論文題目周期性供給銨態(tài)氮對(duì)沉積物硝化反應(yīng)的影響Abstract：Keyword：Corrosion；karstwater；Hydrochemistry目錄第一章、引言 61.1研究目的及意義 61.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61.2.2晉祠泉研究現(xiàn)狀 71.3研究?jī)?nèi)容 81.4研究路線 8第二章、區(qū)域概況 92.1自然地理概況 92.1.1地理位置 92.1.2地形地貌 92.1.3水文氣象 92.1.4泉域邊界 102.2區(qū)域地質(zhì)概況 102.2.1地層巖性 102.2.2地質(zhì)構(gòu)造 10第三章、室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 113.1實(shí)驗(yàn)名稱 123.2實(shí)驗(yàn)器材 123.3實(shí)驗(yàn)步驟 123.4室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析 123.4.1巖心XRD礦物分析 123.4.2水樣的離子色譜儀分析 13第四章、晉祠泉域巖溶水 144.1晉祠泉域巖溶概況 144.2晉祠泉域采樣點(diǎn)分布 154.3巖溶水水化學(xué)特征 164.3.1巖溶水水化學(xué)一般特征 164.3.2巖溶水化學(xué)類型 164.3.3巖溶水水化學(xué)分析 184.3.4巖溶水化學(xué)組分分析 264.3.5小結(jié) 28第一章、緒論1.1銨的兩面性及其造成的環(huán)境污染眾所周知，氮是所有生命體最重要生命元素，生命的維持離不開氮的存在。氮在自然界中以銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮的形式存在。其中，銨態(tài)氮（NH4-+N）以銨根離子（NH4+）的形態(tài)存在和流通與土壤、植物、肥料和大氣中?？梢耘c其它形式的氮元素在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。由于其溶解度大，可以被植物快速吸收，在農(nóng)業(yè)中作為氮肥被廣泛使用；但由于作物對(duì)NH4-+N適應(yīng)性較低，剩余的銨態(tài)氮進(jìn)入土壤后，一部分由于銨離子容易被土壤膠體吸附，不斷進(jìn)行累積，最終形成吸附性銨態(tài)氮，使得土壤中吸附性銨態(tài)氮濃度升高；另一方面由于銨態(tài)氮在一定條件下可以通過硝化作用與其它形式的氮進(jìn)行轉(zhuǎn)化，硝化作用使得銨態(tài)氮氧化成為硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮又極易通過土壤的淋失作用逐步遷移，最終進(jìn)入地下水系統(tǒng)，造成地下水污染。同時(shí)銨的硝化作用也伴隨著N2O的產(chǎn)生，N2O會(huì)消耗臭氧層中臭氧，加劇溫室效應(yīng)；此外銨態(tài)氮在堿性土壤中，極易釋放出氨氣（NH3），導(dǎo)致氮元素?fù)]發(fā)，揮發(fā)的氨氣會(huì)危害植物的葉肉組織，喪失吸收水肥的功能，最終可能導(dǎo)致地上部分逐漸枯萎死亡。所以，銨態(tài)氮作為氮素在自然界中的一種存在形式，既是生命體不可缺少的養(yǎng)分，同時(shí)也是一種潛在的污染物。因此減弱或控制銨的硝化過程對(duì)減少氮的流失和保護(hù)環(huán)境具有實(shí)際意義。此外，銨態(tài)氮通過地表徑流進(jìn)入河流或湖泊，當(dāng)其濃度過高時(shí)會(huì)引起水華，限制深層水生植物的光合作用，導(dǎo)致水中溶解氧減低，影響水中微生物生存，進(jìn)而影響到無脊椎動(dòng)物以及魚類的生存，從而危害生態(tài)平衡，同時(shí)也直接威脅到城市的供水安全。目前，我國(guó)多個(gè)省市尤其是西北地區(qū)地下水中氨氮含量存在超標(biāo)現(xiàn)象，污染依然嚴(yán)重。根據(jù)室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究，研究不同位點(diǎn)沉積物中銨的吸附和硝化過程及其相互作用，以及環(huán)境條件變化時(shí)銨的吸附和硝化過程，研究其形成作用及演化規(guī)律，可為地下系統(tǒng)中氮的環(huán)境行為提供新的認(rèn)識(shí)，為防治地下水氮污染提供可靠的參考信息和科學(xué)依據(jù)。