基于PCA和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究旅游活動(dòng)對(duì)巖溶地下水水化學(xué)的影響

于正良,袁道先,楊平恒,李林立,謝世友

1)西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715;2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,國(guó)土資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541004

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基于PCA和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究旅游活動(dòng)對(duì)巖溶地下水水化學(xué)的影響

于正良1),袁道先1,2)*,楊平恒1),李林立1),謝世友1)

1)西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715;
2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,國(guó)土資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541004

摘 要:巖溶地下水極易遭受污染且響應(yīng)迅速,單靠幾次取樣難以揭示這種快速的動(dòng)態(tài)過(guò)程。本研究采用高分辨率在線示蹤技術(shù)確定了重慶金佛山水房泉的污染源位置,利用高密度監(jiān)測(cè)獲取了水房泉2014-12-01 至2015-03-27期間水化學(xué)信息,同時(shí)定期獲取流域內(nèi)的大氣降水、土壤水、景區(qū)假日酒店生活用水(以下簡(jiǎn)稱賓館用水)及污水樣品。結(jié)果表明:投放在假日酒店衛(wèi)生間的熒光素鈉在水房泉的回收率為82%,示蹤劑到達(dá)水房泉的最短時(shí)間和平均時(shí)間分別為26.8 h、90.3 h;水房泉泉水(以下簡(jiǎn)稱泉水)在監(jiān)測(cè)前期(2014-12-01至2014-12-14)和監(jiān)測(cè)后期(2015-03-05至2015-03-27)大部分水化學(xué)指標(biāo)的數(shù)值接近,監(jiān)測(cè)中期出現(xiàn)的3次較大幅度的波動(dòng),與游客高峰期契合。主成分分析(PCA)提取了能代表75.0%信息量的2個(gè)主成分,旅游活動(dòng)引起的pH值、溶解氧降低及電導(dǎo)率、鹽度、濁度、K+、Na+、Ca(2+)、Mg(2+)、Sr(2+)、全Fe、全Mn、SiO2、的上升,對(duì)本次監(jiān)測(cè)信息的貢獻(xiàn)率為61.2%;大氣降水則導(dǎo)致泉水流量增加、水溫降低,Al(3+)可能受到活塞效應(yīng)的影響而增加,對(duì)本次監(jiān)測(cè)信息貢獻(xiàn)率為13.8%。旅游活動(dòng)是影響該時(shí)段泉水水化學(xué)特征變化的主要因素。

關(guān)鍵詞:旅游活動(dòng);巖溶地下水;水化學(xué);PCA;金佛山

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本文由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):41103068)、重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(編號(hào):CYS14056)和巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助課題(編號(hào):KDL201402)聯(lián)合資助。

巖溶地下水是巖溶區(qū)重要的水資源,全世界20%～25%的人口把巖溶地下水作為飲用水源(Ford and Williams,2007)。巖溶水文系統(tǒng)是一種高度開放而又脆弱的系統(tǒng),土層淺薄,存在地表、地下雙層結(jié)構(gòu),地表水、地下水轉(zhuǎn)化迅速,污染物易通過(guò)較薄的土壤層或落水洞、天窗等巖溶裂隙進(jìn)入地下含水層,且?guī)r溶含水介質(zhì)發(fā)育極不均勻,自凈能力差,使巖溶地下水極易遭受污染(袁道先等,1994;章程等,2007)。目前,有大量文獻(xiàn)討論了農(nóng)業(yè)活動(dòng)(Jiang et al.,2009;Barnes et al.,2009)、工業(yè)排污(Prasad and Mondal,2008;覃政教等,2012)、城市生活污水(Rose,2007;Huang et al.,2013)等人類活動(dòng)對(duì)巖溶地下水的影響,而旅游活動(dòng)引起的巖溶區(qū)水質(zhì)惡化也有相關(guān)報(bào)道:羅健等(2013)對(duì)金佛山水房泉在國(guó)慶節(jié)和五一勞動(dòng)節(jié)期間的水溫、pH值、電導(dǎo)率、和Ca2+的變化進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)旅游活動(dòng)高峰期較多的人流量對(duì)泉水中離子的變化產(chǎn)生明顯的影響;李營(yíng)剛等(2010)的研究也發(fā)現(xiàn)在旅游季節(jié)巖溶地下水水質(zhì)變化明顯;張金流等(2013)研究表明旅游活動(dòng)在很大程度上影響了黃龍風(fēng)景區(qū)水質(zhì),并影響了鈣華沉積速率;Kova?i?等(2005)對(duì)斯洛文尼亞Sneznik高原巖溶地下水的潛在污染源進(jìn)行了評(píng)估,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域沒(méi)有常駐人口,但到訪的游客對(duì)該區(qū)域地下水水質(zhì)構(gòu)成了一定的威脅。

可見,前人就旅游活動(dòng)對(duì)巖溶地下水的影響的研究已有部分成果,但采樣密度大多較為稀疏或僅在短時(shí)期進(jìn)行加密監(jiān)測(cè),獲取的數(shù)據(jù)量較少。巖溶水對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng)十分迅速,僅靠少數(shù)幾個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)揭示這種快速變化的過(guò)程幾乎是不可能的(Ryan and Meiman,1996)。高精度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能較好地捕捉到這些快速變化過(guò)程,但產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)增加了數(shù)據(jù)處理及分析的復(fù)雜性。PCA利用降維的思想,把具有一定相關(guān)關(guān)系的變量合并為同一主成分,最終從原始變量中導(dǎo)出少數(shù)幾個(gè)主成分,使它們盡可能多地保留原始變量的信息,從而將問(wèn)題簡(jiǎn)化(Jin and Chen,2011;Ravikumar and Somashekar,2015)。

