【《某高速公路影响下的地下水物质来源分析案例》4600字】

某高速公路影响下的地下水物质来源分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u22023某高速公路影响下的地下水物质来源分析案例 1105241.1氢氧同位素探讨地下水来源及其影响 196521.2硝酸盐氮氧同位素探讨NO3-离子来源 3272241.2.1不同来源硝酸盐氮氧同位素的特征值 4228671.2.2来源判断 4207631.3高速公路沿线泉点DIC来源及其δ13C值 6269561.4小结 8地下水的同位素成分保留着一定的地下水系统外界输入的信息及系统内物质、能量和信息的转换“数据”，通过对地下水的水化学和同位素组分的分析，可以识别地下水的来源、形成、水质和水量的变化，同时能够追踪地下水的污染状况。1.1氢氧同位素探讨地下水来源及其影响地下水源于大气降水和各种地表水的入渗补给，其氢氧稳定同位素组成受到入渗雨水及地表水的同位素组成和渗入地下水后同位素组成发生的变化共同控制。阐明与地下水成因有联系的各种天然水的氢氧同位素组成及变化特征，对理解地下水同位素组成有重要意义[68]。氢同位素氘（D）和氧同位素18O能示踪地下水的流动路线，以及水岩相互作用程度[69]。为识别高速公路建设对地下水环境的影响，与2019年11月（枯水期）和2020年7月（丰水期），对都巴高速沿线水体进行了氢氧同位素取样，枯水期样品12组，丰水期样品13组，分析不同水体的氢氧同位素特征，识别研究区地下水补给来源及公路建设对沿线水环境产生的影响。研究区不同水体氢氧同位素统计结果见表4-1。枯水期，江南乡泉群δD值和δ18O值变化范围分别为-47.16‰~-26.5‰和-7.09‰~-1.38‰；伏龙泉流域δD值和δ18O值变化范围分别为-48.76‰~--39.75‰和-7.41‰~-6.26‰；非岩溶区地表水δD值和δ18O值分别为-42.37‰和-6.52‰；隧道入口排水δD值和δ18O值为-38.43‰和-6.03‰。江南乡泉群补给区出露泉点DB03水样氢氧同位素组成较其他水样偏正，样品来自其出露的小水塘中，受蒸发作用影响较强；伏龙泉地下河出口DB08、DB09水样氢氧同位素组成较其他水点偏负，受蒸发作用影响较小。丰水期，江南乡泉群δD值和δ18O值变化范围分别为-41.94‰~-28.64‰和-6.59‰~-5.11‰；伏龙泉流域δD值和δ18O值变化范围分别为-39.86‰~-31.27‰和-6.4‰~-5.9‰；非岩溶区地表水δD值和δ18O值分别为-46.34‰和-7.29‰；隧道入口排水δD值和δ18O值为-36.8‰和-6.14‰。江南乡泉群水样δD和δ18O变化范围较大，但与非岩溶区地表水的同位素组成比较接近，可能二者之间存在水力联系。不同水体的氢氧同位素含量较接近，表明都巴高速沿线水体可能有相似的来源或经过相似的变化过程。表4-1都巴高速沿线水体氢氧同位素统计结果（‰）2019.112020.07δDδ18OδDδ18O江南乡泉群Max-26.5-1.38-28.64-5.11Min-47.16-7.09-41.94-6.59Mean-39.85-6.09-38.47-6.21伏龙泉流域Max-39.75-6.26-31.27-5.9Min-48.76-7.41-39.86-6.4Mean-45.66-7.01-36.84-6.17非岩溶区地表水-42.37-6.52-46.34-7.29隧道入口排水-38.43-6.03-36.8-6.14Craig[70]分析了全球400个河水、湖水和大气降水的氢氧同位素之间的关系，提出了大气降水线（GMWL）（CraigH.，1961）：δD=8δ18O+10（4-1）不同区域大气降水中氢氧同位素组成受到水汽来源地，水汽输送过程、大气环流及水汽输送路径等因素的影响，δD和δ18O间的关系会偏离全球大气降水线。郑淑惠[71]等根据我国8个城市降水资料得到中国大气降水线（郑淑蕙等，1983）：δD=7.9δ18O+8.2（4-2）与全球降水线较接近。将水样的氢氧同位素组成与大气降水线进行对比，可以区分不同水样的来源及其相互关系。研究区大气降水线取胡可等[72]建立的桂西北地区岩溶峰丛大气降水线（LMWL）：δD=9.01δ18O+19.66（4-3）将研究区水样δD和δ18O值绘制氢氧同位素关系图（图4-1）。枯水期研究区各水样氢氧同位素组成落在大气降水线上和附近（图4-1），表明研究区不同流域岩溶水的补给来源于大气降水，隧道入口排水来源于大气降水补给。江南乡泉群水样δD和δ18O关系更偏降水线以下，坡冠泉水样在径流过程中蒸发作用较强烈。