暴雨對(duì)地下河理化性質(zhì)的影響

李天衡

碳酸鹽巖地區(qū)在CO2和H2O的作用下被溶蝕產(chǎn)生溶隙、溶洞，甚至發(fā)育出地下河，如位于重慶南山的總長(zhǎng)約6km，常年流量50～80L/s的老龍洞地下河。地下河出口處形成溶洞，成為AA級(jí)景區(qū)。有約600m可步行進(jìn)入，再向內(nèi)約400m可劃船進(jìn)入。老龍洞地下河流域面積約12km2，屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，年均降水量約1100mm，主要集中在5～9月。巖溶區(qū)地表發(fā)育土壤層薄，甚至缺失，再加上巖溶管道、裂隙、落水洞、豎井發(fā)育，因此地表與地下河聯(lián)系緊密，降水會(huì)導(dǎo)致地下河物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生變化。為研究暴雨對(duì)地下河理化性質(zhì)的影響，于2015年7月21日至26日一場(chǎng)64mm的暴雨期間對(duì)地下河水溫、水位、流速、pH值以及含量較高的Ca2+和HCO3-進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

一、實(shí)驗(yàn)方法

地下河出口處有一人工修建的矩形溝渠，為測(cè)量工作提供了方便。監(jiān)測(cè)工作白天每4小時(shí)進(jìn)行一次，晚上8小時(shí)一次。實(shí)驗(yàn)器材和方法：①用卷尺測(cè)得矩形渠寬2.10m，數(shù)根筆直的竹竿或木棍、卷尺用于測(cè)量水位：將木棍或竹竿豎直插入水中反復(fù)測(cè)量水深，求平均值。②旋杯式流速儀（精度為0.001m/s）用于測(cè)定地下河水流速度：將流速儀置于地下河道中斷面不同位置反復(fù)測(cè)定流速，求平均值。根據(jù)公式1（Q=10HLV）用測(cè)到的水位和流速計(jì)算流量。式中：Q為流量（L/s）；H為水位（cm）；L為矩形溝渠寬度（m）；V為流速（m/s）。③使用德國(guó)（WTW公司）Multi3430便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀：測(cè)定水溫、pH值，測(cè)量精度分別為0.1℃、0.01pH單位。④用鈣離子試劑盒（德國(guó)Merck KGaA）測(cè)定水中的Ca2+、HCO3-濃度，精度分別為0.1mg/L和0.1mmol/L。⑤降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于http：//rp5.ru/重慶市天氣_。

二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.降水

本次降水共64mm，從7月21日22：00開(kāi)始至23日15：00結(jié)束，并伴有閃電。降水開(kāi)始后的24小時(shí)降水量達(dá)62mm，屬于暴雨，主要集中在21日22：00至23日10：30，用origin軟件作出圖1，最大降水出現(xiàn)在7月22日6：30，半小時(shí)降水量8.4mm?？紤]到從降水到匯集入地下河并流出將經(jīng)歷一定時(shí)間，因此，觀測(cè)、采樣從7月21日23：00開(kāi)始，到7月26日12：00左右，水位、流速、電導(dǎo)率、Ca2+、HCO3-等主要指標(biāo)基本恢復(fù)到降水前水平，停止觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)間共109小時(shí)。

2.流量

地下河流量變化很大，從降水前的172 L/s迅速增加到1901 L/s，增幅超過(guò)10倍，表明降水對(duì)地下河流量影響十分明顯（圖1）。從變化過(guò)程看，在降水8小時(shí)后流量迅速增加到最高值，隨著降水的停止，水位逐漸降低，經(jīng)過(guò)95小時(shí)后，仍未能恢復(fù)到降水前流量。這種地下河流量隨暴雨陡漲緩落的現(xiàn)象，說(shuō)明該區(qū)屬管道與裂隙組合的地下水系統(tǒng)，地表與地下河通過(guò)落水洞、豎井等管道直接相通，同時(shí)有深部裂隙和溶隙的調(diào)節(jié)，并以管道流為主。

