洞穴系統(tǒng)植被－土壤－基巖－洞穴滴水－洞穴現(xiàn)代沉積物運(yùn)移過程的系統(tǒng)研究，得出碳同位素（δ１３Ｃ）在芙蓉洞洞穴內(nèi)外的植物－土壤（有機(jī)碳）－洞穴滴水的運(yùn)移中表現(xiàn)出大１１‰的逐級(jí)富集效應(yīng)。用氮同位素跟蹤氮元素的來源，可得知巖溶水中ＮＯ３－的形成主要與區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)和降雨有關(guān)，受居民生活污水或糞便的影響洞穴裂隙水具有較高的ＮＯ３－濃度和δ１５Ｎ（ＮＯ３）值。植物的Ｃ／Ｎ、Ｃ／Ｐ可以反映植物對養(yǎng)分利用效率， 氮和磷又會(huì)控制植物碳生產(chǎn)、養(yǎng)分吸收以及植物向土壤歸還有機(jī)物質(zhì)與養(yǎng)分， 土壤碳氮比可反映土壤碳、氮的耦合關(guān)系， 地下水中的有機(jī)物絕大多數(shù)來自于土壤，運(yùn)用Ｃ／Ｎ、Ｃ／Ｐ在各不同含水介質(zhì)的規(guī)律評(píng)價(jià)土壤、水環(huán)境的質(zhì)量水平，并因此成為衡量土壤－地下水中有機(jī)物運(yùn)移的重要標(biāo)準(zhǔn)。

地表徑流（土壤滲透水）水化學(xué)特征除ＮＯ３－以外，其他離子濃度均表現(xiàn)出植被覆蓋坡地高于受干擾坡地的特征，不同含水介質(zhì)中溶質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程、規(guī)律和運(yùn)移速率是不同的，巖溶地下水含水介質(zhì)包括管道型、裂隙型和孔隙型。水動(dòng)力尺度大小決定溶質(zhì)運(yùn)移的特性，孔隙尺度、宏觀尺度的機(jī)械彌散也會(huì)因溶質(zhì)差異產(chǎn)生速度差異，管道型的溶質(zhì)運(yùn)移快，變化迅速易被污染也容易及時(shí)排出污染物，孔隙型巖溶水因運(yùn)移穩(wěn)定，因此對污染物的凈化也緩慢，裂隙水居于其中。水流速度不同，其所攜帶的溶質(zhì)濃度也會(huì)不同，可能形成波狀擴(kuò)散暈，但具體的特征需要進(jìn)一步研究。

不同坡面的土壤滲透水的大多數(shù)離子均表現(xiàn)出不同程度的隨時(shí)間推移濃度變化的趨勢，這是由水在土壤中的滯留時(shí)間逐漸增加所致［２６］。土壤的質(zhì)地、空隙結(jié)構(gòu)所決定的土壤滲透率與時(shí)間大致成正相關(guān)關(guān)系。土壤滲透率直接表現(xiàn)出土壤淋溶作用的強(qiáng)弱。用模擬模型研究溶質(zhì)運(yùn)移問題在國內(nèi)外備受關(guān)注，在土壤與地下水之間進(jìn)行相關(guān)研究已成為大勢所趨。

３．３加強(qiáng)人類活動(dòng)與地下水的影響研究

對于封閉性較好的巖溶槽谷區(qū)可通過定量數(shù)據(jù)與定性描述并與具體圖形相結(jié)合的形式對比探索3種含水介質(zhì)與土壤間的聯(lián)系與區(qū)別，以期給生態(tài)建設(shè)提供合理建議。①調(diào)查當(dāng)?shù)鼐用窈蛦挝坏挠盟?。②巖溶含水層各向異性的存在，抽水會(huì)造成地下水升降變化，采礦量越大，排水量越大，且會(huì)直接排泄巖溶水，要對3種不同含水介質(zhì)的排水量和流量監(jiān)測、計(jì)算，因此對抽水量與地下水流量進(jìn)行相關(guān)分析，得出相關(guān)系數(shù)。③選用合適的示蹤劑研究不同含水介質(zhì)的示蹤運(yùn)移影響帶溶質(zhì)運(yùn)移變化情況，測定同一條件下裂隙水、孔隙水和管道水的滲流速度，同一巖溶形態(tài)單元進(jìn)口段、混滲過渡段、均勻擴(kuò)散段、出口段的示蹤劑彌散特性。④分別測定土壤和水體的有機(jī)物成分、含量（或濃度）、Ｃ／Ｎ，在計(jì)算機(jī)軟件條件下繪制各溶質(zhì)濃度等值線、水中礦化度的變化，找出各溶質(zhì)的分布規(guī)律、運(yùn)移規(guī)律，最后選取模型對運(yùn)移過程進(jìn)行模擬。⑤將巖溶含水介質(zhì)統(tǒng)一于上覆土壤、巖層、底泥的三維空間中。

３．４全球變化對水環(huán)境質(zhì)量影響的研究進(jìn)展

生化反應(yīng)速率、生態(tài)效應(yīng)及補(bǔ)償機(jī)制等過程是水循環(huán)伴隨的效應(yīng)，全球變化直接的表現(xiàn)即在水循環(huán)過程中，人工引水和煤礦開采排水都會(huì)改變原有的補(bǔ)排機(jī)制，為了防止先破壞后補(bǔ)救情況的出現(xiàn)，應(yīng)有一定的預(yù)防措施。首先要加強(qiáng)水資源管理，２０１０年國務(wù)院１號(hào)文件提出“統(tǒng)籌利用地表水和地下水資源”。當(dāng)務(wù)之急，先明確研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，計(jì)算區(qū)域水環(huán)境生化反應(yīng)速率，將黑箱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為玻璃結(jié)構(gòu)。其次，在表層帶、巖溶含水構(gòu)造帶間建立與溶質(zhì)運(yùn)移、生態(tài)效應(yīng)有關(guān)的模型，構(gòu)造出人類活動(dòng)影響下植被—土壤—地下水的系統(tǒng)演變過程，進(jìn)而對未來全球變化下的人類生存提供參考意見，建立在土壤—植被—大氣大尺度界面上的水分運(yùn)移過程模型。再次，掌握區(qū)域巖溶水系統(tǒng)的水循環(huán)規(guī)律及在極端氣候條件下的可持續(xù)性，可考慮與ＧＩＳ結(jié)合建立水文地質(zhì)信息系統(tǒng)從而在技術(shù)手段上有新的突破，建立合理的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。

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