基于事件的诊断方法：研究采矿活动对喀斯特含水层流动连通性及水文地球化学恢复力的影响

《Water Research》：Event-based diagnosis of flow connectivity and hydrogeochemical resilience in a mining-impacted karst aquifer

　　

Jing Sun|Lei Song|Chao Li|Haili Zhang|Jie Yan|Weijun Luo|Chengshuai Liu

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，中国贵阳550081

摘要

喀斯特含水层为全球提供重要的淡水资源，然而在受到干扰时，其水文地球化学过程仍然难以解析，尤其是使用稳态或时间平均方法时。在这里，我们研究了受到持续酸性矿井排水影响的喀斯特含水层的水文地球化学动态，以暴雨作为基于自然事件的诊断工具。在四个月的监测期间，不均匀的降雨将系统重新分为四个水文阶段。高频监测流量和水温揭示了不同排水口之间的异质水文响应，这归因于与快速流动域和慢速流动域的不同连通性。尽管这些水具有共同的气成起源，但排出的水表现出特定的同位素变化，反映了事件水、表层喀斯特储存和受矿井空洞影响的深层储层之间的动态混合。水文化学时间序列显示了氧化还原-pH振荡以及包括有毒金属在内的活性溶质的间歇性迁移。阶段依赖的浓度-流量关系揭示了事件水稀释、反应驱动的溶质生成和水文诱导的胶体传输之间的主导作用变化。事件整合的质量-体积分析进一步显示了来自表层喀斯特的首次冲刷金属脉冲、通过导管的稀释传输以及受矿井空洞影响的化学选择性释放。此外，峰值包络分析揭示了表层喀斯特和导管主导排水口处排放与碱度通量之间的紧密耦合，而在受矿井空洞影响的排水口处则明显解耦，表明碳酸盐缓冲是一种由流动路径组织决定的动态响应。这些发现强调了受干扰喀斯特含水层中流动-储存-反应之间的强烈相互作用，并为评估和增强水文地球化学韧性提供了关键见解。

引言

喀斯特含水层支撑着欧洲、北美和中国南部广大地区的淡水安全、农业和工业（Goldscheider等人，2020年）。这些含水层是通过碳酸盐基岩的溶解形成的，具有由低渗透性基质与连通的裂缝和导管网络组成的内在异质结构（?all?等人，2025年；Hartmann等人，2014年）。这种结构双重性导致了流速和储存能力的显著差异，使得喀斯特含水层在水动力上非常复杂，并且对包括极端气候和污染物输入在内的干扰高度敏感（Ford和Williams，2007年；Husic等人，2020年）。因此，限制喀斯特水系统中的污染物迁移和持久性需要明确考虑水文路径和地球化学反应如何在这种独特结构中相互作用。

喀斯特水动力学源于基质中的缓慢层流与裂缝/导管网络中的快速湍流共存。基质流动形成了主要的储存库并维持基流，而导管流动对降雨补给反应迅速，导致排水口处的流量和浊度急剧增加（Luo等人，2024年；Mudarra和Andreo，2011年）。慢速流动域和快速流动域之间的交换产生了特征性的溶质突破行为，包括通过导管“提前到达”以及由基质中的瞬态储存和扩散驱动的“长尾”效应（Chen等人，2018年；De la Torre等人，2023年）。尽管认识到基质-导管交换是溶质传输的关键因素，但在不同水文条件下，表层喀斯特、基质、导管和人为空洞等不同储存域是如何连接或绕过的仍不清楚。因此，现有的概念和定量模型难以预测溶质在喀斯特含水层中是保留还是迁移（Goeppert等人，2020年；Ronayne，2013年；Schiperski等人，2022年；White，2017年）。

当高反应性溶质（如酸性矿井排水（AMD）进入喀斯特系统时，这些挑战被放大（Hao等人，2026年）。AMD是由活跃或废弃矿井作业中的硫化物氧化产生的，其特征是强酸性和溶解铁（Fe）、硫酸盐（SO₄^2?）的浓度升高，通常还含有重金属（Jiang等人，2020年）。导管流动使AMD迅速传播到排水口和地表水（Goldscheider等人，2020年）。AMD的酸性导致方解石和白云石的溶解，可能扩大裂缝和导管（Vesper和White，2003年）。当AMD被碳酸盐溶解中和时，可能会发生Fe沉淀并固定污染物（Acharya和Kharel，2020年；Bondu等人，2023年）。然而，这些次级阶段在酸性重新冲洗或氧化还原变化期间容易重新迁移（Jiang等人，2020年；Vesper和White，2003年）。尽管AMD水文地球化学被广泛研究，但酸的生成和其他污染物与喀斯特含水层内流动路径的动态重组之间的相互作用仍不清楚。这一知识空白可能导致高估喀斯特系统的衰减能力，从而低估了干扰期间的污染风险（Bondu等人，2023年；?all?等人，2025年；Ji等人，2025年；Zhu等人，2025年）。

