2019, Vol. 40
2. 贵州大学资源与环境工程学院, 贵阳 550025;
3. 贵州省地质环境监测院, 贵阳 550004
2. College of Resource Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China;
3. Guizhou Institute of Geo-Environmental Monitoring, Guiyang 550004, China
城镇化是社会和经济发展的必然结果, 也是国家现代化进程的必由之路, 随着经济的发展, 城镇化的推进, 其中最为直接和明显的是土地利用方式的改变, 其中农业用地转变为建设用地成为人类对土地利用的重要作用方式之一[1].作为一种剧烈的人类活动表现形式, 城镇化导致了城市出现了不同程度的水资源紧缺、水环境污染加剧和生态环境破坏等问题, 制约着城市经济社会的进一步发展[2~5].
地下水作为国民经济和社会发展的基础支撑资源, 受到城镇化的影响是不可避免的, 城镇化等人类活动逐渐成为干扰和影响地下水环境演化的重要外营力, 天然状态下的地下水环境的演化逐渐被人工活动干扰控制明显, 地下水环境质量退化, 局部出现恶化现象[6, 7].同时, 无论是掠夺式地开采还是缺乏环保意识的肆意排放都会破坏地下水的均衡[8, 9], 使城市的可持续发展严重受阻.岩溶地下水是中国西南岩溶区人畜饮水、灌溉和工业用水的主要供水水源, 甚至是某些区域唯一的淡水水源[10].岩溶地区以其独特的地质背景, 高度发育的岩溶管道和地表、地下二元结构, 使地表污染物极易进入地下岩溶系统并随裂隙和管道扩散, 加快了系统中地表水与地下水之间的转换[11], 使地下河具有明显开放性和高度的脆弱性, 对自然过程和人类活动的影响表现出高敏感性[12~15].长期以来, 围绕城镇化对地下水水化学的影响研究已经在全球不同地区开展, 土地利用变化、工业、商业、农业等人类活动被认为是主因[16~18], 人类活动对岩溶地下水系统的影响及其演化始终是岩溶学术界长期关注的热点[19~22], 但国内关于城镇化等人类活动影响下岩溶地下系统水化学演化研究多集中于北方岩溶区[23~25].南方岩溶地下水系统在国际岩溶学术界具有特殊的地位, 尤其是西南岩溶地下水系统的地位更为突出, 以往研究报道多集中于岩溶地下水污染物特征、污染源解析、迁移转化和环境效应等方面[26~29], 存在区域性和长时间尺度下岩溶地下河系统水化学对城镇化进程响应和演化的系统性表达薄弱问题.
贵阳市地处全球岩溶地貌集中连片分布面积最大、岩溶类型最齐全、发育最复杂的东亚岩溶典型区域中心, 其城镇化率由1990年的43.91%增长到2015年的73.25%, 随着城镇化和工业化建设的推进, 城市各类地表污染源通过岩溶裂隙、天窗和漏斗等各种途径进入地下水环境.部分地下河系统所处区域经历了由郊区-城郊-城区的发展过程, 地下河水质受城镇化的影响干扰明显[30].为此, 本文选取城镇化进程与岩溶地下河高度融合的典型——贵阳上寨岩溶地下河系统为研究对象, 具有一定的代表性, 结合地球化学敏感性指数和地球化学敏感性等值线、Piper三线图和离子比例系数等传统经典研究方法, 探讨岩溶地下河系统的敏感响应因子与水化学演化规律, 找出岩溶地下河系统对城镇化进程的水化学响应关系, 以期为城市区域岩溶地下河水环境保护提供科学依据.
1 研究区概况研究区位于贵阳市西北部的白云区艳山红村与观山湖区上寨村之间, 左邻白云公园, 右接长岭坡森林公园, 地理坐标为：E106°38′13″~106°39′50″, N26°39′19″~26°40′41″, 地下河出口位于研究区内最低位置, 地理坐标为：E106°38′56″, N26°39′22″(如图 1), 面积为4.69 km2, 是贵阳市主要饮用水源地之一的阿哈湖水库支流金钟河源头所在区域.上寨地下河主管道主要发育于三叠系松子坎组二段(T2s2), 地层岩性为灰白色、灰黄色薄层状灰岩、白云岩夹泥岩.含水层主要为松子坎组三段(T2s3)、一段(T2s1), 安顺组三段(T2a3)、一段(T2a1)与杨柳井组一段(T2y1), 以上地层岩性主要以灰岩和白云岩为主, 其中松子坎组一段(T2s1)泥晶白云岩中含2~3层石膏.区域属亚热带湿润温和型气候, 平均海拔1300 m, 年平均温度15℃, 年平均降雨量1121 mm.
|
图 1 研究区水文地质示意 Fig. 1 Hydrogeological sketch of the study region |
研究区总体地势北高南低, 连串溶丘分布于东西两侧, 中部为宽阔谷地与洼地, 落水洞呈串珠状.地下河流向由北向南流动, 主管道位于艳山红村—烂坝—上寨一线, 其余3条分管道在烂坝一带发育, 区内中北部、东西部分布3条季节性明流, 大气降雨主要通过落水洞进入地下河或3条伏流入口集中灌入式补给岩溶地下河, 并于上寨村朱家龙潭口排出.地下水主要赋存于溶蚀管道和溶蚀裂隙为主的含水介质中, 通过几条溶蚀管道集中汇流进入地下河出口.区域内早期主要以农业活动为主, 2001年以来随着城镇化的快速推进, 人类活动方式发生明显转变, 地下河中上游区域主要为艳山红村居民和工业企业聚集地, 下游出口区域已开发为城市居民住宅区, 当前正经历快速地城镇化阶段, 处于郊区向城郊、城区快速转变的阶段, 城镇化进程与岩溶地下河高度融合, 是研究地下河对城镇化进程水化学响应的典型样地.
