环境科学  2016, Vol. 37 Issue (7): 2478-2486   PDF    
引用本文
张宇, 杨平恒, 王建力, 谢世友, 陈峰, 詹兆君, 任娟, 张海月, 刘黛薇, 孟元可 . 河水-地下水侧向交互带地球化学特征:以重庆市马鞍溪为例[J]. 环境科学,2016, 37(7): 2478-2486.
ZHANG Yu, YANG Ping-heng, WANG Jian-li, XIE Shi-you, CHEN Feng, ZHAN Zhao-jun, REN Juan, ZHANG Hai-yue, LIU Dai-wei, MENG Yuan-ke . Geochemical Characteristics of Lateral Hyporheic Zone Between the River Water and Groundwater, a Case Study of Maanxi in Chongqing[J]. Environmental Science,2016, 37(7): 2478-2486.
河水-地下水侧向交互带地球化学特征:以重庆市马鞍溪为例
张宇1,2 , 杨平恒1,2 , 王建力1,2 , 谢世友1,2 , 陈峰1,2 , 詹兆君1,2 , 任娟1,2 , 张海月1,2 , 刘黛薇1,2 , 孟元可1     
1.西南大学地理科学学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715;
 2.国土资源部岩溶生态环境-重庆南川野外基地, 重庆 408435
收稿日期: 2015-12-20; 修订日期: 2016-01-25.
作者简介: 张宇(1992~),男,硕士研究生,主要研究方向为地球化学,E-mail:18306005928@163.com
通讯联系人, E-mail:balance@swu.edu.cn
摘要: 河水-地下水交互带是河水与地下水相互交换和混合的区域,在河流、地下水生态和水质的保护方面具有重要作用.为了解河水-地下水侧向交互带地球化学特征,以重庆市马鞍溪为研究对象,对河水及交互带的水温、溶解氧(DO)、pH值、电导率(EC)进行自动监测,结合对水样离子浓度和交互带沉积物中元素含量的分析.结果表明,马鞍溪侧向交互带水化学类型为HCO3-Ca·Mg型.监测期间交互带受河水入渗影响为主,交互带的缓冲作用使其温度、DO、pH值、EC等指标变异系数较河水低.随距河岸距离的增加,马鞍溪侧向交互带在物理、化学、生物综合作用下形成了迅速进入缺氧状态的氧化还原环境,以及pH值先降低后升高的酸碱环境.在其影响下,K+、NH4+-N、NO3-、SO42-呈下降趋势,全Mn、EC、Na+、Ca2+、Mg2+、Sr2+等先上升后下降,全Fe、Al3+等呈上升趋势.受河水、地下水长期交互影响,在距河岸约30 cm处的交互带沉积物中元素含量较高,形成独特的水化学梯度.据此可推断出马鞍溪侧向交互带边界可能在距河岸30~50 cm处,其中浅层交互带的边界可能在距河岸10 cm左右的位置.在河水补给地下水过程中,河水-地下水侧向交互带对净化水质有重要作用.
关键词: 交互带      地球化学      梯度特征      河水入渗      马鞍溪      重庆     
Geochemical Characteristics of Lateral Hyporheic Zone Between the River Water and Groundwater, a Case Study of Maanxi in Chongqing
ZHANG Yu1,2 , YANG Ping-heng1,2 , WANG Jian-li1,2 , XIE Shi-you1,2 , CHEN Feng1,2 , ZHAN Zhao-jun1,2 , REN Juan1,2 , ZHANG Hai-yue1,2 , LIU Dai-wei1,2 , MENG Yuan-ke1     
1.Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China;
 2.Field Scientific Observation & Research Base of Karst Eco-environments at Nanchuan in Chongqing, Ministry of Land and Resources, Chongqing 408435, China
Abstract: The hyporheic zone is a place where river water and groundwater mutually exchange and mix. It plays an important role in protecting the ecology and water quality of river water and groundwater. In order to study the geochemical characteristics of lateral hyporheic zone in river and ground water, water temperature, dissolved oxygen, pH, electrical conductivity were measured automatically at the hyporheic zone of Maanxi in Chongqing. The concentrations of ions in water and elements in sediment within the hyporheic zone were also analyzed. The results showed that the hydrochemical species of lateral hyporheic zone in Maanxi was HCO3-Ca·Mg. Affected by the infiltration of river water, the coefficient variations of water temperature, dissolved oxygen, pH and electrical conductivity in the hyporheic zone were lower than those observed in the river under the buffer action. Along with the farther distance from the riverbank, an anoxia redox environment was formed in the hyporheic zone due to a physical, chemical and biological interactions. An acid and alkali environment was also formed with a decreasing pH trend near the riverbank and hyporheic zone. Under its influence, concentrations of K+, NH4+-N, NO3- and SO42- decreased. Mn, electrical conductivity, and the concentrations of Ca2+, Mg2+, Ba2+ and Sr2+ firstly increased and then decreased, while the concentrations of Fe, Al3+ were elevated. Affected by the long-time interaction of river water and groundwater, the elementary concentrations in the sediment were relatively high at the place of about 30 cm away from the riverbank. This consequently formed a hydrogeochemical gradient in the hyporheic zone. The boundary of the hyporheic zone was inferred at 30 to 50 cm away from the riverbank, whereas the boundary of shallow hyporheic zone was located at 10 cm away from the riverbank. In the process of river water recharging groudnwater, hyporheic zone of river and groundwater played an important role in the purification of water quality.
Key words: hyporheic zone      geochemistry      gradient feature      infiltration of river water      Maanxi      Chongqing     

