当前的世界环境

介绍

河流是印度西南部喀拉拉邦城市和农村地区大量人口的主要水源。但是，喀拉拉邦的许多小河在夏季干涸，在季风季节泛滥。由于水是最重要的商品之一，水资源的过度开发和水污染是一个问题的条件，最终导致水资源短缺问题。除了溶解或悬浮的化学污染物外，热和辐射等物理因素也对水生生物产生相当大的影响。河流水质受流域面积、地形、天气和季节变化、人类对流域的开发程度和性质等诸多因素的影响。

利用用于农业，国内和工业目的的河流对喀拉拉邦河流的严重不利影响通过繁殖有机和无机盐含量。被认为地下水排放被认为是多年生河流系统中的干燥季节流动和维持水生生物多样性1。这种地下水渗透对于在没有降雨中没有降雨期间的河流中的全世界的水文环境至关重要。地下水和地表水之间的相互作用是相当复杂的过程2。这取决于特定区域的地质，地貌和气候等许多参数。然而，重要的是测量地下水排放到河流中，以便更好地了解地下水平衡以及确定地下水提取的可持续限制，从而保护河流环境流量。

氡(222Rn)是一种天然示踪剂，已在许多水文研究中得到应用^3、4、5是由238U衰变级数中226Ra的α衰变产生的。222.Rn (Z=86) is a radioactive element under noble gas family and chemically inactive3,4,5. 222Rn is the most suitable water tracer among the 37 radioactive isotopes of radon (193Rn to 229Rn) due to its relatively longer half- life (3.8 days). It is well known that radon activity concentration in groundwater is 2-4 times higher in magnitude compared to that in surface waters^6、7、8．这是由于地下水与具有226Ra和238U的矿物颗粒接触所致^9.那¹⁰．矿物颗粒中产生的大部分氡残留在颗粒中，10 - 50%的氡逸出进入孔隙空间^11,12.．这被称为放射系数，是导致地下水中氡活度较高的另一个重要因素^13,14,15．放射系数取决于岩石的类型及其结构和孔隙度^13,14,16.．由于孔隙空间存在水，氡原子可以溶解在地下水中。但在地面水的情况下，湍流有助于随着大气的快速氡气交换¹⁷．这些特性使222Rn能够用于研究地下水和地表水之间的相互作用^{3 - 5号}．黄铁矿等。²²表明氡通过土壤中的孔隙、裂缝和岩石中的裂缝，如断层和逆冲，随地下水一起迁移，从而流入地表水体。

因此，可以在河流中的位置探索地下水排放点，其中氡活动显着增加。因此，222RN可用于河流过程中的地下水勘探，喀拉拉邦的研究稀疏。因此，从水文角度来看，在本研究中，在本研究中使用氡作为地下水示踪剂，在喀拉拉邦尝试了了解杀基金河（KR）环境流的整体方法。

材料与方法研究区

基里河(KR)，又称基里亚尔河(n=6, L=24公里，A=102平方公里)，是卡拉马纳河的主要支流，位于喀拉拉邦Thiruvananthapuram地区的纬度8°40 ' 30 " n, 8°27 ' 0 " n和经度76°57 ' 0 " E, 76°2 ' 0 " E之间，印度(图1)。它起源于帕纳乌尔(8°38 ' 30.7 " N和76°59 ' 19.4 " E)附近的中部地区(海拔7.5-75米)，河流与卡拉马纳河在卡拉迪穆罕(08⁰27 ' 23.4 " N和76⁰57 ' 32 " E)在下游地区，距离海岸约2.0公里的内陆。这条河流经树枝状到亚树枝状的起伏地形。

