以PCA揭示降雨期间岩溶地下水文地球化学的形成

通过对降雨条件下重庆青木关地下河出口姜家泉水文地球化学指标的高分辨率监测, 发现各种指标对降雨响应迅速. 采用主成分分析(PCA), 提取能代表84.961%信息量的3个主成分, 来反映岩溶地下水水文地球化学的形成. 结果表明, 降雨造成的以浊度、Al³⁺、全Fe、全Mn、Ba²⁺和NO₂⁻等离子浓度升高为代表的土壤流失, 和以HCO₃⁻, Ca²⁺, Sr²⁺等与灰岩溶解有关的离子浓度和电导率降低为代表的稀释效应, 对水文地球化学特征变化的贡献率为41.495%; 以Na+, NO₃⁻, PO4₃⁻, K⁺, Cl⁻等离子浓度和电导率升高为代表的农田中残留肥料及鸭子代谢物, 对水文地球化学特征变化的贡献率为37.449%; 白云质灰岩、白云岩的溶解对水文地球化学特征变化的贡献率为6.017%. 第一场降雨期间, 水质变化主要受进入地下河的农田中残留肥料和鸭子代谢物的控制, 而在第二场降雨期间, 水质变化则主要为土壤流失所影响.     

我国西南岩溶区水环境问题

岩溶又称喀斯特,是石灰岩地区的一系列溶蚀作用过程和产物的总称,其分布面积约占地球陆地面积的10%～15%.20世纪初,岩溶成为一门独立的学科,在其发展过程中,人们对岩溶环境脆弱性的认识不断深入.一方面由于岩溶作用的基础--可溶岩(如石灰岩、白云岩等)的风化作用是以化学溶蚀作用为主,90%以上的物质都溶解于水中而被带走,留下的成土物质极少,成土速度慢,如广西岩溶地区形成1米厚的土层,需要25万到85万年的时间,而在贵州甚至可达63万年到788万年,以致土壤贫瘠,稍有水土流失即留下一片石海,很难恢复;另一方面由于岩溶地区地表地下的"双层结构",地表水与地下水的快速转化,地表又常缺少天然防渗层或过滤层,以至于污染物质很容易通过落水洞、岩溶裂隙等进入地下水系统中.脆弱性的这两方面原因,给岩溶地区带来一系列区别于非岩溶地区的特殊地质环境问题,如石漠化、岩溶地下水污染等.     

喜马拉雅山中段达索普最新粒雪芯高分辨率化学记录

分析了2006年8月钻取的16.8 m达索普粒雪芯δ¹⁸O和主要离子浓度记录的季节变化与年际变化. 分析发现, 达索普粒雪芯中δ¹⁸O和地壳源离子组分(Ca²⁺和Mg²⁺)浓度的显著季节变化为粒雪芯定年和季风、非季风层位的划分提供了依据. 该粒雪芯高分辨、多参数化学数据详细记录了1991年以来喜马拉雅山中段高海拔地区降雪化学特征, 该地降水化学主要受地壳源组分和人类污染源组分的影响, 海盐组分贡献相对较小. 研究表明达索普粒雪芯主要离子浓度的季节差异主要受盛行气团性质、区域大气环流形式及降水的季节变换所控制, 同时粒雪芯年积累量是控制离子沉积通量变化的重要因子.     

东南极洲冰盖表层雪的地球化学特征和分带

依据在东南极洲冰盖采集的表层雪样品, 分析获得氢氧稳定同位素比值、可溶性杂质——阴阳离子含量、不可溶性杂质——微粒含量, 探讨东南极洲冰盖表层雪的地球化学特征. 目的是研究东南极洲冰盖表层雪的地球化学分区以及不同区域对应的物质来源和水汽输运途径. 研究发现, 从冰盖边缘到内陆, 反映水汽来源的氢氧稳定同位素比率系数S₁, d₁ (δD = S₁δ^18O + d₁) 的关系在海拔2000 m附近出现转折; 表层雪中Cl^-/Na⁺的重量比值在海拔2000 m以下接近海盐中Cl^-/Na⁺的重量比值, 2000 m以上则高于海盐中的比值达两倍; 非海盐性的Ca²⁺离子和细颗粒微粒含量在2000 m以上升高. 2000 m以下随海拔增高, 可溶-不可溶性杂质含量减少. 在海拔800 m以下的大陆冰盖沿岸区为高杂质含量区. 结合物质输运过程, 上述特征说明, 在东南极洲冰盖海拔2000 m以上是大尺度经向环流作用区, 物质来源于远源输运. 2000 m以下是中尺度高纬海洋和冰盖边缘带强气旋作用区, 输运的物质来源于高纬海区. 其中, 800 m以下是沿岸气旋作用区.     