河水-地下水交互带(交互带)，又称潜流带或交错带，是指位于河流河床下并延伸至河岸两侧的水分饱和的沉积物层，是河水与地下水双向迁移和混合的区域[1～3]，其范围主要指地表水质量分数为10%~98%的区域[4]. 河水-地下水相互交换和混合形成交互流，驱动着这一区域复杂的生物地球化学过程，形成交互带特定的物理、 化学和生物梯度[5～8]. 交互带独特的理化性质为一些生物提供了栖息地，按照其中生物量的多少可以将其划分为浅层交互带和深层交互带，大多数的无脊椎动物和微生物出现在浅层交互带内[9, 10]，在保护河流生态系统的健康方面具有重要意义[6]. 交互带为河水-地下水提供了一个水位、 温度和化学变化的缓冲带，许多污染物质在交互带内得到净化，对河流和地下水水质具有重要的保护作用[11～15].

目前国内关于交互带在地球化学特征方面研究很薄弱，且主要集中于河床下方以垂向交互流作用为主的交互带，而对于河床两侧存在的侧向交互流作用形成的交互带关注较少[7, 11]. 由于侧向交互带位置特殊，与河岸带下边缘相交并受河岸带边缘效应影响[16, 17]，相比河床下方交互带具有复杂的交互流作用机理和独特的物理化学特征[18, 19]，且在调蓄洪水、 削减污染、 保护生态环境等方面功能强大，使其必将成为各学科研究的热点[6,20~22]，对河水-地下水侧向交互带地球化学特征的研究也是对交互带认识的重要补充.

本文选取嘉陵江支流马鞍溪作为研究区域，通过分析河水-地下水相互作用过程中水物理化学指标的梯度特征，推测河床侧向交互带的范围，探讨交互带对河水和地下水的影响，以期为水体自净化能力评估和水资源的科学利用提供依据.

1 研究区概况

马鞍溪位于重庆市北碚区(图 1)，为嘉陵江右岸一级支流，发源于缙云山脉，全长8.13 km，流域面积14.47 km2，平均坡降约为55‰，多年平均流量为0.19 m3·s-1. 11月至次年4月为枯水期[23]. 气候类型属亚热带季风气候，流域内气候特点为： 风力小，湿度大，日照少，流域内年平均降水量约为1107.1 mm，降水的季节分配不均匀，主要集中于初夏(5~6月)和秋季的9~10月. 马鞍溪流域主要地层为中侏罗统沙溪庙组二段(J2s2)，岩层主要岩石为灰紫色细粒长石砂岩. 流域西北为缙云山，东南为北碚城区内猪背脊，地貌主要为构造丘陵和河谷地貌，地势西北高，东北低[23](图 1). 马鞍溪流域内工业主要集中于上游城南新区，流域内条件较好的地区被开垦为耕地，水土流失严重，受城镇生活污水、 工业废水污染严重.

