地下水水流路径对高寒山区溶解性有机碳输出的控制作用研究

论文摘要

冻土区是全球重要的有机碳碳库,冻土衰退导致冻土区土壤层中有机碳加速释放,查明冻土区有机碳归宿是全球碳循环研究的重要组成部分。高寒山区通常分布有大面积的多年冻土和季节性冻土,地下水是高寒山区冻土区河道水分的重要来源,地下水水流路径对冻土区溶解性有机碳（Dissolved Organic Carbon,DOC）输出影响较大。高寒山区含水层结构和地下水水流路径复杂,而高寒山区地下水水流路径对DOC输出的控制作用尚不明确。基于此,该研究拟进行高寒山区地下水水流路径对DOC输出的控制作用研究,该研究不仅可以对高寒山区有机碳输出特征提供机理解释,也可以丰富水文地质过程对碳循环的控制理论。本研究以青藏高原东北部、黑河上游高寒山区峡谷型典型小流域-葫芦沟小流域作为研究对象,通过水文地质调查、钻探、原位监测、样品采集,结合水化学和同位素数据分析和水文地球化学反向模拟,查明了典型小流域含水层结构,构建了地下水流动路径概念模型;通过分析多年冻土区和季节性冻土区河水和地下水中DOC浓度和溶解性有机物（Dissolved Organic Matter,DOM）成分时空变化特征分析,结合流域地下水水流路径,揭示了在多年冻土区和季节性冻土区地下水流动路径对DOC输出的控制作用。通过本研究主要得到以下几点认识:一、高寒山区地下水流动路径通过对葫芦沟小流域中降雨、冰雪融水、冻土层上水、冻土层下水、河水和季节性冻土区地下水的水化学和同位素特征进行分析,结合野外调查和水位、地温连续观测,得到了葫芦沟小流域多年冻土区和季节性冻土区含水层结构和地下水流动路径。在多年冻土区,地下水和河水主要受来自冰川的冰雪融水补给。多年冻土层分布在地面以下220 m深度,冻土层上水和冻土层下水水力联系较弱。冻土层上水主要流经浅层有机土壤层,水化学特征受蒸发作用和方解石溶解过程强烈影响;冻土层下水主要流经松散砂砾层,水化学特征受白云石和石膏溶解过程以及方解石沉淀过程显著影响。多年冻土区地下水以泉水和渗流形式排泄,或者直接流入东支沟河道,侧向补给季节性冻土区地下水。在季节性冻土区,有一层厚度36m的粉质粘土层在地面以下520 m深度广泛分布,将含水层分为深层（深度>20 m）和浅层含水层（深度≤20 m）。和浅层含水层相比,深层含水层水化学特征受到更强烈的去白云石化作用和阳离子交换作用的影响。季节性冻土区地下水,在山前冲洪积平原后端出露,补给葫芦沟干流河道。第四系松散沉积物在流域内广泛分布,在高山寒区峡谷型小流域水文循环中发挥着重要作用,是地下水和地表水相互作用频繁的主要原因。第四系松散沉积物广泛存在,一方面为地下水提供了巨大的存储空间,是流域中主要储水空间;另一方面,对流域出口水分输出具有巨大的调蓄作用,季节性冻土区地下水维持了旱季（春冬季节）流域出口水分输出;此外,第四系沉积物的不均匀分布,导致地下水和地表水相互作用频繁,影响流域出口DOC输出特征,减弱了春季融雪水输入对流域出口DOC输出的影响。二、高寒山区溶解性有机碳和溶解性无机碳输出规律通过分析沿流程不同点位DOC浓度、溶解性无机碳（Dissolved Inorganic Carbon,DIC）浓度、通量、DOM成分特征、及其季节性变化规律,得到葫芦沟小流域DOC和DIC输出规律,讨论了地下水流动路径对输出规律的影响。流域出口、季节性冻土区和多年冻土区DOC和DIC通量均在夏季最大,受降水影响明显,和河道径流量呈正比。流域出口在夏季DOC和DIC平均日通量分别为32 kg/天和1768 kg/天。多年冻土区出口河水中DOC和DIC通量远小于流域出口通量,流域出口DOC和DIC通量主要来源于季节性冻土区。地下水和地表水频繁相互作用是影响DOC输出的重要因素。多年冻土区的地下水和河水中DOC浓度都较高,DOM主要为陆地来源。受多年冻土区河水和地下水补给影响,季节性冻土区地下水中陆地来源DOM含量高于泉水中含量。和多年冻土区河水相比,季节性冻土区河水受地下水和地表水相互作用影响,在春冬季DOC浓度增长幅度较小、DIC浓度增长幅度较大。在春冬季,季节性冻土区地下水是流域出口水分唯一来源,导致流域出口河水中微生物来源DOM含量增高。多年冻土区河水和地下水虽然不直接补给流域出口,但是,通过地下水和地下水相互作用对季节性冻土区地下水影响较大,最终影响流域出口DOC和DIC输出。三、高寒山区与北极、亚北极地区DOC输出特征控制因素对比高寒山区DOC输出特征与北极、亚北极地区存在较大差异:（1）河水中DOC输出主要集中在春季;（2）河水中DOC浓度与DOC通量呈正相关关系;（3）在夏季,随着活动层消融深度增加,河水中DOC浓度降低,微生物来源DOM含量增高。导致差异的主要原因是:（1）降水输入格局差异较大;（2）季节性冻土区和多年冻土区分布范围不同,含水层结构差异较大,地下水对流域水分输出的影响不同;（3）冻融过程对冻土活动层结构影响不同。四、推断冻土退化对高寒山区DOC输出的影响多项数据已显示青藏高原冻土正在退化,冻土退化加深了活动层厚度,从而使水流路径变深,影响多年冻土区含水层结构和径流路径,进而影响DOC输出。推测多年冻土区地下水和河水中DOC和DIC浓度、径流量会显著增长,河水中DOC和DIC通量将会显著上升。多年冻土区活动层厚度增加,冻土层上水和冻土层下水相互作用增强;活动层厚度增大,储水能力和调蓄能力增强。受地下水和地表水相互作用,季节性冻土区地下水储量和地下水中DOC浓度也会上升。流域DOC通量会显著上升,在春冬季节河道径流量会增加,DOC通量和DIC通量也会显著增加。多年冻土区有机碳加速进入碳循环,会加剧全球气候变暖。本研究一方面通过多元数据的耦合分析细致刻画了高寒山区峡谷型典型小流域的地下水水流路径,揭示了第四系松散沉积物在高寒山区水循环中发挥的重要作用;另一方面阐明了复杂地下水水流路径是如何影响高寒山区DOC输出,发现了地下水和地表水相互作用对高寒山区峡谷型小流域中DOC输出影响显著。本研究存在以下几点不足,需在后续研究中持续完善:（1）缺少对黑河干流河水DOC输出特征的持续观测,未能说明典型小流域DOC输出特征和干流河水的协同性;（2）黑河上游一个典型小流域地下水流动路径和DOC输出特征缺乏普适性,应在后期研究中开展对黑河上游其他典型小流域的研究,和葫芦沟小流域特征进行对比分析,增加研究结果的普适性。

