印度喀拉拉邦Killiyar河氡(222Rn)分布及其对水质的影响评价
Anurani G R.,Lakshmi R.,约瑟夫萨布*和sukanya s
1印度喀拉拉邦,喀拉拉邦大学环境科学系。
通讯作者电子邮件:jsabu2000@gmail.com.
DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.16.1.10
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关键词:氡(222Rn),分布,水质,喀拉拉邦世界环境2021;16(1)。DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.16.1.10
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文章出版历史
收到: | 27-11-2020 |
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公认: | 09-02-2021. |
审查由: | Grigorios Kyriakopoulos. |
第二次评审: | 亚当木匠 |
最后的批准: | Hiren B. Soni博士 |
介绍
河流是印度西南部喀拉拉邦城乡地区的较大人口的供水原理来源。但是,喀拉拉邦的许多小河流在夏天干燥,在季风季节淹没。由于水是最重要的商品之一,水资源和水污染的过度开采是一个有问题的条件,最终导致水资源稀缺问题。除了溶解或悬浮的化学污染物外,散热和辐射等物理因素也对水生生命产生了相当大的影响。河水质量取决于这些因素,如流域区域,地形,天气和季节性变化,人类河流河流域的发展程度和性质等。
用于农业、家庭和工业目的的河流的开发,由于增加了有机和无机盐的含量,对喀拉拉邦的河流造成了严重的不利影响。地下水的排放被认为是多年生河流系统旱季流量的主要来源,并维持水生生物多样性。这种地下水渗漏是至关重要的水文设置的世界,在没有降雨的时期,水在河流的永恒流动。地下水与地表水的相互作用是一个相当复杂的过程。它取决于许多参数,如地质、地貌和特定地区的气候。然而,测量流入河流的地下水流量对于更好地了解地下水平衡和确定地下水开采的可持续限度从而保护河流的环境流量是很重要的。
Radon(2226)是一种在许多水文研究中使用的天然示踪剂3,4,5.由226ra的α衰减产生238u.2222rn(z = 86)是贵族气体家族的放射性元素,化学无活性3,4,5。由于其相对较长的半衰期(3.8天),222RN是最合适的水示踪剂在氡(193rn至229rn)中的37个放射性同位素中。众所周知,与地表水中的地下水中的氡活动浓度相比,地下水的幅度为2-4倍6,7,8..这是由于地下水与226ra和238u的矿物颗粒接触9.那10..在矿物颗粒内产生的大多数氡仍然嵌入谷物中,进入孔隙空间10-50%的逃逸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.散发系数取决于岩石的类型及其结构和孔隙率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3-5,18-21.Kies等人。22.建议氡气通过土壤,裂缝和骨折的毛孔迁移,例如故障和推力以及地下水,从而流入地表水体。
因此,可以在氡活度显著增加的河流中寻找地下水排放点。因此,222Rn可以用于河道的地下水勘探,但这类研究在喀拉拉邦比较稀少。因此,从水文角度出发,采用一种全面的方法来了解喀拉拉邦基利亚尔河(KR)的环境流动,在本研究中尝试使用氡作为地下水示踪剂。
材料与方法研究区
Killi river (KR), also known as Killiyar (n=6th, L=24 km, A=102 km2), the major tributary of Karamana River, is located between latitudes 8°40’30” N, 8°27’0” N and longitudes 76°57’0” E, 76°2’0” E in Thiruvananthapuram district of Kerala State, India (Fig. 1). It has its origin near Panavur (8°38’30.7” N and 76°59’19.4” E) physiographically in the midland (7.5-75m elevation amsl) and the river confluences with Karamana river at Kalladimukham (08â°27’23.4” N and 76â°57’32” E) in downstream region and about 2.0 km inland from the sea coast. The river flows through an undulating terrain in dendritic to sub-dendriticpattern.
