岩溶泉浊度-流量与电导率-流量滞后关系的整合分析及其水文响应解译

《Hydrology》：Integrated Analysis of Turbidity–Discharge and Electrical Conductivity–Discharge Hysteresis Relationships for Interpreting the Hydrological Response of a Karst Spring

　　

岩溶泉具有非均质水文响应和降雨事件期间悬浮物运移的复杂动力学特征。本研究旨在通过整合分析浊度-流量（turbidity–discharge）与电导率-流量（electrical conductivity–discharge）的滞后关系（hysteresis relationships），加深对决定岩溶含水层水文响应过程的理解。该分析基于?rnovnica泉（?rnovnica Spring）单次事件期间对降雨（rainfall）、流量（discharge）、浊度（turbidity）和电导率（electrical conductivity）的测量，重点关注浊度超过4 NTU时段内浊度-流量与电导率-流量滞后环（hysteresis loops）的类型，以及孤立超标浊度事件（isolated exceeding turbidity episodes）的发生情况。共识别出15次浊度高于4 NTU的事件，其中以复杂滞后环为主。结果表明，系统响应存在显著的时间变异性，揭示了水流复杂性、非均质水文响应以及含水层内先前沉积物迁移的时间滞后效应。退水阶段孤立超标浊度事件的发生证实了悬浮物在含水层内部再分配的重要性。结果表明，对这些滞后关系的整合解释可为解译岩溶含水层的水文过程与功能提供一种有效方法，并具有推广应用于其他岩溶水源的潜力。

岩溶泉（karst spring）在全球水资源中占据重要地位，其水文响应因岩溶含水层中孔隙、裂隙与管道系统的复杂组合而呈现高度非均质性和时间变异性。降雨事件期间，岩溶泉的流量与水理化指标（如浊度、电导率）之间常呈现非线性关系，表现为滞后环，其形态与方向能够反映地表淋溶、饱和区回流、悬浮物迁移与不同水源混合等主导运移机制。现有研究多集中于单一指标和简单滞后环（如顺时针、逆时针和“8”字形），对复杂滞后环以及孤立浊度超标事件的分析较为缺乏。为此，研究人员以克罗地亚?rnovnica岩溶泉为研究对象，整合分析2018–2020年期间浊度-流量（T-Q）与电导率-流量（EC-Q）滞后关系，旨在更全面地解译同一水文事件中悬浮物输移、不同来源水体混合及含水层内部过程。研究共识别出15次浊度超过4 NTU的事件，其中复杂滞后环占主导。结果显示，T-Q与EC-Q滞后环形态的多样性表明，不同事件中含水层激活了不同水流组分，浊度与电导率对水文响应的不同分量做出响应，物理-化学指标并不同步。孤立浊度超标事件多发于退水阶段，且最高小时浊度值常与当前降雨无直接关系，表明含水层内先前堆积的沉积物存在时间延迟再 mobilization 和内部流路重组。与同区域Jadro泉以往研究对比发现，尽管两泉属于同一岩溶系统，却呈现不同的优势滞后环类型，揭示区域岩溶含水层内部水文响应的空间异质性。该整合分析方法为理解岩溶泉的水文过程与功能提供了有效途径，并可推广至其他岩溶水源。研究人员开展研究时主要采用以下关键技术方法：基于小时尺度流量（Q）、浊度（T）、电导率（EC）和降雨（P）时间序列，选取2018–2020年浊度超过4 NTU（克罗地亚饮用水水质阈值）的事件；按时间顺序连接小时数据绘制T-Q和EC-Q滞后环，并采用目视方法依据Williams（1989）分类判定环路方向与形态；同时单独分析未形成完整滞后环的孤立超标浊度事件；数据来源方面，流量与降雨数据由克罗地亚气象和水文局提供，浊度与电导率数据由克罗地亚水资源局提供，样本站点为?rnovnica泉，降雨参考站点为Bisko气象站。研究结果部分的主要发现如下：3.1 超标浊度事件概览：2018–2020年共识别出15次浊度高于4 NTU的事件和274次孤立超标浊度事件；事件持续时间（t_E）4至350 h不等，最大浊度（T_Emax）4.97~94.26 NTU，最大流量（Q_Emax）0.36~17.4 m³/s，事件期间最小电导率（EC_Emin）0.333~0.504 mS/cm；复杂滞后环事件在达到最大浊度前的中位累积降雨量（P_cTEmax）为113.56 mm，高于其他事件的68.89 mm。3.2 超标浊度-流量与电导率-流量滞后环：在6次事件（3、6、7、10、13、15）中，T-Q和EC-Q关系均呈现复杂滞后环，表明悬浮物输移和不同来源水体混合过程并行激活；在5次事件中T-Q与EC-Q滞后环类型不同，例如事件4和12中T-Q为“8”字形而EC-Q为逆时针，事件8和11中T-Q为复杂环而EC-Q为逆时针，表明浊度和电导率分别响应水文响应的不同组分；在事件9和14中，T-Q出现明显滞后环而EC-Q未形成清晰滞后环，其中事件9无降雨记录却出现浊度升高和复杂T-Q环，提示浊度升高可能与含水层内部流路重组和先前沉积物再迁移有关，而非直接由新降雨脉冲引起。3.3 孤立超标浊度事件：月度分布显示冬季最多；2018年6月和7月记录到最高单小时浊度分别为128.14和127.13 NTU，均出现在退水阶段且此前分别有49 h和22 h无降雨；大部分孤立事件的最大小时浊度与当前降雨无直接关联，进一步证实含水层内沉积物的延迟再分配和不同含水层部分逐渐参与径流的过程。讨论部分总结：复杂滞后环的普遍性反映了快速流与慢速流、临时蓄水、先前堆积悬浮物再迁移等多组分的相互作用，滞后环形态取决于事件期间不同水流组分的激活顺序。T-Q与EC-Q滞后环形态的差异表明物理指标（浊度）与化学指标（电导率）并非同步响应，含水层的水文状态决定事件的响应特征。与Jadro泉的对比揭示了同一区域岩溶系统中不同泉点可呈现不同的优势滞后环类型，这与泉口高程差异、补给位置和水文条件有关，体现了岩溶含水层水文响应的空间异质性。研究结论为：对?rnovnica泉而言，整合分析浊度-流量与电导率-流量滞后关系比单独观察任一指标更具优势，能更全面理解同一水文事件中悬浮物输移过程和不同来源水体的混合作用；孤立超标浊度事件和复杂滞后环表明，先前堆积悬浮物的时间延迟迁移和含水层内不同水流路径的逐步激活起到重要作用；该方法可推广至其他岩溶泉，为岩溶含水层的水文功能认知提供有力工具。