(2: 重庆地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队, 重庆市地下水资源利用与环境保护实验室, 重庆 401121)
(2: Laboratory of Chongqing Groundwater Resource Utilization and Environmental Protection, Nanjiang Hydrogeological Team Under the Chongqing Geological Bureau of Geology and Minerals Exploration, Chongqing 401121, P. R. China)
受岩溶区特殊地质环境条件的影响,岩溶地下水系统具有高度的开放性和脆弱性,对外界环境变化极为敏感,因此含水层类型、水岩作用、人类活动等都可能对岩溶地下水系统产生深刻的影响[1-6],目前关于农业[7-8]、工业[9-10]、城市[11-12]等人类活动对岩溶地下水水化学特征影响的研究已较为深入.旅游业发展在拉动地方经济增长的同时,也带来了地表水体污染[13-14]、固体废弃物污染[15]、土壤污染[16]、景区钙华景观退化[17]等环境和生态问题.岩溶环境是西南地区重要的自然旅游资源载体,旅游酒店污染物的排放可能对脆弱而敏感的岩溶地下水系统造成严重影响.在旅游酒店排污的影响下,岩溶地下水主要表现为短时间尺度内的水质恶化[18-19],而对其水化学变化过程、机理的认识还有待深入研究.
本文选取重庆市金佛山世界自然遗产地为研究对象,开展自动化监测和采样,获取研究区内水房泉2016年7-9月的水化学信息,结合流域内与其联系密切的雨水、土壤水、某酒店自来水、污废水水化学特征,结合硝酸盐氮氧同位素,分析酒店排污影响下地下水的水化学特征、影响因素、变化过程及其原因,以期为岩溶地下水的保护、利用及金佛山旅游活动的科学管理提供依据.
1 研究区概况金佛山(28°55′~29°07′N,107°06′~107°18′E)位于四川盆地东南部的渝黔交接带,处于重庆市南川区南部,主峰风吹岭海拔2251 m,总面积约1300 km2.金佛山是一个宽缓的向斜构造,轴部发育二叠系碳酸盐岩地层,在山顶海拔约2100 m形成了面积较大的缓坡台地,洼地、落水洞、洞穴等岩溶形态丰富(图 1).水房泉位于金佛山西坡的断崖上,海拔约2050 m.水房泉流量为0.5~38 L/s,平均流量为6.5 L/s,大气降水是其主要补给来源[20].
金佛山的垂直气候分带明显,山体下部为亚热带季风性湿润气候,多年平均气温、降水量分别为16.6℃、1286.5 mm;山体上部具有温带湿润气候的特征,多年平均气温、降水量分别为8.2℃、1434.5 mm,降水集中分布于4-10月,约占全年降水量的83 % [21].从山下向山顶依次发育黄壤、暗黄壤、黄棕壤和草甸土.
金佛山于2013年被评为国家5A级景区,2014年被列入“世界自然遗产名录”.近年来景区游客接待量保持大幅增长,已从2010年的27.45万人次增长至2014年的77.85万人次[22].夏季是金佛山游客的避暑高峰时段,冬季因山顶的降雪和雾凇景观也形成旅游旺季.水房泉流域内建有一大型酒店,该酒店、厨房所用自来水主要从其东北部的仙女洞引出(图 1),为天然的岩溶地下水.餐饮、住宿等产生的生活污废水通过药池坝三级化粪池进行生化沉淀、降解处理,再通过1#落水洞,灌入含水层(图 2a).通过多次示踪试验表明,该酒店、1#落水洞与水房泉之间存在明显的水力联系,岩溶地下管道发育,且规模较大,地下水平均流速达16.6~18.4 m/h(未发表).水房泉是区域含水层的主要出口(图 1、图 2a),生活污废水在化粪池中的最短滞留时间为16.9 h,经1#落水洞到达水房泉最快仅需26.8 h,平均为90.3 h[19](图 2b).较短的污水处理时间和有限的化粪池处理工艺很可能难以完全降解污水中的污染物,加上岩溶管道含水介质发育,使岩溶地下水极易遭受污染.
