汾河流域地表水金属元素分布特征与健康风险评价

为研究汾河流域地表水中金属污染特征及其健康危害程度,本文采集汾河流域主要支流入河口及干流断面水样39组,检测As、Cu、Pb、Zn、Hg、Ni、Mn、Fe和Co共9种金属元素含量,利用多元统计分析法、水环境健康风险评价模型分析了流域地表水中金属元素分布特征及对成人与儿童产生的健康危害.结果表明,研究区主要超标元素为Hg、Fe和Mn,污染区主要分布于汾河干流中下游和支流.汾河干流上游Fe、Mn、Zn和Co变化幅度较大,中游、下游次之;各支流金属元素含量差异较大.多元统计分析显示,Hg和As主要来源于工业污染及农业污染等;Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Fe和Mn来源于工农业生产和交通运输.健康风险评价表明,汾河流域各河段健康总风险为汾河支流>汾河下游>汾河中游>汾河上游,汾河中下游和支流健康风险危害较大,健康风险均为中等;经饮用水途径造成的健康风险儿童是成人的1.15倍,儿童更易受到金属元素的危害;As为支流浍河和昌源河的主要致癌因子;各河段优先控制金属元素为As、Co、Pb、Fe和Hg.

广西会仙岩溶湿地水体主要离子和溶解无机碳来源及控制因素

【研究目的】为查明会仙岩溶湿地水体主要离子和溶解无机碳(DIC)的来源及控制因素。【研究方法】于会仙岩溶湿地采集地下水和地表水样品,分析了水化学和溶解无机碳同位素(δ^(13)CDIC)参数特征。【研究结果】会仙岩溶湿地大部分的地下水和地表水水化学类型为Ca−HCO_(3)。湿地水体Ca^(2+)、Mg^(2+)与HCO_(3)^(−)主要来源于碳酸盐岩溶蚀;NO_(3)^(−)主要来源为农业化肥和土壤有机氮的硝化;K^(+)、Na^(+)和Cl^(−)主要来源为化肥、粪肥和污水等;SO_(4)^(2−)主要来源为酸雨和硫铁矿的氧化。湿地地下水中DIC主要来源于土壤CO_(2)和碳酸盐岩矿物的溶解,据同位素质量平衡,计算结果显示约46%来自于土壤CO_(2),约54%来源于矿物本身的贡献。会仙岩溶湿地不完全是CO_(2)参与下碳酸盐岩风化的结果,含硫矿物、酸雨和人类活动来源的H_(2)SO_(4)作为侵蚀介质也参与碳酸盐岩的风化,此外,农业输入还原态氮肥的硝化作用不容忽视。湿地地表水中DIC主要来源于地下水,湿地地表水中δ^(13)CDIC值受水生植物的光合作用和CO_(2)脱气的影响,组成较地下水相对富集偏正。【结论】水化学和δ^(13)CDIC可以帮助理解岩溶湿地的风化和生物地球化学过程,同时还应结合湿地水文地质和人为活动等条件才能提供更准确的信息。

晋祠泉域岩溶地下水防污性能评价与水质保护区划分

晋祠泉域岩溶水是太原市生活和工农业生产等重要的水源。文章以新划分的晋祠泉域岩溶水系统为评价对象,在欧洲方法及“水量脆弱性评价”的基础上,选取包气带厚度、入渗补给强度、上覆地层岩性及岩溶含水层的富水性4个指标,进行泉域岩溶水系统防污性能评价及水质保护区划分。结果表明:泉域泉源保护区主要分布在晋祠公园及周边;一级保护区主要分布在汾河主干流、西山山前碳酸盐岩裸露区,屯兰川、天池河及柳林河碳酸盐岩渗漏段等;二级保护区主要分布在泉域北部、汾河北岸等;准保护区主要分布在汾河南岸、东南部的太原盆地地区等。

