地下河研究論文：巖溶地下河敏感性探究

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本文作者：徐尚全楊平恒殷建軍毛海紅王鵬周小萍作者單位：西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院

水化學(xué)特征

研究區(qū)地表和地下河水中陽離子以Ca2+、Mg2+為主，陰離子以HCO－3和SO2－4為主，其水化學(xué)特征主要受水所流經(jīng)地層巖性的控制．各監(jiān)測(cè)點(diǎn)［Mg2+］/［Ca2+］(摩爾比)為0.018～0.064，表現(xiàn)出低Mg2+高Ca2+的特點(diǎn)．石灰?guī)r和白云巖中不同造巖礦物的風(fēng)化溶解或水巖相互作用控制著水中的［Mg2+］/［Ca2+］［33］，水巖作用過程可表示為。式中，n和(1－n)表示灰?guī)r或白云巖中鈣鎂比例，當(dāng)0＜n≤1/2時(shí)，礦物的溶解或水巖相互作用以白云巖中白云石(CaMgCO3)為主;當(dāng)1/2＜n＜1時(shí)，礦物的溶解表現(xiàn)出以石灰?guī)r和白云巖中的方解石和白云石共同作用特征;當(dāng)n=1時(shí)，礦物的溶解或水巖相互作用以石灰?guī)r中的方解石(CaCO3)為主［28］．通過計(jì)算得出，本研究區(qū)［Mg2+］/［Ca2+］的比值為0.018～0.064，表現(xiàn)為高Ca2+低Mg2+的特征．因此，可以認(rèn)為，雪玉洞地區(qū)的水巖作用過程更接近于n=1時(shí)的情況，表明區(qū)內(nèi)造巖層巖礦物以方解石為主，這與野外實(shí)際調(diào)查結(jié)果相吻合．此外，雨季各監(jiān)測(cè)點(diǎn)［Mg2+］/［Ca2+］為0.018～0.051，旱季［Mg2+］/［Ca2+］為0.038～0.064，雨季要小于旱季［圖3(a)］．這是由于巖溶區(qū)大氣降水和地表水轉(zhuǎn)化為地下水迅速，在降水量較大的雨季，一方面地表化學(xué)溶蝕作用強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致地表水中Ca2+、Mg2+含量發(fā)生變化;另一方面，大氣降水和地表水入滲混合作用的影響，會(huì)導(dǎo)致洞內(nèi)地下河水中的［Mg2+］/［Ca2+］比值減小［31，34～36］，Ca2+、Mg2+含量較旱季發(fā)生明顯的變化．與Ca2+、Mg2+一樣，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水中的主要陰離子HCO－3和SO2－4在雨季同樣會(huì)發(fā)生變化［圖3(b)］．通常情況下，地下水中的SO2－4可能來源于黃鐵礦風(fēng)化和石膏礦物溶解［33］．由于研究區(qū)內(nèi)并未見含煤系地層出露，因此研究區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水中的SO2－4可能來源于碳酸鹽巖地層中的石膏礦物溶解，同時(shí)，這一反應(yīng)還可生成硫酸加速碳酸鹽礦物的溶蝕，其水巖作用過程可表示為。研究區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水中［HCO－3］/［SO2－4］為4.86～42.67，雨季［HCO－3］/［SO2－4］為4.86～36.62，旱季［HCO－3］/［SO2－4］為6.23～46.67，表現(xiàn)出高HCO－3低SO2－4的特點(diǎn)，HCO－3在水中濃度占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)．