利用Manta2多参数水质分析仪(美国Eureka公司)自动监测水房泉的水温、水位、pH值、电导率、溶解氧、浊度、硝态氮(NO3--N)等指标,测试精度分别为0.01℃、0.1 cm、0.01、0.01 μS/cm、0.01 mg/L、0.1 NTU、0.1 mg/L,监测时间间隔为10 min.使用前对仪器进行校准.泉口流量数据通过流量-水位关系曲线计算而得.在风吹岭设置HOBO小型自动气象站(美国ONSET公司)自动记录气温、降水数据,精度分别为0.01℃、0.01 mm,记录时间间隔为10 min.
2.2 样品采集与测试在水房泉泉口安装Sigma SD900自动采样器(美国Hach公司),每天自动采集水样1 L.为防止水样蒸发,采样前在样品瓶中加入20 ml液体石蜡,后将获取的水样带回实验室分装.分别用洁净的高密度聚乙烯瓶采集,用于测试阴、阳离子,低温保存至检测.对水房泉的监测时段为2016年7月1日-9月17日,7月5日-7月8日因自动采样器出现故障,未采集到水样,使部分样品缺失.
参照我国大气降水采集与保存标准(GB 13580.2-1992),在流域内安装雨水收集装置;选取流域内一较大洼地,在距地表 60 cm深处安放渗流土壤水收集装置[23](采样点位置见图 1).分别于2016年7月9日、8月1日、8月25日、9月18日采集雨水、土壤水、酒店自来水(经明矾消毒处理)、化粪池和1#落水洞污水样品,使用Multi3430多参数水质分析仪(德国WTW公司)测定各水体的水温、电导率、pH值,其精度分别为0.1℃、1 μS/cm、0.001 pH单位.采用DR2800(美国Hach公司)测定铵态氮(NH4+-N)浓度,精度为0.001 mg/L.使用碱度计(德国Merck公司)测试各水体HCO3-质量浓度,精度为0.1 mmol/L.
为验证地下水硝酸盐的污染源,于2017年4-10月对酒店自来水、1#落水洞和水房泉进行硝酸盐15NNO3和18ONO3定期采样,样品现场经0.22 μm混合纤维素滤膜过滤后装入聚乙烯瓶中,送回实验室冷冻保存至检测.
2.3 实验室分析K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子浓度检测采用ICP-OES Optima 2100DV(美国PerkinElmer公司)完成,仪器1 h内相对标准偏差≤0.5 %. NO3-、SO42-、PO43-离子浓度测定参照饮用天然矿泉水检测方法(GB/T 8538-2008),使用紫外分光光度计(UV2450,日本岛津公司)进行,Cl-浓度测定采用AgNO3滴定法.以上测试均在岩溶环境重庆市重点实验室完成.方解石饱和指数(SIc)、总溶解固体(TDS)分别由WATSPEC15、Aquachem V.5.1软件计算得出.金佛山某酒店游客住宿量数据经酒店相关部门不完全统计获取.
δ15NNO3和δ18ONO3检测利用特异性的反硝化细菌将NO3-转化为N2O,再利用ISOPRIME100-Tracegas痕量气体-同位素质谱联用仪(英国Isoprime公司)完成N2O的N、O同位素测定,采用USGS32(δ15N=180 ‰,δ18O=25.7 ‰)、USGS34(δ15N=-1.8 ‰,δ18O=-27.9 ‰)、USGS35(δ15N=2.7 ‰,δ18O=57.5 ‰)为标准,用两点校正方程对所测定的气体进行校正,检测精度为0.01 ‰,δ15NNO3、δ18ONO3的测定结果标准偏差分别<0.4 ‰、<0.22 ‰.以上同位素测定工作在中国农业科学院农业环境稳定同位素实验室完成.