山西省阳泉山底河流域煤矿“老窑水”动态特征、演化机理及对娘子关泉域的环境效应

【研究目的】煤矿“老窑水”以分布范围广、隐蔽性强、污染程度重、自然净化慢、持续时间长等特点,成为后采煤时代严重威胁中国生态文明建设的重要制约因素。【研究方法】本文以山西省阳泉市山底河流域煤矿“老窑水”为研究对象,通过长系列水质和水量系统性监测,运用统计学方法系统分析了山底河流域老窑水的水量和水质动态特征及其演化机理,评估了“老窑水”对娘子关泉域岩溶水的环境效应。【研究结果】研究表明,山底河“老窑水”总出口pH值平均为3.58,TDS平均为4744 mg/L,SO_(4)^(2-)平均为3327 mg/L;雨季地下水位上升后与采空区接触面积或体积增大和降雨量的影响滞后等是造成煤矿“老窑水”的流量与水化学特征指标电导率、SO_(4)^(2-)浓度非线性相关的主要原因;煤系地层中黄铁矿的强氧化反应主要发生在地下水位季节变动带、包气带和地表;煤矿采空积水区的一定深度为还原环境,具备开展微生物法治理的条件;山底河煤矿“老窑水”出流后进入下游碳酸盐岩河段渗漏,对娘子关泉域岩溶水的渗漏补给量达7247.08 m^(3)/d,水质差,是娘子关泉域岩溶地下水的重要污染源。【结论】山底河流域“老窑水”流量对降雨量的调蓄周期为半年;水化学特征指标与流量呈非线性相关,“老窑水”黄铁矿的强氧化反应主要发生在地下水位季节变动带、包气带和地表;“老窑水”出流后渗漏补给娘子关泉域达7247.08 m^(3)/d,SO_(4)^(2-)、Fe和Mn超标严重,对泉域岩溶水污染严重,急需开展煤矿“老窑水”的治理和废弃煤矿生态修复。

古堆-南梁泉域岩溶水环境问题现状与泉源区保护

古堆-南梁泉域位于山西省南部,是一个深循环与浅循环共存、冷水系统与热水系统循环转化、多级次排泄的复合型岩溶水系统,因长期不合理的开发利用,泉域内出现了一系列岩溶水环境地质问题。以水文地质调查工作为基础,综合采用地下水流场对比分析、水文地球化学及同位素分析、岩溶水资源评价等方法,详细论述了古堆-南梁泉域内岩溶水环境问题现状及其成因,并提出了泉源区生态修复与规划方案。结果表明:受气候变化与人类活动的叠加影响,系统内古堆泉、南梁泉、海头泉分别于1999年、1992年、2002年断流,2013-2021年区域地下水位平均下降速度达2.53 m/a;水化学、同位素分析结果指示了排泄区九原山附近松散岩类孔隙水越流补给量、三泉水库渗漏补给量对岩溶地下水的影响已不可忽略;泉域内岩溶水超Ⅲ类水水质标准样品占比由2014年的62.5%升高至2021年的81.25%;泉源区0.904 km 2范围可细分为核心保护区、水库蓄水区、一般保护区,应分区进行生态保护与修复规划。研究结果可为山西省超采区综合治理、古堆泉水生态修复与保护工作提供基础依据。

黄河流域地下水资源状况及其生态环境问题

黄河流域是中国重要的生态屏障和经济地带,上中下游面临着不同生态环境问题,水在生态环境问题的形成演化过程中起着重要作用。本文从黄河流域地下水动态特征、地下水资源的数量、质量及开发利用等方面,分析了黄河流域地下水资源及饮水安全状况。黄河流域年度地下水资源量393.55亿m3,银川平原、河套平原等7处主要平原(盆地)地下水资源量为81.91亿m3,占比超过20%;黄河流域地下水质量以Ⅰ~Ⅳ类为主,劣质地下水主要受总硬度、硫酸盐、铁、溶解性总固体等天然原生组分影响,砷、氟、硒、碘等原生组分超标是流域部分地区地下水饮水安全的主要威胁;2020年与2019年同期相比,黄河流域地下水位呈上游稳定、中游局部上升、下游下降的态势,主要地下水降落漏斗形态基本稳定。针对黄河源区、宁蒙河套平原等重点区段,分析了存在的主要生态环境问题,提出了全面开展流域水文地质与水资源调查评价,深入开展黄河流域及重点地区水平衡分析等工作建议。