3.水溫

降水期間老龍洞地下河水溫度平均22.5℃，變化范圍21.5～23.5℃；氣溫21.8～34.7℃，平均25.85℃。可見(jiàn)，地下河水溫明顯低于氣溫，變幅遠(yuǎn)小于氣溫，表現(xiàn)出土壤、巖層對(duì)水溫的調(diào)節(jié)作用，使地下河處于相對(duì)恒溫狀態(tài)。從變化過(guò)程看，水溫并沒(méi)有隨著流量的上升而迅速降低，而是在流量達(dá)到最大值時(shí)才開(kāi)始降低，體現(xiàn)出降水進(jìn)入地下河路徑的復(fù)雜性。降水并不僅僅從落水洞快速進(jìn)入地下河，還從裂隙、溶隙等下滲進(jìn)入。降水前，裂隙、溶隙中充滿溫度較高的水，降水時(shí)將這部分水先擠壓進(jìn)入地下河，因此水溫起初并不出現(xiàn)隨流量的增加而下降的現(xiàn)象。然后隨著降水停止，降水對(duì)地下河的影響逐漸減小，水溫逐漸隨氣溫的變化而變化。

4.PH值

降水過(guò)程中PH值平均7.02，呈弱堿性，體現(xiàn)了巖溶區(qū)地下水的基本水化學(xué)特點(diǎn)。PH值變幅為6.98～7.09，相對(duì)較穩(wěn)定。隨著降水的來(lái)臨和流量的上升，PH值呈逐漸降低趨勢(shì)（圖1），到22日21：00降至最低，這可能與重慶降水呈酸性有關(guān)。隨后，暴雨的影響減小，PH值略有回升并出現(xiàn)波動(dòng)。

5.Ca2+

根據(jù)方程1（CaCO3+CO2+H2O = Ca2+ + 2HCO3-）可知，地下水中Ca2+主要來(lái)源于碳酸鹽巖的溶解。研究時(shí)間內(nèi)Ca2+平均質(zhì)量濃度103.92mg/L，變化范圍92～118 mg/L，體現(xiàn)了巖溶區(qū)地下水的基本水化學(xué)特點(diǎn)。暴雨后隨著流量的增加Ca2+出現(xiàn)了短暫升高（圖1），這可能是因?yàn)榻邓龔穆渌粗苯舆M(jìn)入地下河外，還進(jìn)入裂隙、溶隙，將其中原有的高Ca2+濃度的地下水?dāng)D壓進(jìn)入地下河。隨著流量的增加，Ca2+濃度迅速降低，在pH值降到最低時(shí)，Ca2+濃度也降到最低。說(shuō)明此階段原來(lái)存儲(chǔ)在裂隙、溶隙中的“老水”已全部流出，低Ca2+濃度的降水經(jīng)溶隙、裂隙進(jìn)入地下河，體現(xiàn)出降水對(duì)地下河水的稀釋效應(yīng)。隨后，降水對(duì)地下河影響減小，伴隨著pH值的升高Ca2+濃度波動(dòng)上升，但二者變化趨勢(shì)并不完全同步。

6.HCO3-

根據(jù)方程1（CaCO3+CO2+H2O = Ca2+ + 2HCO3-），地下河中HCO3-也主要來(lái)源于碳酸鹽巖的溶解。研究時(shí)間內(nèi)HCO3-平均質(zhì)量濃度215.85mg/L，變化范圍195.2～262.3 mg/L。HCO3-的質(zhì)量濃度在降水期間并沒(méi)出現(xiàn)與Ca2+相似的短暫升高過(guò)程（圖1），而是隨著降水的稀釋作用濃度迅速降低，然后跟隨Ca2+波動(dòng)升高，但HCO3-最低值出現(xiàn)時(shí)間與Ca2+并不一致。說(shuō)明該地下河中Ca2+ 與HCO3-并不完全同源，可能與該地下河污染較嚴(yán)重，大量有機(jī)物分解后產(chǎn)生了HCO3-有關(guān)。

三、結(jié)論

暴雨對(duì)地下河理化指標(biāo)均產(chǎn)生不同程度的影響。流量對(duì)降水的反應(yīng)非常迅速并且變幅最大。降水對(duì)水溫和pH值影響不大，但對(duì)Ca2+ 與HCO3-影響顯著。說(shuō)明巖溶區(qū)地下河與地表聯(lián)系緊密，地表污染物也可以通過(guò)暴雨直接進(jìn)入地下河，造成地下河污染。由此可見(jiàn)，分析暴雨期間地下河理化性質(zhì)的影響對(duì)了解地下河污染情況有重要意義。

作者單位：西南大學(xué)附屬中學(xué)高一（13）班（400700）