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许家沟泉域岩溶地下水硫同位素特征及硫酸盐来源解析

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干旱区资源与环境 2022年第10期36卷 158-165页

作者：林云唐敦泽武亚遵熊慧敏张海洋刘源金毅河南理工大学资源环境学院焦作454000 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心焦作454000 河南省地质矿产勘查开发局第二地质矿产调查院郑州450001

硫酸对碳酸盐岩的溶蚀作用影响着岩溶碳汇效应,确定其分布特征及来源对估算区域岩溶碳汇量至关重要。北方太行山前岩溶泉域地下水中的硫酸盐受多因素影响,其来源及控制机制尚不清晰。为此以许家沟岩溶泉域为研究对象,利用水化学和硫氧... 详细信息

硫酸对碳酸盐岩的溶蚀作用影响着岩溶碳汇效应,确定其分布特征及来源对估算区域岩溶碳汇量至关重要。北方太行山前岩溶泉域地下水中的硫酸盐受多因素影响,其来源及控制机制尚不清晰。为此以许家沟岩溶泉域为研究对象,利用水化学和硫氧双同位素示踪技术,分析了硫酸盐和δ^(18)O_(SO4)、δ^(34)S_(SO4)值的分布特征,解析了硫酸盐的来源,并借助IsoSource软件量化了各来源的贡献率。结果表明:泉域岩溶地下水硫酸盐含量为4.17~129.24mg·L^(-1),平均值为27.55mg·L^(-1),从裸露区到深埋区硫酸盐含量呈增大趋势;δ^(18)O_(SO4)、δ^(34)S_(SO4)值分别为4.95~7.64‰、3.60~14.02‰,平均值为6.12‰和7.27‰,δ^(18)O_(SO4)值变化不大,而δ^(34)S_(SO4)值与硫酸盐含量具有相同的变化规律,从裸露区至深埋区呈增大趋势;泉域岩溶地下水硫酸盐来源于硫化物氧化、大气降水和石膏溶解,在不同区域内它们的贡献率有所不同,平均贡献率分别为63.52%、23.46%和13.01%。研究结果可为准确评估泉域的碳汇效应提供数据支持。

关键词：硫酸盐来源硫氧同位素岩溶水许家沟泉域

管道流模型参数敏感性分析及其在许家沟泉域的应用

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水文地质工程地质 2020年第2期47卷 68-75页

作者：武亚遵李彦涛林云曲鹏冲河南理工大学资源环境学院河南焦作454000 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心河南焦作454000

在岩溶含水系统中,作为主要排水通道的管道对泉流量动态具有一定的控制作用,而管道特征参数对流量变化亦有影响。为确定管道各参数的影响,前人以管道发育的岩溶水系统为研究对象,进行了短时间序列泉流量响应的分析探讨,而对岩溶管道不... 详细信息

在岩溶含水系统中,作为主要排水通道的管道对泉流量动态具有一定的控制作用,而管道特征参数对流量变化亦有影响。为确定管道各参数的影响,前人以管道发育的岩溶水系统为研究对象,进行了短时间序列泉流量响应的分析探讨,而对岩溶管道不十分发育的岩溶水系统的研究较薄弱。为此,本研究结合北方岩溶水系统的发育特征,借助CFP管道流模型对管道各参数对岩溶系统流量和流态的影响程度及各参数的敏感性进行了分析,而后基于河南鹤壁许家沟泉域岩溶水文地质特征构建了泉域的MODFLOW-CFP模型,对泉域岩溶地下水渗流进行了模拟,并对不同降水保证率下的泉流量进行了预测。结果表明:管道流量与管壁渗透系数、管道坡度和管径呈正相关,而随弯曲度和埋深的增加管道流量呈先增大后减小的趋势。管壁粗糙度对流量的影响较小,且呈现出一定的波动性,尤其是当管壁粗糙度较小时,波动比较明显。经敏感性分析发现,管壁渗透系数和埋深的敏感性最高,其次为弯曲度和管道坡度,而管道直径和管壁粗糙度敏感性最低。许家沟泉域在25%降水保证率下,年最大泉流量为0.45 m^3/s,平均泉流量为0.36 m^3/s;在75%降水保证率下,年最大泉流量为0.41 m^3/s,平均泉流量为0.31 m^3/s,与实际情况吻合。该法可为我国北方岩溶区水资源评价及泉域水资源开发保护提供借鉴。

