測試滯后對巖溶水樣性質的影響研究

周長松， 鄒勝章*， 謝浩,2， 朱丹尼， 陳宏峰， 俞建國

(1.中國地質科學院巖溶地質研究所， 自然資源部廣西巖溶動力學重點實驗室， 自然資源部巖溶生態系統與石漠化治理重點實驗室， 廣西 桂林 541004；2.中國地質大學(北京)水資源與環境學院， 北京 100083)

1 研究區概況

取樣的巖溶泉位于云南省宣威市東南側約36km的羊場鎮后河村。該區域屬于巖溶河谷地貌，南溫帶山地季風濕潤氣候，年平均氣溫13.8℃，年平均降雨量1332mm。泉水出露于巖溶河谷西側山腳下，海拔1890m，補給區位于西南側溶丘洼地，地下水總體由南向北徑流，于地形切割處出流，出流方向40°；出流后排入北側23m處的嘉河。泉口處地層為二疊系茅口組(P1m)，巖性以淺灰色～灰褐色厚層泥晶灰巖為主，灰巖露頭發育兩組垂直溶蝕裂隙，走向分別為85°和30°。

2 實驗部分

2.1 樣品采集與測試

表1平行樣分析誤差統計

Table 1 Statistics of analytical error of parallel sample

指標相對偏差最大允許值(%)相對偏差測量值(%)指標相對偏差最大允許值(%)相對偏差測量值(%)pH50.66Cl-103.11K+101.46SO2-451.55Na+100.00HCO-310.71Ca2+2.50.00NO-352.16Mg2+50.00CO2(fs)54.88

2.2 數據處理與統計分析

表2水樣測試結果統計

Table 2 Statistics of the test results of water sample

指標組數最小值(mg/L)最大值(mg/L)平均值(mg/L)陰陽離子毫克當量百分數(%,按均值計)A類標準不確定度相對不確定度變異系數(%)方差Shapiro-Wilk正態性檢驗相對偏差(%)pH127.507.687.60-0.050.010.0060.0020.8170～1.19K+120.490.980.670.50.140.210.2140.020.0621.49～46.27Na+120.370.960.610.870.230.380.3860.0550.0448.2～57.38Ca2+1258.0860.6659.9187.210.770.010.0130.5920.0340.17～3.05Mg2+123.525.874.6711.340.640.140.1360.4030.6460.64～25.7Cl-120.801.050.950.880.080.080.0820.0060.1450～15.79SO2-4126.336.786.453.830.120.020.0190.0150.0060.47～5.12HCO-312190.65195.72193.3393.511.830.010.0093.3540.0020.51～1.39NO-3123.623.703.661.770.020.010.0060.0010.9580～1.09CO2(fs)122.073.112.50-0.540.210.2140.287017.20～24.4

注：pH 無單位；pH、CO2(fs)兩項指標沒有毫克當量數，用“-”表示；Sig.>0.05，則服從正態性分布。

3 結果與討論

3.1 測試組分濃度分布特征

3.2 測試組分隨時間的變異程度

表3變異系數等級劃分

Table 3 Variation coefficient classifications

變異系數變異系數等級測定指標測試方法組分均值(質量分數)>0.200差異顯著Na+、K+、游離CO2火焰分光光度法、滴定法0.607～2.5030.100～0.200差異較為顯著Mg2+電感耦合等離子體發射光譜法4.6660.010～0.100差異較不顯著Cl-、SO2-4、Ca2+離子色譜法、原子發射光譜法0.948～59.906<0.010差異不顯著HCO-3、pH、HCO-3滴定法、電極法、離子色譜法3.66～193.326

3.3 測試組分隨測試滯后時間變化規律

總體來看(圖1)，在75d實驗期內，巖溶水樣水質變化分為5個階段：初期穩定階段(0～3d)、初步變化階段(3～5d)、混合變化階段(5～17d)、細菌潛在影響階段(17～35d)、相對平衡階段(35～75d)。這與武福平等[17]對西北地區集雨窖水水質變化過程的分析有著明顯區別，其分為以物理沉降為主的初期沉降階段(0～15d)、以生物降解為主的中間過渡階段(15～100d) 及水質基本不變的后期穩定階段(100～250d)。這是由于本研究采用外在影響因素相對較少的實驗室環境進行實驗，而武福平等[17]采用多重不確定因素影響下的野外環境進行實驗。

圖1 水樣各指標序列測試結果Fig.1 Test results of various indicators of water sample

3.3.1初期穩定階段

本文主要考慮配電自動化規劃建設對配電網可靠性及經濟性帶來的影響,依照不同的供電區域可靠性要求的不同,找出既能滿足供電可靠性要求,又使經濟性達到最優的配電自動化終端數量配置的方案;此外,當單純DA終端設備配置無法滿足配電網供電可靠性要求時,根據經濟性原理來考慮其終端配置方案。

