暴雨对地下河理化性质的影响

李天衡

碳酸盐岩地区在CO2和H2O的作用下被溶蚀产生溶隙、溶洞，甚至发育出地下河，如位于重庆南山的总长约6km，常年流量50～80L/s的老龙洞地下河。地下河出口处形成溶洞，成为AA级景区。有约600m可步行进入，再向内约400m可划船进入。老龙洞地下河流域面积约12km2，属亚热带季风区，年均降水量约1100mm，主要集中在5～9月。岩溶区地表发育土壤层薄，甚至缺失，再加上岩溶管道、裂隙、落水洞、竖井发育，因此地表与地下河联系紧密，降水会导致地下河物理化学性质产生变化。为研究暴雨对地下河理化性质的影响，于2015年7月21日至26日一场64mm的暴雨期间对地下河水温、水位、流速、pH值以及含量较高的Ca2+和HCO3-进行监测。

一、实验方法

地下河出口处有一人工修建的矩形沟渠，为测量工作提供了方便。监测工作白天每4小时进行一次，晚上8小时一次。实验器材和方法：①用卷尺测得矩形渠宽2.10m，数根笔直的竹竿或木棍、卷尺用于测量水位：将木棍或竹竿竖直插入水中反复测量水深，求平均值。②旋杯式流速仪（精度为0.001m/s）用于测定地下河水流速度：将流速仪置于地下河道中断面不同位置反复测定流速，求平均值。根据公式1（Q=10HLV）用测到的水位和流速计算流量。式中：Q为流量（L/s）；H为水位（cm）；L为矩形沟渠宽度（m）；V为流速（m/s）。③使用德国（WTW公司）Multi3430便携式多参数水质分析仪：测定水温、pH值，测量精度分别为0.1℃、0.01pH单位。④用钙离子试剂盒（德国Merck KGaA）测定水中的Ca2+、HCO3-浓度，精度分别为0.1mg/L和0.1mmol/L。⑤降水数据来源于http：//rp5.ru/重庆市天气_。

二、实验数据分析

1.降水

本次降水共64mm，从7月21日22：00开始至23日15：00结束，并伴有闪电。降水开始后的24小时降水量达62mm，属于暴雨，主要集中在21日22：00至23日10：30，用origin软件作出图1，最大降水出现在7月22日6：30，半小时降水量8.4mm。考虑到从降水到汇集入地下河并流出将经历一定时间，因此，观测、采样从7月21日23：00开始，到7月26日12：00左右，水位、流速、电导率、Ca2+、HCO3-等主要指标基本恢复到降水前水平，停止观测。观测时间共109小时。

2.流量

地下河流量变化很大，从降水前的172 L/s迅速增加到1901 L/s，增幅超过10倍，表明降水对地下河流量影响十分明显（图1）。从变化过程看，在降水8小时后流量迅速增加到最高值，随着降水的停止，水位逐渐降低，经过95小时后，仍未能恢复到降水前流量。这种地下河流量随暴雨陡涨缓落的现象，说明该区属管道与裂隙组合的地下水系统，地表与地下河通过落水洞、竖井等管道直接相通，同时有深部裂隙和溶隙的调节，并以管道流为主。

3.水温

降水期间老龙洞地下河水温度平均22.5℃，变化范围21.5～23.5℃；气温21.8～34.7℃，平均25.85℃。可见，地下河水温明显低于气温，变幅远小于气温，表现出土壤、岩层对水温的调节作用，使地下河处于相对恒温状态。从变化过程看，水温并没有随着流量的上升而迅速降低，而是在流量达到最大值时才开始降低，体现出降水进入地下河路径的复杂性。降水并不仅仅从落水洞快速进入地下河，还从裂隙、溶隙等下渗进入。降水前，裂隙、溶隙中充满温度较高的水，降水时将这部分水先挤压进入地下河，因此水温起初并不出现随流量的增加而下降的现象。然后随着降水停止，降水对地下河的影响逐渐减小，水温逐渐随气温的变化而变化。

4.PH值

降水过程中PH值平均7.02，呈弱碱性，体现了岩溶区地下水的基本水化学特点。PH值变幅为6.98～7.09，相对较稳定。随着降水的来临和流量的上升，PH值呈逐渐降低趋势（图1），到22日21：00降至最低，这可能与重庆降水呈酸性有关。随后，暴雨的影响减小，PH值略有回升并出现波动。

5.Ca2+

根据方程1（CaCO3+CO2+H2O = Ca2+ + 2HCO3-）可知，地下水中Ca2+主要来源于碳酸盐岩的溶解。研究时间内Ca2+平均质量浓度103.92mg/L，变化范围92～118 mg/L，体现了岩溶区地下水的基本水化学特点。暴雨后随着流量的增加Ca2+出现了短暂升高（图1），这可能是因为降水除从落水洞直接进入地下河外，还进入裂隙、溶隙，将其中原有的高Ca2+浓度的地下水挤压进入地下河。随着流量的增加，Ca2+浓度迅速降低，在pH值降到最低时，Ca2+浓度也降到最低。说明此阶段原来存储在裂隙、溶隙中的“老水”已全部流出，低Ca2+浓度的降水经溶隙、裂隙进入地下河，体现出降水对地下河水的稀释效应。随后，降水对地下河影响减小，伴随着pH值的升高Ca2+浓度波动上升，但二者变化趋势并不完全同步。

6.HCO3-

根据方程1（CaCO3+CO2+H2O = Ca2+ + 2HCO3-），地下河中HCO3-也主要来源于碳酸盐岩的溶解。研究时间内HCO3-平均质量浓度215.85mg/L，变化范围195.2～262.3 mg/L。HCO3-的质量浓度在降水期间并没出现与Ca2+相似的短暂升高过程（图1），而是随着降水的稀释作用浓度迅速降低，然后跟随Ca2+波动升高，但HCO3-最低值出现时间与Ca2+并不一致。说明该地下河中Ca2+ 与HCO3-并不完全同源，可能与该地下河污染较严重，大量有机物分解后产生了HCO3-有关。

三、结论

暴雨对地下河理化指标均产生不同程度的影响。流量对降水的反应非常迅速并且变幅最大。降水对水温和pH值影响不大，但对Ca2+ 与HCO3-影响显著。说明岩溶区地下河与地表联系紧密，地表污染物也可以通过暴雨直接进入地下河，造成地下河污染。由此可见，分析暴雨期间地下河理化性质的影响对了解地下河污染情况有重要意义。

作者单位：西南大学附属中学高一（13）班（400700）