本研究以多參數(shù)水質(zhì)分析儀在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)采樣器高頻率采樣獲取了重慶金佛山水房泉2014-12-01至2015-03-27期間的泉水水化學(xué)信息,利用示蹤實(shí)驗(yàn)確定泉水潛在的污染源位置,同時(shí)定期獲取該表層巖溶系統(tǒng)中的大氣降水、土壤水、賓館用水及污水樣品;對(duì)比分析各種水體的水化學(xué)特征,并運(yùn)用PCA對(duì)泉水水化學(xué)信息進(jìn)行分析,以探明旅游活動(dòng)期間巖溶地下水水化學(xué)的變化過(guò)程及影響因素。

金佛山(28°50￠—29°20￠N,107°—107°20￠E)位于四川盆地東南部的渝黔交接帶,屬于大婁山東段,主峰風(fēng)吹嶺,海拔2238.2 m。在地質(zhì)構(gòu)造上為寬緩的向斜,軸部為二疊系碳酸鹽巖地層,發(fā)育有大型的巖溶洼地、落水洞、洞穴系統(tǒng)等巖溶形態(tài)。金佛山具有明顯的垂直氣候分帶,山體下部為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,山體上部具有溫帶氣候的某些特征,云霧多、雨量豐沛,多年平均氣溫、降水量分別為8.2℃、1434.5 mm,降水集中分布于4—10月(李林立等,2003)。

水房泉位于金佛山西坡的斷崖上,海拔標(biāo)高2050 m;出露地層為二疊系長(zhǎng)興組(P2c),下覆地層為二疊系龍?zhí)督M頁(yè)巖質(zhì)灰?guī)r(P2l),構(gòu)成相對(duì)隔水層(圖1);流域范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境良好,植被覆蓋率高。泉水流量在0.5～38 L? s–1范圍內(nèi),年平均流量為6.5 L ? s-1,大氣降水是唯一補(bǔ)給來(lái)源(Wu et al.,2008)。

由于其獨(dú)特的臺(tái)原巖溶地貌,金佛山于2014年被列入世界自然遺產(chǎn)名錄。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2014年金佛山游客接待量為51.9萬(wàn)人次,冬季的游客數(shù)是其它季節(jié)的3.1～9.7倍。游覽核心區(qū)建有較大規(guī)模的假日酒店,污水通過(guò)排污管,經(jīng)藥池壩西部的落水洞(排污口)注入地下含水層(圖1)。

1 材料與方法

1.1 示蹤實(shí)驗(yàn)

選取熒光素鈉(URANINE)和天來(lái)寶(TINOPAL CBS-X)作為示蹤劑,分別投放在假日酒店客房衛(wèi)生間和排污口所在的落水洞(圖1),投放量分別為517.83 g、321.03 g,投放時(shí)間分別為2015-01-17T20:10及當(dāng)天16:05。使用野外自動(dòng)化熒光儀(GGUN-FL30,瑞士Albilia公司)對(duì)水房泉的示蹤劑濃度進(jìn)行檢測(cè)。示蹤儀安裝于示蹤劑投放之前(2015-01-17T15:00),自動(dòng)檢測(cè)的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為5 min,直至2015-02-02T13:00實(shí)驗(yàn)結(jié)束。利用美國(guó)環(huán)?？偸鹧邪l(fā)的Qtracer2軟件(Field,2002)計(jì)算示蹤劑的回收量及相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。

1.2 在線監(jiān)測(cè)

利用Manta2多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國(guó)Eureka公司)現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)定泉水的部分水化學(xué)指標(biāo),包括水位、水溫、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、鹽度、TDS、Cl–等9項(xiàng)指標(biāo),測(cè)試精度分別為0.001 m、0.01 ℃、0.01、0.1S ? cm–1、0.1 mg ? L–1、0.1 NTU、0.1PSS、0.1 mg ? L–1、0.1 mg ? L–1,測(cè)試時(shí)間間隔設(shè)置為10 min。儀器安裝前,參照說(shuō)明書對(duì)儀器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。

為獲取泉水主要離子及其它水化學(xué)指標(biāo),在水房泉泉口安裝自動(dòng)采樣器(Sigma SD900,美國(guó)哈希公司),取樣量為1 L,取樣時(shí)間間隔設(shè)為1～2 d。為防止水樣發(fā)生脫氣及水氣交換,取樣前在取樣瓶中倒入約20 mL的液體石蠟。將獲取的水樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分裝:取50 mL水樣裝于酸洗過(guò)的聚乙烯瓶中,加入1:1 HNO35滴,用于陽(yáng)離子分析;取500 mL水樣于聚乙烯瓶中,用于陰離子測(cè)試;使用堿度計(jì)(德國(guó)默克公司)滴定水樣的精度0.1 mmol ? L–1。

圖1　研究區(qū)位置及水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Location and hydrogeology of the study area

圖2　排污口及示蹤劑回收曲線Fig.2 Photograph of sewage discharge outlet and breakthrough curves of tracers

1.3 大氣降水、土壤水、賓館用水及污水的獲取

在流域內(nèi)安放雨水收集裝置,參照我國(guó)大氣降水樣品采集與保存標(biāo)準(zhǔn)(GB 13580.2—92)進(jìn)行;使用蔣忠誠(chéng)等開發(fā)的滲流土壤水收集器(蔣忠誠(chéng),2011)獲取距地表20 cm和60 cm深處的土壤水樣品,該裝置適合在西南巖溶地區(qū)淺薄的粘土層采集土壤水。定期采集賓館用水及其產(chǎn)生的污水的樣品?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定上述水體的溫度、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、等指標(biāo)。