地质上,90%的河流盆地由Garnetifore-Biotite-sillimanite片状组成,有或没有石墨(即Khondalite),Migmatites和一些斑块的Charnockites,沙子和粘土沉积物。
方法
从上游至下游选取10个采样点(表1)(间隔=~ 3km),采样时间为季风前后(2017年1月和2017年12月)的一天。根据可达性、土地利用格局、地形、人为干预程度等因素选择采样点,采用Horiba LAqua U-50多参数水质便携式仪器现场测量水温、电导率(EC)、pH、总溶解固体(TDS)、盐度和电阻率23..通过使用APHA24的标准程序通过实验室实验分析了其他参数,碱度,氯化物,总硬度,硝酸盐,磷酸盐,硫酸盐,钠和钾。
用于氡(2226)测量的地表水样品在250ml玻璃瓶皿中仔细收集,而无大气接触。在实验室中,通过鼓泡空气并通过干燥剂管循环到222RN计数系统(RAD7,DRIDGE制造)中剥离222rn溶解在水中。空气通过水连续再循环,并提取超过95%的溶解氡,直至在5分钟内产生平衡状态。氡监视器由具有高于硅半导体检测器上方的高电场的设置,以吸引正电荷的Polonium女儿,218po +和214po +,其被计为在Bq / m3中表达的222℃活性的量度(每秒崩解m3)。由于水采样以来,校正了测量的氡活性以进行放射性腐烂。使用SPSS 17分析了222RN与物理化学特性的相关性和不同参数之间的相关性的相关性。
表1:抽样站的肖像,Killiyar
站ID |
抽样站 |
纬度 |
经度 |
S1 |
Puthenpalam |
08°37'39.6'n |
77°00'02.3''e |
S2 |
Pazhakutty. |
08°36'46.4' |
76°59'48.1'e |
S3 |
10thstone桥梁 |
08°35'18.4'n |
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°31'59.4' |
76°58'52.5'e |
S7 |
Maruthankuzhi |
08°30'46.3' |
76°58'39.2''e |
S8 |
Jagathy |
08°29'29.1' |
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:Killiyar River Basin的位置图。 点击此处查看数字 |
结果与讨论
氡活动分布
给出了在季风(PRM)和季风(POM)期间沿着Killiyar河(KR)的上游(S1; 0 km)到下游(S1; 0 km)到下游(S10; 24公里)的氡(222rn)活性的空间变化在表2和图3中。氡的空间分布在两个季节过程中几乎相似的模式。在PRM期间,222℃的活性在157至4588bq / m3和POM期间变化,其范围为147至1740 bq / m3。结果表明,氡的空间变化,其中kr上游达到的r次(S1-S2; 0-3 km拉伸)与河流的剩余下游相比,合理的氡活动(> 1000bq / m3)表现出合理的氡活动(> 1000 bq / m3)(S5除外)在两个季节中的较低氡活动(<500 bq / m3)(图3)。然而,Kr中间过程中的位置S5(下游S1下游)也表现出季节的更高222rn活性(> 1000bq / m3)(图3)。
通常,在地表水中增加了222℃的活性,指示氡地下水进入河流25。因此,上游(S1-S2; 0-3 km拉伸)和中游(S5; S1下游10公里)在河里延伸,其中有异常的高氡活动(> 1000 bq / m3),可能是未来的区域地下水排放到河里。222rn的活动显示从上游到下游的减少趋势(除了S5),表明氡从地表水逸出到通过分子扩散过边界层的大气。即,天然气Exchange26。由于半衰期短(T1 / 2 = 3.8天),这种下游下游的另一个可能的原因是222rn的放射性衰减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。
水中氡活性的影响因素
