暴雨对地下河理化性质的影响

1、暴雨对地下河理化性质的影响碳酸盐岩地区在 CO2 和 H2O 的作用下被溶蚀 产生溶隙、溶洞，甚至发育出地下河，如位于重庆南 山的总长约6km,常年流量5080L/S的老龙洞地下 河。地下河出口处形成溶洞，成为 AA 级景区。有约 600m 可步行进入， 再向内约 400m 可划船进入。 老龙 洞地下河流域面积约12km2,属亚热带季风区，年均 降水量约1100mm,主要集中在59月。岩溶区地表 发育土壤层薄，甚至缺失，再加上岩溶管道、裂隙、 落水洞、竖井发育,因此地表与地下河联系紧密,降 水会导致地下河物理化学性质产生变化。为研究暴雨 对地下河理化性质的影响, 于 2015年 7 月 21

2、日至 26 日一场 64mm 的暴雨期间对地下河水温、 水位、流速、 pH值以及含量较高的Ca2+和HCO3-进行监测。一、实验方法 地下河出口处有一人工修建的矩形沟渠,为测量 工作提供了方便。监测工作白天每 4 小时进行一次, 晚上8小时一次。实验器材和方法：用卷尺测得矩 形渠宽2.10m，数根笔直的竹竿或木棍、卷尺用于测 量水位：将木棍或竹竿竖直插入水中反复测量水深, 求平均值。旋杯式流速仪（精度为 0.001m/s）用于 测定地下河水流速度：将流速仪置于地下河道中断面 不同位置反复测定流速，求平均值。根据公式 1（Q=10HLV ）用测到的水位和流速计算流量。式中： Q 为流量（ L/s

3、）；H 为水位（ cm）；L 为矩形沟渠宽度（m）; V为流速（m/s）。使用德国（WTW公司） Multi3430 便携式多参数水质分析仪：测定水温、 pH 值，测量精度分别为0.1 c、O.OIpH单位。用钙离 子试剂盒（德国 Merck KGaA）测定水中的Ca2+、 HCO3-浓度，精度分别为 0.1mg/L和0.1mmol/L。 降水数据来源于http: rp5.ru/重庆市天气_。二、实验数据分析1.降水本次降水共64mm,从7月21日22: 00开始至 23 日 15： 00 结束，并伴有闪电。降水开始后的 24 小 时降水量达62mm,属于暴雨，主要集中在21日22: 00 至

4、 23 日 10： 30，用 origin 软件作出图 1，最大降 水出现在7月22日6: 30,半小时降水量8.4mm。考 虑到从降水到汇集入地下河并流出将经历一定时间， 因此,观测、采样从 7 月 21 日 23: 00 开始,到 7 月 26 日 12: 00 左右,水位、流速、电导率、 Ca2+、 HCO3- 等主要指标基本恢复到降水前水平,停止观测。观测时间共 109 小时。2.流量地下河流量变化很大，从降水前的 172 L/s 迅速增 加到1901 L/s,增幅超过10倍，表明降水对地下河流 量影响十分明显（图 1）。从变化过程看，在降水 8 小 时后流量迅速增加到最高值，随着降水

5、的停止，水位 逐渐降低，经过 95 小时后，仍未能恢复到降水前流量。 这种地下河流量随暴雨陡涨缓落的现象，说明该区属 管道与裂隙组合的地下水系统，地表与地下河通过落 水洞、竖井等管道直接相通，同时有深部裂隙和溶隙 的调节，并以管道流为主。3.水温降水期间老龙洞地下河水温度平均 22.5C，变化 范围 21.523.5C;气温 21.834.7C,平均 25.85C。 可见，地下河水温明显低于气温，变幅远小于气温， 表现出土壤、岩层对水温的调节作用，使地下河处于 相对恒温状态。从变化过程看，水温并没有随着流量 的上升而迅速降低，而是在流量达到最大值时才开始 降低，体现出降水进入地下河路径的复杂性

6、。降水并 不仅仅从落水洞快速进入地下河，还从裂隙、溶隙等 下渗进入。 降水前， 裂隙、溶隙中充满温度较高的水， 降水时将这部分水先挤压进入地下河，因此水温起初 并不出现随流量的增加而下降的现象。然后随着降水 停止，降水对地下河的影响逐渐减小，水温逐渐随气 温的变化而变化。4. PH 值降水过程中 PH 值平均 7.02，呈弱碱性，体现了 岩溶区地下水的基本水化学特点。PH值变幅为6.98 7.09，相对较稳定。随着降水的来临和流量的上升， PH 值呈逐渐降低趋势（图 1），到 22日 21：00 降至 最低，这可能与重庆降水呈酸性有关。随后，暴雨的 影响减小， PH 值略有回升并出现波动。5.

7、 Ca2+根据方程 1（CaCO3+CO2+H2O = Ca2+ +2HCO3-）可知，地下水中Ca2+主要来源于碳酸盐岩 的溶解。研究时间内Ca2+平均质量浓度103.92mg/L, 变化范围92118 mg/L,体现了岩溶区地下水的基本 水化学特点。暴雨后随着流量的增加Ca2+出现了短暂 升高（图 1），这可能是因为降水除从落水洞直接进入 地下河外， 还进入裂隙、 溶隙， 将其中原有的高 Ca2+ 浓度的地下水挤压进入地下河。随着流量的增加，Ca2+浓度迅速降低，在pH值降到最低时，Ca2+浓度 也降到最低。说明此阶段原来存储在裂隙、溶隙中的“老水”已全部流出，低Ca2+浓度的降水经溶隙、

8、裂 隙进入地下河，体现出降水对地下河水的稀释效应。 随后，降水对地下河影响减小，伴随着 pH 值的升高 Ca2+浓度波动上升，但二者变化趋势并不完全同步。6. HCO3-根据方程 1(CaCO3+CO2+H2O = Ca2+ + 2HCO3-),地下河中HC03-也主要来源于碳酸盐岩的 溶解。研究时间内HCO3-平均质量浓度215.85mg/L, 变化范围195.2262.3 mg/L。HCO3-的质量浓度在降 水期间并没出现与Ca2+相似的短暂升高过程(图1), 而是随着降水的稀释作用浓度迅速降低，然后跟随 Ca2+波动升高，但HCO3-最低值出现时间与Ca2+并 不一致。说明该地下河中 Ca2+与HCO3-并不完全同 源，可能与该地下河污染较严重，大量有机物分解后 产生了 HC03-有关。三、结论 暴雨对地下河理化指标均产生不同程度的影响。 流量对降水的反应非常迅速并且变幅最大。降水对水 温和pH值影响