关键词：岩溶管道 MODFLOW-CFP 数值模拟泉流量岩溶水许家沟泉域

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许家沟泉域碳氢氧稳定同位素特征及碳汇效应

许家沟泉域碳氢氧稳定同位素特征及碳汇效应

作者：梁家乐河南理工大学

学位级别：硕士

本文以太行山前典型岩溶区许家沟泉域为研究对象。采用数理统计、离子比例、数值模拟等方法,分析了岩溶地下水水化学成分及碳、氢、氧稳定同位素特征,探讨了岩溶地下水主要离子来源、水化学演化规律及碳汇效应,基于PHREEQC软件,对地下... 详细信息

本文以太行山前典型岩溶区许家沟泉域为研究对象。采用数理统计、离子比例、数值模拟等方法,分析了岩溶地下水水化学成分及碳、氢、氧稳定同位素特征,探讨了岩溶地下水主要离子来源、水化学演化规律及碳汇效应,基于PHREEQC软件,对地下水演化过程进行了反向水文地球化学模拟。结果显示:泉域内地下水阴阳离子以Ca、Mg、HCO和SO为主,依据离子之间的相关性可以推断出含水层中碳酸盐岩和硫酸盐岩中的方解石、白云石和石膏的溶解是地下水中离子的主要来源;丰水期地下水以HCO-Ca·Mg型水为主,枯水期地下水以HCO·SO-Ca·Mg型水和HCO·SO-Mg·Ca型水较多。研究区岩溶地下水的主要补给来源为大气降水,补给区位于西北部的岩溶裸露区,地下水的补给高程在514～666 m;丰水期δD和δO的等值线分布较为密集且梯度较小与强径流带吻合,可用于分析地下水的主要径流路径;枯水期δD和δO与Cl和TDS具有较好的相关性,可作为地下水中Cl和TDS溶解程度的判断依据。岩溶区丰水期岩溶作用所形成的溶解无机碳主要来源于土壤CO,枯水期溶解无机碳则主要来自大气CO;丰水期碳酸参与碳汇效应的平均贡献率为深埋区(54.76%)>覆盖区(49.32%)>裸露区(39.90%),枯水期碳酸参与碳汇效应的平均贡献率为裸露区(35.25%)>覆盖区(31.08%)>深埋区(14.67%),丰、枯水期径流带及其附近碳汇效应较高,整体上呈现出丰水期碳汇效应高于枯水期的特征;锶、钙离子的比值反应出丰水期地下水径流速度快于枯水期,显示地下水流速对碳汇效应具有较大的影响。PHREEQC反向模拟结果证明碳酸盐岩的溶蚀情况丰水期较枯水期高,一定程度上也反映了岩溶作用固碳增汇的能力。图34幅,表8个,参考文献96篇。

关键词：许家沟泉域岩溶水碳氢氧稳定同位素碳汇效应

许家沟泉域岩溶水微量元素特征及健康风险评价

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许家沟泉域岩溶水微量元素特征及健康风险评价

作者：贾方建河南理工大学

学位级别：硕士

许家沟泉域岩溶水作为鹤壁重要的饮用水源,受气候变化和采煤活动影响,补径排条件已发生改变,水质不断恶化,微量元素特征尚不清晰,有毒有害微量元素是否已威胁居民饮水安全?尚不知晓。针对此,本文采用数理统计和等值线图解法分析岩溶水... 详细信息

