高频双示踪技术揭示岩溶地下河系统污染物多路径迁移机制及滞后效应

为解决岩溶含水层异质性导致的污染物迁移机制解析难题，研究人员采用天然污染物动态与人工示踪实验相结合的双示踪方法，以清溪寺地下河系统为研究对象，耦合酸性矿山排水（AMD）的持续输入特性与染料脉冲注入，通过高频水文地球化学数据与双示踪定量分析，系统揭示了岩溶系统中污染物的多路径迁移行为。研究发现三条水力特性迥异的管道路径，其中两条传输AMD污染物超10公里，迁移速度差异达3-6倍，导致暴雨事件中污染物峰值呈现两阶段滞后响应；人工示踪剂突破曲线（BTC）的瞬态脉冲与AMD的持续特性形成鲜明对比，证实双示踪联用可全面表征岩溶系统迁移动力学；提出的污染物迁移概念模型揭示了暴雨驱动下间歇输入-快速/慢速管道优先迁移-裂隙基质暂存-二次释放的连锁过程。该研究为岩溶区地下水污染预警提供了理论范式与方法工具。

　　

岩溶地下水系统作为全球25%人口的重要水源，其独特的双重水文结构使其极易受污染。尤其在含煤地层与岩溶含水层共存的区域，历史采矿活动产生的酸性矿山排水（AMD）通过天然管道网络长距离迁移，导致泉口污染物浓度激增。然而，岩溶系统的强异质性使得污染物迁移机制难以解析，暴雨事件下AMD的短时动态响应与多路径滞后效应更缺乏系统研究。中国地质大学（武汉）的研究团队选择湖北宜昌清溪寺岩溶地下河系统这一典型树状管道网络为研究对象，创新性地将AMD的天然示踪特性与人工染料脉冲注入相结合，通过高频双示踪技术揭示了污染物迁移的复杂机制。

研究采用高频水文监测（每小时降雨量、流量记录）、水化学分析（pH、EC、SO₄^2?、金属元素）与荧光染料示踪实验（罗丹明WT）三大技术手段。在2023年6-8月暴雨季，团队建立了包含3个气象站和2个流量监测点的水文网络，配合自动采样器每2小时采集水样，并同步实施脉冲式染料注入实验。通过对比AMD污染物（SO_{42?、Li、Co、Ni）与人工示踪剂的迁移特征，结合时间序列分析与管道流模型计算，定量解析了不同路径的传输动力学参数。}

水力路径识别与滞后效应
研究发现清溪寺系统存在三条水力特性迥异的管道：IP-2至QXS的快速管道（流速148.6 m/h）和IP-3至QXS的慢速管道（流速24.7-53.2 m/h）是AMD主要迁移路径，速度差导致暴雨事件中污染物峰值呈现两阶段滞后（6-12小时与24-48小时）。这种差异源于管道直径与弯曲度的显著不同，快速管道具有更直的几何形态和更大横截面积。

双示踪互补机制
人工示踪剂BTC呈现典型单峰曲线，而AMD污染物则显示持续高浓度平台与多峰特征。这种差异揭示了脉冲输入与持续输入的本质区别：人工示踪剂反映管道网络的瞬时传输能力，而AMD还包含裂隙基质的暂存-释放过程。两者结合可全面捕捉物理传输与地球化学作用的耦合效应。

概念模型构建
研究提出暴雨驱动下的四阶段迁移模型：1）降雨诱发AMD间歇输入；2）污染物通过快/慢双路径优先迁移；3）在裂隙网络中暂存；4）后续二次释放。该模型首次量化了岩溶系统"结构-过程-响应"的动态关系，其中快速管道贡献62-73%的污染物通量，但慢速管道导致长期生态风险。

这项发表于《Journal of Hydro-environment Research》的研究，通过创新性的高频双示踪框架，不仅为岩溶区污染防控提供了可量化的路径参数，其提出的动态概念模型更突破了传统静态水文模型的局限。特别是发现慢速管道虽仅传输27-38%污染物，却造成长达48小时的毒性滞留，这对矿区周边饮用水源预警系统的建立具有关键指导意义。研究团队特别指出，未来需针对不同岩溶地貌开发定制化的双示踪组合方案，以应对气候变化下极端降雨事件加剧的污染扩散风险。