闽西赖源溶洞群小流域河流δD、δ18O时空特征及其水文学意义.pdf

对闽西赖源溶洞群小流域河流的氢、氧稳定同位素比值开展连续观测的数据 本研究探讨了赖源溶洞群小流域地表河和地下河的补给关系 结果表明:()郑地溪上村段小流域内地表河和地下河的 表现出不同的时空变化特征 地下河 值较为稳定 时空变化幅度较小 平均值接近于大气降水氧同位素的加权平均值 而地表河时空变化较大 在地下河汇入点的上下河段存在明显差异 上段河道 响应降水 变化 但相较降水加权平均值显著偏正 下段受地下河 混合效应明显()流域地表河和地下河 在不同程度上受蒸发作用的影响 但总体上较为微弱 地下河 与降水年加权平均值变化趋势一致 地下水 低于地表水表明研究区内地下水单向补给地表水()在地下河汇入点的下游河段的 表现为上游河水与地下河混合的结果 可以利用 的二元混合模型估算地下河流量的贡献关键词:喀斯特小流域 河流水体 赖源溶洞群中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.().第 期黄庭悦等:闽西赖源溶洞群小流域河流、时空特征及其水文学意义 .().().:引言喀斯特(又称岩溶)是指水对可溶性岩石的溶蚀作用及其所形成的各种地表和地下景观与过程 在喀斯特地区发育的“二元三维”地貌结构对当地流域的地表水、地下水补给产生分异 形成独特的水文系统 喀斯特地下河流与地表河流具有不同的水文过程 在汇水面积较小的小流域 旱季地下河对地表河流的补给 是小流域社会生产和生态保育的重要水资源保障 与西南地区大面积分布的喀斯特区不同 福建及周边的东南地区 喀斯特地层多呈零星分布 流域内地层分布较为复杂 以闽西赖源溶洞群所在的郑地溪小流域为例 喀斯特地层呈条带状分布于郑地溪一侧 外源水(非喀斯特区水流)构成该区地下河主要的补给来源和排泄区 喀斯特地下河在伏旱季节是下游大片基本农田的重要水源 然而 有关赖源溶洞群小流域地下河与地表河的补给关系、过程与特征尚缺少系统的研究水体中的 和 是天然的示踪剂 水体继承了当地降水的稳定同位素组成 同时在植被、土壤和岩石裂隙的运移过程中受蒸发作用的影响 不同来源和水文过程的水体通常具有不同的氢氧同位素时空变化特征 地表水与地下水的水体交换影响了水体的氢氧同位素组成 被广泛运用于小流域河流的水文过程研究 例如、陈雪莲等运用稳定同位素技术研究径流的形成机制 并用于判定水分来源及所占比例 刘兵等分析东宫河流域大气降水、地表水和地下水的时空变化特征揭示三者之间的转化关系 朱晓峰等延续径流划分的方法 应用于降雨过程中新旧水补给比例的研究 在中国西南喀斯特地区 和 也被广泛运用于流域水文过程研究 年 月 年 月期间 在闽西赖源溶洞群小流域采集地表河水和地下河水样品 通过分析其氢氧稳定同位素组成 揭示 和 值的时空分布特征 探讨地表水与地下水的补给来源、补给过程及其混合程度 为该区小流域的水文循环和古气候重建研究提供参考 研究区域与方法 研究区概况赖源溶洞群位于福建省龙岩市连城县赖源乡上村和中村 地理位置为东经 北纬 区内二叠系船山组和栖霞组石灰岩地层中发育有幽琴洞、仙云洞、石燕洞、梧桐洞等 个大小不一的溶洞 赖源溶洞群构成冠豸山国家地质公园的一部分 幽琴洞和仙云洞是其中最大的 个洞穴 洞内发育有地下河 地下河在部分洞道出露 河床海拔略高于下游地表水的排泄基准面地下河自东向西汇入郑地溪(图)洞穴上覆基岩厚度大致在 地表植被茂密 仅在幽琴洞近洞口上覆的孤峰分布有裸露的喀斯特石牙 植被以常绿阔叶和常绿针叶混交林和毛竹林为主 林下草被较为发育 