许家沟泉域岩溶水作为鹤壁重要的饮用水源,受气候变化和采煤活动影响,补径排条件已发生改变,水质不断恶化,微量元素特征尚不清晰,有毒有害微量元素是否已威胁居民饮水安全?尚不知晓。针对此,本文采用数理统计和等值线图解法分析岩溶水微量元素含量和时空分布特征;利用相关性分析、主成分分析和聚类分析探讨了水质参数对微量元素的影响以及微量元素来源问题;进一步分析特征微量元素Sr的富集成因及所蕴含的水文地质意义;最后基于蒙特卡罗模拟,借助于Crystal Ball软件对有毒有害微量元素进行健康风险评价。研究结果表明:泉域岩溶水微量元素浓度关系为,丰水期:Sr>Ba>Zn>Ni>Cr>Cu>Cd,平水期:Sr>Ba>Zn>Ni>Cr>Cu>Pb。时间分布上,平水期微量元素含量高于丰水期,唯有Zn元素,在丰水期大于平水期;空间分布上,Sr、Ba、Ni、Cr四种微量元素浓度表现为从裸露区到覆盖区至埋藏区呈现出增大趋势。水质参数对于这四种微量元素影响程度也较大。丰平两期微量元素在来源上有所不同。其中Sr、Ba、Ni、Cd在两期中来源相似,主要来自于碳酸盐岩风化溶解;Cr、Cu、Pb在平水期除来自于泉域碳酸盐岩和硫酸盐岩的风化溶解外,与煤矿开采亦有一定关系;Zn来自于含镁矿物和硫酸盐岩的风化溶解,亦有汽车尾气排放和河流补给的影响。特征微量元素Sr富集成因主要是方解石和菱锶矿的风化溶解,阳离子交替吸附反应对其有一定影响。微量元素Sr与Ca比值分布特征,表明水循环速度由西至东呈现降低趋势。岩溶水健康风险主要为致癌元素Cr所引起的,致癌元素Cd和非致癌元素平均年健康风险较低,不会对人体造成危害。总健康危害概率分布表明,丰水期不会对成人造成风险,有23.74%概率对儿童造成健康风险;平水期成人和儿童所受到健康风险概率为63.38%和76.39%,总健康危害较大,需对平水期岩溶水中致癌微量Cr格外关注。图32幅,表16个,参考文献95篇。

关键词：许家沟泉域岩溶水微量元素时空分布健康风险评价

北方典型岩溶泉域地下水水文地球化学特征分析--以鹤壁许家沟泉域为例

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地球与环境 2020年第3期48卷 294-306页

作者：林云曹飞龙武亚遵任华鑫贾方建河南理工大学资源环境学院河南焦作454000 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心河南焦作454000

近年来,受采矿活动、气候变化等因素影响,包括鹤壁许家沟泉域在内的北方多数岩溶泉域水化学场发生了改变,但其演变规律及现状条件下的水文地球化学特征仍不明晰。为揭示现状条件下许家沟泉域地下水水文地球化学特征及其控制因素,本文在... 详细信息

近年来,受采矿活动、气候变化等因素影响,包括鹤壁许家沟泉域在内的北方多数岩溶泉域水化学场发生了改变,但其演变规律及现状条件下的水文地球化学特征仍不明晰。为揭示现状条件下许家沟泉域地下水水文地球化学特征及其控制因素,本文在调查取样分析的基础上,采用数理统计、离子比例系数、Gibbs图及相关性分析等方法进行了研究。结果表明:泉域内岩溶地下水水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg和HCO3·SO4-Ca·Mg型。地下水主要水化学组分演化过程的主控因素是岩石风化作用,地下水中的Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-主要来源于含方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)的碳酸盐岩以及硫酸盐岩(CaSO4·2H2O)的溶解,一部分SO42-来自黄铁矿氧化。脱白云石化作用致使泉域枯水期地下水中Mg2+明显高于丰水期。阳离子吸附交替使地下水中Na+、K+含量降低。稳定同位素特征表明,泉域岩溶地下水主要接受西部裸露区大气降雨的入渗补给,泉域南部岩溶地下水还受淇河河水渗漏的影响,枯水期岩溶地下水中δ18O存在漂移现象。研究成果为泉域内岩溶地下水的合理开发与保护提供了依据。

关键词：岩溶地下水水化学特征离子比例氢氧同位素许家沟泉域

太行山前岩溶泉域水文地球化学特征分析——以鹤壁许家沟泉域为例

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太行山前岩溶泉域水文地球化学特征分析——以鹤壁许家沟泉域为例

作者：曹飞龙河南理工大学

学位级别：硕士

岩溶水是我国北方重要的供水水源,近年来受到外界环境的影响,岩溶水化学环境发生了改变,但其演变过程及控制因素尚不明确。针对此,本研究选取位于太行山前的典型岩溶区域—许家沟泉域为研究对象,通过分析岩溶地下水的水化学组分及氢氧... 详细信息