山西太原晋祠—兰村泉水复流的岩溶水文地质条件新认识

晋祠泉和兰村泉是山西著名的岩溶大泉,受自然条件变化和人类活动的影响,两个泉于20世纪末相继断流。针对山西省政府提出的要使晋祠、兰村泉水复流的生态修复目标任务,文章在泉域水文地质调查基础上,就泉水复流密切相关的四个关键性岩溶水文地质条件问题开展研究并提出了新认识。核实了目前划定的晋祠—兰村泉域边界,依据最新资料对现行的晋祠、兰村泉域边界提出了7处修正,修改后晋祠泉域面积由2 030 km2变为2 713 km2,兰村泉域面积由2 500 km2变为2 614 km2。汾河二库在蓄水后库区的主体部分划归到晋祠泉域而非兰村泉域,其渗漏补给是造成近年来晋祠泉域区域岩溶地下水位大幅回升的主要原因。确定了晋祠泉域内盘道—马家山断裂带是一个岩溶水强富水带,也是岩溶地下水从北部中、上寒武统含水岩组向南部中奥陶统含水岩组的转换带。圈定了晋祠泉域:玉门河南峪村—杜儿平煤矿东侧—官地矿与白家庄矿交界处—龙山—明仙村东—晋祠泉的岩溶地下水强径流带。这些认识是开展晋祠—兰村泉域岩溶地下水资源评价、地下水开发管理和保护的基础,更是制定晋祠、兰村泉水复流方案的重要依据。

对中国北方岩溶水研究方向的思考与实践

中国北方碳酸盐岩含水层连续沉积厚度大、分布范围广,蕴藏着丰富的地下水资源,是重要的国家级含水层。北方岩溶水集水资源、旅游资源、生态功能等于一体,在国民经济建设中具有举足轻重的地位,特别在城市供水和能源基地建设中发挥了不可替代的支撑性作用。近50年来,受大规模水资源开发利用和人类其它高强度活动影响,北方岩溶水环境问题凸显并带来了一系列负面效应,严重制约了水资源的可持续利用。在国家大力倡导生态文明建的大背景下,如何协调好北方岩溶区资源开发与环境保护,是水文地质工作行业需要着重思考的问题。本文从国家需求出发,提出北方断流岩溶大泉泉水复流的生态修复、闭坑煤矿酸性“老窑水”对岩溶水的污染防治、深层岩溶水的水和热资源开发利用等应作为未来一段时期北方岩溶水的重点研究方向,同时,对近年来在这几个方面开展的调查研究工作取得的成果了进行简要介绍。

黄河支流汾河流域水资源开发利用现状及生态环境问题

【研究目的】汾河是黄河第二大支流,也是山西省的第一大河,流域内水资源供需矛盾突出,分析水资源开发利用现状及其生态环境问题是进行流域生态修复的前提。【研究方法】本文在分析汾河流域水资源特征及其开发利用现状的基础上,系统总结了汾河径流量衰减、岩溶大泉断流和水质恶化等生态环境问题,并对其成因进行了分析。【研究结果】研究表明:汾河流域多年平均水资源量为33.59亿m^(3),其中地下水资源是水资源的主要组成部分,约占72%;2005年以后由于跨流域调水、地下水压采等汾河流域综合治理措施的实施,水资源的供水结构发生了较大的变化,地表水的供水比例由最初的30%提高到55%,地下水供水比例由原来的62%降低到目前的37%。整体上,汾河流域的水资源开发利用程度高达80%以上,水资源的过度开发已导致汾河干流断流、入黄径流量大幅衰减、岩溶大泉断流等严重的生态环境问题。其中,汾河流入黄河径流量从1955至2018年衰减程度达63.5%,衰减的原因主要是降水量的减少和岩溶大泉的流量衰减;汾河流域内8个岩溶大泉的总流量从1956至2018年的衰减程度达69%,50%的岩溶大泉已在不同时期断流,岩溶大泉的水质恶化问题也非常严重,如晋祠泉和龙子祠泉的TDS和SO42-呈逐年升高的趋势,煤矿开采是造成岩溶泉水SO42-含量快速升高的主要原因。【结论】汾河流域的水资源供需矛盾十分突出,虽然通过跨流域调水等生态修复措施实现了汾河干流全年不断流、地下水位止降回升和地表水环境质量初步改善,但生态环境恶化的趋势依然严峻。