根据仙云洞的滴水观测数据分析 部分快速响应滴水及大型裂隙、管道水对降水滞后约 个月(未发表数据)仙云洞洞内空气实测温度常年稳定在 略低于洞外年平均气温 实测湿度常年接近 研究区三面环山 北山和南山两座海拔接近 的山峰高耸于村庄西北侧和东南面 二者交接于研究区西南侧 构成封闭的小流域 郑地溪发源于上村西南侧 自西南向东北依次流经上村、中村和 亚热带资源与环境学报第 卷下村 在郑地溪上村段 河流东侧为石灰岩地层 西侧则为石炭系林地组下段的碎屑岩 幽琴洞和仙云洞地下河于上村东北侧汇入郑地溪 是赖源中村至下村之间大片农田灌溉的主要水源(图)该区地处亚热带季风气候区 雨热同期 区域年降水量约为 降水主要集中在 月 约占全年降水的 每年 月是伏旱天气 多年平均气温为 全年最高温度在 月 最低温度在 月 注:左侧为地层分布 右侧为卫星图像照片图 研究区地质概况和赖源溶洞群小流域河流及采样点示意 样品采集与分析方法在赖源溶洞群小流域共选取 个采样点进行野外监测和样品采集 各样点水样类型及地理位置如图 所示 其中地表河水采样点 个(、)地下河水采样点 个(、)和 位于幽琴洞地下河出口处 为仙云洞洞内地下河水监测点 监测从 年 月开始 至 年 月结束 采样的时间间隔为 个月 监测的内容包括:洞内外大气温、湿度 降水量 并采集水样进行氢氧同位素测试 在洞内、洞外多个位置放置 温湿度数据记录仪记录温湿度(分辨率:)在当地居民的平房房顶放置 翻斗式雨量计记录降水量(分辨率:)水样采集使用 聚乙烯瓶 采集前用待采水体冲洗瓶子 遍 采集后立即用 封口膜密封瓶口 野外样品带回实验室后立即使用注射器和 一次性水系针头过滤器转移至 棕色玻璃瓶 封口并置于 的冰箱冷藏保存 水样的稳定同位素测试在福建师范大学地理科学学院稳定同位素实验中心进行 测试仪器为 型同位素分析仪 和 测试精度分别优于 和 最终结果用相对于维也纳标准平均海水()的千分差()来表示:()()()式()中:为滴水样品中/(或/)的比值 为 中/(或/)的比值 结果与讨论 大气温度、湿度、降雨量变化特征观测期间 大气温度、湿度和降雨量变化如图 所示 受拉尼娜事件的影响 年气候异常 年降水总体偏少 全年无台风过境 年冬春降水偏多 年夏季温度偏高 相对而地质资料参考福建省地质图(万)说明书(矿产勘查开发局.福州:福建省地图出版社)根据现场测量对局部进行修改(虚线闭环内为石灰岩地层)第 期黄庭悦等:闽西赖源溶洞群小流域河流、时空特征及其水文学意义 图 年 月研究区大气温湿度和月降水变化 言 年春季温度偏低 湿度高频变化显著 平均约为 在 年 月出现持续时间较长的低湿度天气 降水和河水的氢氧同位素组成变化特征降水和河水的氢、氧同位素比值和氘盈余()值的变化范围和平均值列于表 各个监测点的 时间变化曲线如图 所示 降水的 值变化范围 为 雨 量 加 权 平 均 值 为 的值介于 雨量加权平均值为 地表河水的 和 变化范围分别为 和 地下河水的 和 的变化范围分别为 和 在时间维度上(图)降水 值呈阶梯式降低趋势(图):年 月最高 月份快速降低 到 年 月 基本稳定在上下波动 年 月 值最为偏负 地表河水快速响应降水的同位素变化 年上半年枯水期同位素值较为偏正 而且不同点位的同位素比值差异性较大 年 月开始随着降水同位素值降低 地表河水的同位素随之变负 降水 月际变化基本上都有响应 观测点之间的差异缩小 相比之下 地下河 值虽然在 年上半年略微偏正 之后总体上较为稳定 变化不显著 可能是响应降水年际变化的特征表 各采样点水中氢、氧同位素比值和氘盈余值()的变化范围与平均值 