图4-1都巴高速沿线水点氢氧同位素关系丰水期研究区各水样氢氧同位素组成落在大气降水线上和附近（图4-1），表明研究区水样补给来源与大气降水。江南乡泉群水样δD和δ18O落在降水线右下方，表明江南乡泉群水样在径流过程中蒸发作用较强烈。1.2硝酸盐氮氧同位素探讨NO3-离子来源由于城市发展，工农业生产及生活污水的排放，由于岩溶地区特殊的地质结构，地下水极易受到污染。地下水中硝酸盐来源很多，形成污染后难以治理，为保证人类身体健康、防止地下水中硝酸盐的污染，查明硝酸盐的来源对于地下水污染防治具有重要意义。不同来源的硝酸盐具有不同的氮、氧同位素组成，因此可以利用硝酸盐氮氧同位素辨别水环境中不同来源的硝酸盐，解决水体硝酸盐来源复杂的问题，认识人类活动对于都巴高速沿线水体生态环境的影响。1.2.1不同来源硝酸盐氮氧同位素的特征值水体中硝酸盐的来源繁多，包括大气沉降、农药化肥的使用、土壤有机氮降解、工业及生活污水的排放等，不同的硝酸盐来源具有其独特的δ15N和δ18O值。Xue等人[73]总结前人的研究结果：通过人工合成的化肥，是由大气中的N2O固定而成，其δ15N值较为接近，δ15N含量范围为-6‰~6‰；大气沉降中δ15N受到大气中复杂的化学反应及人类活动的影响，δ15N含量范围为-13‰~13‰；人畜粪便和生活污水在储存、排放、处理和应用过程中氨（NH3）挥发导致剩余NH4+中更富集15N，经硝化作用转化为富集15N的NO3-，源自人畜粪便的NO3-中δ15N值范围为5‰~25‰，生活污水δ15N值范围为4‰~19‰。受矿化作用和硝化作用以及土壤深度、植被等因素的影响，土壤氮的δ15N值范围为0‰~8‰。由于不同来源硝酸盐的δ15N值范围存在重叠，如大气沉降和无机化肥，以及动物粪便与生活污水中硝酸盐的δ15N值较为接近，难以区分。为了更好地区分地下水硝酸盐污染来源，学者开始利用硝酸盐中氧同位素方法来识别硝酸盐来源。人工合成化肥的NO3-中δ18O值范围为19‰~25‰；大气沉降的NO3-中δ18O值范围为25‰~75‰；人畜粪便及生活污水的δ18O值一般介于-10‰~15‰之间；土壤中经硝化作用形成的NO3-中有两个氧原子来自H2O第3个氧原子来自大气中的O2，其δ18O理论值范围为-10‰~10‰，在实际观测中土壤硝化作用形成的NO3-中δ18O值范围为-5‰~5‰。1.2.2来源判断为研究都巴高速建设期间影响下岩溶地下水硝酸盐的变化状况，于2019年11月（枯水期）和2020年7月（丰水期），对都巴高速沿线水体进行了硝酸盐氮氧同位素取样，枯水期样品12组，丰水期样品13组。利用NO3-来的氮氧稳定同位素对都巴高速沿线泉点中NO3-的来源进行分析，潜在NO3-来源的同位素组成特征值范围来自Xue等人[73]的整理统计。研究区不同泉点水体氮氧同位素统计特征见图4-2。枯水期都巴高速沿线各泉点δ15N-NO3-变化较小，江南乡泉群δ15N-NO3-值范围为-5.68‰~1.88‰，平均值为-0.21‰；伏龙泉流域δ15N-NO3-值范围为-2.91‰~1.45‰，平均值为-1.06‰；非岩溶区地表水δ15N-NO3-值为6.77‰，隧道入口排水δ15N-NO3-值为2.21‰，非岩溶区地表水及隧道入口排水的δ15N-NO3-值更偏正，易受人类活动影响；枯水期δ18O-NO3-值变化范围较大，江南乡泉群δ18O-NO3-值范围为-1.58‰~22.29‰，平均值为8.59‰；伏龙泉流域δ18O-NO3-值范围为-3.87‰~11.03‰，平均值为7.16‰；非岩溶区地表水δ18O-NO3-值为12.78‰，隧道入口排水δ18O-NO3-值为28.26‰。天然条件下地下水δ15N-NO3-值一般小于5‰，作为背景值可以判断浅层地下水是否受到氮污染的标准。枯水期非岩溶区地表水δ15N-NO3-值大于5‰，表明其受到了硝酸盐污染[74]。丰水期都巴高速沿线各泉点δ15N-NO3-变化较小，江南乡泉群δ15N-NO3-值范围为0.92‰~8.98‰，平均值为3.62‰；伏龙泉流域δ15N-NO3-值范围为-6.7‰~6.58‰，平均值为1.88‰；非岩溶区地表水δ15N-NO3-值为2.43‰；隧道入口排水δ15N-NO3-值为7.3‰。丰水期δ18O-NO3-值变化范围较大，江南乡泉群δ18O-NO3-值范围为6.32‰~13.67‰，平均值为10.83‰；伏龙泉流域δ18O-NO3-值范围为-6.51‰~43.43‰，平均值为16.96‰；非岩溶区地表水δ18O-NO3-值为21.4‰，隧道入口排水δ18O-NO3-值为8.07‰。