玉泉山泉九龙山-香峪向斜的水文地质意义

玉泉山岩溶水是北京市城市用水的主要水源。玉泉山泉水的补给,多数人认为来源于鲁家滩区、河北镇区以及军庄区岩溶水共同补给。岩溶水从军庄区(含永定河水的渗漏量)到达玉泉山要越过中间九龙山-香峪向斜。目前其向斜内钻孔所揭露的奥陶系碳酸盐岩顶板最大埋深1 669 m。就军庄区岩溶水是如何穿越九龙山-香峪向斜并补给玉泉山泉的,目前存在以下两种认识:岩溶含水层导水观点、军庄(永定河)断裂导水的观点。本文通过地质结构、地下水流场、岩溶发育机理以及水质组分含量的分析认为,军庄区岩溶水通过岩溶含水层越过深陷向斜到达玉泉山一带的径流路径存在较大的疑问,进而提出了首先通过上覆永定河松散层潜流过向斜轴部,而后在南部岩溶含水层隆起的红庙岭八大处背斜轴通过断裂破碎带二次进入岩溶含水层并向玉泉山补给的另一种可能路径。

会仙湿地岩溶地下水系统水位动态特征与均衡分析

会仙湿地为中国最大的岩溶湿地,近半个世纪,由于人类不合理的开发利用,会仙湿地水域已严重萎缩,开展会仙湿地地下水动态和水均衡的研究,对维持湿地生态功能、湿地水资源管理和湿地保护等方面有极其重要的意义。根据会仙湿地的水文地质条件,将会仙湿地划分为两个地下水系统,即马面狮子岩地下河系统和睦洞河(湖)分散排泄系统,并分别分析了两个地下水系统的补给、径流、排泄特征和地下水动态特征,最后对两个地下水系统进行了地下水均衡计算。结果表明:会仙湿地水位波动受降雨影响明显,各监测点水位变幅不均且水位对降雨响应时间不一致。会仙湿地地下水系统的蓄存量为-6.19万m^(3),为负均衡,这与均衡期后期干旱有关;会仙湿地岩溶地下水主要补给来源为大气降水入渗,主要排泄方式为潜水径流和蒸发,其系统具有一定的储水调蓄功能,但调蓄能力有限。要长期维护会仙湿地的生态功能,应加强其调蓄能力,可从减少湿地蒸散发量和开采利用量入手,配合湿地生态环境恢复重建,提高水源涵养能力,使湿地水位维持在一个稳定的变化区间内。

龙子祠泉域岩溶水水化学-同位素特征

通过对2013年龙子祠泉域岩溶水进行调查及35组样品测试分析,利用舒卡列夫分类法进行分类,龙子祠泉域岩溶地下水以SO_4·HCO_3-Ca·Mg型水为主,其中SO_4^(2-)在岩溶水水化学类型以及地下水质量类别确定中具有重要作用。SO_4^(2-)主要有两种来源,分别由中奥陶统碳酸盐岩石膏溶解和煤系地层中黄铁矿的氧化产生。氢、氧同位素分析结果表明,龙子祠岩溶地下接受古水和现代水的混合补给。硫同位素研究分析得出龙子祠泉水中源于煤系地层的SO_4^(2-)的比例为22.22%,说明泉域地球化学背景对岩溶地下水造成的污染是重要因素,但与2004年的硫同位素结果计算比例(14.37%)相比较,目前泉水中源于煤系地层的SO_4^(2-)的比例增高7.85%。