九龙江河口区不同粒级210Po的输入-迁出速率及其意义

对九龙江河口区表层水中溶解态、低分子量组分和胶体态210Po的地球化学行为进行了分析, 估算了3种组分的输入-迁出速率. 结果表明, 溶解态和低分子量组分210Po均表现出强烈的迁出行为, 胶体态210Po在低盐区(S＜15)迁出而高盐区(S＞15)输入. 3种组分210Po输入-迁出速率揭示了210Po在九龙江河口区被快速地迁出. 输入与迁出速率之间的差异反映了各组分210Po地球化学行为的不同. 低分子量组分210Po比通常所谓的溶解态210Po更适合于表征其在河口区的地球化学行为.     

复杂水资源系统调蓄计算的时变耦合模型

复杂水资源系统的基础结构是供用水网络,网络节点包括供水节点和受水单元,其中供水节点又分为当地地表水、地下水、外调水、再生水等若干类型.水资源系统的供用水过程是一个随时间变化的过程,由于当地地表水、外调水等来水过程随着气象过程的变化而呈现出随机性,而受水单元的需水过程相对稳定(主要取决于单元的人口、经济发展情况和季节特点).要实现水资源系统的供需平衡,往往需要增加调蓄节点,进行调蓄计算.本研究应用复杂系统网络理论,构建了复杂水资源系统调蓄计算的时变耦合模型,建立了多水源、多用户的时变耦合矩阵及其相关算法.模型被用于引汉济渭配水工程的调蓄计算,得到了不同频率年引汉济渭工程的调蓄容量需求,为引汉济渭配水工程调蓄设计奠定了基础.     

贵州4个洞穴滴水对大气降雨响应的动力学及其意义

在雨季, 采用NaCl示踪的方法, 对贵州珠江水系的4个岩溶洞穴(荔波凉风洞、都匀七星洞、安顺将军洞和镇宁犀牛洞)滴水点水的来源、滴水对大气降雨的响应尺度、水动力学过程等进行研究, 揭示出由于岩溶洞穴环境、水运移路径的联通性、水动力学过程等的不一致, 4个洞穴的不同滴水点滴水对大气降雨响应的时间尺度为0~40天. 根据水在洞穴顶板的运移特性、水的运行方式、水头类型等水文学特性的差异, 将这4个洞穴的滴水点划分成5种水动力学类型. 由于不同洞穴不同滴水点水-土、水-岩作用的时间尺度、作用方式、水运移路径等的差异, 影响到岩溶次生沉积物的物质来源及量度标准, 加之不同洞穴各滴水点水动力条件的极大差异, 岩溶次生沉积物过去环境变化指标的解译应该有洞穴滴水水动力条件的结果作为支撑. 根据目前对这4个洞穴众多滴水点滴水电导率的监测, 电导率与大气降雨量的一致变化, 意味着洞穴滴水形成的岩溶次生沉积物的元素含量具有记录岩溶环境过去变化的意义, 但应以多个点的研究结果来保证解译的正确性.     

南京持续雾霾天气中亚微米细颗粒物化学组分及光学性质

2013年1月,我国中东部地区发生持续性雾霾污染事件.本研究利用Aerodyne气溶胶化学组分监测仪(ACSM)对南京地区非难熔性亚微米细颗粒物(NR-PM1)化学组分(包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物)进行实时在线连续监测,结合光声气溶胶消光仪(PAX)表征大气颗粒物的消光性质和黑碳测量仪(Aethalometer)测定黑碳(BC)的浓度.观测期间,有机物、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、氯化物和BC对PM1(NR-PM1+BC)的贡献分别为32.3%,26.0%,17.9%,13.2%,2.8%和7.8%.利用正定矩阵因子分析法(PMF)解析出3类有机气溶胶:烃类有机气溶胶(HOA)、半挥发低氧化态有机气溶胶(SV-OOA)和低挥发高氧化态有机气溶胶(LV-OOA),三者平均浓度分别占总有机气溶胶的27.4%,32.2%和40.4%.可见观测期间二次组分是PM1的主体部分.受本地晚间餐饮源和机动车排放高峰的影响,HOA在晚间时段急剧增加,导致观测期间有机物出现剧烈的变化特征.整体而言,二次气溶胶(硫酸盐、硝酸盐、SV-OOA和LV-OOA)的质量浓度、总质量分数和气溶胶单次散射反照率分别随相对湿度(RH)的增加而升高,表明RH的增加有利于二次气溶胶的不断形成.另外,大气能见度随RH的增加而降低,也随二次组分含量的增加而降低,说明RH与PM1中二次组分对雾霾期间大气能见度产生协同影响.     