1.2銨在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化銨在單一水體、土壤、沉積物或底泥中，或者在它們的界面上，通過各種途徑發(fā)生轉(zhuǎn)化，銨的遷移轉(zhuǎn)化影響著整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)能力。在土壤/沉積物-地下水系統(tǒng)中，通過農(nóng)業(yè)氮肥、大氣沉降、灌溉、人為污染源的排放等方式進(jìn)入的銨很容易被吸附或者轉(zhuǎn)化為其他形式的氮，進(jìn)而造成了氮污染。氮污染的主要來源是人為輸入造成的外源污染，包括生活污水排放或滲漏、城市垃圾填埋場(chǎng)、農(nóng)業(yè)季節(jié)性施肥等。這些進(jìn)入土壤或者沉積物環(huán)境中的銨極易被土壤中的黏土、有機(jī)質(zhì)等成分吸附而長(zhǎng)期存在；另外，銨態(tài)氮經(jīng)過硝化作用生成硝態(tài)氮，硝態(tài)氮會(huì)經(jīng)過土壤的淋失作用逐步遷移，從而最終進(jìn)入地下水系統(tǒng)，造成地下水污染，而硝化作用過程中的中間產(chǎn)物亞硝態(tài)氮會(huì)對(duì)生物體或人體健康造成嚴(yán)重威脅。一般認(rèn)為，銨態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化的方式具有吸附作用、硝化作用、礦化作用以及異化成氨作用等。吸附作用自然環(huán)境中，吸附是按遷移的一種重要方式，而沉積物對(duì)按吸附-解吸的過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，受許多因素影響。其中，黏土礦物和有機(jī)質(zhì)是土壤環(huán)境中最為活躍的兩個(gè)組分，被認(rèn)為是制約沉積物對(duì)銨吸附-解吸過程的關(guān)鍵因素。作為礦物載體，黏土顆粒相較于其他組分具有更大的比表面積、獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和豐富的表面電荷，能夠提供更多的吸附位點(diǎn)，使其具有較強(qiáng)的吸附和離子交換能力。而黏土礦物還具有良好的移動(dòng)性能，在一定情況下會(huì)作為銨態(tài)氮的載體加速其遷移，為吸附和離子交換提供更優(yōu)越的條件。而沉積物有機(jī)質(zhì)中存在著許多具有極性的官能團(tuán)，這些官能團(tuán)使沉積物顆粒表面帶有大量的負(fù)電荷，極易吸附帶正電的離子或官能團(tuán)，從而對(duì)銨具有較強(qiáng)的吸附能力。然而，NH4+與不同組分的結(jié)合存在差異，吸附作用存在優(yōu)先選擇性，黏土礦物提供的吸附位點(diǎn)使NH4+更容易發(fā)生離子交換作用，也因此水溶液中陽離子的濃度也是影響吸附-解吸附的重要因素。一般來說，溶液中陽離子濃度的增加會(huì)促進(jìn)NH4+的解吸附，它們不僅僅與NH4+競(jìng)爭(zhēng)吸附土壤介質(zhì)外表面吸附點(diǎn)位，還會(huì)按等量平衡的原則競(jìng)爭(zhēng)層位間的固定吸附位，以二元陽離子位例，交換過程遵循反應(yīng)式（1-1）：bAXa(s)+aBb+(aq)?aBXb(s)+bAa+(aq)(1-1)式中，X-交換相或固相a、b-陽離子A、B的價(jià)位，mol/Laq、s-液相和固相而有機(jī)質(zhì)對(duì)銨的吸附作用則呈現(xiàn)一個(gè)較為復(fù)雜的特征。有機(jī)質(zhì)對(duì)銨的吸附能力不僅受有機(jī)質(zhì)含量制約，還受有機(jī)質(zhì)的成分和存在形態(tài)影響。一方面，有機(jī)質(zhì)的主要成分為腐殖質(zhì)，不同的腐殖質(zhì)成分對(duì)銨的吸附能力不同；另一方面，腐殖質(zhì)會(huì)與黏土礦物形成有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體，不同的腐殖質(zhì)組分與礦物成分形成的復(fù)合體吸附能力也不相同。另外，由于有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體之間存在更大的間隙用于提供交換位點(diǎn)，所以相比于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物，有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體與陽離子交換量之間存在更為顯著的關(guān)聯(lián)性。1.2.2晉祠泉研究現(xiàn)狀晉祠泉是我國(guó)著名的巖溶大泉，從上世紀(jì)70年代開始，在人類活動(dòng)的影響下，晉祠泉的流量逐漸減小，于1994年斷流，為了使晉祠泉可以實(shí)現(xiàn)自然復(fù)流，許多專家學(xué)者針對(duì)晉祠泉從水科學(xué)的各個(gè)角度對(duì)晉祠泉域進(jìn)行了調(diào)查分析與研究。