几种土壤重金属污染评价方法的对比

土壤重金属污染评价是土壤环境管理的基础性工作,采用合理的污染评价方法,才能识别土壤重金属污染状况,满足土壤环境管理和决策需要。选择单因子指数法、地质累积指数法、次生原生比值法和富集因子法四种方法进行对比分析,并进行实例计算和结果对比评价。结果表明:单因子指数法简单灵活,评价结果能直观反映土壤的污染情况,是比较实用的评价方法,但其将污染等级与元素实际含量简单地看成线性关系,导致评价结果较其它方法偏高。地质累积指数法是在单因子指数法基础上改进而来,计算公式较为简洁,污染评价结果较单因子指数法低。次生原生比值法突出元素形态的影响,未考虑元素总量和背景值,导致评价结果不能有效地与其它评价方法进行比较,在部分数据上还会出现污染浓度高却得到污染等级低的结论。富集因子法不仅考虑了元素的背景值,而且以地球化学过程中人为污染少、化学性质稳定、分析结果精确度高的Fe、Al、Si等元素作为参比元素,评价结果与地质累积指数法具有高度一致性,能够很好地体现土壤污染状况,但参比元素的实测值不易获取。研究结果可为土壤重金属污染评价方法的选取与改进提供基础数据。

古堆泉岩溶地下水系统特征及系统圈划

古堆泉是汾河流域内唯一的中低温地热泉,研究其水文地质特征、划定岩溶地下水系统边界是进行岩溶地下水资源评价和地热水成因研究的基础。通过对古堆泉岩溶地下水系统的地质结构特征、水文地质结构特征和岩溶地下水循环演化规律分析,初步圈划了古堆泉岩溶地下水系统及其子系统。研究结果表明:系统内地质结构复杂、火成岩侵入和隐伏断裂发育,总体上可以将其概括为南北和东西向均"三隆三陷"的地质格局;古堆泉岩溶地下水主要接受塔儿山、二峰山及中条山碳酸盐岩裸露区的降水入渗补给,南梁泉和海头泉是系统内2个岩溶地下水的局部排泄点,古堆泉是最终排泄点。根据水文地质结构特征和岩溶地下水循环特征确定了古堆泉岩溶地下水系统边界及其水文地质性质,圈定的古堆泉岩溶地下水系统面积为2942 km^2,并进一步将其划分为4个相对独立的岩溶地下水子系统:塔儿山—九原山古堆泉岩溶水子系统、佛岭山—高显海头泉岩溶水子系统、中条山南梁泉岩溶水子系统、侯马盆地深循环岩溶水子系统。

北京西山泉域岩溶水系统特征探讨

北京西山地区岩溶地下水主要以相对独立的岩溶地下水系统进行循环,其水文地质条件、系统结构模式及其水资源的重要性等,在北方具有代表性。文章主要以北京西山鱼谷洞泉域岩溶水系统、黑龙关泉域岩溶水系统、玉泉山泉域岩溶水系统为研究对象,从岩溶含水层结构、地下水循环、地质构造等方面,总结出北京西山泉域岩溶水系统特征主要为:双层含水层结构、多个子系统构成且多点排泄、系统内岩溶水转化关系复杂多样、岩溶水富集带及系统边界集中在逆冲断层处。

山西娘子关泉水及污染成因再分析

山西娘子关泉水是我国北方最大的岩溶泉水之一,也是世界著名大泉,上世纪80年代前多年平均天然流量12.6m^3/s。文章利用1∶5万娘子关泉域岩溶水文地质环境地质调查项目勘探调查成果,对以下2个问题开展再分析:(1)娘子关泉水的成因,勘探等资料表明绵河南岸五龙泉、苇泽关等泉组主要接收下部中、上寒武统含水岩组岩溶水的补给,而非前人研究来源于上部中奥陶至下奥陶含水岩组补给;(2)结合水文地质条件,采用同位素等方法分析,认为部分地区煤矿老窑水的出流是导致娘子关泉水近年来加速污染的主要原因。

