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文章发表|人为补给地下水(AGR)影响下含水层溶解性有机质(DOM)的来源解析——基于光学指标的端元混合分析
发布时间:2022-12-30

人为补给地下水(AGR)影响下含水层溶解性有机质(DOM)的来源解析——基于光学指标的端元混合分析

 

原创作者:曹旭,何伟等

 

【导读】

溶解性有机质(DOM)是一类具有复杂组成、结构和环境行为的有机混合物,人工补水(AGR)是常见的涵养地下水资源的工程措施之一。然而,关于地下水中DOM源解析的研究,特别是AGR情境下,却鲜有报道。为此,本研究在国家自然科学基金面上项目“地下水有机质对人为补水的响应机制:以北京为例”(No. 42177201)及“典型区地下水硝酸盐污染项目No. 2041STC60173)及的支持下,与北京市环境保护科学研究院史芫芫及何炜等合作针对北京市密怀顺地区潜水层地下水开展了采样活动。利用水化学、稳定同位素及光谱等技术探究AGR对潜水层地下水DOM的表观特征及来源的影响。

 

图文摘要

1)大部分地下水中DOM的腐殖化指数(HIX)小于4(图1,说明地下水DOM的腐殖质化程度较低。主要接受地表水补给(AGRSW地下水DOMHIX 1.56 ± 1.16)显著大于主要接受降水补给(NGRP地下水(0.99 ± 1.06p  0.05),所以,人为补水会显著影响地下水中腐殖质的含量,会给地下水带来更多的腐殖质。进一步来看,地表水DOMHIX1.44 ± 0.5)低于AGRSW地下水(1.56 ± 1.16),说明两个补给区地下水间HIX的显著差异不是由地表水主导造成的。值得注意的是,污水(2.47 ± 0.07)、土壤(3.39 ± 0.90)和河道沉积物(3.04 ± 1.34)中DOMHIX均明显高于地下水,这三种来源可以通过人为补水输送到地下水中。因此,人为补水可能是将污水、土壤和河道沉积物中的腐殖质输送到了地下水中。

 

1 AGRSWNGRP地下水中DOM传统光学指数箱线图

2整体来看,AGRSWNGRP地下水中C2 + C4(类蛋白质)的含量分别为58.60% ± 31.48%72.74% ± 50.26%(图2),说明地下水DOM中类蛋白质占据主导地位。AGRSW地下水中C1C3组分(类腐殖质)均显著高于NGRP地下水(p  0.01),说明人为补水可以引起地下水中类腐殖质的富集。AGRSW地下水C2%显著低于NGRP地下水(p  0.01),表明人为补水会显著影响地下水中C2的含量。AGRSWNGRP地下水中C4%差异并不显著(p  0.05),所以,人为补水对地下水DOMC4组分的影响不大

2 AGRSWNGRP地下水DOMPARAFAC组分相对丰度箱线图

3)创建了适用于地下水DOM进行端元混合分析的程序

 为了评估一系列的光学指标在地下水DOM进行端元混合分析的适用性,建立了以下评价标准和筛选流程(图3):

a. Cl被认为是评价该研究区进行人为补水的保守示踪剂,为考虑光学指标的保守性,光学指标应与Cl显著的相关性

b. 为考虑地下水DOM对人为补水的响应,光学指标在不同补给区地下水间应具备显著性差异(p  0.05)。

c. 对于满足前两条标准的光学指标,两两组合成为指标组合并利用贝叶斯同位素混合模型(MixSIAR)计算各来源对地下水DOM的贡献。通过模型预测优度(G)、相对误差中值(MRE均方根误差(RMSE)等参数对各指标组合的性能进行评价。

最终,确定出BIX-C1%为适用于本研究量化各来源对地下水DOM贡献的最优指标组合。

 

3 适用于地下水DOM进行端元混合分析的最优指标组合筛选流程图

4)基于BIX-C1%借助MixSIAR计算了背景地下水、河道沉积物、污水、土壤及地表水五种来源对地下水DOM的贡献。污水和地表水对AGRSWNGRP地下水的贡献分别为29.54% ± 24.87%21.32% ± 28.08%24.79% ± 15.56%15.21% ± 14.20%,这说明污水和地表水是外源DOM的主要来源。此外,地表水对AGRSW地下水的贡献显著高于NGRP 地下水(p  0.05),说明长期进行人为补水会显著提高地表水对地下水中DOM的贡献,将更多来自地表水的DOM引入到地下水中。河道沉积物和土壤对AGRSWNGRP地下水的贡献分别为5.79% ± 3.70%5.12% ± 5.29%3.71% ± 2.80%2.93% ± 4.73%,这两种来源在4种外来来源中对地下水DOM的贡献相对较小。这四种外来端元的腐殖化程度均高于背景地下水,而且对AGRSW地下水的贡献均高于NGRP地下水。因此,这也再次证实了人为补水会向地下水输送更多的腐殖质。

 

4 各来源对地下水DOM贡献箱线图

 

本研究的合作者还包括中国地质大学(北京)刘菲教授、何江涛教授、赵忆副教授、周鹏鹏副教授及陈翠柏副教授与樊梦青、陈晓睿硕士及张占昊硕士。上述成果发表于环境科学领域TOP期刊Science of the Total Environment (IF=10.7533)。该研究还受到了中央高校基本业务费(No. 265QZ2021004)及北京市自然科学基金(No. 8202042)等项目的支持。

 

【参考文献】

[1] Cao, X., He, W., Fan, M., He, W., Shi, Y., An, T., Chen, X., Zhang, Z., Liu, F., Zhao, Y., Zhou, P., Chen, C., He, J., 2022. Novel insights into source apportionment of dissolved organic matter in aquifer affected by anthropogenic groundwater recharge: Applicability of end-member mixing analysis based optical indices. Science of the Total Environment. 863, 160885.

[2] Cao, X., Shi, Y., He, W., An, T., Chen, X., Zhang, Z., Liu, F., Zhao, Y., Zhou, P., Chen, C., He, J., He, W., 2022. Impacts of anthropogenic groundwater recharge (AGR) on nitrate dynamics in a phreatic aquifer revealed by hydrochemical and isotopic technologies. Science of the total environment. 839, 156187.

[3] Zheng, Y., He, W., Li, B., Hur, J., Guo, H., Li, X., 2020. Refractory Humic-like Substances: Tracking Environmental Impacts of Anthropogenic Groundwater Recharge. Environmental science & technology. 54, 15778-15788.


【原文链接】

http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.160885


【联系作者】

何伟,副教授,中国地质大学(北京)Email: wei.he@cugb.edu.cn