从地质上看，90%的流域是由含或不含石墨的榴辉石-黑云母-硅线石片麻岩(即孔英石)、混合岩和少量的褐辉石、砂土矿床组成。

方法

从上游选择（间隔=〜3km），在季风季节（2017年1月和2017年12月）期间，在下游的上游选择（间隔=〜3km）。根据可访问性，土地利用模式，地形，这些位置的人为介入程度选择采样部位等。使用Horiba测量水温温度，电导率（EC），pH，总溶解固体（TDS），盐度和电阻率萨科U-50多参数水质便携包²³．其他参数如碱度、氯化物、总硬度、硝酸盐、磷酸盐、硫酸盐、钠和钾通过实验室实验使用APHA24标准程序进行分析。

测量氡(222Rn)的地表水样品是在没有接触大气空气的250 mL玻璃瓶中仔细收集的。在实验室中，溶解在水中的222Rn被鼓泡空气剥离，通过一个封闭的空气循环，通过一个干燥剂管进入222Rn计数系统(RAD7, Durridge制造)。空气在水中不断循环，抽出超过95%的溶解氡，直至达到平衡状态，即在5分钟内。氡监测仪由硅半导体探测器上方的高电场装置在地电位吸引带正电荷的钋子元素218Po+和214Po+组成，以Bq/m3(每秒衰变)表示222Rn活性。自水样采集以来，对测量的氡活动进行了放射性衰变校正。采用SPSS 17软件分析了222Rn与水分理化特性的相关性以及不同参数之间的相关性。

表1：抽样站的肖像，Killiyar

站ID.	取样站	纬度	经度
S1	PuthenPalam.	08°37'39.6'n	77°00'02.3''e
S2	Pazhakutty	08年一36°N“46.4”	76°59'48.1'e
S3	10 thstone桥	08年一35°N“18.4”	76°59”43.0 E
S4	Karakulam	08°34'13.9''n	76°59'16.2''e
S5	Vazhayila	08°32'50.3''n	76°58'29.1'e
S6	Mannamoola.	08年一°31”59.4 N	76°58'52.5'e
S7	Maruthankuzhi.	08年一°30 ' 46.3 " N	76°58'39.2''e
S8	雅加斯	08年一°29”29.1 N	76°57'54.4'e
S9	atukal.	08°28'25.0'	76°57'27.5'e
S10	Kalladimugham	08°27'23.4''	76°57'32.0'e

图1:基利亚尔河流域位置图。 点击此处查看数字

结果和讨论

氡活动分布

上游氡(222Rn)活动的空间变化(S1;0 km)至下游(S10;表2和图3分别给出了季风前(PRM)和季风后(POM)期间基利亚尔河(KR)沿程24km的情况。两个季节氡的空间分布规律基本一致。在PRM期间，222Rn的活动范围为157 ~ 4588 Bq/m3，在POM期间，222Rn的活动范围为147 ~ 1740 Bq/m3。结果表明，KR上游(s1 ~ s2;0-3 km延伸段)的氡活度相对较高(>1000 Bq/m3)，而其余河流下游(S5除外)的氡活度较低(<500 Bq/m3)(图3)。两季KR中段S5 (S1下游约10 km)的222Rn活性均较高(>1000 Bq/m3)(图3)。

一般来说，地表水中222Rn活动的增加表明富含氡的地下水流入河流25。因此，上游(S1-S2;0-3公里段)和中游(S5;在S1)下游10公里处，发现氡异常高活动(>1000 Bq/m3)，很可能是潜在的地下水排入河流的区域。除S5外，222Rn活度呈由上往下递减趋势，表明氡通过分子扩散从地表水逸出至大气。例如,气体exchange26。这种向下游下降的另一个可能原因是由于半衰期短(t1/2= 3.8天)，222Rn的放射性衰变。²⁷．

此外，研究区氡活动也存在时间上的变化。即，与PRM(平均=1150 Bq/m3)相比，POM(平均=745 Bq/m3)期间氡的活度较低。在POM期间，季风的稀释作用可能是导致河流氡活动减弱的主要原因。此外，季风过后水的湍流条件有利于氡的快速大气逸出。