图 1 马鞍溪交互带监测点位置及布点示意 Fig. 1 Location and distribution of the monitoring points within hyporheic zone in Maanxi

研究点位于马鞍溪中游湿地公园内溪流右岸的一处河漫滩上，该段地势相对平坦，平均坡度约7°，河漫滩右侧阶地平均坡度约12.5°，植被类型为草地(图 1).

2 研究方法 2.1 实验布点

为研究河流侧向交互带地球化学特征，在河漫滩上距河岸10 cm起，垂直于河岸线每隔20 cm布直径7.5 cm、 深度100 cm的观测井，共3个(图 1)，观测井在河流水位以下开孔以减少对交互流的影响. 监测期间对河水进行同步观测，并在距河岸150 cm处的阶地上设置观测井监测地下水状况(图 1). 观测井编号自河流至阶地依次为MAX1至MAX4.

2.2 样品采集与测试

土壤机械组成： 采集各观测井60~80 cm深度沉积物样品，样品编号与观测井相同. 自然风干后，部分样品过50目筛，使用比重计法分析沉积物机械组成. 部分样品过100目筛，分别准确称取0.10 g样品置于微波消解罐中，加入2.5 mL硝酸，7.5 mL盐酸，加盖密封，使用Speedwave型微波消解仪(德国Berghof公司)对样品进行消解，冷却后转移至50 mL容量瓶中，定容至标线，待测.

阳离子： 用润洗好的60 mL高密度聚乙烯瓶采集河水及各观测井水样，用于检测阳离子，水样中滴1∶1 HNO3，酸化至pH值＜2后密封于暗箱，4℃保存至检测. 沉积物消解样品及水样的阳离子质量浓度使用ICP-OES Optima 2100DV(美国PerkinElmer公司)完成检测，仪器偏差＜2%. 为便于与水样离子浓度比较，沉积物元素含量单位由mg·kg-1换算为mg·L-1.

阴离子： 用润洗好的350mL聚乙烯瓶采集河水及各观测井水样，用于检测阴离子，水样密封于暗箱，4℃保存至检测. 水样的阴离子质量浓度使用DR2800型便携式分光光度计(美国HACH公司)完成检测，NO3-、 Cl-精度为0.1 mg·L-1，SO42-精度为1 mg·L-1.

为进一步了解交互带的水文地球化学梯度，使用Multi3430便携式多参数水质分析仪(德国WTW公司)，自动记录河水和MAX1、 MAX2观测井入渗水的温度、 pH值、 电导率(EC)、 溶解氧(DO)质量浓度，其分辨率分别为0.1℃、 0.001 pH单位、 1 μS·cm-1和0.01 mg·L-1，测试间隔设定为5 min. 仪器在自动记录之前校准，EC电极用1412 μS·cm-1标准液校准，pH电极用pH值为4.01和7的两种缓冲溶液校准，DO电极用饱和水蒸汽校准. 同时，实验结束后将EC、 pH值、 DO探头放入标准液中验证，数据偏差在5%以内. 使用碱度试剂盒(德国Merck公司)现场滴定测定河水和各观测井入渗水的HCO3-，精度为0.1 mmol·L-1. 使用DR2800型便携式分光光度计现场测定河水和各观测井入渗水的NH4+-N，精度为0.01 mg·L-1. 用WATSPEC计算机软件计算了各采样点水体的方解饱和指数(SIc)和CO2分压(pCO2).

监测期间使用位于西南大学的CR1000型气象站(北京天诺基业科技有限公司)自动记录监测点的温度和降雨量，其精度分别为0.01℃和0.001 mm，读数间隔设定为10 min.

于2015年10月13日设置观测井并采集土样，交互带动态监测始于2015年10月17日10：20，止于次日17：20，约31 h. 监测期始末分别进行一次水位深度测量、 阴阳离子水样的采集和HCO3-、 NH4+-N的现场测定. 各监测点水位深度以监测末期河水水位为参考. 监测期间主要为阴雨天气.

3 结果与分析 3.1 马鞍溪监测点水化学特征

图 2为马鞍溪及各观测井水化学特征. 从中可以看出河水水化学类型为HCO3-Ca型，交互带(MAX1~3) 、 地下水(MAX4) 观测井水化学类型为HCO3-Ca·Mg型，马鞍溪交互带各观测井水化学特征较为相似.