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,在河流路线(即,S1-S2,0-3 km拉伸和S5-10km距离S1)中有较高的222张活动的位置被易于风化的裂缝紧凑的Khondality岩石中所紧张。这些岩层没有初级孔隙度,并且由于风化和压裂和压裂和其他构造过程31而倾向于在次孔隙的发展中抵达地下水。这些岩石的独特性是,可用的地下水的数量主要取决于通过骨折的渗透和渗透速率,进一步依赖于骨折的性质。这些变质岩石的叶子用作弱点,促进地下水的流量和储存。
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,发现在下游的沙子和淤泥(S9和S10; 22-24 km拉伸)下划线下划线的河流课程将在POM期间具有157至312 bq / m3的最低222张活性,在POM期间,POM中的147-294 BQ / M3。这可能归因于沙质淤泥溶剂中的氡母矿物(铀含矿物)的低含量。此外,河床是由厚厚的沙质淤泥层强调的粉质粘土。与底层沙子和淤泥层33相比,该粉质粘土单元具有低的液压导电性。Murray-Darling River Basin,澳大利亚的澳大利亚澳大利亚的类似条件,这些条件是河流地质和相关222RN活动的区别,无可争议地解释了地质地下地地下水的作用。
B)结构对氡活度的影响
除了地质,与构造紊乱相关的地区和矩阵的梯度也表现出可变作用,使氡流入地表水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 River Bourin的谱系地图(图4)显示了两个主要的裂缝队列主导地区。一组是NW-SE趋势,另一个是NE-SW趋势。有趣的是,NW-SE趋势谱系在上游的两个采样网站附近横切(S1和S2; 0-3 km拉伸),其中222张活动很高,因此,此处的这种活跃的界面可能是其中一个原因这些地区的衬线控氡和地下水排放(0-3 km拉伸)。
这条河延伸到10TH.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.基于地理空间层,地质,地貌,引流和地形坡度的地理空间数据集成,开发了KR盆地的地下水潜在区地图,并表示S5位置是潜在地下水开发区。因此,因子的组合在S5贡献高氡。
氡的活性在KR的下游部分趋于低,即使某些位置(例如,S3和S8)被Khondalite群岩石中断。该领域的相关谱系(NE-SW)可能是被动的线程,进一步的风化和破碎的岩石也可能是低氡的原因。
基于氡活动性的地下水潜势区
基于氡活动,KR的地下水势区分为三类 - 高,中等和低或可忽略不计的地下水势区(图2)。这是基于Harrington等人提出的解释指南。2012年38.高氡活动(> 1000bq / m3)区域以延伸0-3km上游(S1和S2),距离上游10千米(S5),并意味着高地下水位。中氡活动(500- 1000 bq / m3)距上游6英里(S3)和14次16.TH.距上游(S6和S7),意味着适度的地下水潜在区域。低氡活动(100-500 bq / m3)暗示地下水潜在区域的较差8TH.距上游(S4)和河下部的河口,从20-24公里(S8-S10)。
利用地球物理(电阻率)野外调查可在KR河道区内进行地下水勘探,并对该区地下水潜力进行约束。一旦受到限制,就可以绘制出进一步的管理方案,以保护这些地区的地下水潜力,使其在旱季维持河流的可持续环境流量。
表2:季风前和季风后基利亚尔地区氡活动。
取样站 |
氡活度Bq/m3 |
|
Pre-monsoon |
后季后翁 |
|
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222Killiyar的RN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
地表水样品环境变量的实测值见表S1。
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..