影响水中氡活性的因素

针对河流沿河的地表水氡空间变化的主要因素被仔细审查。

a）氡气的地质控制

氡的来源为地源性28-30，其含量主要受主岩中铀和镭的控制。222Rn活动在空间上因区域地质(即基岩类型)、风化程度、氡释放潜力(即放射系数)、岩石结构特征(即裂缝的存在)、研究区轮廓等而异。此外，近地表风化和基岩破裂与氡活度增加有关30。

有趣的是，河道中222Rn活动较高的位置(即S1- s2, 0-3公里延伸和S1- 5- 10公里)被易风化的破碎致密孔洞岩所覆盖。这些岩层不具有原生孔隙度，由于风化、压裂和其他构造过程的影响，在储存库中往往具有次生孔隙度，从而产生地下水31。这些岩石的特点是，地下水的可用量主要取决于通过裂缝的储水量和渗透速率，进一步取决于裂缝的性质。这些变质岩的叶理充当了软弱面，促进了地下水的流动和储存。

然而，在若干河到达（例如，S4 - 8km的S1; S6-14km向下S1的S4-14km的S6-14km向下），222℃的活动也被注意到了Migmatitic岩石。在POM期间，PRM和204 -736 BQ / M3期间，265-943 BQ / M3。

此外，河道下游的沙和淤泥(S9和S10;22-24 km段)的222Rn活度最低，PRM期间为157 ~ 312 Bq/m3, POM期间为147 ~ 294 Bq/m3。这可能与砂质粉砂冲积层氡母矿物(含铀矿物)含量低有关。此外，河床是粉质黏土，下面是厚厚的砂质粉砂层。与下面的砂粉层相比，这种粉质粘土单元具有较低的水力传导率33。Lamontagne等在澳大利亚的墨累达令河流域也报道了类似的情况。河流地质和相关222Rn活动的这种区别无可争议地解释了地质在地下地下水输入中的作用。

b）对氡活动的结构影响

除地质因素外，与构造扰动相关的区域梯度和线性特征对氡流入地表水也有不同的贡献³⁵．谱系是潜在地下水开发可能的地区，它为岩石提供次要孔隙度，并用作氡从含水层快速移动到河流的导管。依据互相交叉的地区预计将更有利于地下水发展36,37。

KR河流域的轮廓线图(图4)显示了主导该地区的两套主要轮廓线。一组为NW-SE向，一组为NE-SW向。有趣的是，在河流上游的两个采样点(S1和S2;在0-3 km延伸段)，222Rn活动高度，因此，这里的活跃线性带可能是这些地区(0-3 km延伸段)受线性带控制的氡和地下水排放的原因之一。

这条河在十点延伸^th距上游（S5）庞大的疯狂活动，但显示出高氡活动，并指示除谱系以外的因素。然而，以前的Sreeja等人的研究³³基于地形线性层、地质、地貌、排水和坡度的地理空间数据集成，编制了KR盆地地下水潜力区图，表明S5位置为地下水潜在开发区。因此，S5高氡是多种因素共同作用的结果。

在KR下游，即使S3和S8被孔英石组岩石所覆盖，氡的活度也很低。该地区伴生的NE-SW线系可能为被动线系，岩石风化程度较低、破碎程度较低也可能是氡含量偏低的原因。

基于氡活动的地下水潜在区域

基于Harrington et al. 2012 38的解释指南，根据氡活度将KR地下水潜力区分为高、中、低和可忽略的三类(图2)。高氡活度(>1000 Bq/m3)区位于上游0-3 km (S1和S2)和上游10 km (S5)，具有较高的地下水远景。中氡活动(500- 1000 Bq/m3)记录在6公里上游(S3)和14之间和16^th从上游(S6和S7) km处，为中度地下水潜势带。氡活动低(100 ~ 500 Bq/m3)，暗示地下水潜势差区分布在8号上游^th距上游（S4）和河下部的河口，从20-24公里（S8-S10）。