图 2 马鞍溪各采样点水化学Piper图 Fig. 2 Piper plot for hydrochemistry of sampling points in Maanxi

3.2 马鞍溪侧向交互带地球化学特征

在河流及其沉积物中的有机物浓度、 交互带水动力条件、 沉积物特征、 温度、 氧化还原环境、 酸碱环境等条件共同影响下，形成了交互带独特的水物理化学梯度变化，微生物在各种生物化学反应中占有重要作用[8,24~27]. 马鞍溪受污染较为严重，河流及底泥中耗氧有机物质量浓度高，马鞍溪入嘉陵江口的COD达30.9 mg·L-1[23]，是微生物消耗氧气、 硝酸盐等的重要驱动力，为交互带地球化学梯度的形成提供了条件[8].

3.2.1 水动力条件

图 3为监测始末各项指标变化，水位变化受河水入渗、 地下水以及降水补给影响. 监测初期马鞍溪水位明显高于地下水，水动力条件为河水补给地下水. 监测末期各观测井水位均有不同程度的上升，距河岸30 cm处观测井(MAX2) 水位上升最明显(图 3)，受河水入渗和降雨入渗影响明显. 距河岸50 cm处观测井(MAX3) 水位变化较小，河水入渗影响较小，这说明监测期间河水入渗主要影响范围在距河岸线30 cm以内.

图 3 马鞍溪各采样点水体及沉积物的物理化学指标变化趋势 Fig. 3 Trends of physical and chemical indexes of the water column and sediment in sampling points of Maanxi

3.2.2 沉积物机械组成及其对交互带水化学的影响

表 1为马鞍溪各观测井60~80 cm深度沉积物机械组成状况，按照我国土壤质地分类标准，距河岸10~50 cm(MAX1~3) 的交互带沉积物均为黏土，主要为河流沉积所致. 距河岸150 cm(MAX4) 沉积物为细沙土，呈灰紫色，为砂岩风化产物.

表 1 马鞍溪交互带观测井沉积物机械组成 Table 1 Mechanical composition of sediment at the hyporheic zone in Maanxi observation wells

马鞍溪交互带(MAX1~3) 沉积物黏粒较多，其中靠近河岸线区域沉积物黏粒最多，对交互带水物理化学特征有重要影响. 首先，交互带内物理扰动和化学条件的变化促进沉积物中细小颗粒转化为胶体形态，土壤胶体能够吸附大量离子[28]. 其次，在河水入渗过程中，物理渗滤作用阻止了水中颗粒物质进一步进入交互带，沉积物孔隙被填充，渗透系数降低[29～32]，有利于河水与沉积物介质以及介质中微生物的充分反应[8, 25]. 由于监测期间为雨季末期，长期的河水入渗导致入渗速度降低，交互带水动力条件较为稳定，且监测持续时间较短，各观测井离子浓度在监测期间变化较小(图 3). 长期的河水入渗使大量有机物被截留在交互带中靠近河岸的区域，影响微生物的活动，进而对交互带的氧化还原环境、 酸碱环境等造成影响.

沉积物质地对交互带中K+的质量浓度梯度产生直接影响，K+在运移过程中与沉积物发生吸持反应，黏粒越多，阻滞作用越明显[33]. 同时K+的固定量随沉积物pH值升高而增加. 故随着河水的入渗，K+质量浓度逐渐降低(图 3). Cl-性质稳定，不会从土壤离解、 不被土壤吸附，也不易与其他离子形成稳定化合物，降水以及河水入渗为Cl-的直接来源[34]. 受沉积物质地影响，雨水易于河岸带中部下渗，监测末期，距河岸30~50 cm处(MAX2~3) 交互带水体Cl-的质量浓度较初期高(图 3).