3 结果与分析 3.1 雨水、土壤水、自来水、污水水化学特征雨水中的主要阴、阳离子为Cl-、SO42-和Ca2+(表 1),水化学类型呈Cl-SO4-Na-Ca型(图 3).平均pH值为5.34,为流域内各采样点最低(表 1),属于硫酸型酸雨.受雨水补给的土壤水,其水化学类型相对复杂,为HCO3-SO4-Na-Ca、HCO3-Cl-Na-Ca型(图 3).受到土壤中有机氮硝化作用的影响[4],土壤水的NO3-离子浓度最高值,为40.2 mg/L.雨水、土壤水中Ca2+、Mg2+、SO42-、NO3-、NH4+、PO43-等离子浓度变幅较大(表 1).
自来水的水化学类型为HCO3-SO4-Ca型(图 3).酒店从仙女洞引出的岩溶地下水水质良好,因流经煤系地层,故可能受到黄铁矿的氧化作用[24],加上自来水的日常消毒中使用了明矾(KAl(SO4)2·12H2O),使其SO42-浓度最高达50.3 mg/L(表 1).
与自来水相比,化粪池污水中的K+、Na+、NH4+、Cl-、PO43-平均浓度虽大幅升高(CV值均>30 %),且NO3-浓度均值为各采样点最高(表 1),但是其水化学类型仍为HCO3-Ca型(图 3),可见化粪池的三级生化降解处理过程对污水有一定的净化作用.
1#落水洞污水的水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Na-Ca型(图 3).据调查,旅游高峰期间某酒店污废水排放量剧增,因化粪池收纳量和降解能力有限,部分污废水未经处理而直接排放至1#落水洞,再汇入地下水系统.因此,1#落水洞污水的电导率及NH4+等离子浓度较化粪池污水显著偏高,并为各采样点最高(表 1).此外,其变幅远高于化粪池污水(表 1),水化学类型也变化明显(图 3).而其NO3-浓度则为各采样点最低(表 1),这可能由于污水中的缺氧环境(溶解氧均值2.71 mg/L,为各采样点最低)抑制了NH4+硝化作用的进行[25],也可能与污水中有机质氧化作用对NO3-的消耗有关[26].
3.2 旅游活动高峰期及其前、后水房泉水化学变化特征总体而言,水房泉的水化学类型为HCO3-Ca型(图 3).与流域内其他水体相比,其pH值、溶解氧整体高于化粪池和1#落水洞污水(表 1、2),电导率及Ca2+、Mg2+、HCO3-、K+、Na+、Cl-、NH4+、PO43-浓度均值仅次于化粪池、1#落水洞污水,且K+、Na+、Cl-、NH4+、PO43-、SO42-的浓度变化幅度较大(表 1、2),与化粪池、1#落水洞污水的离子变化特征相似.选取2016年6月代表研究区的非旅游高峰期,由表 2可知,旅游高峰期间水房泉电导率及主要离子浓度均值较非旅游高峰期均明显升高,其中以K+、Na+、NH4+、PO43-最为明显,NO3-浓度增幅相对较小,溶解氧、pH值则有所下降.
在自动化监测期间,受研究区及周边降雨、气温变化的影响,山顶酒店游客住宿量的阶段变化明显,且大多在周末出现住宿高峰(图 4).水房泉作为整个流域的主要出口,其水化学动态变化与游客住宿变化密切相关,表现为以下3个阶段.
旅游高峰前期(2016年7月1日-7月21日):该阶段某酒店住宿累积量仅441人.水房泉水化学特征主要受雨水稀释作用影响,水温、pH值、电导率及Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度显著降低,流量、浊度在雨量最大阶段同时出现峰值(图 4). 7月1日,水房泉各水化学指标均处于低浓度状态,且未受到降雨等影响,可代表其天然背景值.
旅游高峰期间(2016年7月22日-8月27日):重庆整体为伏旱天气,研究区迎来游客避暑的高峰阶段,游客累积住宿量突增至2020人,水房泉电导率及主要阴、阳离子浓度迅速升高,并于8月25日前后出现最高值(除Ca2+、Mg2+、HCO3-外;图 4),水体发黑、发臭现象明显,地下水质急剧恶化.此外,水房泉各指标的浓度高峰对周末游客住宿高峰的响应具有一定滞后性,除了受降雨影响的阶段,其滞后时间约为4 d(图 4),与已有的研究认为酒店污水到达水房泉的平均时间为90.3 h这一结果基本一致[19].