地球物理（电阻率）现场调查可应用于该地下水勘探和限制这些区域的地下水潜力的地下水位。一旦受到限制，那么可以抽出进一步的管理选择，以在干燥季节期间为河流的可持续环境流动保留这些区域的地下水潜力。

表2:季风前和季风后基利亚尔地区氡活动。

取样站	BQ / M3中的氡活动
	季风前	Post-monsoon
S1	1788	1470.
S2	4588	1740.
S3	684.	633
S4	265	204.
S5	1373.	1180
S6	943.	736
S7	938.	599
S8	468.	442.
S9	157	294
S10	312.	147

图2：在2017年季风和季风后克里亚尔河氡活动的地图显示氡活性的时空变化。 点击此处查看数字

图3：时空变化的图形表示222.Rn在Killiyar的活动。 点击此处查看数字

图4：显示Killiyar River河流域的主要地质和矩阵以及采样地点。 点击此处查看数字

地表水质

表S1中提出了地表水样的环境变量的测量值。

大多数参数在时间上变化。在上游上游分析的所有水质参数都在BIS允许的限制范围内³⁹．

在POM期间pHM（平均= 6.87±0.41）和5.1至6.8期间的pH值（平均值= 6.06±0.42）。在Pomsuggesting的自由CO期间，表面水样品在自然中是酸性的₂从酸性雨水贡献到河流在季风。

两个季节S10(下游24 km处)的EC值均最高(PRM=3550 & POM=1229µS/cm)，表明人为污染和咸水通过河口侵入下游。

河流总碱度在PRM期间介于60 ~ 180 mg/L(平均值= 90±34.3)和POM期间介于88 ~ 226 mg/L(平均值=157±43.6)之间。在这两个季节，最下层河段的总硬度都有所提高(PRM =344;POM =165 mg/L)是由盐水侵入和活性洗涤沟贡献的。

氯化物浓度显着高于BIS可接受的极限250mg / L（BIS，2012）26 35在S10期间（表3）暗示人为投入和河口影响VIZ。海水侵扰，海水喷雾，潮汐效应。

PRM组硝酸盐水平为1.94 ~ 15.68 mg/L(平均7.3±4.5)，POM组为2.83 ~ 19.40 mg/L(平均7.7±6.4)。2个季节的硝态氮浓度变化趋势相似，S2、S7和S10 3个地点硝态氮浓度均呈相对升高趋势。这是由于生活垃圾的排放为含氮有机物的生物氧化提供了有利的基质，从而释放硝酸盐。此外，卡拉马纳河的养分在下游S10位置与基利亚尔河汇合40。与PRM(平均为4.02±2.6)相比，POM(平均为0.47±0.13)期间各站点PO4浓度均有所下降(平均为0.47±0.13)。

硫酸盐浓度在PRM中为3.49 ~ 6.32 mg/L, POM中为2.58 ~ 8.8 mg/L。S10区EC、TDS、盐度、碱度、氯化物、硬度、NO3、PO4和Na含量较高，主要是人为污染和咸水侵入所致。

氡与物理化学参数的相关性

总体而言，两季各水质参数与氡的相关性分析均不显著(表S1、S2)。Idriss等人也发现了类似的现象。它认可了这样一个事实，即水中的氡是由一个地区的物理过程和地质条件造成的，而不是化学相互作用。

温度的影响

温度是治理的关键因素之一^222.Rn在水中的溶解⁴⁴其溶解度随着温度降低而增加⁴⁵．然而，只有当样品之间存在相当大的温差(即30-50℃)时，才能检测到溶解速率^15,46．Radon显示与KR中水温无关。这可以通过河水样品（26-29℃）内的微不足道的温差来解释。

pH.的影响

相关分析的结果表明，pH和氡之间没有关系。贝克尔⁴⁷两者呈正相关^222.用pH的样品中的rn和pH>8，高于Killiyar地表水样品(范围= 5.3-7.4)的pH值。此外，Ye等人。⁴⁸在实验条件下，水氡的平均溶解度(K_{w /空气}当pH从3-13增加时，低至0.24，因此通过证实对氡溶解没有显着影响。