1.4 室內(nèi)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 示蹤實(shí)驗(yàn)

高精度在線示蹤技術(shù)因精度高、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),已在地下水調(diào)查(Smart,1988)、水庫(kù)滲漏(魯程鵬等,2009)、獲取含水層水文地質(zhì)參數(shù)(何師意等,2009)等方面得到了廣泛的應(yīng)用,在污染源示蹤方面也有相關(guān)報(bào)道(于正良等,2014)。圖2為本次示蹤試驗(yàn)的示蹤劑濃度歷時(shí)曲線,表明投放的天來(lái)寶、熒光素鈉在水房泉均有收到,回收率分別為97%、82%。較高的回收率說(shuō)明酒店、排污口所在的落水洞與水房泉之間存在水力聯(lián)系,且水房泉是該區(qū)域巖溶地下水最主要的出口。天來(lái)寶的回收率略高于熒光素鈉,可能與天來(lái)寶水溶性好,且流程短,被含水介質(zhì)較少吸附有關(guān);另一方面,熒光素鈉可能部分滯留于化糞池或在排污口發(fā)生光解。

示蹤劑回收曲線可以反映含水介質(zhì)的諸多信息。天來(lái)寶的回收曲線大體為單峰型,陡升緩降,說(shuō)明地下河為單一管道,含水介質(zhì)發(fā)育極不均勻(陳雪彬等,2013)。同樣,熒光素鈉回收曲線也為單峰型,但峰值區(qū)為鈍峰,指示示蹤劑濃度受到“地下湖”稀釋的影響,與排污管道中段有化糞池的事實(shí)相符(圖1)。

一般而言,示蹤劑的初現(xiàn)時(shí)的流速為地下水的最大流速,峰值出現(xiàn)時(shí)的流速為平均流速(Goldscheider,2008)。天來(lái)寶初現(xiàn)時(shí)間為9.9 h,峰值出現(xiàn)時(shí)間為55.1 h;熒光素鈉初現(xiàn)時(shí)間為26.8 h,峰值出現(xiàn)時(shí)間為90.3 h,即污水到達(dá)該區(qū)域巖溶地下水出口最快僅需26.8 h,平均90.3 h。若以熒光素鈉到達(dá)水房泉的最短時(shí)間t1減去天來(lái)寶到達(dá)水房泉的最短時(shí)間t2,可得污水在排污管道及化糞池池中的最短滯留時(shí)間t0=16.9 h。較短的污水處理時(shí)間,難以有效降解污水中的污染物質(zhì),加上巖溶含水介質(zhì)不均,極易造成巖溶地下水的污染。

2.2 降水、土壤水、賓館用水及污水水化學(xué)特征

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi),金佛山降水溫度偏低,平均值2.8 ℃;pH平均值僅4.12,屬于典型的酸雨;溶解氧濃度高達(dá)9.49 mg ? L–1;電導(dǎo)率偏低,平均在陽(yáng)離子中占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),體現(xiàn)了巖溶區(qū)特色;陰離子以為主,含量較低,平均值分別為0、0.08、 0 mg ? L–1(表1)。

土壤水繼承了降水的部分屬性。平均溫度4.2 ℃,略高于降水;pH值仍處于較低水平,但相對(duì)降水略有升高;溶解氧含量較高,平均值10.40 mg ? L–1;電導(dǎo)率平均值增加至反映土壤水中可溶性離子增加;Ca2+仍是主要的陽(yáng)離子,平均值31.893 mg ? L–1,K+含量較高,平均值13.055 mg ? L–1;平均含量高達(dá)42.15 mg ? L–1,是最主要的陰離子,平均值和Cl–濃度較低,平均值分別為8.1、0.01、3.86 mg ? L–1。

賓館用水來(lái)自于假日酒店?yáng)|北側(cè)的古佛洞,監(jiān)測(cè)期間平均溫度3.7 ℃,pH平均值8.21,溶解氧高達(dá)10.31,分別為最主要的陰、陽(yáng)離子,與Cl–均未檢出,等其它離子濃度處于較低水平。

污水平均溫度7.8 ℃,明顯高于降水、土壤水及賓館用水;pH平均值7.56,低于泉水及賓館用水;溶解氧含量較低,平均值僅6.10 mg ? L–1;電導(dǎo)率平均值高達(dá)693 mS ? cm–1,遠(yuǎn)大于降水、土壤水及賓館用水;各項(xiàng)離子含量均較高:K+、Na+平均濃度分別高達(dá)12.102、30.200 mg ? L–1;Ca2+、Cl–含量也處在較高水平,平均值分別為55.316 mg ? L–1、198.9 mg ? L–1、45.54 mg ? L–1、 2.99 mg ? L–1、24.39 mg ? L–1;含量較低,平均值5.04 mg ? L–1,甚至低于降水,這可能與污水中溶解氧濃度較低,硝化作用受到抑制有關(guān)。

2.3 水房泉在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)

水房泉流量波動(dòng)于1.09～6.04 L ? s–1之間,平均值2.89 L ? s–1;水溫變化于9.35～10.06 ℃,平均值9.74 ℃;pH在較短時(shí)期內(nèi)波動(dòng)強(qiáng)烈,最大值8.38,最小值僅7.40,平均值8.06;電導(dǎo)率最小值239.4S ? cm–1,最大值306.5S ? cm–1,平均值274.6S ? cm–1;濁度變化于0～151.8 NTU,平均值41.17 NTU;鹽度變化于0.10～0.13 PSS,平均值0.12 PSS,Cl–濃度變化于0.9～31.0 mg ? L–1,平均值11.6 mg ? L–1;溶解氧最小值4.72 mg ? L–1,最大值8.62 mg ? L–1,平均值7.53 mg ? L–1。