2 材料与方法 2.1 数据来源及处理地下河水化学数据主要来源于贵州省地质环境监测院1990~2015年近25年对朱家龙潭枯水期和丰水期的水质监测数据, 主要监测指标为Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+、SO42-、Cl-、NO3-、pH和矿化度等.研究区早期1990、1995、2000和2005年的土地利用矢量数据由中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/first.asp)提供, 2010年和2015年土地利用数据分别选取了分辨率为61cm的全色波段与多光谱融合后的Quick Bird影像和WordView-3空间分辨率为30cm的影像进行解译获得.对影像数据辅以经过配准的1:1万地形图并以实地调研数据为参照, 在ENVI5.1平台进行影像校正、增强等预处理.运用遥感信息与地学信息相结合, 以土地利用方式和覆盖特征为主要分类依据, 辅以同年Google earth高清影像, 采用目视解译、对比分析等室内判读法与野外实地调查相验证, 通过人机交互判读得到2010年和2015年图形数据和土地利用属性数据.对已获取的矢量数据辅以相近年份的土地利用现状图对变化图斑加以细化修改, 最终获取2010年和2015年土地利用矢量数据.结合研究区内实际的生态自然条件和土地利用/土地覆盖变化(land-use and land-cover change, LUCC)方式, 将研究区土地分为5种土地利用类型, 即耕地、林地、草/灌、城镇建设用地和水域.城市区域建设用地是城镇化进程主要表征指标之一, 因此在本研究中利用城镇建设用地指标反映研究区城镇化进程.
2.2 研究方法为量化研究地下河水化学对城镇化进程的响应过程, 本研究采用何守阳等[13]提出的地球化学敏感性指数(geochemical susceptivity index, GSI)和地球化学敏感性等值线(isosensitive line on geochemical susceptivity)概念及方法, 结合统计分析与离子比例系数法等量化手段表征地下河对城镇化过程的水化学响应敏感程度.本研究中数据均使用Microsoft Excel 2010软件进行统计分析, 采用AqQA软件绘制Piper三线图, 利用舒卡列夫法分析水化学类型, 相关图件由ArcGIS 10.2与Origin 8.6软件绘制而成.
3 结果与讨论 3.1 城镇化进程特征鉴于研究区面积较小, 难以获取城镇化相关的统计数据, 笔者采用更为直接的城镇土地利用指标法[31], 表征城镇化进程, 按公式(1)计算测定区域的城镇化水平, 更能直观反映出上寨地下河流域内25年间城镇化进程特征.
|
(1) |
式中, U表示城镇化水平, Cn表示建城区土地利用面积, C′n表示建城区以外的土地利用面积, S表示区域总面积.通过对遥感数据的解译获取研究区域内城镇土地利用统计情况如表 1, 城镇建设用地变化情况如图 2.
|
表 1 1990~2015年研究区不同土地利用面积及其占比统计 Table 1 Area and ratio of different land use types in the study region during 1990-2015 |
|
图 2 研究区城镇建设用地及城镇化率变化 Fig. 2 Change map of urban construction land and urbanization rate in research region |
由表 1与图 2(b)可以看出, 流域内城镇化水平总体上呈现出持续增长趋势, 但是在不同时间段内增长速率表现出明显的阶段性特征, 2001年以前城镇化进程较为缓慢, 城镇化率由1990年的25.21%上升到2000年的34.09%, 10年间城镇化水平提升了8.88%, 城镇化率年平均水平仅为0.89%. 2001年后由于金阳新区开发建设以及日后的解决贵阳市缓解老城区拥堵问题, 不断拓展城市发展空间, 加快推进了观山湖区城市建设, 区内长岭北路、白金大道、白云大道、金朱东路和东林寺路等主干道和居民住宅区相继建成, 城镇化进程快速推进, 城镇化率从2000年的34.09%增长到2015年的59.22%, 16年内城镇化率提升了25.13%, 年平均城镇化率为1.57%, 为2001年前城镇化水平的2.75倍, 尤其是2005年后的10年间城镇化飞速发展, 区域内城镇化水平显著提升.
3.2 水化学特征及其变化分析岩溶地下河水化学特征受到地质背景、水岩相互作用过程、土壤与人类活动等因素的共同影响, 其中水岩作用与人类活动是主要影响因素[32, 33].研究区1990~2015年的水化学数据统计如表 2所示.地下河丰水期pH在6.80~7.50之间, 平均值为7.24, 枯水期pH范围为6.70~7.54, 平均值为7.15, 总体呈弱碱性特征.地下河阴离子以HCO3-和SO42-为主, 丰水期阳离子以Ca2+、Mg2+为主, 枯水期阳离子除Ca2+和Mg2+外, 呈现Na+的输入迹象, 水化学除受围岩的岩性控制外, 城镇化进程中诸如Na+和Cl-等离子的外源输入对地下河水化学影响较为明显.城镇化进程中地下河部分离子含量波动性较大, 从变异系数看, 与人为活动密切相关的NH4+、NO3-、Cl-和SO42-等离子变异系数在丰水期和枯水期均明显高于其他离子, 在年际时间尺度上存在着较大差异, 受人类活动影响特征较为明显.
|
|
表 2 研究区地下河水化学特征统计 Table 2 Summary statistics for groundwater hydrochemical parameters in the study region |
矿化度是反映人类活动影响下地下水水质变化的一个重要指标[34], 研究区地下河矿化度随时间变化的特征如图 3所示.总体来看, 丰水期和枯水期地下河的矿化度均呈升高趋势, 但受丰水期降雨稀释影响, 枯水期矿化度平均值高于丰水期.从矿化度的时序演化来看, 呈现出明显的阶段性特征, 2001年前, 丰水期矿化度年际波动较小, 维持在480 mg·L-1左右, 受外界影响较小. 2001年后枯水期与丰水期矿化度年际波动变幅增大, 主要受到2001年后快速地城镇化推进影响, 这与研究区城镇化进程具有高度相似的时序性. 2001年后城镇化进程加快, 城区建设过程以及建成初期相关环保设施不完善, 区内生产生活排放的各种物质随大气降水形成的地表径流经过岩溶裂隙、漏斗等管道下渗进入地下河, 导致矿化度的增加且波动较为频繁. 2003年后地下河开始出现如苯系物和苯并a芘等有机污染物, 2015年首次出现苯并a芘超标现象[30], 无机物质输入可直接或有机污染物降解可间接导致地下水矿化度升高[35, 36], 尤其城镇化快速推进时期更为明显, 矿化度的波动幅度增大.