殷丹[44]等（2006）通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方法（ANN）建立晉祠泉域地下水位與補(bǔ)排項(xiàng)之間的數(shù)學(xué)模型，并計(jì)算了不同保證率下的地下水可開采量。束龍倉(cāng)[45]等（2000）通過晉祠泉域地下水位與地下水開采量以及汾河對(duì)晉祠泉域的滲漏補(bǔ)給量，建立晉祠泉域地下水位模擬模型，并分析不同條件下晉祠泉發(fā)生斷流的概率。鄒峽青[46]等（1992）通過Q型聚類分析法對(duì)晉祠泉的水化學(xué)成分進(jìn)行了分類。趙偉麗[47]（2014）分析和研究了晉祠泉域地下水位與水質(zhì)的變化情況。石桂萍[48]（2014）分析泉域斷流的原因主要有降水減少、汾河滲漏量減少、巖溶水開采、孔隙水開采等。晉華[49]等（2005）綜合分析晉祠泉流量衰減原因，結(jié)果表明人工開采巖溶水是最主要的原因。李硯閣[50]等（1998）建立晉祠泉域年均流量、開采總量、煤礦排水總量和降水之間的聯(lián)系方程，并以此制定合理開采量與煤礦排水量，對(duì)晉祠泉水資源優(yōu)化管理提供了依據(jù)。由于受人類活動(dòng)——巖溶水開采的影響，晉祠泉出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。孫才志[51][52]等（2001）采用模糊線性回歸與自回歸滑動(dòng)平均法建立晉祠泉域流量動(dòng)態(tài)模型，根據(jù)改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)晉祠泉流量進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)泉域復(fù)流時(shí)間。從晉祠泉域的研究現(xiàn)狀來看，前人的研究多集中在通過研究晉祠泉的水位、流量、補(bǔ)徑排關(guān)系及人類活動(dòng)等因素分析晉祠泉斷流原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)晉祠泉復(fù)流的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是近年來對(duì)晉祠泉域巖溶地下水水化學(xué)方面的研究鮮有報(bào)道，在地下水化學(xué)組分的時(shí)空分布特征及其形成演化、地下水中主要陰陽離子的來源及影響其含量的主要水文地球化學(xué)過程等方面的研究成果較為缺乏。1.3研究?jī)?nèi)容本文以晉祠泉域巖溶水為研究對(duì)象，分析巖溶溶蝕及巖溶水水化學(xué)演化，主要內(nèi)容如下：1.進(jìn)行室內(nèi)溶蝕實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行礦物與水化學(xué)分析；2.根據(jù)晉祠泉巖溶水水樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行水化學(xué)分析；3.分析對(duì)比巖溶溶蝕及水化學(xué)演化過程。1.4研究路線查閱文獻(xiàn)查閱文獻(xiàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)野外調(diào)查室內(nèi)實(shí)驗(yàn)野外調(diào)查數(shù)據(jù)分析對(duì)比數(shù)據(jù)分析對(duì)比結(jié)論結(jié)論第二章、區(qū)域概況2.1自然地理概況2.1.1地理位置晉祠泉域地處山西省中部、太原盆地的西北側(cè)，行政區(qū)劃以太原市的古交市、清徐縣、晉源區(qū)、萬柏林區(qū)所轄范圍為主，局部涉及尖草坪區(qū)、婁煩縣和交城、靜樂等九縣（區(qū)），泉域東西最大寬度49.5km，南北最大長(zhǎng)度84.5km，總面積2030km2，其中裸露可溶巖面積391km2。按區(qū)域水文地質(zhì)單元，泉域劃分為后山徑流補(bǔ)給區(qū)、前山徑流排泄區(qū)及沖積洪積平原區(qū)，其中山丘區(qū)面積1771km2，平原區(qū)面積259km2。2.1.2地形地貌晉祠泉域所在地屬剝蝕構(gòu)造中低山，平均海拔標(biāo)高1300m；地形總體上為西北部高，東南部低。以汾河干流古交段為界，汾河北岸的石灰?guī)r土石山區(qū)為典型的北方巖溶地貌，巖溶裂隙發(fā)育，土地貧瘠，植被稀少，平均海拔標(biāo)高1500m左右，最高為北部邊緣靜樂縣的玉石窯山，海拔標(biāo)高2041.1m；汾河南岸為砂頁巖土石山區(qū)，平均海拔標(biāo)高1100m左右，以廟前山最高，海拔標(biāo)高為1865m。