岩溶水是我国北方重要的供水水源,近年来受到外界环境的影响,岩溶水化学环境发生了改变,但其演变过程及控制因素尚不明确。针对此,本研究选取位于太行山前的典型岩溶区域—许家沟泉域为研究对象,通过分析岩溶地下水的水化学组分及氢氧稳定同位素含量,采用多元统计分析、主成分分析、聚类分析等方法,对泉域岩溶地下水的水化学特征及演变规律进行了探讨,并确定了主要的影响因素。研究结果显示:泉域内岩溶水的主要离子为Ca、Mg、SO、HCO,水化学类型以HCO-Ca型、HCO-Ca·Mg型为主。受降水影响,枯水期径流缓慢,水岩作用充分,离子间相关性较高,各组分含量也较丰水期的高。泉域内岩溶地下水水化学组分形成的主控因素为岩石风化作用,岩溶地下水中Ca、Mg、SO和HCO具有相似的来源,主要来源于含方解石(CaCO)、白云石(CaMg(CO))的碳酸盐岩以及硫酸盐岩(CaSO·2HO)的溶解。脱白云石化作用致使泉域枯水期地下水中的Mg含量明显高于丰水期的。阳离子吸附交替作用降低了地下水中Na、K的含量。SO除来源于硫酸盐岩(CaSO·2HO)的溶解外,一部分来自黄铁矿氧化。大气降水是泉域岩溶地下水主要的补给来源,补给区为西部灰岩裸露区补给高程为464～928m。补给区岩溶地下水中δD、δO值较低,径流排泄区δD、δO含量较高。泉域南部岩溶水地下水除受大气降水补给外,还接受淇河河水的渗漏补给。

关键词：岩溶地下水离子比例氢氧同位素许家沟泉域

北方岩溶区硫酸溶蚀效应及对碳汇的影响研究 ——以鹤壁许家沟泉域为例

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北方岩溶区硫酸溶蚀效应及对碳汇的影响研究 ——以鹤壁许家沟泉...

作者：唐敦泽河南理工大学

学位级别：硕士

我国作为世界上碳酸盐岩分布面积最大的国家,自然条件下碳酸盐岩风化溶蚀产生的碳汇通量约为0.51亿吨/年,碳汇效应显著。我国北方岩溶区具有“煤在楼上,水在楼下”的水文地质结构,含煤地层中的硫化物氧化形成硫酸进入岩溶地下水系统参... 详细信息

我国作为世界上碳酸盐岩分布面积最大的国家,自然条件下碳酸盐岩风化溶蚀产生的碳汇通量约为0.51亿吨/年,碳汇效应显著。我国北方岩溶区具有“煤在楼上,水在楼下”的水文地质结构,含煤地层中的硫化物氧化形成硫酸进入岩溶地下水系统参与碳酸盐岩的溶蚀,但硫酸溶蚀碳酸盐岩的过程并不消耗CO2形成碳汇,因此厘清硫酸溶蚀作用的岩溶碳汇强度对构建我国碳循环框架具有重要的意义。本文以北方典型岩溶泉域许家沟为研究对象,基于野外水文地质调查,取样并分析岩溶水常规离子及δ13CDIC、δ34SSO4、δ18OSO4等同位素指标,运用相关性分析、离子比例关系、Gibbs图、Piper三线图等方法探讨岩溶水中主要离子的来源以及演化规律,解析地下水中无机碳、硫酸盐的来源,定量评价硫酸对泉域岩溶碳汇效应的影响。得到如下结论:（1）泉域岩溶地下水离子主要来源于碳酸盐岩的风化溶蚀,部分来源于硅酸盐岩和石膏的溶解,因此地下水中阴离子主要为HCO3-、SO42-,阳离子主要为Ca2+、Mg2+,化学类型以HCO3-Ca·Mg为主,其中HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg型也较多。（2）泉域岩溶地下水中DIC主要以HCO3-形式存在,主要来源于碳酸盐岩碳库和土壤碳库;在径流路径上,碳酸盐岩碳库对地下水中DIC的贡献越来越大;地下水中硫酸盐主要来源于硫化物氧化、石膏溶解和大气降水,受补给条件和煤系地层的影响,深埋区地下水中来源于硫化物氧化的硫酸盐含量达到最大,而来源于大气降水的含量最少,因此硫酸参与碳酸盐岩的溶蚀比例也在深埋区达到最大。（3）泉域总HCO3-通量为296.49×10～3mol/km2·a-1;仅考虑碳酸溶蚀时,岩石溶蚀速率为300.83×10～3mol/km2·a-1,总消耗的CO2通量为191.82×10～3mol/km2·a-1;在碳酸和硫酸共同参与时,岩石溶蚀速率为364.33×10～3mol/km2·a-1,总消耗的CO2通量为162.17×10～3mol/km2·a-1;在硫酸的参与下,岩石溶蚀速率提升了21.11%,而消耗的CO2通量下降了15%,硫酸溶蚀作用对岩溶碳汇的减汇效应明显。图23幅,表9个,参考文献106篇。

关键词：许家沟泉域岩溶水硫酸硫氧同位素碳汇效应