旅游高峰后期(2016年8月28日至9月17日):伏旱天气基本结束,山顶气温骤降,住宿游客累积量锐减至230人,加上降雨的稀释作用,主要离子浓度急剧降低(图 4),水房泉水质明显好转.
3.3 硝酸盐氮氧同位素分布特征表 3为研究区采样点的δ15NNO3和δ18ONO3值,其中酒店自来水中的δ15NNO3和δ18ONO3值分别为3.7 ‰ ~5.8 ‰和1.6 ‰ ~2.7 ‰,1#落水洞污水的δ15NNO3和δ18ONO3值分别为14.4 ‰ ~21.1 ‰和3.5 ‰ ~11.2 ‰,水房泉的δ15NNO3和δ18ONO3值分别为5.3 ‰ ~17 ‰和-3.1~7.3 ‰.与自来水和水房泉地下水相比,1#落水洞污水的δ15NNO3、δ18ONO3明显较为富集.
岩溶地下水水化学特征常受到不同化学反应过程、自然条件、人为活动的影响[25, 27]. Gibbs图可以清楚地反映天然水体中各种离子的起源机制及演化趋势,图中中间部位、右上角、右下角分别表示水化学特征受到水岩作用、蒸发结晶作用、降雨的控制[28].随着人为活动对各地表、地下水体影响的深入,Gibbs图的局限性也逐渐显现.由于重庆市位于内陆季风区,不存在卤化矿物地层[29],加上研究区仅存在旅游活动,没有农业、工业活动的影响,因此可将图中右上角的蒸发结晶作用改进为旅游酒店排污的影响(图 5).由图 5可知,水房泉、自来水、化粪池等采样点的样品均落在水岩作用控制的范围内;土壤水化学特征受水岩作用、降雨作用的共同控制;1#落水洞污水主要受旅游酒店排污的影响.
地下水中K+、Na+的主要来源为含钠岩石[3]及岩盐矿化物[30-31]的溶解、离子置换、化肥施用、大气降水、生活废水等[6];NO3-、Cl-、NH4+、PO43-主要来源于农肥、生产生活废水排放、垃圾滤液渗漏、化粪池和排污管道泄露、人畜排泄物等人为输入[30, 32-33];自然状态下的Cl-主要来自大气输入;SO42-除了来自蒸发盐岩溶解和硫化物氧化外,酸雨沉降和工业废水输入对其也有一定影响[25].水房泉样品中K+、Na+、NO3-、Cl-、NH4+、PO43-、SO42-的检出率均为100 %,为进一步探究其各离子来源,改变Gibbs图横轴的阴、阳离子当量浓度比例式c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)和c(Na+)/c(Na++Ca2+),将NO3-、PO43-、SO42-和K+、NH4+等带有人类活动影响特征的离子当量浓度分别代入上述比例式后得到图 6.
与图 5相比,自来水、化粪池污水、土壤水水化学特征的影响因素无明显变化,但各样品往图中右侧出现了偏移;1#落水洞污水则转变为完全受旅游酒店排污的控制;水房泉水化学变化仍主要受控于水岩作用,但其全部样品往右侧偏移明显(图 6),说明加入上述带有人类活动影响特征的离子后,地下水受到水岩作用的影响更为强烈.由于水房泉与化粪池、1#落水洞污水存在紧密的水力联系,可见酒店排污的影响逐渐参与到其水化学的演变过程中.水房泉较高浓度的K+、Na+、Cl-、NH4+、NO3-、PO43-主要来自酒店、厨房生活污水及剩菜残汁、人类粪便等的排放;区域煤层中黄铁矿的氧化[24]、酸雨对SO42-浓度的贡献较大.