農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下河敏感性分析

研究區(qū)的上覆植被以松柏等次生林為主，其次分布有農(nóng)業(yè)用地，種植作物以紅薯、蔬菜為主，以玉米、水稻、果樹為輔．由于交通不便，種植作物以自給為主，很少用于買賣，因此，其耕作方式比較松散．每年的4～6月為耕作期(有施肥、噴農(nóng)藥等)，12月～次年2月為休耕期，較少有農(nóng)業(yè)活動(dòng)．為此，本研究取用2011年4～6月(耕作期間)和2010年12月～2011年2月(休耕期間)的地下河水化學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)雪玉洞地下河水地球化學(xué)敏感性進(jìn)行探討．運(yùn)用公式(1)對(duì)研究區(qū)地下河河水的地球化學(xué)敏感性進(jìn)行計(jì)算(表2)．選取的兩個(gè)時(shí)間段12月～次年2月與4～6月和研究區(qū)旱雨季基本吻合，由于降雨量、溫度的變化致使巖溶作用存在明顯的季節(jié)性差異［37，38］．因此，雨水的稀釋效應(yīng)、CO2效應(yīng)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下河水中的離子都有影響:在基巖一定的前提下，Ca2+、HCO－3主要受稀釋效應(yīng)和CO2效應(yīng)的影響;其它陰陽離子主要受稀釋效應(yīng)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)的共同影響．稀釋效應(yīng)使離子含量降低，CO2效應(yīng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)則使相應(yīng)離子含量增高［37，39］．表2中地下河最敏感的陰陽離子分別為HCO－3和Ca2+，敏感指數(shù)為0.825和0.571，這與巖溶作用的季節(jié)性變化密不可分．研究區(qū)的水文地質(zhì)條件、植被狀況使得雨季CO2效應(yīng)的影響強(qiáng)于稀釋效應(yīng)，致使HCO－3和Ca2+含量雨季大于旱季(表1)．Cl－與NO－3也表現(xiàn)出較大的地球化學(xué)敏感性，敏感指數(shù)分別為0.268、0.022(表2)．Cl－與NO－3的濃度值農(nóng)耕期(雨季)＞休耕期(旱季)，說明農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下河水的影響強(qiáng)于雨水的稀釋效應(yīng)．耕作期間對(duì)化肥和農(nóng)藥的使用會(huì)因巖溶區(qū)巖溶含水系統(tǒng)的持水性較差、入滲系數(shù)大而隨降雨入滲到巖溶含水層［40～42］，雖有雨水的稀釋效應(yīng)但其濃度仍呈增高趨勢(shì);而休耕期沒有農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，Cl－與NO－3濃度較低，使得Cl－與NO－3的地球化學(xué)敏感性較高．SO2－4也表現(xiàn)出較高的地球化學(xué)敏感性，敏感指數(shù)為0.046.也有研究曾指出人類在施加農(nóng)藥中含硫化物會(huì)使地下水SO2－4含量增加［18］．但是通過表1可知，SO2－4含量農(nóng)耕期(雨季)較休耕期(旱季)更小，這可能與農(nóng)業(yè)活動(dòng)中使用的農(nóng)藥種類不含SO2－4有關(guān)［經(jīng)調(diào)查該區(qū)使用農(nóng)藥主要為敵敵畏(C4H7O4Cl2P)、敵殺死(C22H19Br2NO3)不含SO2－4］．也可能是由于雨季雨水的稀釋效應(yīng)所致。