娘子关泉域地表河流沉积物重金属污染特征与潜在生态风险

以娘子关泉域桃河和温河流域为研究对象,分析了研究区内30个采样点中8种重金属的含量及空间分布特征,并对其来源及潜在生态风险进行了评价.河流沉积物中Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As、Hg的平均含量分别为35.72、43.82、187.99、76.50、43.18、0.90、12.70、0.45 mg·kg-1.来源分析结果表明,Cu、Zn、As、Hg主要来自于矿坑排水和生活污水的混合排放,Pb主要来自于工业点源污染,Cr和Ni具有一定的同源性,而Cd主要来源于农药和化肥的使用.地积累指数评价结果显示,各重金属的污染程度由高到低依次为:Hg>Zn>Pb>Cd>Cu>Ni>Cr=As;各种重金属的潜在生态风险从高到底依次为:Hg>Cd>As>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr,Hg和Cd虽然在沉积物中的含量很低,但其对生态风险指数的贡献分别为57.88%和32.51%.潜在生态风险指数显示南川河具有极强的潜在生态风险,需重点关注.

龙子祠泉域不同下垫面陆面蒸散量的对比研究

龙子祠泉域是北方著名的岩溶大泉,目前泉流量衰减严重,评估泉域内涵养水源林工程对岩溶水增补效果成为一项重要研究课题。本文利用NOAA/AVHRR遥感数据,运用地表能量平衡系统(SEBS)模型并结合临汾气象站的实际观测数据(气温、气压、相对湿度和风速),反演了龙子祠泉域2014年4-10月的日均蒸散量和月均蒸散量,通过GIS的空间叠加对比分析了不同岩性和不同植被覆盖率条件下的陆面蒸散量特征。结果表明:碳酸盐岩地区陆面蒸散量与植被覆盖率之间呈正相关关系,而碎屑岩地区中等植被覆盖率的陆面蒸散量最低,在整体上碎屑岩地区的陆面蒸散量要高于碳酸盐岩地区。仅从陆面蒸散量的角度考虑,在碎屑岩地区保持中等的植被覆盖率将有利于增加岩溶水的入渗补给量,而在碳酸盐岩地区开展植树造林将提高陆面蒸散量,不利于降水入渗补给。

山底河流域煤矿酸性矿井水野外监测

酸性矿井水在我国鲁西南、山西、内蒙、云南和贵州等煤矿区普遍存在,酸性矿井水其pH往往在2~5之间,高SO_(4)^(2−)、HB、TDS、Fe、Mn。这些物质进入地下水、地表水或土壤后,会对其造成严重危害。文章选择山西阳泉市典型废弃煤矿区山底河流域为研究区,通过水文地质调查,水文地质钻探,水文地质剖面等方法阐述山底流域地层岩性,水文地质条件概况,得出受煤矿开采影响,与天然条件下相比山底河流域的地表水和地下水的补给、径流、排泄条件均发生了根本变化。补给通过破坏产生的导水裂隙带运移,以垂向运动为主;径流通过坑道,导水裂隙带运移,以横向运动为主;排泄以矿坑排水和泉水溢出方式为主。并简述山底河流域煤矿酸性矿井水试验站观测站分布情况与水化学特征。

应用氯量平衡法估算娘子关泉域典型岩溶区的降水入渗系数

娘子关泉作为北方著名的岩溶大泉,研究程度较高,降水入渗补给作为泉域内岩溶地下水的主要补给来源,开展降水入渗系数的研究对于评价岩溶地下水资源量、分析娘子关泉水流量的变化具有重要意义。氯量平衡法利用氯离子质量守恒的原理直接估算降水入渗系数,该方法简便、有效,在国内外很多地区都进行了应用。通过在娘子关泉域内碳酸盐岩裸露区和覆盖区分别选择典型区,运用该方法分别估算了裸露区中等岩溶发育区和覆盖区的降水入渗系数,得到的结果分别为0. 21和0. 11,取得的结果与该地区已有的成果基本吻合,为该地区降水入渗系数的准确估算提供了新的方法,同时也为氯量平衡法在同类型地区的应用提供了借鉴。