编号水样类型(均值)(均值)(均值)大气降水 ()()()地表河水(支流)()()()地表河水(干流)()()()地表河水(干流)()()()地下河水(幽琴洞)()()()地下河水(幽琴洞)()()()地下河水(仙云洞)()()()地表河水(支流)()()()地表河水(支流)()()()地表河水(隐流)()()()地表河水(干流)()()()地表河水(干流)()()()地表河水(支流)()()()地表河水(干流)()()()地表河水(支流)()()()地表河干流平均 地表河支流平均 地下河平均 注:降水的氢氧同位素均值为雨量加权平均值不同类型河水的 和 在绝对值和波动幅度上都表现出显著的差异性变化特征(图)总体上 降水的变幅最大 地表干流次之 支流明显小于干流 地下河水变幅最小 说明流域的水体经历了较强的混合作用 但是受补给来源和(或)蒸发作用的影响(图、图)地下水的 平均值为 与降水 的雨量加权平均值相当(表)相较于地下河水 地表河水的 值偏正约 (表)并且显示出显著的空间差异(图、图)在地下河汇入之前的支流 其 值最为偏正 干流的 值次之 在地下河汇入后的干流河段 水体的 值较为偏负 接近于地下河水的 值 反映出地下河和地表干流上段两种水体存在截然不同 值 亚热带资源与环境学报第 卷 注:.月累积降水.地下河.地表河支流.地表河干流 其中黑色表示地下河汇入之前河段蓝色表示地下河汇入之后的河段图 郑地溪上游降水和小流域水体氢、氧时间序列 注:红色箱指示地表河支流 蓝色箱为地表河干流黄色箱表示地下河图 郑地溪上游小流域水体氢、氧同位素箱型图 ()()地表水、地下水的氧同位素差异反映两种水体的相互补给关系 即地表水 较地下水偏负说明地表水补给地下水 相反 如果地表水 较地下水偏负 则表明地下水补给地表水 除了位于地下水样点 和 下游的地表水样点 和 的 较为偏轻 其余的地表水样点的 均偏重于地下水样点(图)说明该区地下水补给地表水 且补给点单一 这也与研究区山地地形相吻合 降水、地下水与地表水的 关系地下水和地表水在接受降水补给后 在植被、土壤和岩石裂隙的运移过程中可能发生潜在的蒸发作用 导致水体氢氧同位素不平衡分馏 重同位素富集 和 逐渐偏正 但蒸发不平衡导致分馏过程中引起的水体 和 富集程度不同 氘盈余值减小 在 关系图中表现为水线斜率和截距较降水水线偏小 降水到达地面后 在土壤或者岩层裂隙中滞留时间越长 蒸发富集效应越大 水体在地表运移距离和时间越长 和 逐渐偏正研究区大气水线(:)、地表水线()和地下水线(:)如图 所示 图 显示地下水和地表水样点均落在了大气水线附近 说明降水是地下水、地表水的主要补给来源 且蒸发作用较小 这可能与研究区位于郑地溪发源地 流域面积小 降水补给路径有关 拟合得到的地下水线与地表水线的斜率和截距均小于 (图)说明地表水和地下水均受到一定程度的蒸发作用的影响 值得注意的是地下水斜率和截距小于地表水 这与前述的地下水 最为偏负的观测结果互相矛盾 这可能是由于地下水 和 变幅小 其回归水线的置信度低()结果仅供定性参考 其斜率和截距小于地表水并不代表地下水蒸发作用大于地表水 因为降水主要通过落水洞、岩溶漏洞、大管道与裂隙补给岩溶地下水 在土壤层滞留时间短 地下河温度较低且常年保持稳定 蒸发作用一般小于地表水地表河水 值介于全年降水加权平均值()和 月降水加权平均值()之间地下河水 值介于 月降水加权平均值()和 月降水加权平均值()之 第 期黄庭悦等:闽西赖源溶洞群小流域河流、时空特征及其水文学意义 