|
图 3 城镇化进程中地下河矿化度时序变化 Fig. 3 Change in TDS content of subterranean streams in the research region over time |
城镇化进程中丰水期和枯水期地下河的[Mg2+]/[Ca2+](摩尔比)变化特征见图 4(a), 比值范围在0.25~1.18之间, 表现出高Ca2+、低Mg2+的特点, 这主要受控于地下河所流经的地层与含水层岩性.其中丰水期[Mg2+]/[Ca2+]范围是0.25~0.89, 1990~2001年间丰水期平均比值为0.86, 2001年后平均比值则降为0.38, 呈现明显的阶段性特征, 这主要受到石灰岩和白云岩中不同造岩矿物的风化溶蚀差异[37]和人为因素城镇化进程及土地利用改变影响.碳酸盐岩的风化溶解过程可表示为式(2), 同时研究区含水层中有石膏岩层(CaSO4·2H2O)溶解产生的硫酸(H2SO4)其过程如式(3), 加之研究区所在区域早期有一定的酸雨输入[38], 使白云岩或石灰岩的溶解速度加快, 过程如式(4).
|
(2) |
|
(3) |
|
(4) |
|
图 4 地下河Ca2+/Σ阳离子和Mg2+/Σ阳离子与[Mg2+]/[Ca2+](摩尔比)关系及HCO3-/Σ阴离子和SO42-/Σ阴离子与[HCO3-]/[SO42-](摩尔比)关系 Fig. 4 Relationships between Ca2+/Σ anions, Mg2+/Σ anions, Mg2+/Ca2+ (molar)and HCO3-/Σ anions, SO42-/Σ anions, HCO3-/SO42- (molar) during low-water period and high-water periods |
式中, n和(1-n)表示石灰岩或白云岩中钙镁比例, 当0 < n≤1/2时, 矿物的溶解或水岩相互作用以白云岩中白云石(CaMgCO3)为主, 当1/2 < n < 1时, 矿物的溶解表现出以石灰岩和白云岩中的方解石和白云石共同作用特征, 当n=1时, 矿物的溶解或水岩相互作用以石灰岩中的方解石(CaCO3)为主[13].由[Mg2+]/[Ca2+]比值可以得知, 研究区地下水系统矿物的溶解或水-岩相互作用以石灰岩和白云岩中的方解石和白云石共同作用为主.
另外研究区内2001年前农业活动强度大, 农业活动成为Mg2+除碳酸盐岩溶解外的其他主要来源[33, 39], 虽然1990~2001年贵阳市酸雨输入逐渐减少甚至消失, 对酸雨参与下的碳酸盐岩风化溶蚀作用有所影响, 但随之而来的城镇化推进增加了源于工业废水、除冰盐、生活污水等多种来源的Ca2+输入[40], 弥补了农业活动输入的Mg2+减少和酸雨输入减弱甚至消失引起的[Mg2+]/[Ca2+]变化, 这使得[Mg2+]/[Ca2+]比值在2001年后出现明显下降的突变特征.枯水期[Mg2+]/[Ca2+]比值在0.27~0.50之间, 比值波动较小, [Mg2+]/[Ca2+]比值未出现丰水期时的阶段性显著特征, 这因为枯水期大气降水减少, 二氧化硫主要以干沉降形式沉降地表, 城区地表物质难以形成酸雨或地表径流入渗进入地下河系统, [Mg2+]/[Ca2+]比值主要受地层中石灰岩和白云岩风化溶解与含水层石膏溶解控制, 未造成地下河中Mg2+和Ca2+浓度显著性变化, 进而引起[Mg2+]/[Ca2+]比值突变现象.由此可见, 城镇化进程中地下河蕴藏着丰富水化学记录信息.
对于地下河水化学中主要阴离子HCO3-和SO42-而言, [HCO3-]/[SO42-]比值在0.93~46.98之间, 总地表现出高HCO3-、低SO42-特点[图 4(b)].其中丰水期[HCO3-]/[SO42-]比值范围在2.46~46.98之间, 变化范围较大, 与[Mg2+]/[Ca2+]比值一样, [HCO3-]/[SO42-]比值也存在明显的阶段性特征.城镇化早期的1990~2001年, [HCO3-]/[SO42-]比值在14.57~46.98之间, 平均值为29.34, 呈现出高比值特征, 2001年后城镇化快速推进, 出现明显降低特征, 范围在2.46~25.77之间, 平均值为6.01.通常地下河中SO42-的来源有自然和人为来源, 其中自然来源主要受地下水流经地层中黄铁矿风化、含石膏(CaSO4·2H2O)矿物的溶解和含硫矿物的氧化等[37]; 而人为来源主要来自于人类活动产生的酸雨、生活污水、工业废水、含硫化肥和农药等随着大气降水经地表径流入渗或经岩溶裂隙或管道直接进入地下河[41, 42].由于地下河所在区域无煤系地层出露, 因此SO42-的自然来源中有可能源于三叠系中下统松子坎组一段(T2s1)中所含石膏层溶解, 溶解过程如式(3)和式(4)所示.另外, 贵阳市20世纪90年代是典型的酸雨城市, 到2001年酸雨“摘帽”前, 地下河中的SO42-的主要人为来源有贵阳市的酸雨输入与区内的农业活动, 酸雨输入逐渐减少甚至消失的同时, 城镇化却不断推进, 2001年后SO42-浓度继续升高, 而水岩作用产生的SO42-有限[43], 同时酸雨在后期输入减少甚至消失, 大气降雨并非贵阳市地下水中硫酸盐的主要来源[44].随着城镇化进程加快, 原有部分农业区或村寨居民区转变为工业区和商住区, 大量居民增加, 工业和生活废水排放增加, 环保设施相对滞后, 丰水期易形成地表径流携带的SO42-外源入渗输入进入地下河, SO42-的人为来源增加, 使[HCO3-]/[SO42-]摩尔比继续降低而出现突变特征, 城市废水的排放渗漏已成为城镇区域内地下水中硫酸盐的主要来源之一[44].而枯水期[HCO3-]/[SO42-]比值在0.93~5.42之间, 变化范围较小且未出现阶段性突变特征, 主要原因是枯水期污染物难以形成地表径流且入渗量减少.