新型材料电气石对酸性溶液中镉离子的吸附

电气石对溶液中Cd2+离子的吸附特性和机理研究的结果表明,电气石对Cd2+离子的吸附受吸附时间、温度及初始浓度的影响.在酸性、中性及碱性条件下电气石对Cd2+均有较好的去除效果,这主要归结为电气石能将酸性(除pH2.0和3.0外)、中性或碱性溶液pH自动调整至6.4左右.在强酸性条件下(相对工业废水酸度),电气石对Cd2+离子吸附优于其他矿物材料且符合Langmuir和Freundlich模型,相比之下,更符合Langmuir模型.通过Langmuir模型计算得出,在pH4.0,温度15,25和35℃时电气石对Cd2+离子的饱和吸附量分别为31.77,33.11和40.16mg/g,因此,电气石对酸性溶液中Cd2+有较好的吸附效果.电气石对Cd2+的吸附符合准二级动力学模型,热力学参数表明该吸附过程是吸热自发过程.通过对溶液中Cd2+离子吸附过程pH的变化趋势、电气石吸附前后Zeta电位的变化、不同温度下溶液中Ca2+,Mg2+和K+总释放量与Cd2+离子吸附量的相关性,以及FTIR红外光谱分析,证实电气石对Cd2+离子的吸附机理涉及物理吸附和化学吸附过程,主要包括水体自发极化、静电吸附和离子交换.在这些机理中,电气石对水体自发极化是电气石特有的性质.     

中全新世以来南冲绳海槽古生产力变化的颗石藻化石证据

利用取自南冲绳海槽的MD05-2908岩芯中颗石藻化石碳同位素和颗石藻化石下透光带属种Florisphaera profunda相对百分含量(%Fp)变化,结合17个AMS14C测年数据,重建了该海区6.8kaBP以来高分辨率的表层海水初级生产力变化,并对初级生产力受控机制进行探讨.颗石藻化石碳同位素和%Fp转换函数结果指示该海区6.8kaBP以来初级生产力呈波动降低趋势,主要受东亚夏季风降雨有关的陆源输入减弱影响.约4～2kaBP的PME事件对应的初级生产力相对高值主要是受黑潮流减弱影响;而6.8～4.8kaBP期间的初级生产力高值主要受东亚夏季风强降雨输入更多陆源物质控制,其值也相对高于4～2kaBP.     

南极冰盖冰川化学物和冰芯记录的气候环境及物质平衡研究进展

根据对国内外有关文献资料的总结归纳,对南极冰盖中各主要化学离子的来源、平衡、时空分布特征做了概括性总结,同时,对南极冰盖几支主要冰芯的研究成果做了比较,重点介绍了Vostok冰芯的最新研究进展,南极冰盖物质平衡的最新研究进展也在本文中做了介绍,并对南极冰盖冰川化学和冰芯记录的气候环境及物质平衡的发展趋势进行了探讨.     

塔克拉玛干沙漠风沙土潜水极限蒸发强度的理论分析

潜水蒸发是塔克拉玛干沙漠地区浅层地下水的主要消耗项.潜水极限蒸发强度是在给定的土壤和潜水埋深条件下单位时间内土壤最大可能输送到地表的水量,是建立潜水蒸发计算模型的重要参数和控制条件.利用实测的土壤含水率和土壤水吸力数据,根据Van Genuchten提出的水分特征曲线公式,采用最小二乘法拟合了塔克拉玛干沙漠地区土壤的水分特征曲线方程.采用瞬时剖面法现场测定了非饱和土壤导水率,建立了该区非饱和土壤导水率的计算公式.在对非饱和土壤导水率的计算公式进行概化的基础上,根据非饱和土壤水稳定流理论,推导出计算潜水极限蒸发强度的准解析解.研究结果表明:采用Van Genuchten提出的水分特征曲线公式描述塔克拉玛干沙漠地区土壤水分特性,效果较好;潜水极限蒸发强度随潜水埋深的增大而呈幂函数关系递减.     