交互带沉积物中各元素与溶液中的离子也存在相互作用，Na+、 Ca2+、 Mg2+、 Sr2+、 全Mn等在马鞍溪交互带环境下易溶于土壤溶液随水迁移，使沉积物中元素含量总体较水体低(图 3)，受K+易被吸持的影响[33]，沉积物中K元素含量较水体高. 研究区沉积物富铁铝化作用较强，马鞍溪交互带环境下全Fe、 Al3+迁移能力较弱，形成难溶的化合物，导致沉积物中Fe、 Al元素含量远高于水体(图 3). 交互带沉积物元素含量梯度受河水-地下水长期交互作用影响，在河水入渗的边界易出现元素含量峰值. 同时河漫滩在洪水期被淹没，河水下渗过程中，受河漫滩内坡度、 草地河岸带内较溪流边缘渗透性较好等影响[35]，元素易在河漫滩中部的沉积物中富集. 综合作用下，距河岸30 cm(MAX2) 附近的沉积物中元素含量较高.

3.2.3 交互带温度特征

在交互带水动力条件下，河水对交互带理化性质的影响大于地下水对其的影响. 河流水物理化学特征呈现较为明显的昼夜变化，且受降雨影响较大(图 4). 16：00~20：30及次日15：00~17：20天气晴朗，20：30至次日02：00出现一次较为集中的小型阵雨. 气温呈现出白天升高夜晚降低的趋势，受降雨影响，最高气温出现在晴天，17：30及次日16：30左右(图 4). 河水水温变化趋势与气温相近，自监测起上升至午后开始下降，次日凌晨开始上升，受降雨影响，次日温度上升缓慢. 水温平均值为23.1℃，变异系数为3.22%(表 2). 距河岸10 cm、 30 cm(MAX1、 MAX2) 水温平均值分别为22.3℃、 22.2℃(表 2)，说明热由河水向地下水扩散. 在河流垂向交互带内，由于地下水温度相对稳定，当河水补给地下水时，随距河床距离的增加，垂向交互带内水温变异系数缓慢降低，当地下水补给河流时，水温变异系数迅速降低，交互带内温度变化进而可以反映河水和地下水的交互作用[36]. 而MAX1、 MAX2水温变异系数分别为0.22%、 0.20%，较河水(3.22%)迅速降低(表 2)，与相同水动力条件下河流垂向交互带内温度变化状况不同，故温度变化难以反映出河床侧向交互带中河水、 地下水的交互作用. 监测期间交互带内温度较高，满足大多数微生物活动的热量需求，且较为稳定的温度使微生物活动较稳定.

图 4 马鞍溪及其交互带水物理化学梯度变化趋势 Fig. 4 Trends of physical and chemical gradients of the water column and the hyporheic zone in Maanxi

表 2 马鞍溪及其交互带水物理化学梯度特征 Table 2 Characteristics of physical and chemical gradients of the water column and the hyporheic zone in Maanxi

3.2.4 交互带氧化还原环境

氧化还原作用对交互带水体水物理化学特征有重要影响，也是交互带研究的重点[37, 38]. 马鞍溪受污染严重，因上游工业废水、 生活污水排放，农田化肥施放以及垃圾堆放，河水中COD、 NH4+-N、 SO42-、 NO3-等的质量浓度较高[23]，较高的COD使水体DO质量浓度总体偏低，河水DO平均值为3.45 mg·L-1(表 2). 在水温、 水生植物光合作用及微生物作用的共同影响下，河水DO大致呈现出日出后上升，午后下降的趋势，在降雨影响下出现波动(图 4).

河水入渗为交互带带来DO，入渗初期DO充足，硝化作用强烈，NH4+-N在交互带内被迅速转化为NO-[39]3(图 3). 同时在有机碳充足的条件下，SO42-易在微生物作用下被固定为有机化合物，另外在pH值较低时，沉积物中的Fe、 Al氧化物对SO42-吸附较多[40]，交互带内SO42-迅速降低(图 3). 氧化还原反应中氧气首先被消耗殆尽[式(1) ][41]，距河岸10~30 cm(MAX1~2) 交互带水体的DO平均值均为0.01 mg·L-1(表 2)，且基本无变化，硝化作用被抑制[42]，NH4+-N降低缓慢(图 3). 交互带至少在距河岸10 cm时已经处于较为还原的环境，反硝化作用成为主要过程[43]，NO3-被还原为N2[式(2) ]，NO3-在交互带内迅速降低(图 3). 距河岸30 cm左右NO3-低于仪器检测限. 反硝化作用进行到一定程度后，沉积物中Mn与Fe的氧化物逐渐发生还原性溶解[式(3) 、 (4) ][44]，使全Mn质量浓度在距河岸10~30 cm(MAX1~2) 较高，全Fe质量浓度在距河岸50 cm(MAX3) 较高(图 3). Fe、 Mn的氧化物发生还原性溶解的同时，可能使吸附在其表面的重金属被释放，进入地下水而发生迁移[41, 45]. 另外，厌氧条件下反硫化作用使SO42-在交互带内继续降低[式(5) ]，导致MAX2~3水体中SO42-呈下降趋势(图 3). 反硫化作用生成的HS-可能与之前解吸附的重金属结合，使之固定下来[41]. 氧化还原作用使交互流中H+逐渐减少，Al3+受其影响不断从化合物中溶出[46]. 在距河岸50 cm处交互带水体Al3+的质量浓度达到最大值(图 3).