Piper图反映了地下河水化学组成及演变, 1981~1987年枯水期地下河水化学类型为HCO3-Ca·Mg型, 1988~2003年地下河水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型, 2003年后水化学类型以HCO3·SO4-Ca为主, 部分年代出现HCO3·SO4-Ca·Mg型、HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型, 水化学类型不稳定.与枯水期类似, 1990~2001年丰水期水化学类型以HCO3-Ca·Mg型, 2001年后水化学类型主要以HCO3·SO4-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca型为主, 部分年代出现HCO3·Cl-Ca型和HCO3·Cl-Ca·Mg型, 水化学类型波动明显.总体来看, 地下水水化学类型受城镇化进程改造较为明显, 城镇化早期, 以自然条件下的水岩相互作用为主, 水化学受控地下河流经石灰岩和白云岩的碳酸盐岩地层, 类型以HCO3-Ca·Mg型为主.随着城镇化的推进, 工业生产与居民生活增加了SO42-的输入, 水化学类型演变为HCO3·SO4-Ca·Mg型.同时城镇化进程中的研究区内农业活动急剧减少, 农业活动对Mg2+输入降低, 水化学类型演变为HCO3·SO4-Ca型.而地下河所处区域2001年后进入快速城镇化时期, 水化学类型由于受其影响波动较大, 在部分年代出现城市生活污水排放输入和凝冻期间撒盐除冰等明显人为Cl-输入特点, 水化学出现HCO3·Cl-Ca型和HCO3·Cl-Ca·Mg型, 如图 5所示.地下河水化学类型时序上与城镇化进程也具有明显的一致性, 受城镇化影响明显.
|
图 5 城镇化进程中地下河水化学类型及其演变 Fig. 5 Hydrochemical types and their evolution in subterranean stream during the process of urbanization |
地下水的地球化学敏感性是地下水系统对自然和人类活动影响的敏感程度反映的固有属性[13].运用文献[13]中方法计算出研究区城镇化进程中地下河中主量元素的水化学波动性并进行排序, 其结果见表 3与表 4.
|
|
表 3 地下河中主量元素地球化学敏感指数 Table 3 Geochemical susceptivity index for major elements in the subterranean stream system |
|
|
表 4 不同时期地下河中主量元素地球化学敏感性排序 Table 4 Sequencing of the geochemical susceptivity index for major elements in the subterranean stream system |
通常情况下, 岩溶地下水系统的波动敏感的阳离子常以Ca2+和Mg2+较为敏感; 阴离子则以HCO3-和SO42-敏感性较强[13, 14].研究区地下河中阳离子以Ca2+和Na+, 阴离子以HCO3-和SO42-表现出较强的敏感性. Cl-、Mg2+、NH4+和NO3-表现出中等敏感性, K+表现出较弱的敏感性(表 3和图 6).对于阳离子而言, 早期水化学波动表现为阳离子以Ca2+和Mg2+为主的高敏感性, 主要受控于地下河流经的碳酸盐岩溶蚀和含水层中石膏岩层溶解季节性差异, 与早期酸雨作用共同的影响.随城镇化建设推进(1995~2010年), 阳离子中Na+逐渐则表现出了较高的敏感性, 在多年里连续成为地下河敏感性最高阳离子. Na+在喀斯特地区的地下水中含量一般较低, 自然主要来源有水体对氯化物盐类或含钠、钾的铝硅酸盐矿物(如长石、云母等)的溶滤作用[45]或降雨中海盐沉降, 人为来源包括污水、生活垃圾、工程作业废水、道路除冰盐等[40].从图 7(a)的γCl/γNa(单位：meq·L-1)可以看出, 2001年后, 水样点偏向Na+一侧, 表明Na+除岩盐溶解, 还有其它方面的来源.区内地层未见钠、钾长石分布, 因此自然岩盐溶解作用对Na+贡献有限.另外研究区距离海洋较远, 贵阳市降雨中Na+含量处于较低水平[46], 雨水海相输入对Na+含量的影响也较小[47].在研究区城镇化发展过程中, 建设初期工程作业废水, 以及生活垃圾及污水输入, 都会使地下河中Na+含量增加.随城市建设逐步推进, 工业和生活使用的NaCl, 同时道路面积增加, 冬季道路凝冻除冰使用钠盐增加, 使得Na+的人为来源得以持续, Na+较长时间为敏感阳离子.而NH4+在2005年以后的几年间从长期位于阳离子低敏感性位置逐渐排序到中敏感位置, 与城镇化进程加快密不可分.由郊区向城区过渡阶段, 区域内大兴土木, 众多工业企业入驻, 居民人口增加明显, 排污管道的建设不完善, 城市污水收集装置欠缺, 居民生活排污输入的NH4+和区内西部尚存部分面积耕地的农药和化肥输入至地下河[48], 使NH4+地球化学敏感性增加(表 4).