東南部為太原斷陷盆地，地勢(shì)平坦，土地肥沃，平均海拔標(biāo)高780m，平均地面坡降0.2%。山區(qū)以較大落差與盆地直接接觸，形成泉域地形地貌的基本格局。2.1.3水文氣象氣象 本區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，干旱多風(fēng)、雨量集中、蒸發(fā)強(qiáng)烈、四季分明、晝夜溫差大及無霜期短為其典型特征。區(qū)內(nèi)多年(1956～2012年)平均降水量為462.4mm。降水量的年際、年內(nèi)及地域分布極不均勻，最豐水年的降水量是最枯水年的三倍多，年內(nèi)60%的雨量集中在汛期6~9月份。降水量的地域分布特征一般為山區(qū)大于盆地，西部大于東部，中部大于北部和南部。石千峰至廟前山一帶為暴雨中心。區(qū)內(nèi)多年平均蒸發(fā)量為1871.8mm（20cm觀測(cè)皿觀測(cè)值）。多年平均氣溫8.1℃，七月份最高，平均為22.8℃，極端最高氣溫39.4℃，一月份最低，平均為-6.3℃，極端最低氣溫-25.5℃。平均相對(duì)濕度60%，最大凍土層厚1.1m，無霜期160天左右。主導(dǎo)風(fēng)向冬春為西北風(fēng)，夏秋為東南風(fēng)。河流區(qū)內(nèi)河流水系較為發(fā)育，汾河是流經(jīng)本區(qū)最大的河流，還分布有天池河、屯蘭川、獅子河、原平川、大川河、梵石溝、磨石溝、玉門溝、虎玉溝、冶峪溝、風(fēng)峪溝、柳子溝、白石溝等多條季節(jié)性河流，均為汾河的一級(jí)支流。據(jù)汾河水庫(kù)水文站1959～2012年實(shí)測(cè)流量資料統(tǒng)計(jì)，汾河河道多年平均來水量為9.16m3/s，最大年平均流量為27.2m3/s（1967年），最小年平均流量為2.35m3/s（2007年）。80年代以前年平均流量為12.1m3/s，80年代以后年平均流量為7.28m3/s，2000年以后年平均流量為5.01m3/s，充分說明上世紀(jì)80年代之后河道來水量呈減少態(tài)勢(shì)。2.1.4泉域邊界東部邊界：沿柳林河與獅子河的分水嶺向南至王封村，折向三給村，沿汾河至汾河二壩。南部邊界：從汾河二壩經(jīng)清徐縣西高白村，沿古交市與交城縣的行政分界線至郭家梁村。西部邊界：沿婁煩縣、古交市、靜樂縣的交界處往南經(jīng)牛頭山、羅家曲村、白家灘村、康莊村至郭家梁村。北部邊界：古交市與靜樂縣的行政分界線。泉域總面積2030km2，其中裸露可溶巖面積391km2。2.2區(qū)域地質(zhì)概況2.2.1地層巖性泉域地層出露比較齊全。新生界地層除在太原盆地大面積出露外，山區(qū)則多零星分布于山坡和山間河谷，太原盆地堆積厚度可達(dá)3000m。中生界地層出露于西山石千峰以西，面積不大，厚度90～100m。古生界二疊系砂頁巖廣泛出露于西山中南部地帶，厚度1074～1227m；石炭系為一套海陸交互相沉積建造，出露于中部汾河河谷及邊山地帶，厚度85～172m；寒武系及奧陶系碳酸鹽巖大面積出露于北部山區(qū)及西部邊緣地帶，厚度680～910m。元古界震旦系出露于婁煩縣白家灘—交城縣東社一帶，沿狐爺山山字型構(gòu)造走向呈條帶狀分布。本區(qū)最古老的地層為一套變質(zhì)巖系，厚度大于1000m，出露于本區(qū)的北部及西部地帶。2.2.2地質(zhì)構(gòu)造晉祠泉域在各構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期，遭受強(qiáng)烈的構(gòu)造變動(dòng)，形成不同規(guī)模，不同形態(tài)的褶曲和斷裂，這些褶曲和斷裂縱橫交錯(cuò)，彼此切割，構(gòu)成復(fù)雜的裂隙巖溶網(wǎng)絡(luò)，為地下水運(yùn)動(dòng)、儲(chǔ)存和排泄提供了良好的條件。區(qū)內(nèi)主要較大的控制性構(gòu)造是馬蘭向斜、石千峰向斜和孤偃山隆起帶。主要斷裂構(gòu)造有龍尾頭構(gòu)造帶、古交斷層帶、山前大斷裂、王封地壘等。龍尾頭構(gòu)造帶位于策馬村至龍尾頭一帶，由為數(shù)不多的張性正斷層和褶皺組成的南北向構(gòu)造帶，橫切汾河河谷，使得奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r出露于地表，為地表水入滲補(bǔ)給巖溶地下水提供了良好的條件。古交斷層帶呈組出現(xiàn)，共計(jì)有五條斷層，均呈NE—SW向，其中兩條構(gòu)成地壘形式，位于梁莊村經(jīng)古交鎮(zhèn)至河口村，穿越汾河。其斷距一般為25～50m，屬?gòu)埿哉龜鄬?。該斷層組是地表水補(bǔ)給地下水的良好通道。