總體而言,水房泉的各項(xiàng)在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)均出現(xiàn)了一定的波動(dòng)(圖3),流量、水溫、pH值、電導(dǎo)率、濁度、鹽度、Cl–、溶解氧的變異系數(shù)分別達(dá)到了33.29%、1.23%、3.15%、6.92%、116.06%、8.34%、61.62%、11.14%。水溫和流量整體呈現(xiàn)出先下降、后上升的趨勢(shì)。與當(dāng)?shù)貧鉁貙?duì)比發(fā)現(xiàn),水溫與氣溫變化基本一致,反映巖溶地下水對(duì)地表環(huán)境變化高度敏感。pH值、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧、鹽度及Cl–在監(jiān)測(cè)前期(2014-12-01至2014-12-14)基本保持穩(wěn)定,之后在監(jiān)測(cè)中期出現(xiàn)了三次較大幅度的波動(dòng)(2014-12-15至2015-01-07、2015-01-17至2015-01-28和2015-01-30至2015-02-07,圖3陰影部分),由于儀器故障,2015-02-08至2015-03-05期間數(shù)據(jù)缺失;監(jiān)測(cè)后期(2015-03-05至2015-03-27),各項(xiàng)指標(biāo)大體回歸到監(jiān)測(cè)前期的水平。

(2)圓上的任意一點(diǎn)到定點(diǎn)(圓心)的距離等于常數(shù)(半徑)，而點(diǎn)M在橢圓上運(yùn)動(dòng)時(shí)，點(diǎn)F1、F2的位置不發(fā)生變化.請(qǐng)同學(xué)們用文字語(yǔ)言歸納,橢圓上任意一點(diǎn)應(yīng)具有怎樣的性質(zhì)呢？

表1　金佛山水房流域降水、土壤水、賓館用水及污水水化學(xué)特征Table 1 The hydrochemistry of precipitation,soil water,tap-water of hotel and wastewater in Shuifang spring basin

2.4 水房泉主要離子的變化

對(duì)泉水中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、全Fe、全Mn、Al3+、Sr2+、等離子濃度進(jìn)行了測(cè)定分析(圖4)。的變幅較小,變異系數(shù)分別為4.78%、6.84%和7.23%,而全Mn卻超過(guò)90%,其它指標(biāo)介于兩者之間,其特征信息見表2,在此不再贅述。雖然一些指標(biāo)的變化在細(xì)節(jié)上存在差異,但從總體變化趨勢(shì)來(lái)看,各項(xiàng)離子在監(jiān)測(cè)前期與監(jiān)測(cè)后期濃度水平接近,監(jiān)測(cè)中期均表現(xiàn)為較高水平,且存在3個(gè)顯著的峰值區(qū)(圖4),與在線監(jiān)測(cè)結(jié)果相似。

表2　水房泉部分可溶性離子特征值Table 2 Dissolved ion values in Shuifang spring

3 討論

監(jiān)測(cè)期間,水房泉流域處于旱季,在自然環(huán)境方面并無(wú)顯著差別。監(jiān)測(cè)中期出現(xiàn)的3次水質(zhì)急劇惡化,與該區(qū)域的旅游活動(dòng)強(qiáng)度具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系:金佛山2014-12-10開始降雪,大量游客上山賞雪,酒店的旅客接待量逐漸增加,泉水水質(zhì)于2014-12-14開始惡化,游客劇增的時(shí)間加上污水的平均運(yùn)移時(shí)間(3.8 d),與泉水水質(zhì)開始惡化的時(shí)間基本一致;12月18日是金佛山的“冰雪節(jié)”,隨后是圣誕與元旦,期間游客數(shù)量高居不下,造成了泉水水質(zhì)在監(jiān)測(cè)期間的第一次下降;而1月中旬的寒假來(lái)臨及春節(jié)前夕的游客高峰與泉水水質(zhì)惡化的后兩個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)較好。

圖3　水房泉2014年12月至2015年3月水化學(xué)指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.3 Hydrochemical parameters obtained by online monitoring at Shuifang spring from December 2014 to March 2015

圖4　水房泉2014年12月至2015年3月主要離子的變化趨勢(shì)(單位:mg·L–1)Fig.4 Variation trend of major ions in Shuifang spring from December 2014 to March 2015(unit:mg ? L–1)

pH值是衡量地下水酸堿度的重要指標(biāo),主要受流域降水、土壤、水-巖-氣作用時(shí)間的影響(劉再華等,2003)。旱季水巖作用時(shí)間長(zhǎng),巖溶水理論上更加偏堿,pH值增加,但本次監(jiān)測(cè)結(jié)果卻與之相反,說(shuō)明水巖作用不是控制泉水pH值變化的主要因素。pH值的降低與等酸性離子的輸入有關(guān)。西南地區(qū)是我國(guó)主要的重酸雨區(qū)(Tang et al.,2010),可能來(lái)自于大氣降水,但在pH大幅降低的三個(gè)時(shí)段內(nèi),并未出現(xiàn)大規(guī)模降水或冰雪融化,因而酸雨致使pH值大幅降低的可能性較小。污水中等酸性離子含量較高(表 1),pH值偏低,且二者存在直接的水力聯(lián)系,因而污水排放是造成水房泉pH值降低的主要潛在因素。