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)

Petrunic等[44]研究表明，在交互带独特的氧化还原环境下，随着河水入渗，微生物可利用的能量逐渐减少，各元素在氧化还原反应顺序[式(1) ~(5) ]的影响下依次发生变化[47]. 但因马鞍溪水入渗过程中进入相对还原环境的速度快，许多离子在交互带距河岸10 cm内出现较大变化，反硝化作用、 Fe、 Mn氧化物的还原性溶解、 反硫化作用等反应在一定环境下可能同时进行，马鞍溪侧向交互带水体的离子变化对氧化还原顺序反映不明显.

3.2.5 酸碱环境

微生物参与还原反应的同时释放CO2，改变交互带内的酸碱环境，进一步对交互带离子浓度产生影响. 在水生植物和微生物作用下，河水的pH值变化趋势与DO相同(图 4). 河水EC的变化因受降雨影响，对pH值变化的响应不明显. 马鞍溪河岸多裸岩、 农田，水土流失严重[23]，降雨将河岸的泥土颗粒带入河中，降雨增强又对河水离子浓度有稀释作用，造成河水EC的不规律波动(图 4).

河水pH值平均值为7.56，距河岸10 cm处(MAX1) 交互带水体pH值平均值降为6.75(表 2)，河水入渗时有机物被带入交互带内，微生物作用强烈，产生CO2[式(1) 、 (2) ]，使pCO2迅速升高(图 3)，pH值降低. 在交互带酸碱环境的影响下，距河岸10 cm处(MAX1) 水体的SIc趋近于0，促进了沉积物内方解石等碳酸盐矿物的溶解，也有利于硅酸盐矿物的溶解，同时K+与Na+、 Ca2+、 Mg2+等发生阳离子交换作用[33]，使交互带内Na+、 Ca2+、 Mg2+、 Ba2+、 Sr2+、 Si、 HCO3-等均在距河10 cm处(MAX1) 浓度增高(图 3). Ca2+、 Mg2+、 HCO3-为交互带水体主要离子(图 2)，故酸碱环境对交互带水体的EC变化影响较大，河水EC平均值为773μS·cm-1，在沉积物机械组成、 微生物作用、 氧化还原环境等共同影响下MAX1水体的EC平均值上升至1061 μS·cm-1(表 2). 随河水不断入渗，微生物作用不断增强，监测期间MAX1水体pH值呈现缓慢下降的趋势，在其影响下MAX1水体EC缓慢升高，监测末期pH值出现小幅升高，EC小幅下降(图 4)，可能受前期降雨后雨水补给的影响.

距河岸30 cm处(MAX2) 交互带水体pH平均值为7.05(表 2)，营养物质在入渗过程中受物理、 化学及生物渗滤作用影响[11]，浓度逐渐降低，使微生物作用降低，pCO2降低，pH值、SIc增高(图 3)，加之沉积物黏粒减少(表 1)，Na+、 Ca2+、 Mg2+、 Ba2+、 Sr2+、 Si、 HCO3-等离子浓度降低，EC平均值降为1011 μS·cm-1(图 3、 表 2). 随距河岸近的高EC的交互带水入渗，监测期间，MAX2处EC呈现较大幅度的上升，变异系数较MAX1大(表 2). 受雨水补给影响，监测末期EC出现较大幅度的降低，草地河岸带内较溪流边缘渗透性较好[35]，使MAX2处EC降低出现的时间较MAX1早(图 3)，且受雨水入渗影响更大.