|
图 6 地下河系统枯水期和丰水期水化学特征变化对比 Fig. 6 Comparison of hydrochemistry during low-water and high-water periods in the subterranean stream system |
在2001年前, 水岩相互作用在硫酸参与下也使得碳酸盐岩矿物溶解释放出大量的HCO3-呈现出较高的敏感性, 阴离子中HCO3-敏感性在初期表现为最高, 多数年份里SO42-的敏感性则仅次于HCO3-, 随城镇化推进, 在2011~2013年中SO42-敏感性超过HCO3-, 表明城镇化发展过程中工业活动、居民生活和尚存的农业活动[49]等人为源在不断输入影响着SO42-含量和敏感性.城镇化进程中的Cl-敏感性排序较其它阴离子靠前且不断增进, 部分年代如2005、2010和2015年阴离子敏感性排序中, Cl-地球化学敏感性最高.地下水中Cl-主要来源可分为自然和人为两大类, 自然源包括岩盐矿床和其他氯化物沉积物的溶解以及雨水中海盐、含HCl工业废气的溶解; 人为源主要是污染源, 包括化肥(KCl)的使用、生活和工农业废水、动物和人类排泄物等[50~52].而城镇化进程中的自然源输入有限, 其敏感性增加, 可能与人为输入有关.城镇化进程中的交通运输用地不断增加, 冬季出现凝冻时采用氯盐除冰, Cl-随融水进入地下河; 此外, 城市居民生活和工业使用的NaCl和污水进入地下河或入渗到含水层, 均可能导致地下河中Cl-增加[45, 53], 呈现出典型的人为输入特征, 改变了其地球化学敏感性.同时Cl-因其化学性质活泼, 在随地下水流运移过程中, 受到吸附淋滤、蒸发浓缩等作用影响, 在径流比较滞缓的水动力带中富集, γCl/γCa比值可以作为划分水动力特点的参数, γCl/γCa比值表明2005年后年际波动变大且随着时间的推移其值呈现升高的趋势, 见图 7(b).其原因是地下河所在区域城市建设加强, 工程建设削高填低的行为会改变天然条件下地下水径流的规律, 使得地下水的水力坡度减缓, 也增加了Cl-富集程度.地下河γCl/γCa比值变化的时间节点与研究区城镇化加速建设时间段出现吻合, 进一步说明了地下河水化学响应与城镇化进程具有同步的时序性特征.
|
图 7 地下河中γNa/γCl和γCl/γCa比值关系 Fig. 7 Relationship between γNa/γCl and γCl/γCa in the subterranean stream system |
(1) 地下河1990~2001年丰水期呈现出[Mg2+]/[Ca2+]和[HCO3-]/[SO42-](摩尔比)高比值特征, 水化学受流经地层和含水层岩性等自然因素和人为因素中的农业活动、工业活动和酸雨输入的共同影响; 2001年后城镇化快速推进, [Mg2+]/[Ca2+]和[HCO3-]/[SO42-]出现突变明显降低, 受控于城镇化进程中的居民生活和工业生产排放输入逐渐增加且取代农业活动和酸雨输入逐渐降低或者消失的输入贡献, 两者与城镇化进程具有同步的时序性.
(2) 城镇化进程中地下河水化学类型的时序演变从单一的枯水期HCO3·SO4-Ca·Mg型和丰水期HCO3-Ca·Mg型向HCO3·Cl-Ca型、HCO3·SO4-Ca型、HCO3 -Ca和HCO3·SO4-Ca·Mg型等多类型演化, 且在城镇化快速发展时期水化学类型呈现稳定性差和波动性大等特点, 受城镇化的人为输入干扰明显.
(3) 城镇化进程中的水化学敏感因子具有明显的时序特点, 1990~1995年, 敏感阳离子以Ca2+、Mg2+为主, 阴离子以HCO3-最为敏感; 1996~2010年, 阳离子以Na+最为敏感, NH4+敏感排序不断增进; 2011~2015年, 阳离子中NH4+为敏感因子, 阴离子以HCO3-敏感性为最, 但SO42-和Cl-敏感性排序逐渐增进, 部分年代Cl-成为敏感因子, 出现明显的城镇化输入特征.
(4) 岩溶地下河系统与外界密切联系、高度相关, 易受外界影响, 岩溶地下河的水化学是不同时空尺度上城镇化进程的“天然档案”记录载体, 其中蕴藏着丰富的记录信息, 其“解密”方法和精度研究尚须进一步提高和完善.