電導(dǎo)率不僅可以反映水體離子強(qiáng)度,也可以指示總離子組成與溶解態(tài)無(wú)機(jī)物質(zhì)組成(Yang et al.,2013)。pH值降低,元素遷移能力增加。來(lái)自碳酸鹽巖的溶解(Yang et al.,2010),可以反映水巖作用強(qiáng)度。造成水房泉濃度增加的原因既可能是旱季降水減少,巖溶含水介質(zhì)中的水體運(yùn)移速度減慢,水巖作用增強(qiáng),也可能是外界輸入的HNO3或H2SO4加劇了碳酸鹽巖的溶解速率。水房泉監(jiān)測(cè)期間Ca2+、Mg2+、平均值分別為52.039、1.869、155.100 mg ? L–1,賓館用水中三種離子平均含量分別為45.443 mg ? L–1、1.412 mg ? L–1、107.7 mg ? L–1,均低于泉水平均值,說(shuō)明賓館用水難以造成泉水的顯著升高。若只有H2CO3參與巖溶作用,為0.5,若HNO3或H2SO4對(duì)碳酸鹽巖進(jìn)行溶蝕,理論值應(yīng)為1(Jiang,2013),監(jiān)測(cè)期間平均值0.54,說(shuō)明HNO3、H2SO4參與了該區(qū)域的巖溶作用,使得泉水的Ca2+、Mg2+、濃度有所增加。

監(jiān)測(cè)中期,pH值、溶解氧表現(xiàn)出降低的趨勢(shì),相反,電導(dǎo)率、濁度、鹽度、Cl–則呈增加的態(tài)勢(shì)。水溫與流量變化趨勢(shì)大致相反(R2=0.56),電導(dǎo)率與pH值變化相反(R2=0.73),鹽度和Cl–變化趨勢(shì)十分接近(R2=0.76)。以上分析表明,很多指標(biāo)之間有著直接或間接的關(guān)系,增加了分析問(wèn)題的復(fù)雜性。如果對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)分析,研究將變得孤立,若人為地去掉一些指標(biāo),可能導(dǎo)致某些重要信息發(fā)生遺漏(Yang et al.,2010)。因而有必要利用PCA對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行整體分析,厘清旅游活動(dòng)期間巖溶地下水水化學(xué)指標(biāo)變化的影響因素。

對(duì)監(jiān)測(cè)期間水房泉的21項(xiàng)地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行KMO及Bartlett球度檢驗(yàn),KMO值為0.858(>0.5),球度檢驗(yàn)P值為表明各個(gè)指標(biāo)相關(guān)性較強(qiáng),且變量各自獨(dú)立,適合主成分分析。選取特征根>1的2個(gè)主成分(PC1、PC2),各個(gè)指標(biāo)的載荷、方差貢獻(xiàn)率及累積方差貢獻(xiàn)率詳見表3。2個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為61.2%、13.8%,累積方差貢獻(xiàn)率75.0%,涵蓋了本次監(jiān)測(cè)的大部分信息。

與PC1呈較強(qiáng)負(fù)相關(guān)的是pH值及溶解氧,載荷分別為–8.70、–0.839;與PC1呈較強(qiáng)正相關(guān)的是電導(dǎo)率、鹽度、濁度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、全Fe、全Mn、SiO2、Cl–、其載荷分別為0.928、0.912、0.787、0.968、0.944、0.889、0.952、0.694、0.796、0.793、0.729、0.912、0.937、 0.650。表明PC1反映了旅游活動(dòng)產(chǎn)生的污水對(duì)巖溶地下水的影響。

水房泉流域內(nèi)沒(méi)有農(nóng)業(yè)活動(dòng),農(nóng)藥、化肥對(duì)地下水的影響微弱。冬季是金佛山的旅游旺季,滯留在山上的游客數(shù)量劇增,生活污水的排放相應(yīng)增加,加之排污口與水房泉連通,極易對(duì)水房泉造成污染。污水中含有大量的酸性離子,使得泉水pH值降低;可溶性離子溶解能力增加,加上污水本身含有較高濃度的可溶物質(zhì),致使泉水電導(dǎo)率大幅度地提升。

Rose(2007)的研究結(jié)果表明,地下水中的Cl–、隨著城市化水平的增加而增加,并認(rèn)為源自排污管道及化糞池的泄漏。本監(jiān)測(cè)中,降水中K+含量遠(yuǎn)低于泉水,因而泉水中來(lái)自大氣降水的K+基本可以忽略不計(jì),土壤水和污水均有較高含量的K+。污水Na+平均值30.200 mg ? L–1,大氣降水及土壤水中的含量卻微乎其微,泉水中K+、Na+變化趨勢(shì)基本一致,相關(guān)性高達(dá)0.97,說(shuō)明兩者來(lái)源相同;同樣,大氣降水及土壤水中的Cl–、濃度很低,也不可能是泉水中的主要來(lái)源。因而水房泉K+、Na+、Cl–、來(lái)自于污水。

表3　水房泉旅游活動(dòng)期間水化學(xué)指標(biāo)的載荷、特征根及方差貢獻(xiàn)率矩陣Table 3 Eigenvector and eigenvalues on the correlation matrixes of hydrochemical parameters in Shuifang spring

Ca2+、Mg2+、Sr2+、來(lái)自灰?guī)r的溶解,污水中濃度較高的酸性離子增加了灰?guī)r的溶解速率,導(dǎo)致這四種離子在泉水中的濃度增加。全Fe、全Mn也主要來(lái)自污水,這與Mendiguchía的研究結(jié)果一致(Mendiguchía,2007)。