毛乌素沙地固沙灌木树干茎流特征

通过对毛乌素沙地固沙灌木沙柳和籽蒿树干茎流的野外实验观测, 分析了冠层和降雨特征参数对树干茎流形成的影响, 确定了树干茎流量在降雨再分配中的比例. 结果表明: 沙柳和籽蒿的累计树干茎流量分别占降雨总量的7.6%和2.7%. 树干茎流量和降雨量之间存在显著线性正相关; 茎流百分数随降雨量的增加呈指数增长趋势. 在较小降雨量时, 茎流百分数随降雨量的增加较快. 超过一定降雨量范围时(沙柳3~5 mm, 籽蒿5~7 mm), 茎流百分数开始接近稳定. 通过逐步回归分析表明, 分枝较多, 树冠体积较大, 分枝与地面夹角较小的冠层结构有利于灌木树干茎流的形成. 树干茎流量、茎流百分数随最大10 min雨强(I₁₀)均呈指数增长趋势. 其中, 沙柳和籽蒿的茎流百分数分别在I₁₀<3.0 mm·h^-1和I10<2.0 mm·h^-1降雨条件下随雨强的增加较快, 之后出现稳定的趋势.     

GIS支持下的降雨型滑坡危险性空间分析预测

基于GIS的滑坡分析模型的基础上, 针对现有模型的优势和不足, 提出了改进的SINMAP模型. 该模型将滑坡确定性模型与基于DEM的水文分布模型进行有效的集成, 考虑了由于降雨引起的地下水的不同分布, 所造成的静水压力及地下水渗流过程中产生的动水压力对滑坡稳定性的影响. 以中国西南典型的降雨型滑坡分布区—— 云南小江流域为例, 探讨了模型应用的有效性, 详细研究分析了小江流域滑坡危险性在不同降雨条件下的空间分布规律, 特别是随降雨条件的变化、滑坡变形失稳区域的扩展趋势以及失稳位置、失稳面积等的空间变化特征, 给出了滑坡发生与降雨、地形坡度、集水区面积等因素之间的定量关系. 在此基础上, 推算出小江流域滑坡失稳的降雨量阈值, 对区域性降雨型滑坡危险性进行快速有效的分析和预测.     

九龙江河口区不同粒级210Po的输入-迁出速率及其意义

对九龙江河口区表层水中溶解态、低分子量组分和胶体态²¹⁰Po的地球化学行为进行了分析, 估算了3种组分的输入-迁出速率. 结果表明, 溶解态和低分子量组分²¹⁰Po均表现出强烈的迁出行为, 胶体态²¹⁰Po在低盐区(S＜15)迁出而高盐区(S＞15)输入. 3种组分²¹⁰Po输入-迁出速率揭示了²¹⁰Po在九龙江河口区被快速地迁出. 输入与迁出速率之间的差异反映了各组分²¹⁰Po地球化学行为的不同. 低分子量组分²¹⁰Po比通常所谓的溶解态²¹⁰Po更适合于表征其在河口区的地球化学行为.     

纳米Ca_(1-x)La_xF_(2+x)的离子导电性

人们对氟离子导体研究深感兴趣,是因为F~-是最小的阴离子,只带一个电荷,有利于迁移;而且氟化物形成时有相当大的自由能变化,作为隔膜材料可得高电压和高能量密度的电池;此外,氟化物结构较简单,电子电导很小,使研究离子传导的理论模型简单化。一般都采用掺杂异价氟化物的方法来提高氟离子电异率,如法国固体化学研究所对(CaF_2+YF_3)、(β-PbF_2+BiF_3)等固溶体做过研究。但对纳米氟离子导体研究国内外尚未见报道。     