注:红色点为地表水 蓝色点为地下水 黑色代表降雨图 降水与流域水体 和 关系 间(图)平均值更接近于 月降水加权平均值()考虑到上述水体同位素的蒸发富集作用 地下河水 值偏负可能还与大气降水对地下河水选择性补给有关 即地下河水以 值偏负的大雨事件补给为主 水文学意义由于福建地区的岩溶地层呈斑块状零星分布 分布范围和岩层总厚度均较小 与周围非可溶性岩层多为断层或不整合接触 小流域内的岩溶地下水排泄点较为集中 例如研究区内的岩溶地下水对地表河流的补给点单一且明确 鉴于地下河的值与受补给地表河的 值呈现显著差异 二者混合可以视为两个同位素端元组分的二元混合 根据二元混合模型可以利用氧同位素观测值较为准确地估算地下河对下游地表河流量的贡献比例以本研究期为例 地下河排泄点下游地表水 样点的 值 可视为上游地表水与地下河水的混合 构建二元混合模型如下:()()式()中:为下游(汇流处)样品的 均值 和 分别为地下水和上游地表水的均值 和 分别表示地下水和地表水的贡献比例计算结果表明地下水补给占比约为 说明地下水是下游地表水的重要补给来源 尤其是在区域时常发生的春夏干旱异常期 流量较为稳定的地下河对下游的农业灌溉至关重要 结论)郑地溪上村段小流域内地表河和地下河的 表现出不同的时空变化特征 地下河 值较为稳定 时空变化幅度较小 平均值接近于大气降水氧同位素的加权平均值 而地表河时空变化较大在地下河汇入点的上下河段存在明显差异 上段河道 响应降水 变化 但较降水加权平均值显著偏正 下段受地下河 混合效应明显)流域地表河和地下河 在不同程度上受蒸发作用的影响 但总体上较为微弱 地下河 与降水年加权平均值变化趋势一致 地下水 低于地表水表明研究区内地下水单向补给地表水)在地下河汇入点的下游河段的 表现为上游河水与地下河混合的结果 可以利用 的二元混合模型估算地下河流量的贡献参考文献():卢耀如.岩溶:奇峰异洞的世界.广州:暨南大学出版社:.:.:.亚热带资源与环境学报第 卷 袁道先 蔡桂鸿.岩溶环境学.重庆:重庆出版社:.:.():.黄静 周忠发 丁圣君 等.双河洞流域氢氧同位素特征及其指示意义.地球与环境 ():.():.李林.塔里木河流域地表水和地下水的转化关系.水土保持通报 ():.():.():.宋春林 孙向阳 王根绪.贡嘎山亚高山降水稳定同位素特征及水汽来源研究.长江流域资源与环境 ():.():.():.林聪业 高柏 华恩祥 等.拉萨河流域水环境氢氧同位素特征及其指示意义.有色金属:冶炼部分():.:():.:.:.陈雪莲 陈喜 张志才 等.基于稳定同位素和水化学成分的西南喀斯特流域径流划分.地球与环境():.():.刘兵 王贺 姜永海 等.基于水化学和氢氧同位素的东宫河流域不同水体转化关系研究.环境科学研究 ():.():.朱晓锋 陈洪松 付智勇 等.喀斯特灌丛坡地土壤 表层岩溶带产流及氮素流失特征.应用生态学报 ():.():.张艳青 张志才 陈喜 等.西南喀斯特流域岩溶水氢氧同位素时空分布特征及水文意义 以后寨河流域为例.地球与环境 ():.:.():.许琦 李建鸿 孙平安 等.西江水氢氧同位素组成的空间变化及环境意义.环境科学 ():.():.张富强 李苗发 曹奇 等.闽西仙云洞空间结构特征及其影响因素浅析.亚热带资源与环境学报 ():.():.王欢 曹奇 李苗发 等.福建仙云洞空气 浓度的空间分布及影响因素.亚热带资源与环境学报 ():.():.汪少勇 王巧丽 吴锦奎 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