致谢: 贵州省地质环境监测院为本研究提供了地下河长期监测资料; 中国科学院资源环境科学数据中心提供了早期土地利用矢量数据, 在此一并致谢！| [1] |
李秀彬. 对加速城镇化时期土地利用变化核心学术问题的认识[J]. 中国人口·资源与环境, 2009, 19(5): 1-5. Li X B. Research priorities for land use change in the accelerated phase of urbanization[J]. China Population, Resources and Environment, 2009, 19(5): 1-5. DOI:10.3969/j.issn.1002-2104.2009.05.001 |
| [2] | Jeong C H. Effect of land use and urbanization on hydrochemistry and contamination of groundwater from Taejon area, Korea[J]. Journal of Hydrology, 2001, 253(1-4): 194-210. DOI:10.1016/S0022-1694(01)00481-4 |
| [3] | Wakode H B, Baier K, Jha R, et al. Impact of urbanization on groundwater recharge and urban water balance for the city of Hyderabad, India[J]. International Soil and Water Conservation Research, 2018, 6(1): 51-62. DOI:10.1016/j.iswcr.2017.10.003 |
| [4] | Arfanuzzaman M, Rahman A A. Sustainable water demand management in the face of rapid urbanization and ground water depletion for social-ecological resilience building[J]. Global Ecology and Conservation, 2017, 10: 9-22. DOI:10.1016/j.gecco.2017.01.005 |
| [5] | Haque S J, Onodera S I, Shimizu Y. An overview of the effects of urbanization on the quantity and quality of groundwater in South Asian megacities[J]. Limnology, 2013, 14(2): 135-145. DOI:10.1007/s10201-012-0392-6 |
| [6] | Karn S K, Harada H. Surface water pollution in three urban territories of Nepal, India, and Bangladesh[J]. Environmental Management, 2001, 28(4): 483-496. DOI:10.1007/s002670010238 |
| [7] |
王滨, 程彦培, 陈立, 等. 城市高速发展对徐州地下水环境演化的驱动作用[J]. 地球与环境, 2009, 37(4): 405-410. Wang B, Cheng Y P, Chen L, et al. Study on the driving action to groundwater evolution from Xuzhou city under high-speed development[J]. Earth and Environment, 2009, 37(4): 405-410. |
| [8] |
于开宁, 万力, 都沁军. 城市化影响地下水水质的正负效应[J]. 地球科学——中国地质大学学报, 2003, 28(3): 333-336. Yu K N, Wan L, Du Q J. Positive and negative effects of urbanization on groundwater quality[J]. Earth Science——Journal of China University of Geosciences, 2003, 28(3): 333-336. |
| [9] | Nakayama T, Hashimoto S. Analysis of the ability of water resources to reduce the urban heat island in the Tokyo megalopolis[J]. Environmental Pollution, 2011, 159(8-9): 2164-2173. DOI:10.1016/j.envpol.2010.11.016 |
| [10] |
邹胜章, 朱明秋, 唐建生, 等. 西南岩溶区水资源安全与对策[J]. 地质学报, 2006, 80(10): 1637-1642. Zou S Z, Zhu M Q, Tang J S, et al. Water resources secirity in karst area of southwest China:problems and counterm easures[J]. Acta Geologica Sinica, 2006, 80(10): 1637-1642. DOI:10.3321/j.issn:0001-5717.2006.10.020 |
| [11] | Long A J. Hydrograph separation for karst watersheds using a two-domain rainfall-discharge model[J]. Journal of Hydrology, 2009, 364(3-4): 249-256. DOI:10.1016/j.jhydrol.2008.11.001 |
| [12] | 袁道先. 岩溶作用对环境变化的敏感性及其记录[J]. 科学通报, 1995, 40(13): 1210-1213. DOI:10.3321/j.issn:0023-074X.1995.13.017 |
| [13] |
何守阳, 朱立军, 董志芬, 等. 典型岩溶地下水系统地球化学敏感性研究[J]. 环境科学, 2010, 31(5): 1176-1182. He S Y, Zhu L J, Dong Z F, et al. Study on geochemical susceptivity of groundwater system in representative karstic regions[J]. Environmental Science, 2010, 31(5): 1176-1182. |
| [14] |
徐尚全, 杨平恒, 殷建军, 等. 重庆雪玉洞岩溶地下河地球化学敏感性研究[J]. 环境科学, 2013, 34(1): 77-83. Xu S Q, Yang P H, Yin J J, et al. Research on the sensitivity of geochemical of underground river in Chongqing Xueyu Cave[J]. Environmental Science, 2013, 34(1): 77-83. |
| [15] | Nasrabadi T, Maedeh P A. Groundwater quality degradation of urban areas (case study:Tehran city, Iran)[J]. International Journal of Environmental Science and Technology, 2014, 11(2): 293-302. DOI:10.1007/s13762-013-0340-y |
| [16] |
赵新锋, 曾松青, 陈建耀, 等. "珠三角"地区城市化对地下水水质影响案例研究[J]. 生态环境, 2008, 17(2): 533-536. Zhao X F, Zeng S Q, Chen J Y, et al. Effects of urbanization on groundwater quality:a case study in Pearl River Delta[J]. Ecology and Environment, 2008, 17(2): 533-536. DOI:10.3969/j.issn.1674-5906.2008.02.015 |
| [17] | del Campo M A M, Esteller M V, Expósito J L, at al. Impacts of urbanization on groundwater hydrodynamics and hydrochemistry of the Toluca Valley aquifer (Mexico)[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2014, 186(5): 2979-2999. DOI:10.1007/s10661-013-3595-3 |
| [18] | Wang W K, Zhang Z Y, Duan L, et al. Response of the groundwater system in the Guanzhong Basin (central China) to climate change and human activities[J]. Hydrogeology Journal, 2018, 26(5): 1429-1441. DOI:10.1007/s10040-018-1757-7 |
| [19] | Dussart-Baptista L, Massei N, Dupont J P, et al. Transfer of bacteria-contaminated particles in a karst aquifer:evolution of contaminated materials from a sinkhole to a spring[J]. Journal of Hydrology, 2003, 284(1-4): 285-295. DOI:10.1016/j.jhydrol.2003.08.007 |
| [20] |