3.2 PC2解譯

PC1所代表的旅游活動(dòng)對(duì)巖溶地下水信息變化的貢獻(xiàn)率最大(61.2%),說(shuō)明旅游活動(dòng)引起的污水排放是監(jiān)測(cè)期間導(dǎo)致泉水水化學(xué)指標(biāo)變化的最主要因素。

4 主要結(jié)論

(1)投放在假日酒店衛(wèi)生間的熒光素鈉在水房泉的回收率為82%,較高的回收率說(shuō)明兩者存在直接的水力聯(lián)系;酒店排放的污水通過(guò)排污管及化糞池進(jìn)入巖溶含水介質(zhì)的最短時(shí)間為16.9 h,到達(dá)地下水出口(水房泉)的最短時(shí)間和平均時(shí)間分別為26.8 h、90.3 h。

(2)水房泉在監(jiān)測(cè)期間的各項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)了一定幅度的波動(dòng),地下水對(duì)地表污染響應(yīng)迅速。監(jiān)測(cè)前期和監(jiān)測(cè)后期泉水各項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)相接近且變化平穩(wěn),而在監(jiān)測(cè)中段出現(xiàn)了3次較大幅度的波動(dòng),反映地下水遭受到嚴(yán)重污染,水質(zhì)惡化的3個(gè)時(shí)期與旅游高峰期對(duì)應(yīng)較好。

(3)對(duì)監(jiān)測(cè)期間獲取的泉水水化學(xué)信息進(jìn)行主成分分析,發(fā)現(xiàn)代表旅游活動(dòng)的PC1方差貢獻(xiàn)率為61.2%,代表降水影響的PC2方差貢獻(xiàn)率13.8%,兩者共提取了本次監(jiān)測(cè)信息的75.0%,說(shuō)明旅游活動(dòng)及大氣降水對(duì)泉水水化學(xué)指標(biāo)影響較大,其中旅游活動(dòng)是最主要的控制因素。賓館排污所帶來(lái)的各種物質(zhì)已深刻地改變了巖溶地下水水質(zhì),并可能進(jìn)一步改變巖溶含水介質(zhì)的演化速率及方向,這顯然不利于世界自然遺產(chǎn)地的保護(hù)。因而,景區(qū)管理人員必須認(rèn)清現(xiàn)實(shí),統(tǒng)籌規(guī)劃,防微杜漸。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China(No.41103068),Graduate Student Research Innovation Project of Chongqing(No.CYS14056),and Key Laboratory of Karst Dynamics(No.KDL201402).

參考文獻(xiàn):

陳雪彬,周軍,藍(lán)家程,肖京格,楊平恒.2013.基于在線示蹤技術(shù)的巖溶地下河流場(chǎng)反演與水文地質(zhì)參數(shù)估算[J].中國(guó)巖溶,32(2):148-152.

國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.1992.大氣降水樣品收集與保存GB 13580.2 —92[S].北京:標(biāo)準(zhǔn)出版社.

何師意,MICHELE L,章程,汪進(jìn)良,李強(qiáng).2009.高精度地下水示蹤技術(shù)及其應(yīng)用:以毛村地下河為例[J].地球?qū)W報(bào),30(5):673-678.

蔣忠誠(chéng).2011-11-23.滲流土壤水收集器:中國(guó),CN 202049071U[P].

李林立,況明生,蔣勇軍,何多興.2003.金佛山巖溶生態(tài)系統(tǒng)初步探討[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),26(2):201-204.

李營(yíng)剛,蔣勇軍,張典.2010.旅游活動(dòng)對(duì)巖溶地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的影響——以重慶金佛山水房泉為例[J].環(huán)境污染與防治,32(12):14-17.

劉再華,GROVES C,袁道先,MEIMAN J,姜光輝,何師意.2003.水-巖-氣相互作用引起的水化學(xué)動(dòng)態(tài)變化研究——以桂林巖溶試驗(yàn)場(chǎng)為例[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),4:13-18.

魯程鵬,束龍倉(cāng),苑利波,張蓉蓉,黃幣娟,王彬彬.2009.基于示蹤試驗(yàn)求解巖溶含水層水文地質(zhì)參數(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),39(4):717-721.

羅健,蔣勇軍,李林立,李歡歡,鄭潔,吳金權(quán).2013.表層巖溶泉水化學(xué)特征環(huán)境敏感性分析——以重慶金佛山水房泉為例[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),35(1):148-154.

覃政教,林玉石,袁道先,潘勇邦,王明章.2012.西南巖溶區(qū)礦山與水污染問(wèn)題探討及建議[J].地球?qū)W報(bào),33(3):341-348.

于正良,楊平恒,谷海華,方明洋,李建鴻,陳金龍.2014.基于在線高分辨率在線示蹤技術(shù)的巖溶泉污染來(lái)源及含水介質(zhì)特征分析——以重慶黔江區(qū)魚泉坎為例[J].中國(guó)巖溶,33(4):498-503.

袁道先,朱德浩,翁金桃,朱學(xué)穩(wěn),韓行瑞,汪訓(xùn)一,蔡桂鴻,朱遠(yuǎn)峰,崔光中,鄧自強(qiáng).1994.中國(guó)巖溶學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社:133.

張金流,王海靜,董立,趙德猛.2013.世界遺產(chǎn)——四川黃龍鈣華景觀退化現(xiàn)象、原因及保護(hù)對(duì)策分析[J].地球?qū)W報(bào),33(1):111-120.

章程,蔣勇軍,MICHèLE L,王松.2007.巖溶地下水脆弱性評(píng)價(jià)“二元法”及其在重慶金佛山的應(yīng)用[J].中國(guó)巖溶,26(4):334-340.