王封地壘展布于隨老母村、王封鎮(zhèn)、下水峪村一線，由兩條近于平行的正斷層組成，走向NE60°～70°，延長(zhǎng)16km，斷距一般為20～65m。王封地壘直接波及到奧陶系灰?guī)r，這給大氣降水入滲補(bǔ)給巖溶水創(chuàng)造了良好的條件。山前大斷裂由一系列NNE向和NEE向的壓性、壓扭性斷裂組成，延伸長(zhǎng)達(dá)82km，構(gòu)成了太原斷陷盆地的西界，該斷裂至少有三級(jí)，呈階梯狀，一般斷距100～800m，最大斷距可達(dá)3000余米，該斷裂帶為一側(cè)阻水，其內(nèi)側(cè)為富水地段。同時(shí)該斷裂帶為太原西山巖溶水排泄邊界。圖2-1太原西山構(gòu)造綱要圖第三章、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)名稱巖溶溶蝕實(shí)驗(yàn)3.2實(shí)驗(yàn)器材離子色譜儀、X射線衍射儀、平流泵、養(yǎng)魚泵、自動(dòng)部分收集器、巖心機(jī)巖樣、去離子水、3.3實(shí)驗(yàn)步驟1.巖樣鉆取巖心，并保留2mm初始巖心。用養(yǎng)魚泵向去離子水中通24小時(shí)CO2，，同保留5ml初始水樣。2.架溝溶蝕通道，并持續(xù)向去離子水中通CO2。3.用自動(dòng)部分收集器收集樣品，持續(xù)20天。4.用離子色譜儀測(cè)定收集的樣品水樣與初始水樣的離子含量。5.用X射線衍射儀測(cè)定初始巖心與實(shí)驗(yàn)20天后巖心的礦物含量。6.根據(jù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析水化學(xué)過程。3.4室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析3.4.1巖心XRD礦物分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及晉祠泉域巖溶地層，得出巖樣主要包含以下成分：灰?guī)r；白云巖；鹽巖；泥質(zhì)；微量元素。CO2在水中有下列化學(xué)平衡：CO2+H2O→H2CO3H2CO3?H++HCO3-HCO3-?H++CO32-1.灰?guī)r灰?guī)r以方解石為主（CaCO3），與CO2、H2O的反應(yīng)：CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2Ca(HCO3)2?Ca2++2HCO3-2.白云巖白云巖以白云石為主（CaMg(CO3)2），與CO2、H2O的反應(yīng)：CaMg(CO3)2+2CO2+2H2O=Ca(HCO3)2+Mg(HCO3)2Ca(HCO3)2?Ca2++2HCO3-Mg(HCO3)2?Mg2++2HCO3-3.石膏石膏主要成分為(CaSO4?2H2O):CaSO4?2H2O=Ca2++SO42-+2H2O4.鹽巖鹽巖主要成分為（NaCl、KCl）：NaCl=Na++Cl-KCl=K++Cl-5.微量元素參與溶蝕過程，溶解于巖溶水中。6.泥質(zhì)不參與溶蝕過程，但可能存在覆蓋在可溶巖石表面阻礙溶蝕過程，也可能會(huì)被沖刷沉淀。3.4.2水樣的離子色譜儀分析

第四章、晉祠泉域巖溶水4.1晉祠泉域巖溶概況巖溶水主要賦存于中奧陶系上、下馬家溝和峰峰組石灰?guī)r地層中，下奧陶系及寒武系的白云巖。白云質(zhì)灰?guī)r為次要含水巖組，其中中奧陶系分布面積廣，地層厚度大，質(zhì)純，巖溶發(fā)育程度較高，汾河河谷及西邊山斷裂帶是其主要排泄區(qū)。晉祠泉域巖溶地下水的主要補(bǔ)給區(qū)為晉祠北部以及西部巖溶裸露區(qū)，水流路徑總的來說有兩條，主要為從北部補(bǔ)給區(qū)到滲漏—徑流去再到排泄區(qū)（徑流—人工排泄區(qū)、天然排泄區(qū)），另一條為西部補(bǔ)給區(qū)經(jīng)過深埋—徑流區(qū)再到排泄區(qū)。圖3-2晉祠泉域分布圖4.2晉祠泉域采樣點(diǎn)分布采樣點(diǎn)分布巖溶水補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)、掩埋區(qū)、排泄區(qū)，共48個(gè)。圖4-3晉祠泉域巖溶水采樣圖4.3巖溶水水化學(xué)特征4.3.1巖溶水水化學(xué)一般特征通過對(duì)巖溶水樣的溫度、pH、電導(dǎo)率等指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及宏量組分的室內(nèi)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其特征如下：水溫值在12.5-32℃，平均值為18.4℃；泉域巖溶水均呈中性至堿性，pH值在7.01-8.81之間，平均值為7.56；TDS值在241.57-1313.17mg/L之間，平均值為706.54mg/L。