郝永红, 王玮, 王国卿, 等. 气候变化及人类活动对中国北方岩溶泉的影响——以山西柳林泉为例[J]. 地质学报, 2009, 83(1): 138-144. Hao Y H, Wang W, Wang G Q, et al. Effects of climate change and human activities on the karstic springs in northern China:a case study of the Liulin springs[J]. Acta Geologica Sinica, 2009, 83(1): 138-144. |
| [21] | Abou Najm M, Momjian N, Alameddine I, et al. Spatial analysis of groundwater quality in karstic aquifers under urbanization stress: a methodological assessment[A]. In: EGU General Assembly 2015[C]. Vienna, Austria: EGU, 2015. |
| [22] |
任坤, 杨平恒, 江泽利, 等. 降雨期间岩溶城镇区地下河水重金属变化特征及来源解析[J]. 环境科学, 2015, 36(4): 1270-1276. Ren K, Yang P H, Jiang Z L, et al. Variation characteristics and sources of heavy metals in an urban karst groundwater system during rainfall event[J]. Environmental Science, 2015, 36(4): 1270-1276. |
| [23] |
马振民, 刘立才, 陈鸿汉, 等. 山东泰安岩溶水系统地下水化学环境演化[J]. 现代地质, 2002, 16(4): 423-428. Ma Z M, Liu L C, Chen H H, et al. Hydrochemical environmental evolution of karst water system in Tai'an, Shandong Province[J]. Geoscience, 2002, 16(4): 423-428. DOI:10.3969/j.issn.1000-8527.2002.04.015 |
| [24] |
王焰新, 高旭波. 人类活动影响下娘子关岩溶水系统地球化学演化[J]. 中国岩溶, 2009, 28(2): 103-112. Wang Y X, Gao X B. Geochemical evolution of the Niangziguan karst water system under the impact of human activities[J]. Carsologica Sinica, 2009, 28(2): 103-112. DOI:10.3969/j.issn.1001-4810.2009.02.004 |
| [25] | Zang H F, Zheng X Q, Jia Z X, et al. The impact of hydrogeochemical processes on karst groundwater quality in arid and semiarid area:a case study in the Liulin spring area, north China[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2015, 8(9): 6507-6519. DOI:10.1007/s12517-014-1679-1 |
| [26] | Liu C Q, Li S L, Lang Y C, et al. Using δ15N- and δ18O-values to identify nitrate sources in karst ground water, Guiyang, Southwest China[J]. Environmental Science & Technology, 2006, 40(22): 6928-6933. |
| [27] |
蒋勇军, 袁道先. 城市发展对岩溶地下水质影响的地球化学示踪——以重庆南山老龙洞地下河系统为例[J]. 第四纪研究, 2014, 34(5): 1044-1053. Jiang Y J, Yuan D X. Geochemical tracers to characterize effects of urbanization on karst groundwater quality from Nanshan underground river system, SW China[J]. Quaternary Sciences, 2014, 34(5): 1044-1053. |
| [28] | Guo F, Jiang G H, Polk J S, et al. Resilience of groundwater impacted by land use and climate change in a karst aquifer, South China[J]. Water Environment Research, 2015, 87(11): 1990-1998. DOI:10.2175/106143015X14362865226798 |
| [29] | Lan F N, Qin X Q, Jiang Z C, et al. Influences of land use/land cover on hydrogeochemical indexes of karst groundwater in the Dagouhe Basin, Southwest China[J]. Clean-Soil, Air, Water, 2015, 43(5): 683-689. DOI:10.1002/clen.201300872 |
| [30] |
罗维, 杨秀丽, 邹胜章, 等. 城镇化进程下裸露岩溶区地下河水质变迁——以贵阳上寨地下河系统为例[J]. 中国岩溶, 2017, 36(5): 704-712. Luo W, Yang X L, Zou S Z, et al. Variation of water quality of underground rivers in uncovered karst regions during the process of urbanization[J]. Carsologica Sinica, 2017, 36(5): 704-712. |
| [31] |
姜爱林. 城镇化水平的五种测算方法分析[J]. 中央财经大学学报, 2002(8): 76-80. Jiang A L. Discuss on different measurement methods of urbanization level[J]. Journal of Central University of Finance & Economics, 2002(8): 76-80. DOI:10.3969/j.issn.1000-1549.2002.08.019 |
| [32] |
赵占锋, 欧璐, 秦大军, 等. 济南岩溶水水化学特征及影响因素[J]. 中国农村水利水电, 2012(7): 31-37. Zhao Z F, Ou L, Qin D J, et al. Factors controlling hydrochemical characteristics of karstic water in Jinan[J]. China Rural Water and Hydropower, 2012(7): 31-37. |
| [33] |
袁建飞, 邓国仕, 徐芬, 等. 毕节市北部岩溶地下水水化学特征及影响因素的多元统计分析[J]. 中国地质, 2016, 43(4): 1446-1456. Yuan J F, Deng G S, Xu F, et al. The multivariate statistical analysis of chemical characteristics and influencing factors of karst groundwater in the northern part of Bijie City, Guizhou Province[J]. Geology in China, 2016, 43(4): 1446-1456. |
| [34] |
陈荣彦, 叶许春, 张世涛, 等. 人类活动影响盘龙江下游浅层地下水水质的变化[J]. 水资源与水工程学报, 2007, 18(5): 47-51. Chen R Y, Ye X C, Zhang S T, et al. Change of the shallow groundwater quality by human activities influence in lower reaches of Panlongjiang River[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2007, 18(5): 47-51. DOI:10.3969/j.issn.1672-643X.2007.05.012 |
| [35] |
邹胜章, 张金炳, 李洁, 等. 北京西南城近郊浅层地下水盐污染特征及机理分析[J]. 水文地质工程地质, 2002, 29(1): 5-9. Zou S Z, Zhang J B, Li J, et al. Analysis of shallow groundwater salt pollution feature and mechanism in the southwest suburb of Beijing City[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2002, 29(1): 5-9. DOI:10.3969/j.issn.1000-3665.2002.01.002 |
| [36] |
吕晓立, 邵景力, 刘景涛, 等. 兰州市区地下水矿化度分布特征及成因分析[J]. 干旱区资源与环境, 2013, 27(7): 23-27. Lv X L, Shao J L, Liu J T, et al. Distribution characteristics and origin of total dissolved solids in groundwater under Lanzhou City[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2013, 27(7): 23-27. |