图4-2都巴高速沿线泉点δ15N-NO3-和δ18O-NO3-分布江南乡泉群及伏龙泉流域2019年11月（枯水期）δ15N-NO3-和δ18O-NO3-主要分布在降水及化肥端元（图4-3），表明枯水期江南乡泉群及伏龙泉流域硝酸盐主要来源与降水及农业生产的施肥活动，由于江南乡泉群及伏龙泉流域内各泉点距离农田、放牧区较近，污染物易进入到水体中，故该区硝酸盐主要来源于农业活动。隧道入口排水δ15N-NO3-和δ18O-NO3-分布在大气沉降端元，表明隧道入口排水硝酸盐主要来源于大气沉降氮；非岩溶区地表水δ15N-NO3-和δ18O-NO3-分布在粪肥/生活污水端元，表明非岩溶区地表水中硝酸盐主要来源于粪肥或生活污水的排放。根据图4-3，丰水期江南乡泉群δ15N-NO3-和δ18O-NO3-主要落在粪肥及生活污水端元，表明丰水期大量降水对地表冲刷将粪便和生活污水冲入水体之中，使得江南乡泉群地下水中硝酸盐浓度升高。丰水期伏龙泉流域δ15N-NO3-和δ18O-NO3-分布较散，来源较复杂。非岩溶区地表水δ15N-NO3-和δ18O-NO3-落在硝态氮肥端元，水体中硝酸盐主要来源于农业施肥活动。隧道入口排水δ15N-NO3-和δ18O-NO3-落在粪肥及生活污水端元，因隧道施工时部分废水排入到水体中，该处硝酸盐可能主要来自施工废水。图4-3都巴高速沿线泉点硝酸盐来源分布1.3高速公路沿线泉点DIC来源及其δ13C值枯水期研究区不同水体pH值介于6.62~7.97之间，平均值为7.15；丰水期不同水体pH值介于7.21~8.42之间，平均值为7.57，呈现典型的岩溶水特征。水体中DIC由HCO3-、CO32-、溶解CO2组成，当pH介于6.4~10.3时，HCO3-占DIC绝大部分，研究区枯水期、丰水期大多泉点的pH值均小于8.4，故本研究用HCO3-含量来表示DIC浓度。枯水期，江南乡泉群DIC浓度变化范围为3.1~1.2mmol·L-1，平均值为3.7mmol·L-1；伏龙泉流域DIC浓度变化范围为1.2~1.9mmol·L-1，平均值为1.56mmol·L-1；非岩溶区地表水DIC浓度为2mmol·L-1；隧道入口排水DIC浓度为2.8mmol·L-1。丰水期，江南乡泉群DIC浓度变化范围为2.5~4mmol·L-1，平均值为3.52mmol·L-1；伏龙泉流域DIC浓度变化范围为3.9~1.9mmol·L-1，平均值为1.43mmol·L-1；非岩溶区地表水DIC浓度为1.75mmol·L-1；隧道入口排水DIC浓度为1.10mmol·L-1。伏龙泉流域DIC含量相对较高，隧道入口排水的DIC含量变化较大。枯水期，江南乡泉群δ13C值范围为-9.91~-7.67‰（表4-2），均值为-8.73‰；伏龙泉流域δ13C值范围为-13.62~-11.46‰，均值为-12.61‰；非岩溶区地表水δ13C值为-8.55‰；隧道入口排水δ13C值为-7.47‰，伏龙泉流域δ13C值偏负。丰水期，江南乡泉群δ13C值范围为-11.35~--9.06‰，均值为-10.47‰；伏龙泉流域δ13C值范围为-15.41~--12.68‰，均值为-13.83‰；非岩溶区地表水δ13C值为-11.24‰；隧道入口排水δ13C值为-12.54‰，伏龙泉流域δ13C值偏负。枯水期，上游补给水量减少，对沿途地层的溶蚀作用减弱以及水流速度缓，水体DIC与大气CO2建立了同位素平衡，使得δ13C值正向偏移。丰水期，降雨量较大，陆源有机质随雨水汇入地下水系统，在运移过程呈释放较轻的12C；丰水期土壤含水率高，土壤微生物呼吸作用增强使水-岩作用充分，碳酸盐岩矿物溶解速率增强，这些过程使δ13C值偏负。表4-2都巴高速沿线泉点DIC及δ13C特征枯水期丰水期pHDIC（mmol·L-1）δ13C（‰）pHDIC（mmol·L-1）δ13C（‰）DB016.813.20-8.797.331.00-10.47DB027.713.40-8.158.032.50-11.11DB037.391.10-7.677.421.00-9.06DB046.703.60-9.917.333.50-11.35DB067.051.20-9.127.373.60-10.38DB076.621.90-12.427.351.90-13.25DB086.741.20-11.467.441.40-13.50DB096.771.50-12.757.651.40-13.75DB107.361.30-12.797.303.90-12.68DB126.921.90-13.627.361.10-11.40DB13（旱季已干涸）7.211.90-15.41DB057.832.00-8.558.421.75-11.24DB117.982.80-7.478.211.10-12.54地下水中δ13C主要