泉域內(nèi)主要陰離子Cl-、HCO3-、NO3-和SO42-的含量分別在0.0-79.39mg/L、212.93-344.01mg/L、0.0-59.44mg/L、11.22-905.40mg/L之間，平均值分別為29.68mg/L、248.04mg/L、9.34mg/L、329.31mg/L。泉域內(nèi)巖溶水的主要陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+的含量分別在9.19-105.28mg/L、0.0-19.61mg/L、50.62-324.54mg/L、14.74-83.59mg/L之間，平均值分別為72.19mg/L、5.74mg/L、148.25mg/L、41.29mg/L。表4-1晉祠泉域巖溶水水化學(xué)特征表項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)特征最大值最小值平均值水溫3212.518.4pH8.817.017.56TDS1313.17241.57706.54Cl-79.390.029.68HCO3-344.01212.93248.04NO3-59.440.09.34SO42-905.411.22329.31Ca2+102.289.1972.19Mg2+19.610.05.74Na+325.5450.62148.25K+83.5914.7441.294.3.2巖溶水化學(xué)類型根據(jù)舒卡列夫分類方法，對(duì)晉祠泉域內(nèi)所采集的巖溶水樣進(jìn)行水化學(xué)分類，結(jié)果如下：表4-2晉祠泉域西部補(bǔ)給區(qū)水化學(xué)類型表點(diǎn)位毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)meq%水化學(xué)類型ClSO4HCO3Na+KMgCa西部補(bǔ)給區(qū)睦聯(lián)坡8.6727.7663.589.1121.2769.62HCO3?SO4-Ca曲坪村6.9134.358.7911.0821.8367.09HCO3?SO4-Ca臺(tái)盤村3.4425.9770.5913.127.9658.95HCO3?SO4-Ca?Mg順道村10.0933.656.3214.6326.4558.91HCO3?SO4-Ca?Mg上雁門8.7636.3654.8810.9826.5462.48HCO3?SO4-Ca?Mg義里溝4.9541.0154.0412.325.1862.52HCO3?SO4-Ca?Na巖家窊1.7233.3164.985.4628.1466.4HCO3?SO4-Ca表4-3晉祠泉域北部補(bǔ)給區(qū)水化學(xué)類型表點(diǎn)位毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)meq%水化學(xué)類型ClSO4HCO3Na+KMgCa北部補(bǔ)給區(qū)嘉樂泉深水井9.1129.7961.119.4534.5945.96HCO3?SO4-Ca?Mg婁子條供水井2.696.0591.2611.1224.4364.44HCO3-Ca洞溝村深水井4.2716.5779.1615.3724.9859.65HCO3-Ca冶元村供水井3.8310.1985.9914.8626.4258.72HCO3-Ca?Mg表4-4晉祠泉域滲漏-徑流區(qū)水化學(xué)類型表點(diǎn)位毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)meq%水化學(xué)類型ClSO4HCO3Na+KMgCa滲漏—徑流區(qū)強(qiáng)家莊25.7631.4842.7735.9222.8541.22HCO3?SO4-Cl?Ca?Na策馬村24.5331.1444.3331.4722.2646.26HCO3?SO4-Ca?Na第二加油站10.833.6655.5422.9624.8552.18HCO3?SO4-Ca河口村18.9943.9337.0833.3422.1544.51SO4?HCO3-Ca?Na銀角村18.1847.4134.4126.7522.3750.88SO4?HCO3-Ca?Na王家莊8.5638.5552.8828.8438.1133.05HCO3?SO4-Mg?Ca?Na上莊村9.543.8846.6215.3525.8858.77HCO3?SO4-Ca?Mg小臥龍村8.9153.7437.3516.0629.2954.65SO4?HCO3-Ca?Mg北頭村10.7945.9643.2516.4525.4758.09SO4?HCO3-Ca?Mg冀家溝13.5547.0239.4221.9923