塔克拉玛干沙漠天然水体的化学特征及其成因

天然水体特别是河水和地下水的物理特性和化学成分既受流域岩石风化程度的影响, 也受流域气候、地貌、地质构造背景等的制约. 依据对塔克拉玛干沙漠南部地区的克里雅河、策勒河、土米亚河、玉龙喀什河的河水及沙漠南、北缘和沙漠腹地的地下水的物理参数和主要阴、阳离子(Cl^-, HCO₃^-, SO₄^2-, NO₃^-, Na⁺, Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺)含量的测定结果, 分析探讨塔克拉玛干沙漠地区天然水体的特征及其中溶解物的来源. 离子含量通过离子色谱和盐酸滴定法测定, pH、可溶性固体总量(TDS)和电导率用便携式仪器在野外测定. 实验数据说明, 塔克拉玛干沙漠南部地区河水虽属淡水, 但TDS含量相对较高, 呈微碱性. 地下水水质变化在淡水和微咸水之间, TDS普遍高于当地河流河水. 河水和地下水的水化学组成都呈现一定的地域性特征, 反映了沙漠干旱气候和区域地质地貌的影响. 分析数据显示, 研究区河水中溶解物主要受岩石风化作用、蒸发结晶作用控制, 而地下水中溶解物受蒸发结晶作用控制. 天然水中溶解物主要来自蒸发岩, 人类活动对地下水已造成轻度污染.     

化学蚀变指数(CIA)反映长江流域的硅酸盐岩化学风化与季风气候?

大陆化学风化显著影响全球气候变化、地表物质循环和海水化学组成,如何定量地重建古化学风化历史一直是全球变化研究的热点.化学蚀变指数(CIA)被广泛用作衡量大陆硅酸盐岩化学风化程度的定量指标,其指示意义在前人研究中不断深化,但对其具体计算方法和运用局限性缺乏深入探讨.研究长江干支流悬浮物的CIA值在时空上的变化特征,揭示出CIA季节性的变化反映长江流域季节性降雨区迁移导致下游干流悬浮物来源的不同,由此提出CIA实际反映了流域累积的综合化学风化历史,而不是一个可靠的瞬时(季节性)化学风化指标,不能指示短时间尺度的季节性气候变化.通过比较不同计算方法和沉积粒度对CIA的影响,提出在CIA应用过程中应该注意的关键问题.     

城市边界层理化结构与大气污染形成机制研究进展

自2013年《大气污染防治行动计划》实施以来,我国空气质量持续改善,但京津冀地区细颗粒物浓度仍远高于国家标准,秋冬季重污染天气仍时有发生.近些年,我国科学家在大气污染的立体探测、成因机制和来源解析、气溶胶和边界层相互作用等研究领域取得重要进展,进一步支撑了我国大气污染的科学防治和重污染天气的有效应对,然而我国当前大气污染仍面临诸多科学难题.本文简要概述了我国近些年在大气污染垂直探测方面的一些研究进展,特别是依托于北京325 m气象塔建设的城市边界层理化结构探测平台,详细论述了北京地区不同季节大气气溶胶化学组分的垂直分布特征及其与边界层物理要素的相互作用,同时基于2014年亚太经合组织峰会(APEC)和2015年纪念抗日战争胜利70周年阅兵前后的垂直观测,阐明了大气污染化学组分对区域源排放控制的响应机制.本文还针对大气细颗粒物中的二次无机组分(硝酸盐和硫酸盐)和二次有机气溶胶的生成机制以及极端霾事件的生消机制的最新研究进展进行了评述,并在最后对大气污染监测、二次无机气溶胶生成机制和有机气溶胶的分子组成和物理化学属性(相态、挥发性和氧化态等)等未来研究给出了一些建议.     

湿热山地丘陵流域化学风化过程的碳汇估算

通过对地表化学径流组成的分析, 应用化学物质平衡法和扣除法对增江流域化学风化过程产生的大气CO₂ 吸收通量进行估算. 结果表明: 在碳酸盐岩地层不纯且分布面积较少的增江流域, 径流溶解质主要由HCO₃^-, Ca²⁺, Na⁺和溶解性Si 组成; 硅酸盐矿物的化学风化过程是增江河流溶解质的主要来源, 其次是碳酸盐矿物化学风化过程的贡献.大气CO₂ 是增江流域岩石化学风化的主要侵蚀介质. 增江流域岩石化学风化过程对大气CO₂ 的吸收通量是(3.50~3.81)×10⁵ mol km^-2 a^-1, 仅比热带-亚热带玄武岩和碳酸盐岩流域低, 高于温带-寒温带流域化学风化过程对CO₂ 的吸收通量. 受湿润季风环流影响的北半球中低纬度带地表化学风化过程构成全球生物地球化学循环的一个重要碳汇.