從變化過程來看(圖1)，在試驗前3d，除Mg2+有明顯的上升變化外(上升幅度達到初始值36.19%，可能與測試過程儀器誤差有關)，其余指標值變化極小，水樣性質基本穩定，這與裘曉瑩[21]的研究結果較為一致，但與武福平等[17]提出的“初期沉降階段”差異明顯。上述差異是由于本次野外采樣之前，大氣降水、地表水經過巖溶裂隙、管道等途徑補給泉水過程中，經歷了巖石、土壤及沉積物的物理吸附、重力沉降作用，使得懸浮顆粒物得到有效去除[22]。而武福平等[17]野外試驗的窖水直接接受坡面流補給，補給水源在徑流過程中攜帶了大量懸浮顆粒物，缺少有效的物理吸附介質，導致其進入水窖時仍然含有大量的懸浮顆粒物，在重力作用下必然要經歷物理沉降過程。結合各指標的變化特性，本次研究將該段時期歸為水質初期穩定階段。

3.3.2初步變化階段

在3～5d實驗期內，Na+、K+、Mg2+三項指標較先發生明顯降低的變化，降低幅度分別達到該階段起始值的10.42%、30.61%、19.93%，而其余指標繼續保持穩定，具體原因：一方面可能與水中細菌[23-24]逐漸形成菌落，消耗了一部分Na+、K+、Mg2+等無機營養元素有關(Na、K、Mg、S、P等是細菌生長代謝中所需的無機鹽成分)[25]；另一方面由于Na+、K+含量比較低，測試過程中存在的儀器誤差可能對此有一定影響，但影響有限。①因為K+、Na+時間序列測試結果表明，前期的幾次測試結果顯著高于后期的測試結果，最大差值分別達0.49、0.59mg/L；②K+、Na+序列測試過程中，平行樣(13d)與正常測試結果差值分別為0.1mg/L、0mg/L，表明儀器誤差在可控范圍內。該段時期可以歸為水質初步變化階段。

3.3.3混合變化階段

3.3.4細菌潛在影響階段

在17～35d實驗期內，除K+、Mg2+、CO2(fs)發生了一次較大幅度下降變化(下降幅度分別達到該階段初始值13.24%、7.12%、33.44%)和Na+發生了一次較大幅度上升變化(上升幅度達到該階段初始值105.41%)，其余指標變化較小，推測這與水樣中細菌細胞保鉀排鈉作用相關(K+是維持細胞內液滲透壓的主要離子，Na+是維持細胞外液滲透壓的主要離子)[30-31]，該段時期可定為細菌潛在影響階段。

3.3.5相對平衡階段

在35～75d實驗期內，除Mg2+、CO2(fs)分別發生較大幅度的下降變化和上升變化外，其他指標變化幅度較小；期間細菌所處的水體環境逐漸由營養物豐富向營養物匱乏變化，細菌的代謝水平變低，繁殖速度變慢，細胞大小基本達到穩定的饑餓-生存狀態[32]，細菌等作用對水質指標的影響已經不顯著。因此，該段時期可定為相對平衡階段。

表4測試指標初始值與結束值對比

Table 4 Contrast of test indicators between initial value and end value

指標(C1d-C75d)/C1d (%)指標(C1d-C75d)/C1d (%)pH-1.87Cl-11.43K+44.32SO2-42.46Na+31.25HCO-30.00Ca2+-1.08NO-31.62Mg2+18.33CO2(fs)-50.24

注：Cnd表示第n天的測試值，n=1～75；“-”表示與初始值相比出現了上升；“+”表示與初始值相比出現了下降。

3.4 特征組分變化過程分析

CO2(g)+H2O ? CO2(aq)+H2O ? H2CO3(aq)

(1)

(2)

圖2 水樣和pH序列測試結果對比Fig.2 Comparison of sequence test results of CO2(fs) and pH

4 結論

本研究以云南高原斜坡地帶典型巖溶泉水為研究對象，通過室內時序對比實驗，從離散程度、變化特征及過程等角度，探討了巖溶水樣性質在不同放置期內所呈現出的變化特征。通過本次實驗，揭示不同指標由于自身在物理、化學及生物性質上的差異，導致其在不同存放時間下呈現不同的水質變化特征。同時揭示“細菌作用”和“碳酸平衡作用”是巖溶水樣放置過程中存在的兩個重要作用機制。為了進一步深入刻畫巖溶水樣變化機制，在后續研究中需加強對水樣放置過程中細菌數量的測試，以及延長測試序列。

在實驗室測試過程中，為了使測試數據更接近實際數據，本研究建議采取以下幾種措施：①減少人為誤差，提高儀器測試精度；②在野外采集樣品時，需將采樣瓶裝滿，不留氣泡，以避免氣泡中空氣攜帶細菌進入樣品中；③對于有特殊測試目的的樣品，盡量在3d的穩定期內完成送樣和測試工作,對于一般的樣品也需盡快送樣測試，以避免“測試滯后”所帶來的一系列影響；④溫度對水中細菌的繁殖有著顯著影響[21,36]，在保存水樣過程中需控制好環境溫度。