.9754.04SO4?HCO3-Ca王封村路旁9.8149.3740.8215.9525.3858.68SO4?HCO3-Ca?Mg表4-5晉祠泉域人工排泄-徑流區(qū)水化學(xué)類型表點(diǎn)位毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)meq%水化學(xué)類型ClSO4HCO3Na+KMgCa人工排泄—徑流區(qū)西銘村7.153.5739.3214.5829.4655.95SO4?HCO3-Ca?Mg小西銘8.5654.2237.2215.3225.858.88SO4?HCO3-Ca?Mg河龍灣村13.6457.0429.3322.0820.3757.55SO4?HCO3-Ca西峪村8.3954.9336.6812.9729.457.63SO4?HCO3-Ca?Mg冶峪村10.0962.1727.7412.1229.558.38SO4?HCO3-Ca?Mg寺底村西3.6967.0729.2412.327.7959.91SO4?HCO3-Ca?Mg王家墳村3.9266.083010.430.3959.21SO4?HCO3-Ca?Mg地震臺(tái)3.7866.9829.2411.6228.3860SO4?HCO3-Ca?Mg赤橋村3.7466.5929.6711.7328.6359.64SO4?HCO3-Ca?Mg工療院10.0662.3727.5814.1927.2758.55SO4?HCO3-Ca?Mg晉陽供水點(diǎn)4.2966.2929.429.1728.8561.98SO4?HCO3-Ca?Mg明仙溝口2.8767.2929.8413.7326.260.08SO4?HCO3-Ca?Mg表4-6晉祠泉域天然排泄區(qū)水化學(xué)類型表點(diǎn)位毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)meq%水化學(xué)類型ClSO4HCO3Na+KMgCa天然排泄區(qū)平泉村080.4619.542.8828.0969.03SO4-Ca?Mg東于多管西5.9765.2628.7727.0222.9450.04SO4?HCO3-Ca?Na南峪村南棱地1.8179.8918.316.1626.6857.15SO4-Ca?Mg洞兒溝村1.7976.4421.7819.3825.5855.04SO4-Ca?Mg仁義熱水井4.9580.1114.957.4927.1965.32SO4-Ca?Mg東于村2.0780.1417.812.9627.7959.25SO4-Ca?Mg不老池旁2.1378.5519.329.4628.9161.63SO4-Ca?Mg黃樓村2.4884.3313.1927.6522.1850.17SO4-Ca牛家口1.877.9220.285.2827.267.52SO4-Ca?Mg泉域內(nèi)巖溶地下水的水化學(xué)類型中，北區(qū)補(bǔ)給區(qū)以HCO3-Ca?Mg、HCO3?SO4-Ca?Mg為主，西部補(bǔ)給區(qū)以HCO3?SO4-Ca?Mg為主，徑流—人工排泄區(qū)以SO4?HCO3-Ca?Mg為主，天然排泄區(qū)以SO4-Ca?Mg為主，滲漏—徑流區(qū)HCO3?SO4-Ca?Na、HCO3-SO4?Ca?Mg等。4.3.3巖溶水水化學(xué)分析圖4-4晉祠泉域Ca濃度分布圖圖4-5晉祠泉域Mg離子濃度分布圖根據(jù)Ca2+、Mg2+離子濃度分布圖分析，Ca2+、Mg2+在北部與西部補(bǔ)給區(qū)濃度較低分別為Ca2+<70mg/L、Mg2<20mg/L，Ca2+在滲漏—徑流區(qū)的濃度一般小于120mg/L，沿水流方向有增大的趨勢(shì)。到徑流—人工排泄區(qū)和天然排泄區(qū)Ca2+濃度繼續(xù)增大，徑流—人工排泄區(qū)的Ca2+濃度為140-240mg/L，到了天然排泄區(qū)Ca2+濃度達(dá)到260-325mg/L。同比，Mg2+濃度在滲漏—徑流區(qū)的濃度一般小于50mg/L，到了到徑流—人工排泄區(qū)和天然排泄區(qū)Mg2+濃度增大，徑流—人工排泄區(qū)的Mg2+濃度為37-60mg/L，到了天然排泄區(qū)Mg2+濃度達(dá)到68-83mg/L。Ca2+、Mg2+濃度表現(xiàn)出這種趨勢(shì)可能主要與含水層中方解石、白云石的溶解有關(guān)。圖4-6晉祠泉域Na離子濃度分布圖根據(jù)Na+離子濃度分布圖分析，Na+在北部與西部補(bǔ)給區(qū)濃度較低（<20mg/L），到徑流—人工排泄區(qū)和天然排泄區(qū)Na+濃度有增大趨勢(shì)，到天然排泄區(qū)Na+濃度為42-105mg/L。Na+在徑流區(qū)—人工排泄區(qū)濃度變化不大，在天然排泄區(qū)濃度較大。