电导率的影响

在Killiyar河中，电导率（EC）显示与氡的相关性。在先前的研究中观察到类似的结果^15,49．然而，很少有其他研究发现氡与EC呈微弱的正相关，与温度呈中度的负相关。相反,Akawwi⁵²观察到氡与EC呈负相关。

水质参数间的相关性

相关矩阵(表S1和表S2)显示了两个季节不同参数之间的关系。两个季节的EC与电阻率呈高度负相关(r分别为-0.95和-0.92)。两季TDS均与Na呈显著正相关(r=0.96, p <0.01)，与K呈显著正相关(r=0.98, p = 0.90)。盐度与Na (PRM和POM的r分别为0.97和0.93)、K (PRM和POM的r分别为0.97和0.90,p <0.01)呈正相关。两季Cl与Na均呈极显著正相关(r=0.97, p <0.01)，与K呈极显著正相关(r=0.96, p <0.01)。Na与K呈正相关(r分别为0.97和0.91,p <0.01)。上述参数(EC、Na、Cl、K)之间的相关性反映了海洋输入(海水入侵、海洋喷溅、潮汐效应)、人为输入和农业径流对KR水化学的综合影响。

夏季热带河流的流量主要由地下水基流贡献。为了保护其生态系统和环境质量，河流应该拥有的最小流量被称为“环境流量(e-flow)”。^'53．在Killiyar中，一项重大挑战是夏季期间难以维持这种电子流，因此通过综合整体河流管理方法应通过与社区参与进行综合的全面河流管理方法来恢复活力。河岸地下水排放场地的保护是一种可行的选择。此外，应鼓励通过各种雨水采集技术进行含水层充电的河流上的社区。另一个挑战是由于快速城市化而河流下游的河流。不科学的废物倾销从人类住区和直接进入河流中的污水排放，反映了当地社区不充分的暴露对适当的废物管理实践。适当的废物管理 - 暨意识计划是一个可行的选择。

结论

本研究表征了222℃的活动和不同的水质参数墨西哥河（KR），喀拉拉（印度）在两个季节，Qiz期间的上游到下游。，季风（PRM）和季风（POM）。氡活动显示出从上游位置的上游到下游的空间变化（S1，S2）和中游（S5），并且可能是潜在地下水排放到河流中的区域。与季风后（745bq / m3）相比，季节性变化显示在季风前（平均值= 1150 bq / m3）期间的高氡活性，并且是由于季风稀释。基于该研究，在河流，ZiZ中鉴定出三个地下水潜在区域，高（222℃> 1000bq / m3），中等（500-1000）和低（100-500bq / m3）潜在区域。

从水质分析中，发现大多数位置（S9和S10除外）中的大多数参数都在BIS的允许极限范围内。在S10中，由于人为贡献，并且通过河口的海洋影响也是相对较高的。此外，氡活性与研究区域中的任何水质参数无关。

通过对222Rn同位素应用的研究，确定了基利亚尔河河道的地下水潜力区。利用地球物理(电阻率)野外调查等方法，可进一步在河道区内进行地下水勘探，并对地下水潜力进行约束。此外，稳定同位素(¹⁸哦，²H)和补充数据，如电阻率，压力水平，河流流量等，可应用物质平衡法量化地下水流量到河流。这一基线信息将有利于地方当局和规划者执行综合整体河流管理方案，特别是在社区参与下，实现河流的可持续环境流量。

承认

作者感谢喀拉拉邦大学为开展这项工作提供实验室设施。

资金来源

作者感谢原子能部门——孟买特隆贝巴巴原子能研究中心资助购买RAD7仪器，并鼓励他们完成这项工作。

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补充材料

表S1：Killiyar River中物理化学参数的时空变化。 点击此处查看表格

表S2:前季风各参数间关系相关表 点击此处查看表格

表S3：相关表显示后季后翁参数的关系。 点击此处查看表格