旅游活動(dòng)對(duì)地下河敏感性分析

雪玉洞因其洞內(nèi)沉積物潔白如玉而著稱，2004年被評(píng)為國(guó)家4A級(jí)旅游景區(qū)．每年都會(huì)有大批國(guó)內(nèi)外游客前來旅游，據(jù)2011年雪玉洞游客數(shù)據(jù)顯示:全年共接待游客146463人，但每月之間有較大差距:由于“十一”黃金周的原因，10月游客最多達(dá)18178人，而1月人最少，僅有3925人．為討論旅游活動(dòng)對(duì)地下河水地球化學(xué)敏感性的影響，選取2011年1月和10月的地下河水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．為使分析客觀、準(zhǔn)確，每種元素都用NO1的值分別與其他4個(gè)采樣點(diǎn)相減，即只考慮地下河在洞穴內(nèi)水化學(xué)的敏感性，再運(yùn)用公式(1)進(jìn)行計(jì)算．表3為計(jì)算結(jié)果，可看出受巖溶作用控制的Ca2+、HCO－3仍是敏感度最高的陽離子、陰離子，敏感指數(shù)分別為0.294與0.09.Cl－與Na+是除此之外地球化學(xué)敏感性指數(shù)最高的陰陽離子，敏感性指數(shù)分別為0.021與0.04.筆者認(rèn)為主要原因可能有兩方面:一是在修建旅游通道(地下河與旅游通道接觸)時(shí)所用的材料中含有黏土，而石鹽(NaCl)是黏土的主要成分之一［43］，可能會(huì)對(duì)地下河水中的Na+、Cl－離子含量有較大影響;二是可能與游客的影響有關(guān)，在景區(qū)無論散客或是旅游團(tuán)，都會(huì)在一定人數(shù)時(shí)由導(dǎo)游引領(lǐng)進(jìn)洞參觀，時(shí)間為1h左右，由于洞內(nèi)高差較大(50m)，游客比較累會(huì)有較多汗液(主要成分即為Na+、Cl－等離子)，通過空氣的流通可能會(huì)影響到地下河水中的離子含量．除此之外，其他離子(SO2－4、NO－3等)表現(xiàn)出較低的地球化學(xué)敏感性，筆者認(rèn)為這主要得益于景區(qū)的良好管理，沒有其它人為因素(如生活垃圾的排放)對(duì)地下河造成不利影響．巖溶作用對(duì)地下河敏感性的影響較農(nóng)業(yè)活動(dòng)與旅游活動(dòng)更為明顯，這與基巖、氣候與土壤CO2含量有密切關(guān)系［44～46］．農(nóng)業(yè)活動(dòng)與旅游活動(dòng)對(duì)地下河敏感性的影響有所不同．首先，農(nóng)業(yè)活動(dòng)較旅游活動(dòng)對(duì)地下河的影響更大，其原因主要為農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下河的影響面積大、范圍廣，旅游活動(dòng)僅對(duì)地下河洞穴可進(jìn)入部分產(chǎn)生影響，且由于管理秩序較好影響很小;二是農(nóng)業(yè)活動(dòng)與旅游活動(dòng)對(duì)地下河各離子的地球化學(xué)敏感性有所不同:農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下河Cl－、NO－3影響較大;旅游活動(dòng)對(duì)Cl－、Na+影響較大．綜上所述，在保護(hù)旅游區(qū)巖溶水資源時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的影響因素實(shí)施對(duì)應(yīng)的保護(hù)方案．

經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益

雪玉洞巖溶地下河不僅是景區(qū)重要的旅游資源，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益;更對(duì)洞穴環(huán)境具有很大的調(diào)節(jié)作用，具體表現(xiàn)在對(duì)洞穴溫度、濕度的調(diào)控和對(duì)空氣中CO2濃度的調(diào)節(jié)，對(duì)洞穴景觀的保護(hù)具有重要作用．通過此次研究發(fā)現(xiàn)，景區(qū)內(nèi)部對(duì)地下河的保護(hù)工作已做得比較到位;但補(bǔ)給區(qū)不僅對(duì)地下河的影響更大而且由于對(duì)土地利用比較松散的管理，很有可能會(huì)對(duì)地下河造成不可修復(fù)的“傷害”，是景區(qū)較大的潛在威脅．因而要從污染物質(zhì)的源頭抓起，對(duì)補(bǔ)給區(qū)的土地利用方式進(jìn)行合理規(guī)劃，對(duì)農(nóng)業(yè)用地科學(xué)施肥，限制農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)污染物質(zhì)的輸出，做好巖溶生態(tài)系統(tǒng)的管理工作，讓巖溶地下河的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益發(fā)揮到最大．