圖4-7Cl離子濃度分布圖天然地下水中Cl-主要來源于地下水對(duì)流經(jīng)地層中巖鹽的溶解。在埋藏較淺的地下水中Cl-因蒸發(fā)濃縮而富集，在地下水埋藏較深的地區(qū)，Cl-濃度變化主要受控于水巖作用時(shí)間的長(zhǎng)短。巖溶地區(qū)在漫長(zhǎng)的地質(zhì)過程中，地下水溶濾作用使碳酸巖層具有極低的巖鹽含量，因此巖溶水中Cl-濃度的上升主要與補(bǔ)給水源的輸入有關(guān)。泉域內(nèi)巖溶水Cl-的濃度范圍在西部補(bǔ)給區(qū)和北部補(bǔ)給區(qū)為小于20mg/L，從整體上看，Cl-是地下水中最穩(wěn)定的離子，Cl-濃度的變化不是十分明顯，在個(gè)別區(qū)域比如河龍灣、紅溝、明仙洞等地方Cl-濃度大于40mg/L可能是受到人為活動(dòng)的影響。在汾河滲漏段處巖溶水中Cl-濃度較高可能是受到地表水的補(bǔ)給輸入影響。圖4-8晉祠泉域SO4離子濃度分布圖根據(jù)SO42-離子濃度分布圖分析，在北部補(bǔ)給區(qū)，巖溶水SO42-含量較低（<50mg/L），在滲漏—徑流區(qū)，SO42-濃度在150-250mg/L之間，到徑流—人工排泄區(qū)和天然排泄區(qū)SO42-濃度有增大趨勢(shì)，到天然排泄區(qū)SO42-濃度有680-900mg/L。巖溶水SO42-濃度變化與巖溶地層中奧陶系峰峰組中石膏的溶解有一定關(guān)系。圖4-9晉祠泉域TDS分布圖泉域內(nèi)巖溶水TDS值表現(xiàn)出較為明顯的變化規(guī)律。從北部補(bǔ)給區(qū)到滲漏—徑流區(qū)再到排泄區(qū)（徑流—人工排泄區(qū)、天然排泄區(qū)）TDS的值表現(xiàn)出明顯的升高趨勢(shì)。在北部補(bǔ)給區(qū)TDS值小于300mg/L，在到滲漏去TDS值也有明顯增加，但其中靠近汾河一庫(kù)與二庫(kù)的幾個(gè)采樣點(diǎn)TDS值要偏低，可能因?yàn)闈B漏原因。排泄區(qū)巖溶水的TDS值較高，主要是由于巖溶水在向排泄區(qū)徑流的過程中發(fā)生水巖相互作用，有大量礦物的溶解所造成的，到了牛家口往東于方向，成高TDS咸水區(qū)。類似的，在西部補(bǔ)給區(qū)，TDS的值小于400mg/L，沿著水流方向，隨著水巖相互作用，到了郝家莊等地TDS逐漸升高，最后到達(dá)排泄區(qū)，TDS逐漸升高到1.2g/L，甚至到達(dá)1.5g/L，成為高TDS巖溶咸水。圖4-10晉祠泉域水樣三線圖4.3.4巖溶水化學(xué)組分分析對(duì)于復(fù)雜的水化學(xué)成分，通常借助不同類型及不同成因條件下形成的地下水中的各組分的比值，來研究某些水文地球化學(xué)問題，判斷地下水的成因。但是，地下水形成過程中，含水層和地下水流經(jīng)歷了很多地質(zhì)和地球化學(xué)作用，純粹的某種原因形成的水很少，所以在分析過程中，應(yīng)該綜合考慮各種地質(zhì)作用、水文地質(zhì)條件、地球化學(xué)作用，結(jié)合地下水中的各離子組分進(jìn)行綜合分析，做出綜合判斷與評(píng)價(jià)。1）γCl-/γCa2+值圖4-11晉祠泉域水樣γCl-/γCa2+值圖γCl-/γCa2+值是用來描述地下水水動(dòng)力特征的重要參數(shù)，Cl-在水動(dòng)力條件滯緩的區(qū)域富集，Ca2+是低礦化度地下水中的主要離子，γCl-/γCa2+值的大小表明當(dāng)?shù)氐乃畡?dòng)力條件的強(qiáng)弱，γCl-/γCa2+值越大，則當(dāng)?shù)氐乃畡?dòng)力條件越差。從圖可以看出，補(bǔ)給區(qū)γCl-/γCa2+值較排泄區(qū)較大，滲漏段處γCl-/γCa2+值由于地表水的入滲攜帶部分Cl-進(jìn)入巖溶水中而顯得較高，排泄區(qū)的γCl-/γCa2+值較小，說明排泄區(qū)的玉龍山公園、黃龍村、東于村等地的水動(dòng)力條件相對(duì)較好。2）γCa2+/γMg2+、γCa2+/γHCO3-值圖4-12晉祠泉域水樣γCa2+/γMg2+值圖圖4-13晉祠泉域水樣γCa2+/γHCO3-值圖γCa2+/γMg2+值能夠反映地下水中礦化度的變化，低礦化度的地下水中Ca2+是主要陽離子，隨著礦化度增大，地下水中的主要陽離子也隨之變化，Mg2+含量不斷增加，Ca2+開始不斷沉淀，γCa2+/γMg2+值還能作為地下水中離子來源的判斷依據(jù)，γCa2+/γMg2+值大于1時(shí)主要來自石灰?guī)r，若γCa2+/γMg2+值接近1，則主要來自白云巖。從圖中可以看出γCa2+/γMg2+值在遠(yuǎn)程高山補(bǔ)給區(qū)婁子條村處最高，補(bǔ)給區(qū)從北往南，洞溝村、冶元村、白家溝等地γCa2+/γMg2+值與婁子條村處相比明顯有所下降，表明存在著白云巖礦物的溶解，由于補(bǔ)