同一断裂带上相邻滴水点滴水的水文水化学特征分析 ——以昆明老黄龙洞为例

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岩溶地区由于地质环境复杂,地下水资源面临着开发难度大,且一旦污染很难治理等问题,因此脆弱的岩溶含水层一直是科学界研究的难题和挑战。在岩溶地区开展的研究中,洞穴顶板滴水一直是国内外研究的热点,它是包气带内部气-水-岩三相综合作用的结果,其水文地球化学及渗透过程能直接或间接地反映了表层岩溶带水贮存与运动特征。本文是在老黄龙洞的一断裂带上选择相邻的三个滴水点作为研究对象,进行长期监测获得大量一手数据:小型野外气象站实时监测研究区降水和气温,数据记录仪连续观测滴水点流量、温度和电导率,实验室测定水样的阴阳离子、DIC、pH及硬度等水化学参数。研究滴水对降水响应的水文水化学过程及滴水的化学参数在一个水文年内动态变化,并探讨关于岩溶层内部构造对滴水的水文水化学过程影响,对岩溶地区包气带调蓄功能、含水层脆弱性认识有一定的理论和实践意义。主要研究结果如下:(1)从一个水文年内滴水点流量数据的统计看,S14号滴水点各月平均流量均比S1号的较小,并在一个水文年内流量变化幅度大,干湿季特征显著,可知S14号滴水点因储水空间和储蓄量有限,因调节能力弱而导致流量动态变化幅度大,与之相反S1号滴水相对岩溶化程度高,岩溶含水系统调蓄能力强。(2)S1号和S14号滴水点流量对降水响应的时间序列分析中,S1号、S14号最大相关系数rxy依次为0.593、0.388,且S1号的最大相关系数出现早于S14号滴水点,表明S1号滴水点对降水响应更强烈,且降水到达S1号滴水点时间短;S1号、S14号滴水点流量变化过程的自相关分析中,S14滴水点自相关系数后期波动大,表明来自岩溶含水层补给的二重性更突出,主要是降水入渗结束后来自岩溶蓄水层小孔隙水的老水补给作用开始凸显,其老水的量在新老水混合比例更为显著。(3)分别选择在雨季和旱季具有代表性降水事件,对滴水点对降水响应开展研究:(1)S1号滴水点基流量大,来自周围空隙水不断补给,整体呈上升趋势;S12号滴水点流量呈缓慢下降趋势;S14号滴水点基流量非常小,流量达到峰值后快速衰减,跳跃性大。因此三个滴水点输水能力依次为,S1号>S12号>S4号。(2)S14号滴水点流量衰减过程分为两个阶段,持续的时间短,两个阶段的衰减系数分别为0.09463和0.08107,表明S14号滴水点为岩溶内部空间以小孔隙为主,无大的裂隙。(3)在旱季滴水对单次降水响应中比较三个滴水点滴水理化参数,S1号滴水点的电导率大于S12号滴水点,S14号滴水点的电导率最小,表明电导率在输水能力强的运移路径中偏高,在输水能力差的电导率偏低。此外电导率对降水的响应比流量早,表明电导率对降水有很好的指示作用。(4)滴水中Ca2+/HCO3-值在0.5左右,但雨季前,三个滴水点的Ca2+与HCO3-比值整体呈现小于0.5,是因为水-岩相互作用时间长,方解石的溶解已达到饱和状态,降水携带土壤中的CO2进入岩溶含水层中的HCO3-量升高;雨季时三个滴水点的Ca2+与HCO3-比值在0.5上下波动,表面该时期水动力过程复杂,水中离子浓度受到降水量和降水强度控制;雨季后Ca2+与HCO3-比值大于0.5,主要是降水量减少,并且土壤CO2浓度也降低引起。(5)在一个水文年内,三个滴水点的PH和DIC都有明显的干湿季特征。滴水中pH旱季偏高,而雨季偏低特征,受输水能力限制,S14号滴水点pH变化范围明显小于S1和S12号滴水点;DIC具有雨季含量高而旱季含量低的特征,且S1、S12号滴水点DIC浓度都有一个时间尺度为14周的周期性变化,而输水能力差的S14号不存在小时间尺度的周期性变化,表明滴水中的DIC浓度受到降水的控制,且在输水能力强的滴水点表现尤为明显。(6)滴水中的EC分别和优势离子HCO3-、Ca2+做相关性分析,输水能力弱的S14号滴水点EC和Ca2+、HCO3-有很好的线性关系,而输水能力强的S1、S12号滴水点则呈相关性弱甚至无相关,说明S14号滴水点滴水中优势离子主要来自岩石溶解,而S1、S12号滴水点滴水中优势离子主要来自土壤淋溶,表明运移路径宽度及连通性直接影响滴水中优势离子来源。(7)滴水从洞穴顶板滴落后,其压力状态改变,CO2易于脱气,因此观测期间三个滴水点饱和指数基本在0.3以上,易发生沉积现象。
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