PRM期间pH值为6.1 ~ 7.4(平均=6.87±0.41),POM期间pH值为5.1 ~ 6.8(平均= 6.06±0.42)。pomation过程中地表水呈酸性,表明游离CO含量增加2在季风期间,从酸性雨水到河流中的贡献。
在季节(PRM = 3550&POM =1229μs/ cm)期间,在表明人为污染以及通过河口到下游的盐水侵入,在S10(PRM = 3550&POM =1229μs/ cm)中始终观察到最高的EC值。
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。
两个季节S10的氯离子浓度显著高于BIS可接受的250 mg/L (BIS, 2012)26 35(表3),这意味着人为输入和河口影响,即海水入侵、海喷、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)。
硫酸盐浓度为3.49至6.32mg / L,POM中的2.58至8.8 mg / L。S10的位置显示出高含量的EC,TDS,盐度,碱度,氯化物,硬度,NO3,PO4和NA主要是由于人为污染和盐水侵入。
氡与物理化学参数的相关性
通常,与氡的各种水质参数的相关分析对于两个季节没有显着的相关性(表S1,S2)。Idriss等人指出了类似的观察。它认识到水中的氡归因于地区的物理过程和地质条件,而不是化学相互作用,42,43。
温度的影响
温度是控制的关键因素之一222在水中溶解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日,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值的影响
相关分析的结果表明,pH和氡之间没有关系。贝克尔47.观察到阳性相关性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.陈述,在实验条件下,平均水氡溶解度(kw / air.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)与氡没有相关性。在以前的研究中也观察到类似的结果15日,49.然而,很少有其他研究50,51观察到氡与EC的弱正相关性和与温度的中度负相关。相反,akawwi52.观察到氡的负相关性与欧共体。
水质参数之间的相关性
相关矩阵(表S1和表S2)示出了两个季节中不同参数之间的关系。EC与POM中的两个季节(r = -0.95的电阻率高度负相关。TDS在季节(r = 0.96,p <0.01)和K(PRM中的r = 0.98和0.90中POM中的r = 0.98)显示出高阳性相关性。盐度与Na(PRM和0.97在POM中的r = 0.97中的r = 0.97)和K(PM中的r = 0.97,POM,P <0.01中的0.97)呈正相关。CL还与季节(r = 0.97,p <0.01)的Na呈非常高的正相关性,并且在POM中的k(r = 0.96和0.90,p <0.01)。NA显示出高阳性相关性K(PRM = 0.97和0.91,POM,P <0.01)。预先确定参数(EC,NA,CL,K)之间的相关性反映了海洋投入(海水入侵,海洋喷雾,潮汐效应),人为投入和农业径流的综合影响,进入KR水化学。
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,一个主要的挑战是难以在夏季维持电子流量,因此,电子流量应该通过社区参与的综合整体河流管理方法来恢复。在河岸上保护地下水排泄点是一个可行的选择。此外,应鼓励河岸上的社区通过各种雨水收集技术来补充含水层。另一个挑战是由于快速城市化导致的流向下游的河水质量问题。从人类住区倾倒不科学的废物和不加选择地将污水直接排入河流,反映了当地社区对适当的废物管理做法了解不足。适当的废物管理和认识方案是一个可行的选择。
结论
研究了印度喀拉拉邦基利亚尔河(KR)在季风前(PRM)和季风后(POM)两个季节从上游到下游的222Rn活动和不同的水质参数。氡活度表现出从上游到下游的空间变化,上游(S1、S2)和中游(S5)的氡活度异常偏高,可能是地下水潜在排入区。氡的季节变化表现为前季风期(平均1150 Bq/m3)高于后季风期(745 Bq/m3),这与季风稀释有关。在此基础上,确定了该河流的3个地下水潜在区:高(222Rn >1000 Bq/m3)、中(500-1000)和低(100-500 Bq/m3)。
从水质分析中发现,除S9和S10外,大部分地点的参数都在BIS的允许范围内。在S10中,由于人为贡献和通过河口的海洋影响,大部分参数相对较高。此外,氡活度与研究区任何水质参数均不相关。
从该研究开始,得出结论,222次同位素应用被识别杀死河流河课程基金河和地下水潜在地区的案例研究。地球物理(电阻率)场测量等方法可应用于此河道课程,以进一步地下水展望和限制地下水潜力。此外,稳定同位素(18.啊,2H)和补充数据ZiZ,电阻率,压力水平,河流放电等可以应用于使用质量平衡方法量化地下水排放到河流中。本垒线信息将有利于当局和规划者为可持续发展实施综合全面河流管理计划河流环境流量,特别是在季风季节与社区参与期间。
承认
提交人担任喀拉拉邦大学提供实验室设施,开展这项工作。
资金来源
作者感谢原子能 - Bhabha原子研究中心,Trombay,Mumbai为资金提供RAD7仪器购买及其鼓励完成工作。
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补充材料
表S1:基里亚尔河理化参数时空变化。 点击这里查看表格 |
表S2:相关表显示季风前参数之间的关系。 点击这里查看表格 |
表S3:相关表显示后季后翁参数的关系。 点击这里查看表格 |
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