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作者简介

摘要

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第一章绪论

1.1 研究目的及选题意义

1.2 囯内外研究现状、发展趋势及存在问题

1.2.1 地下水水流路径

1.2.2 冻土区溶解性有机碳输出规律

1.2.3 溶解性有机碳成分分析

1.2.4 青藏高原冻土区

1.3 研究目标、研究内容及技术路线

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 创新点

1.3.4 技术路线

第二章研究区概况

2.1 研究区概况

2.2 地形地貌

2.3 地质构造和地层岩性

2.4 水文地质条件

2.5 葫芦沟小流域典型代表性

第三章研究方法

3.1 钻探和原位监测

3.1.1 钻孔布设

3.1.2 气象和水文原位监测

3.1.3 多年冻土区温室气体排放监测

3.2 样品采集和测试

3.2.1 样品采集

3.2.2 样品保存

3.2.3 样品测试

3H和¹⁴C年龄计算'> 3.2.4³H和¹⁴C年龄计算

3.2.5 平行因子分析法

第四章地下水流动路径

4.1 钻孔和岩性数据

4.2 河道径流和地下水水位动态特征

4.3 主要水化学特征

4.3.1 主要离子特征

4.3.2 饱和指数特征

4.3.3 氘氧同位素特征

4.3.4 地下水年龄估算

4.4 地下水流动路径概念模型

4.4.1 地下水补给和排泄

4.4.2 水化学过程指示地下水流动路径

4.4.3 地下水和地表水相互作用

4.5 水文地球化学反向模拟

4.5.1 流动路径确定

4.5.2 可能矿物相及水岩反应方向

4.5.3 模拟结果分析

4.6 本章小结

第五章高寒山区典型小流域溶解性有机碳输出规律

5.1 溶解性有机碳通量的年内及年际变化

5.1.1 径流量和降雨量

5.1.2 DOC和 DIC浓度

5.1.3 DOC和 DIC通量

5.2 流域内河水和地下水DOC和 DIC输出特征

5.2.1 DOC浓度特征

5.2.2 DIC浓度特征

5.2.3 DOM成分特征

5.3 地下水水流路径对溶解性有机碳输出的影响

5.3.1 多年冻土区

5.3.2 季节性冻土区

5.3.3 葫芦沟干流河道

5.4 本章小结

第六章黑河上游溶解性有机碳输出规律及对冻土退化响应

6.1 高寒山区与北极、亚北极地区DOM输出规律对比

6.2 黑河上游冻土退化对溶解性有机碳输出影响

6.3 本章小结

第七章结论和展望

7.1 主要结论

7.2 存在不足

7.3 展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 胡雅璐

导师: 马瑞,王焰新

关键词: 高寒山区,地下水流动路径,溶解性有机碳输出规律,冻土退化

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 中国地质大学

基金: 黑河上游山区融雪径流过程的同位素和水文化学示踪研究(国家自然科学基金,91125009),黑河上游冻土区地下水流过程及其与地表水转化研究(国家自然科学基金,91325101)

分类号: P641

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000127

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