4.2 基于氮氧同位素的硝酸盐来源为了进一步验证该旅游酒店排污对水房泉水质的影响,根据表 3绘制成δ15NNO3与δ18ONO3的关系图(图 7),示踪酒店污废水对水房泉中硝酸盐的影响.可见,酒店自来水中的δ15NNO3、δ18ONO3值落在大气沉降和肥料中NH4+以及土壤有机氮混合贡献范围值内[34].然而,研究区内禁止农业种植活动,因此可以排除肥料对酒店自来水NO3-的贡献,因此自来水中的NO3-主要来源于大气降水和土壤有机氮,故从δ15NNO3和δ18ONO3来看,酒店自来水处于自然本底值. 1#落水洞污水的δ15NNO3和δ18ONO3值较高,落在粪便和污水贡献的范围值内[34],进一步验证了其水质深受酒店污废水排放的影响. 201 7年4月29日、8月28日水房泉的δ15NNO3和δ18ONO3值样品落在粪便和污水贡献的范围值内,其余数据落在污水以及土壤有机氮的混合端元[34].若水房泉地下水未受某酒店污废水的影响,则它与该酒店自来水的δ15NNO3、δ18ONO3值应与酒店自来水一致落在大气降水和土壤有机氮的贡献范围内,但水房泉δ15NNO3、δ18ONO3值的分布并非如此,其明显受到了粪便和污废水的影响(图 7).需要指出的是,因4月29日恰逢五一黄金周前夕的周末,也是杜鹃花观赏的高峰时段,8月28日处于金佛山的避暑高峰期,剧增的酒店污废水排放对地下水NO3-影响尤为明显.
Ca2+、Mg2+、HCO3-是岩溶区碳酸盐岩溶蚀的产物,这种溶蚀过程可描述为:
${\rm{C}}{{\rm{a}}_{\rm{x}}}{\rm{M}}{{\rm{g}}_{\left( {1- {\rm{x}}} \right)}}{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} = {\rm{xC}}{{\rm{a}}^{2 + }} + \left( {1- {\rm{x}}} \right){\rm{M}}{{\rm{g}}^{2 + }} + 2{\rm{HCO}}_3^- $ | (1) |
监测期间,Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度的变化主要受控于水岩作用,降雨期间受到稀释作用的影响,其浓度均表现出相应的降低趋势(图 4).旅游高峰前期,Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度变化平稳;旅游高峰期间,其浓度整体增加;旅游高峰后期,上述离子浓度并未随其他离子呈现急剧降低的趋势,反而滞后于其他离子出现最高浓度(图 4),具有较高的浓度增幅(表 4).
当自然状态下只有H2CO3参与岩溶作用时,(Ca2++Mg2+)/HCO3-摩尔比值为0.5,若有其他酸类物质参与其中,(Ca2++Mg2+)/HCO3-的理论摩尔比应为1[27].监测期间水房泉的(Ca2++Mg2+)/HCO3-摩尔比均值为0.53,最大值0.58,且地下水SIc基本<0(图 4),处于溶蚀状态,说明有其他酸类物质参与了碳酸盐岩的溶蚀,造成了水房泉Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度的显著增加.其中,H2SO4对碳酸盐岩的溶蚀过程可以表示为:
$2{\rm{C}}{{\rm{a}}_{\rm{x}}}{\rm{M}}{{\rm{g}}_{\left( {1- {\rm{x}}} \right)}}{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_4} = 2{\rm{xC}}{{\rm{a}}^{2 + }} + 2\left( {1- {\rm{x}}} \right){\rm{M}}{{\rm{g}}^{2 + }} + {\rm{SO}}_4^{2- } + 2{\rm{HCO}}_3^- $ | (2) |
由式(2)可知,H2SO4的溶蚀会导致地下水中SO42-与Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度的共同增加,这与旅游高峰后期SO42-与Ca2+、Mg2+、HCO3-相似的浓度变化趋势是一致的(图 4).
除H2SO4外,生活污废水中含有的HNO3、HCl及有机质代谢分解产生的有机酸等也可能参与了碳酸盐岩的溶蚀[35-37],且其影响具有持续性,长此以往可能会加速岩溶含水介质的演化速度.
