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文章发表|高寒干旱河流流域地表水-地下水相互作用引起的溶解性有机质光学变化
发布时间:2023-01-07

高寒干旱河流流域地表水-地下水相互作用引起的溶解性有机质光学变化


原创作者:易冰,何伟等

【导读】

西北干旱区水资源短缺且分布不均,加之全球气候变暖使高寒干旱区地下水与地表水相互作用(SGI)方向和水量发生变化。利用多种示踪剂不仅可以识别SGI的方向和水量,其结果还可以起到相互补充的作用。然而,目前广泛应用的示踪剂大多数是无机的,鲜有研究检验溶解性有机质(DOM)的光学特征是否也能示踪SGI。故本文依托湟水河流域水文地质调查项目(DD20190331),在黄河上游大通河流域进行大范围采样,利用传统水文方法和激发发射矩阵结合平行因子分析法(EEM-PARAFAC)探究地表水和地下水中DOM在不同SGI条件下的光学变化该研究可将DOM特征与传统水文地球化学指标联系起来,为高寒干旱地区水资源管理提供科学依据。

1 图文摘要


本研究于2021年6月 - 8月在高寒干旱区大通河流域采集了地表水样(26个)、地下水样(87个)及搜集了前人文献中降水样(3个),首先利用多种传统技术,包括水文地质、水文地球化学及水稳定同位素法(δ2H-H2Oδ18O-H2O)确定SGI方向。其次,利用吸收光谱和EEM-PARAFAC分析了不同SGI水体中DOM的光学特征、组成和来源。最后,基于多元统计分析法,得出不同补给来源水体的荧光组分差异,筛选出敏感性DOM光学特征。

 

本研究的主要新认识如下:

1)水化学分析表明,地表水的水化学成分以HCO3-Mg-Ca为主,与流域上游和中游的地下水一致,地表水补给在一定程度上塑造了流域上游和中游的地下水的型。下游地下水的水化学成分与地表水不同,Cl-SO4-Na。造成二者差异的原因可能为:

下游的地下水主要是河谷平原地下水(RVGW),受蒸发控制为主(图2a)

地下水从山区到平原的路径较长,并受到溶解和过滤的影响因此,溶解度较高的离子Na+Cl逐渐成为主要成分(图2a, b)。

 

2 由(ab)Gibbs图及cd)水文地球化学参数比例关系表示水的主要演化过程(如蒸发、岩石风化和降水)。RVGW - 河谷平原的地下水,PAGW - 山前冲洪积平原地下水MGW - 山区地下水SW – 地表水

 

2)流域δ18O空间插值表明,河水自西向东南流动过程中δ18O先增大后减小(图3a)。低温引起较强的分馏作用使降水中δ18O消耗,并导致上游地表水δ18O;中游纳子峡水库水受蒸发作用强烈而导致δ18O富集;中游东部δ18O贫化的河水可能接受了δ18O偏负泉水补给。地下水δ18O空间分布为中游贫化,下游富集。中游地下水δ18O值随流程的增加,呈先降低后升高的趋势,由于承压水比当地大气降水δ18O同位素更贫化(如图3b),因此,中游西北段泉水可能从承压地下水得到补给,而中游东南段地下水受到偏正δ18O值的河水补给。

通过下述方法:A. δ18O-H2O结合MixSIAR计算地下水各来源贡献B. δ18O-H2O空间插值;C. 降水携带的冲积物向河水补给;D. 河谷中松散岩石的孔隙水主要由河水补给;E. 远离河流的山区地下水主要由降水补给;F. 水文地质条件,泉水由地下水河水排泄G. 门源盆地的地下水流场将地下水划分为受降水补给主导的地下水(GRP)、受河水补给主导的地下水(GRSW)及受上一河段地下水补给主导的地下水(GRUGW)。

 

3 Kriging插值法计算的大通河流域(a)地表水和(b)地下水的δ18O-H2O空间分布情况

 

3)DOM光谱指数分析表明,GRP的BIX(2.83±0.71)显著高于GRUGW(1.55±0.84)(p<0.05)(图4C由于大气降水输入与类蛋白物质荧光团有重合的物质,这些物质长期在光氧化环境下,分子较小,经过光氧化后惰性和水溶性较强,更易迁移至含水层,从而提高了BIX指数。说明BIX在区分地下水源和地表水源补给地下水中 DOM 的生物活性方面更具优势

 

4 流域中游不同来源补给主导的地下水中DOM的光学指数

 

4)基于PARAFAC提取的荧光组分包括两个类蛋白成分(C1C4)和两个类腐殖质成分(C2C3)(图5)。C2和C3GRP样本的相对丰度显著低于其他补给主导的地下水,故C2和C3可以有效地识别GRPC4在GRSW样本中相对丰度较低通过河水补给进入含水层的可能性较小,这是因为类蛋白质物质可能被吸收到含水层中的矿物质中,而不像类腐殖质物质容易分布到水相中,故C4是有效识别GRSW的指标。

 

5 基于PARAFAC获得地下水中荧光成分的相对丰度

 

多元统计分析表明,SGI的传统化学示踪剂与C2C3呈显著正相关(图6)。由于C3C2在环境中更稳定和持久,故C3可用于示踪SGI过程。

 

6 DOM的光指数荧光与水质指标的主成分分析(PCA);

A)荷载量(变量)和(B)得分(样点)


上述成果发表于环境科学领域Q1期刊Science of the Total Environment (IF=10.754)。该研究获得了国家自然科学基金(42177201)、中央高校基础研究基金(265QZ2021004)、北京市自然科学基金(8202042)湟水河流域水文地质调查项目(DD20190331)的支持。


【参考文献】

[1] Yi, B., Liu, J. T., He, W., Lü, X. L., Cao, X., Chen X. R., Zeng X. J., Zhang Y. X., Optical variations of dissolved organic matter due to surface water - groundwater interaction in alpine and arid Datonghe watershed. Science of the total environment. http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.161036.

[2] Zheng, Y.X., He, W., Li, B.H., Hur, J., Guo, H.M., Li, X.M., 2020. Refractory humic-like substances: tracking environmental impacts of anthropogenic groundwater recharge. Environmental science & technology. 54. (24), 15778–15788.

[3] Zeng, X.J., He, W., Guo, H.M., Shi, Q.T., Zheng, Y.X., Vithanage, M., Hur, J., 2022. Recognizing the groundwater related to chronic kidney disease of unknown etiology by humic-like organic matter. NPJ Clean Water. 5 (1), 1–9.


【原文链接】

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969722081396


【联系作者】

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