References:

BARNES R T,RAYMOND P A.2009.The contribution of agricultural and urban activities to inorganic carbon fluxes within temperate watersheds[J].Chemical Geology,266:327-336.

CHEN Xue-bin,ZHOU Jun,LAN Jia-cheng,XIAO Jing-ge,YANG Ping-heng.2013.Flow field inversion of karst underground river and estimation of hydrogeological parameters based on online tracer technique[J].Carsologica Sinica,32(2):148-152(in Chinese with English abstract).

FIELD M S.2002.The QTRACER2 program for tracer-breakthrough curve analysis for tracer tests in karstic aquifer and other hydrologic systems[M].National Center for Environmental Assessment-Washington Office,Office of Research and Development,United States Environment Protection Agency.

FORD D,WILLIAMS P D.2007.Karst hydrogeology and geomorphology[M].New York:John Wiley &Sons.

GOLDSCHEIDER N,MEIMAN J,PRONK M,SMART Christopher.2008.Tracer tests in karst hydrogeology and speleol-ogy[J].International Journal of Speleology,37(1):27-40.

HE Shi-yi,MICHELE L,ZHANG Cheng,WANG Jin-liang,LI Qiang.2009.A high precision underground water tracing test technique and its applications:a case study in Maocun karst system,Guilin,Guangxi[J].Acta Geoscientica Sinica,30(3):673-678(in Chinese with English abstract).

HUANG G X,SUN J C,ZHANG Y,CHEN Zong-yu,LIU Fan.2013.Impact of anthropogenic and natural processes on the evolution of groundwater chemistry in a rapidly urbanized coastal area,South China[J].Science of the total Environment,463-464:209-221.

JIANG Y J,WU Y X,GROVES C,YUAN Dao-xian,KAMBESIS P.2009.Natural and anthropogenic factors affecting the groundwater quality in the Nandong karst underground river system in Yunnan,China[J].Journal of Contaminant Hydrology,109:49-61.

JIANG Y J.2013.The contribution of human activities to dissolved inorganic carbon fluxes in s karst underground river system:Evidence from major elements and δ13CDIC in Nandong,Southwest China[J].Journal of Contaminant Hydrology,152:1-11.

JIN J,CHEN Y F.2011.Assessment of groundwater quality based on principal component analysis method[J].International Journal of Civil and Structural Engineering,2(2):661-666.

JIANG Zhong-cheng.2011-11-23.Soil seepage water collector:China,CN 202049071U[P](in Chinese).

KOVA?I? G,RAVBAR N.2005.A review of the potential and actual sources of pollution to groundwater in selected karst areas in Slovenia[J].Nature Hazards and Earth System Sciences,5:225-233.

LI Lin-li,KUANG Ming-sheng,JIANG Yong-jun,HE Duo-xing.2003.Study on the karst ecosystem of mountain Jinfo[J].Journal of Sichuan Normal University(Natural Science),26(2):201-204(in Chinese with English abstract).

LI Ying-gang,JIANG Yong-jun,ZHANG Dian.2010.Study on the effect of tourism activities on dynamic variation of karst groundwater quality:a case study of Shuifang spring Jinfo Mountain,Chongqing[J].Environmental Pollution &Control,32(12):14-17(in Chinese with English abstract).

LIU Zai-hua,GROVES C,YUAN Dao-xian,MEIMAN J,JIANG Guang-hui,HE Shi-yi.2003.Study on the hydrochemical variations caused by the water-rock-gas interaction—an example from the Guilin Karst Experimental Site[J].Hydrogeology &Engineering geology,4:13-18(in Chinese with English abstract).

LU Peng-cheng,SHU Long-cang,YUAN Li-bo,ZHANG Rong-rong,HUANG Bi-juan,WANG Bin-bin.2009.Determination of hydrogeologic parameters of karst aquifer based on tracer test[J].Journal of Jinlin University(Earth Science Edition),39(4):717-921(in Chinese with English abstract).

LUO Jian,JIANG Yong-jun,LI Lin-li,LI Huan-huan,ZHENG Jie,WU Jin-quan.2013.Study on environmental susceptibility to hydrochemical variations in the epikarst spring— A case study of the Shuifang spring area in Jinfo Mountains,Chongqing[J].Journal of Southwest University(Natural Science Edition),35(1):148-154(in Chinese with English abstract).

MENDIGUCHíA C,MORENO C,GARCíA-VARGAS M.2007.Evaluation of natural and anthropogenic influences on the Guadalquivir River(Spain)by dissolved heavy metals and nutrients[J].Chemosphere,69:1509-1517.

Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China.1992.Collection and preservation of the wet precipitation sample GB 13580.2—92[S].Beijing:China Standard Press(in Chinese).

PRASAD B,MONDAL K K.2008.The impact of filling an abandoned open cast mine with fly ash on ground water quality:a case study[J].Mine Water and the Environment,27(1):40-45.

QIN Zheng-jiao,LIN Yu-shi,YUAN Dao-xian,PAN Yong-bang,WANG Ming-zhang.2012.A discussion on mine and water pollution problems in karst areas in southwest China[J].Acta Geoscientica Sinica,33(3):341-348(in Chinese with English abstract).

RAVIKUMAR P,SOMASHEKAR R K.2015.Principal Component Analysis and hydrochemical facies characterization to evaluate groundwater quality in Varahi river basin,Karnataka state,India[J].Appl.Water Sci.,doi:10.1007/s132001-015-0287-x.