| [37] | 刘丛强. 生物地球化学过程与地表物质循环:西南喀斯特流域侵蚀与生源要素循环[M]. 北京: 科学出版社, 2007. |
| [38] |
胡明志, 熊际翎, 刘丽莉, 等. 贵阳地区酸雨化学组份的模糊统计分析[J]. 贵州师范大学学报(自然科学版), 1996, 14(1): 81-85. Hu M Z, Xiong J L, Liu L L, et al. A analysis of chemical composition of acid rain in Guiyang area[J]. Journal of Guizhou Normal University (Natural Sciences), 1996, 14(1): 81-85. |
| [39] | Brenot A, Baran N, Petelet-Giraud E, et al. Interaction between different water bodies in a small catchment in the Paris basin (Brévilles, France):tracing of multiple Sr sources through Sr isotopes coupled with Mg/Sr and Ca/Sr ratios[J]. Applied Geochemistry, 2008, 23(1): 58-75. DOI:10.1016/j.apgeochem.2007.09.006 |
| [40] | Choi B Y, Yun S T, Yu S Y, et al. Hydrochemistry of urban groundwater in Seoul, South Korea:effects of land-use and pollutant recharge[J]. Environmental Geology, 2005, 48(8): 979-990. DOI:10.1007/s00254-004-1205-y |
| [41] |
任坤, 师阳, 李晓春, 等. 典型岩溶槽谷区地下水化学特征及地球化学敏感性分析[J]. 中国岩溶, 2014, 33(1): 15-21. Ren K, Shi Y, Li X C, et al. Study of the chemical features and geochemical susceptibility of the groundwater system in a typical karst trough valley[J]. Carsologica Sinica, 2014, 33(1): 15-21. DOI:10.3969/j.issn.1001-4810.2014.01.003 |
| [42] |
李瑞, 肖琼, 刘文, 等. 运用硫同位素、氮氧同位素示踪里湖地下河硫酸盐、硝酸盐来源[J]. 环境科学, 2015, 36(8): 2877-2886. Li R, Xiao Q, Liu W, et al. Using δ34S-SO42-and δ15N-NO3-, δ18O- NO3- to trace the sources of sulfur and nitrate in Lihu Lake undergound water, Guangxi, China[J]. Environmental Science, 2015, 36(8): 2877-2886. |
| [43] |
徐慧珍, 段秀铭, 高赞东, 等. 济南泉域排泄区岩溶地下水水化学特征[J]. 水文地质工程地质, 2007, 34(3): 15-19. Xu H Z, Duan M X, Gao Z D, et al. Hydrochemical study of karst groundwater in the Jinan spring catchment[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2007, 34(3): 15-19. DOI:10.3969/j.issn.1000-3665.2007.03.005 |
| [44] |
李洁, 罗朝晖, 顾栩, 等. 贵阳地区城镇化对浅层地下水的影响分析[J]. 安全与环境工程, 2017, 24(4): 1-9. Li J, Luo Z H, Gu X, et al. Effect of urbanization on shallow groundwater in Guiyang Area[J]. Safety and Environmental Engineering, 2017, 24(4): 1-9. |
| [45] |
郎赟超, 刘丛强, 赵志琦, 等. 贵阳市地表水地下水化学组成:喀斯特水文系统水-岩反应及污染特征[J]. 水科学进展, 2005, 16(6): 826-832. Lang Y C, Liu C Q, Zhao Z Q, et al. Chemical compositions of surface and ground waters of Guiyang city:discussion of water-rock interaction and contamination in karstic hydrological system[J]. Advances in Water Science, 2005, 16(6): 826-832. DOI:10.3321/j.issn:1001-6791.2005.06.013 |
| [46] |
杨水秀, 詹苏. 贵阳市降水中K、Na、Ca、Mg金属元素分布状况初探[J]. 仪器仪表与分析监测, 2006(1): 39-40. Yang S X, Zhan S. The initial investigate of metal elements distribution about K、Na、Ca、Mg in the rain Fall in Guiyang[J]. Instrumentation Analysis Monitoring, 2006(1): 39-40. DOI:10.3969/j.issn.1002-3720.2006.01.017 |
| [47] |
韩贵琳.喀斯特环境质量变化的自然与人文过程特征——贵州喀斯特河流的地球化学研究[D].贵阳: 中国科学院地球化学研究所, 2002. Han G L. Characterization of natural and anthropogenic processes responsible for karst environmental quality changes——geochemical study of karst rivers in Guizhou Province[D]. Guiyang: Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, 2002. http://d.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y468148.aspx |
| [48] |
李思亮, 刘丛强, 肖化云, 等. δ15N在贵阳地下水氮污染来源和转化过程中的辨识应用[J]. 地球化学, 2005, 34(3): 257-262. Li S L, Liu C Q, Xiao H Y, et al. Using δ15N to assess groundwater nitrogen pollution in Guiyang[J]. Geochimica, 2005, 34(3): 257-262. DOI:10.3321/j.issn:0379-1726.2005.03.006 |
| [49] |
张海月, 杨平恒, 王建力, 等. 城市化对岩溶水系统化学组分演化的影响——以重庆市南山老龙洞地下河为例[J]. 中国岩溶, 2017, 36(4): 541-549. Zhang H Y, Yang P H, Wang J L, et al. Effect of urbanization on the hydrogeochemical evolution of karst groundwater system:a case of the Laolongdong watershed, Chongqing, China[J]. Carsologica Sinica, 2017, 36(4): 541-549. |
| [50] | Edmunds W M, Shand P, Hart P, et al. The natural (baseline) quality of groundwater:a UK pilot study[J]. Science of the Total Environment, 2003, 310(1-3): 25-35. DOI:10.1016/S0048-9697(02)00620-4 |
| [51] | Valdes D, Dupont J P, Laignel B, et al. A spatial analysis of structural controls on Karst groundwater geochemistry at a regional scale[J]. Journal of Hydrology, 2007, 340(3-4): 244-255. DOI:10.1016/j.jhydrol.2007.04.014 |
| [52] |
蒋勇军, 吴月霞, Groves C, 等. 利用因子分析确定岩溶地下河系统水质的影响因素[J]. 水文地质工程地质, 2009, 36(4): 1-7. Jiang Y J, Wu Y X, Groves C, et al. Identification of influencing factors of groundwater quality variation using factor analysis[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2009, 36(4): 1-7. DOI:10.3969/j.issn.1000-3665.2009.04.002 |
| [53] |
崔健, 都基众, 李霄, 等. 齐齐哈尔市土地利用变化及其对地下水水质的影响[J]. 地球与环境, 2015, 43(3): 308-315. Cui J, Dun J Z, Li X, et al. Effects of Land use change on groundwater quality in Qiqihar City[J]. Earth and Environment, 2015, 43(3): 308-315. |