3.3 马鞍溪侧向交互带范围及其意义

河水-地下水相互作用的过程中，温度、 DO、 pH值等地球化学指标存在一定的梯度变化，可以据此来确定交互带的范围，目前主要依据温度指标的变化[48, 49]，其他指标较少涉及，但温度变化受观测点位置、 观测时间限制，并需要足够的温度差异，目前没有明确的阈值，单独分析容易产生误差[50]. 同时温度对侧向交互带河水、 地下水的交互作用反映较弱，需要借助其他地球化学指标综合分析.

河流侧向交互带与垂直交互带相连，结构相似，也可分为浅层交互带和深层交互带. 由于浅层交互带微生物活跃，微生物作用在其中占有重要地位. 交互带在河水入渗过程中具有重要的缓冲作用，其中浅层交互带对温度、 水位变化等的缓冲作用更为突出，同时也是氧化还原环境过渡的一个区域. 据此，浅层交互带区域内各项地球化学指标变化较大，参照马鞍溪侧向交互带的沉积物特征、 温度变化、 pCO2所指示的微生物活性、 氧化还原环境等的特征，浅层交互带主要范围在距河岸10 cm以内.

沉积物中元素含量的梯度变化受河水-地下水长期交互作用影响，河水的入渗会使交互带的边界向地下水方向推移[13]，在交互边界易发生元素的累积，在马鞍溪侧向交互带的距河岸30 cm左右的沉积物中元素含量较高(图 2). 同时Fe氧化物的稳定边界可以指示还原性地下水的位置，超过Fe氧化物的稳定边界，水体全Fe的质量浓度增加[45]. 结合监测期间水位变化状况，可以推测马鞍溪侧向交互带深层边界在距河岸30~50 cm之间.

侧向交互带直接影响傍河开采的地下水水质. 河水补给地下水时，能在较短的入渗距离内缓解河水较高的NH4+-N、 NO3-、 SO42-对地下水水质的影响，对水质净化具有重要意义. 另外随Fe、 Mn等氧化物的还原性溶解，一些重金属可能从其表面解吸附，虽然反硫化作用可能固定一部分重金属，但马鞍溪侧向交互带氧化还原顺序性较差，可能对地下水水质造成影响. 相反，当地下水补给河水时，被固定在交互带内的部分重金属可能发生溶解和迁移，水流路径上依次发生硫化作用和硝化作用，污染物被释放，影响河水水质.

4 结论

(1) 监测期间马鞍溪侧向交互带主要受河水入渗影响，交互带水化学为HCO3-Ca·Mg型，与河水差别较大，交互带对河水水化学特征有较大影响.

(2) 马鞍溪侧向交互带在监测期间各监测点温度、 DO、 pH值、 EC等指标变异系数较河水小，交互带对河水变化具有较强的缓冲作用.

(3) 河水入渗过程中，马鞍溪侧向交互带在物理、 化学、 生物综合作用下形成了迅速进入缺氧状态的氧化还原环境，以及pH值先降低后升高的酸碱环境. K+、 NH4+-N、 NO3-、 SO42-在吸附作用、 氧化还原作用等影响下呈下降趋势，全Mn先上升后缓慢下降，全Fe、 Al3+等呈上升趋势. pH值的变化促进矿物溶解和沉积，使EC、 Na+、 Ca2+、 Mg2+、 Sr2+等先升高后降低. 受河水、 地下水长期交互影响，在距河岸30 cm左右的交互带沉积物中元素含量较高. 形成了马鞍溪侧向交互带独特的水化学梯度.

(4) 据交互带水文地球化学梯度，可推断马鞍溪侧向交互带边界可能在距河岸30~50 cm处，其中浅层交互带的边界可能在距河岸10 cm以内的位置. 河水补给地下水的过程中，河水-地下水侧向交互带对净化水质有重要作用，且河水在较短的入渗距离内便得到一定程度的净化.

感谢西南大学地理科学学院文志林、 吴泽老师，以及于正良、 李果等在实验和写作过程中的帮助.

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