ROSE S.2007.The effects of urbanization on the hydrochemistry of base flow within the Chattahoochee River Basin(Georgia,USA)[J].Journal of Hydrology,341:42-15.

RYAN M,MEIMAN J.1996.An examination of short-term variations in water quality at a karst spring in Kentucky[J].Ground Water,34:23-30.

SMART C C.1988.Artificial tracer techniques for the determination of the structure of conduit aquifers[J].Ground Water,26(4):445-453.

TANG J,XU X B,BA J,WANG S F.2010.Trends of the precipitation acidity over China during 1992-2006[J].Chinese Science Bulletin,55(17):1800-1807.

WU Y X,JIANG Y J,YUAN D X,LI L L.2008.Modeling hydrological responses of karst spring to storm events:example of the Shuifang spring(Jinfo Mt.,Chongqing,China)[J].Environmental Geology,55:1545-1553.

YANG P H,YUAN D X,YUAN W H,KUANG Y L,JIA P,HE Q F.2010.Formations of groundwater hydrogeochemical in a karst system during storm events as revealed by PCA[J].Chinese Science Bulletin,55(14):1412-1422.

YANG P H,YUAN D X,YE X C,XIE S Y,CHEN X B,LIU Z Q.2013.Sources and migration path of chemical compositions in a karst groundwater system during rainfall events[J].Chinese Science Bulletin,58(20):2488-2496.

YU Zheng-liang,YANG Ping-heng,GU Hai-hua,FANG Ming-yang,LI Jiang-hong,CHEN Jin-long.2014.Application of high-resolution online tracer technique in distinguishing the contaminant source of water resources in karst area:A case study of Yuquankan spring in Qianjiang County,Chongqing[J].Carsologica Sinica,33(4):498-503(in Chinese with English abstract).

YUAN Dao-xian,ZHU De-hao,WENG Jin-tao,ZHU Xue-wen,HAN Xing-rui,WANG Xun-yi,CAI Gui-hong,ZHU Yuan-feng,CUI Guang-zhong,DENG Zi-qiang.1994.Karst of China[M].Beijing:Geological Publishing House:133(in Chinese).

ZHANG Cheng,JIANG Yong-jun,MICHèLE L,WANG Song.2007.Duality method for assessing karst groundwater vulnerability and its application in Jinfo mountain of Chongqing[J].Carsologica Sinica,26(4):334-340(in Chinese with English abstract).

ZHANG Jin-liu,WANG Hai-jing,DONG Li,ZHAO De-meng.2012.An analysis of travertine landscape degradation in Huanglong Ravin of Sichuan,a world’s heritage site,and its causes and protection courtermesures[J].Acta Geoscientica Sinica,33(1):111-120(in Chinese with English abstract).

Influences of Tourism Activities on Hydrochemistry of Karst Groundwater Revealed by Principal Component Analysis and On-line Monitoring Technique

YU Zheng-liang1),YUAN Dao-xian1,2)*,YANG Ping-heng1),LI Lin-li1),XIE Shi-you1)
1)Key Laboratory of Eco-environment in Three Gorges Reserivoir Region,Ministry of Education,School of Geographical Sciences,Southwest University,Chongqing 400715;
2)Key Laboratory of Karst Dynamics,Ministry of Land and Resources/Guangxi Zhuang Autonomous Region,Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Guilin,Guangxi 541004

Abstract:Karst groundwater is easy to be contaminated and respond quickly,and thus it is unreasonable to reveal the fast variation processes only based on several times of sampling.In this study,the position of pollution resources of Shuifang spring was confirmed by high-resolution online tracer test,and the geochemical information of Shuifang spring from December 1,2014 to March 27,2015 was acquired via high-resolution monitoring.Furthermore,the precipitation,soil water and tap-water of Jinfo Mountain Holiday Hotel and wastewater in this basin were sampled bimonthly.The results show that the recovery of uranium injected in the holiday hotel’s toilet is 82%,the shortest time and the mean time of the tracer transport from the injected point to Shuifang spring are 26.8 h and 90.3 h respectively.The values of geochemical parameters in the spring were close between the first monitoring stage(from December 1,2014 to December 14,2014)and the last monitoring stagebook=233,ebook=108(from March 5,2015 to March 27,2015),whereas three fluctuation periods occurred during the middle monitoring stage and this phenomenon coincided well with the peak of tourism activities.PCA analysis yielded 2 principal components accounting for 75.0% of the total variance.The first component indicated the influences of tourism activities(i.e.,the decrease in pH value,dissolved oxygen and the increase in specific conductivity,salinity,turbidity,K+,Na+,Ca(2+),Mg(2+),Sr(2+),TFe,TMn,SiO2,),which accounted for 61.2% of the variability in the data.The second component represented the influences of precipitation(i.e.the increase in flow,Al(3+)and the decrease in water temperature),which contributed 13.8% to the total variance.Therefore,tourism activities were the primary factor responsible for the variation of geochemical parameters in Shuifang spring during the monitoring period.

Key words:tourism activities;karst groundwater;hydrochemistry;PCA;Jinfo Mountain

*通訊作者:袁道先,男,1933年生。研究員,博士生導(dǎo)師。主要從事水文地質(zhì)和全球變化方面的研究。E-mail:dxyuan@karst.edu.cn。

作者簡(jiǎn)介:第一于正良,男,1990年生。碩士研究生。主要從事巖溶環(huán)境研究。E-mail:yzlgxp@email.swu.edu.cn。

收稿日期:2015-09-23;改回日期:2015-12-30。責(zé)任編輯:張改俠。

中圖分類號(hào):P931.5;P641.74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.11