传统的水文地球化学研究通常依赖于时间平均条件，这通常适用于相对均匀的多孔介质，但可能会掩盖喀斯特含水层固有的瞬态连通性、阈值行为和反应切换（Ji等人，2025年；Schorr等人，2024年）。相比之下，基于事件的方法利用水文极端情况（包括日降雨量≥50毫米的暴雨）作为自然实验，这些事件会暂时重新组织流动路径，激活地下储存域并破坏地球化学平衡（Bieroza等人，2023年；Chen等人，2023年；Floury等人，2024年；Zhou等人，2023年）。最近基于事件的研究表明，暴雨可以改变溶质输出模式，动员原本隔离的营养物质和污染物池，甚至将喀斯特流域从长期的CO₂汇转变为短期的CO₂源（Floury等人，2024年；Ge等人，2025年；Xu等人，2024年；Yue等人，2023年）。这些发现强调了水文事件作为喀斯特系统行为的关键驱动因素，为理解含水层对污染物输入或极端气候的韧性提供了强大的视角。

因此，本研究的主要目的是阐明水文重组如何控制喀斯特含水层中高反应性污染物的传输和反应路径，以雨季暴雨作为自然干扰实验。在中国西南部的玉洞河流域进行了为期四个月的野外考察，该地区是世界上最发达的喀斯特区域之一，过去的煤矿开采导致了广泛的AMD相关水质恶化（Hao等人，2025年；Ren等人，2021年）。我们识别了功能不同的排水口，并通过整合高频流量监测、原位物理化学测量、稳定水同位素和水文化学分析来量化水文地球化学演变。我们专注于过程导向的诊断方法，以阐明喀斯特系统如何重新分配地下流量并减弱内部生成的酸性和其他污染物在补给-退潮周期中的影响。我们的结果提供了与水质韧性和环境风险直接相关的基于现场的喀斯特系统行为约束。

章节片段

研究区域和监测的排水口

玉洞河流域（26°35′29.03″～26°44′28.22″ N, 107°43′55.91″～107°58′55.82″ E）位于中国贵州省凯里市，属于典型的半暴露喀斯特山区（图1a）。该流域下伏着广泛的二叠纪栖霞-毛口组（P₂q+m）露头，这是一种富含裂缝和发育良好的导管的碳酸盐单元，构成了研究区域的主要含水层系统（图1b）。在湿润亚热带气候的影响下

在5月1日至9月8日的监测期间，玉洞河流域经历了多次降雨事件，总降水量为628毫米（图2）。大部分降雨发生在监测期的前半段。其中，6月17日和6月29日发生了两次暴雨，每次持续约1天，两次事件之间间隔11天。暴雨#1和#2分别带来了93.0毫米和84.3毫米的降雨，合计约占累积降水量的30%。随后

结论与启示

本研究探讨了暴雨引起的补给-退潮循环如何重新组织受过去煤矿开采影响的喀斯特含水层中的流动连通性、地下混合以及污染物的迁移和衰减。观察到排水口、水温、同位素组成和水文化学的强烈出口特异性变化，表明暴雨补给选择性地激活了具有不同水力连通性和储存能力的表层喀斯特、导管和深层矿井空洞域

数据可用性

所有原始数据均见补充材料文件。

Jing Sun：撰写——原始草稿，概念化，资金获取，项目管理，验证。Lei Song：撰写——原始草稿，方法学，调查。Chao Li：方法学，调查。Haili Zhang：调查。Jie Yan：调查。Weijun Luo：撰写——审阅与编辑。Chengshuai Liu：资金获取，验证，撰写——审阅与编辑。

Jing Sun：撰写——原始草稿，验证，项目管理，资金获取，概念化。Lei Song：撰写——原始草稿，方法学，调查。Chao Li：方法学，调查。Haili Zhang：调查。Jie Yan：调查。Weijun Luo：撰写——审阅与编辑。Chengshuai Liu：撰写——审阅与编辑，验证，资金获取。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

本研究得到了中国国家自然科学基金（#42377256和#42330712）、贵州省“百人”高层次创新人才项目（#GCC[2023]038）以及贵州省重大科学技术计划（#[2024]013）的资助。特别感谢Jiwen Wu、Gang Zhang、Shenghui Yang、Jianfu Wang、Zhijun Wu、Fabo Long、Guangde Yang、Jiafeng Wang和Meng Qi在野外工作或实验室中的协助。