4.3.2 与酒店污水排放相关的离子变化原因地下水溶质运移过程包括机械弥散和分子扩散过程,是研究地下水污染物质扩散及污染预测的理论依据[38].岩溶地下水中污染物的扩散受到岩溶含水介质长度、内部结构、地下水流速等因素影响[39].水房泉流域岩溶地下管道发育良好,内无较大溶潭发育,地下水流速快,这为污染成分在管道中的快速运移、扩散提供了条件,故水房泉的水化学变化迅速,主要离子浓度高峰对污废水排放事件的响应仅滞后约4 d(图 4).
人体排泄物中富含K、Na、含氮有机质,酒店及厨房生活污水中富含NaClO、C17H35COONa(硬脂酸钠)、C18H30O3S(十二苯磺酸)、Na4P2O7(磷酸四钠盐)等,以上成分溶入水体后主要表现为K+、Na+、NH4+、Cl-、PO43-等[40].在旅游高峰时段,大量化学成分复杂的生活污废水未能经过化粪池的充分沉降和处理便通过1#落水洞排入岩溶含水层中,使地下水中的各离子浓度变化显著.将2016年8月25日水房泉的主要水化学指标与自来水(视为区域本底值)进行对比,可见水房泉中电导率及K+、Na+、Cl-、NO3-、NH4+、PO43-等浓度增加显著(表 5).
污水中有机质的存在(1#落水洞污水中的TOC浓度>50 mg/L,数据未发表)也影响到SO42-浓度,SO42-在细菌的作用下会生成H2S,使水体发臭,SO42-浓度相应降低,其化学反应过程如式(3)所示:
$2{\rm{C}}{{\rm{H}}_2}{\rm{O + SO}}_4^{2- } = {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{{\rm{S}}_{\left( {\rm{g}} \right)}} + 2{\rm{HCO}}_3^- $ | (3) |
2016年8月25日1#落水洞污水水体发臭现象明显,可见有机质参与了上述反应,消耗了污废水中的SO42-,削弱了其对水房泉SO42-浓度的贡献.
此外,在酒店厨房生活污水的直接排放作用下,虽然水房泉K+、Na+、NH4+、PO43-等离子浓度于旅游高峰期显著升高,但其水化学类型总体仍表现为HCO3-Ca型,大部分指标仍符合我国地下水质量标准(GB 14848-2017)中的Ⅰ类水质要求.尽管如此,主要离子浓度在旅游高峰期升高的现象却不容忽视.
5 结论与不足1) 旅游高峰期金佛山水房泉主要离子浓度整体升高明显,并且其水化学变化与酒店游客住宿量密切相关,总体表现为三阶段:旅游高峰前期,住宿量较少,各指标受降雨影响显著;旅游高峰期间,住宿量的突增使水房泉水质急剧恶化;旅游高峰后期,住宿量锐减使水质明显好转.
2) 受到研究区内某酒店污废水的补给,其K+、Na+、Cl-、NH4+、PO43-等离子浓度显著升高,δ15NNO3、δ18ONO3证明水房泉受到某酒店排放污废水的影响,旅游餐饮、住宿等酒店排污活动参与到其水化学的演变过程中.
3) H2SO4及酒店污废水中HNO3、HCl、有机酸等可能参与了碳酸盐岩的溶蚀,使水房泉Ca2+、Mg2+、HCO3-浓度增加明显;酒店污废水在流域岩溶管道内的快速扩散,使水房泉水化学变化迅速,主要离子浓度高峰对污废水排放事件的响应仅滞后约4 d;长期排污可能会对岩溶含水介质演化产生影响.因此,建议相关管理部门高度重视排污对金佛山世界自然遗产地岩溶地下水系统的影响.
然而无法收集到研究期间在某酒店用餐的游客数量,加上我们对研究区各水体δ15NNO3、δ18ONO3的研究工作始于2017年4月,滞后于各水体水化学指标的监测研究,这两点甚为遗憾.
致谢: 感谢张宇、盛婷、谢国文、覃彤、张海月等硕士研究生在野外和实验工作中的帮助.
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