地下河研究论文：岩溶地下河敏感性探究

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本文作者：徐尚全杨平恒殷建军毛海红王鹏周小萍作者单位：西南大学地理科学学院

水化学特征

研究区地表和地下河水中阳离子以Ca2+、Mg2+为主，阴离子以HCO－3和SO2－4为主，其水化学特征主要受水所流经地层岩性的控制．各监测点［Mg2+］/［Ca2+］(摩尔比)为0.018～0.064，表现出低Mg2+高Ca2+的特点．石灰岩和白云岩中不同造岩矿物的风化溶解或水岩相互作用控制着水中的［Mg2+］/［Ca2+］［33］，水岩作用过程可表示为。式中，n和(1－n)表示灰岩或白云岩中钙镁比例，当0＜n≤1/2时，矿物的溶解或水岩相互作用以白云岩中白云石(CaMgCO3)为主;当1/2＜n＜1时，矿物的溶解表现出以石灰岩和白云岩中的方解石和白云石共同作用特征;当n=1时，矿物的溶解或水岩相互作用以石灰岩中的方解石(CaCO3)为主［28］．通过计算得出，本研究区［Mg2+］/［Ca2+］的比值为0.018～0.064，表现为高Ca2+低Mg2+的特征．因此，可以认为，雪玉洞地区的水岩作用过程更接近于n=1时的情况，表明区内造岩层岩矿物以方解石为主，这与野外实际调查结果相吻合．此外，雨季各监测点［Mg2+］/［Ca2+］为0.018～0.051，旱季［Mg2+］/［Ca2+］为0.038～0.064，雨季要小于旱季［图3(a)］．这是由于岩溶区大气降水和地表水转化为地下水迅速，在降水量较大的雨季，一方面地表化学溶蚀作用强度会发生变化，导致地表水中Ca2+、Mg2+含量发生变化;另一方面，大气降水和地表水入渗混合作用的影响，会导致洞内地下河水中的［Mg2+］/［Ca2+］比值减小［31，34～36］，Ca2+、Mg2+含量较旱季发生明显的变化．与Ca2+、Mg2+一样，各监测点水中的主要阴离子HCO－3和SO2－4在雨季同样会发生变化［图3(b)］．通常情况下，地下水中的SO2－4可能来源于黄铁矿风化和石膏矿物溶解［33］．由于研究区内并未见含煤系地层出露，因此研究区各监测点水中的SO2－4可能来源于碳酸盐岩地层中的石膏矿物溶解，同时，这一反应还可生成硫酸加速碳酸盐矿物的溶蚀，其水岩作用过程可表示为。研究区各监测点水中［HCO－3］/［SO2－4］为4.86～42.67，雨季［HCO－3］/［SO2－4］为4.86～36.62，旱季［HCO－3］/［SO2－4］为6.23～46.67，表现出高HCO－3低SO2－4的特点，HCO－3在水中浓度占有绝对优势．

农业活动对地下河敏感性分析

研究区的上覆植被以松柏等次生林为主，其次分布有农业用地，种植作物以红薯、蔬菜为主，以玉米、水稻、果树为辅．由于交通不便，种植作物以自给为主，很少用于买卖，因此，其耕作方式比较松散．每年的4～6月为耕作期(有施肥、喷农药等)，12月～次年2月为休耕期，较少有农业活动．为此，本研究取用2011年4～6月(耕作期间)和2010年12月～2011年2月(休耕期间)的地下河水化学数据，对农业活动对雪玉洞地下河水地球化学敏感性进行探讨．运用公式(1)对研究区地下河河水的地球化学敏感性进行计算(表2)．选取的两个时间段12月～次年2月与4～6月和研究区旱雨季基本吻合，由于降雨量、温度的变化致使岩溶作用存在明显的季节性差异［37，38］．因此，雨水的稀释效应、CO2效应和农业活动对地下河水中的离子都有影响:在基岩一定的前提下，Ca2+、HCO－3主要受稀释效应和CO2效应的影响;其它阴阳离子主要受稀释效应和农业活动的共同影响．稀释效应使离子含量降低，CO2效应、农业活动则使相应离子含量增高［37，39］．表2中地下河最敏感的阴阳离子分别为HCO－3和Ca2+，敏感指数为0.825和0.571，这与岩溶作用的季节性变化密不可分．研究区的水文地质条件、植被状况使得雨季CO2效应的影响强于稀释效应，致使HCO－3和Ca2+含量雨季大于旱季(表1)．Cl－与NO－3也表现出较大的地球化学敏感性，敏感指数分别为0.268、0.022(表2)．Cl－与NO－3的浓度值农耕期(雨季)＞休耕期(旱季)，说明农业活动对地下河水的影响强于雨水的稀释效应．耕作期间对化肥和农药的使用会因岩溶区岩溶含水系统的持水性较差、入渗系数大而随降雨入渗到岩溶含水层［40～42］，虽有雨水的稀释效应但其浓度仍呈增高趋势;而休耕期没有农业活动的影响，Cl－与NO－3浓度较低，使得Cl－与NO－3的地球化学敏感性较高．SO2－4也表现出较高的地球化学敏感性，敏感指数为0.046.也有研究曾指出人类在施加农药中含硫化物会使地下水SO2－4含量增加［18］．但是通过表1可知，SO2－4含量农耕期(雨季)较休耕期(旱季)更小，这可能与农业活动中使用的农药种类不含SO2－4有关［经调查该区使用农药主要为敌敌畏(C4H7O4Cl2P)、敌杀死(C22H19Br2NO3)不含SO2－4］．也可能是由于雨季雨水的稀释效应所致。

旅游活动对地下河敏感性分析

雪玉洞因其洞内沉积物洁白如玉而著称，2004年被评为国家4A级旅游景区．每年都会有大批国内外游客前来旅游，据2011年雪玉洞游客数据显示:全年共接待游客146463人，但每月之间有较大差距:由于“十一”黄金周的原因，10月游客最多达18178人，而1月人最少，仅有3925人．为讨论旅游活动对地下河水地球化学敏感性的影响，选取2011年1月和10月的地下河水化学数据进行分析．为使分析客观、准确，每种元素都用NO1的值分别与其他4个采样点相减，即只考虑地下河在洞穴内水化学的敏感性，再运用公式(1)进行计算．表3为计算结果，可看出受岩溶作用控制的Ca2+、HCO－3仍是敏感度最高的阳离子、阴离子，敏感指数分别为0.294与0.09.Cl－与Na+是除此之外地球化学敏感性指数最高的阴阳离子，敏感性指数分别为0.021与0.04.笔者认为主要原因可能有两方面:一是在修建旅游通道(地下河与旅游通道接触)时所用的材料中含有黏土，而石盐(NaCl)是黏土的主要成分之一［43］，可能会对地下河水中的Na+、Cl－离子含量有较大影响;二是可能与游客的影响有关，在景区无论散客或是旅游团，都会在一定人数时由导游引领进洞参观，时间为1h左右，由于洞内高差较大(50m)，游客比较累会有较多汗液(主要成分即为Na+、Cl－等离子)，通过空气的流通可能会影响到地下河水中的离子含量．除此之外，其他离子(SO2－4、NO－3等)表现出较低的地球化学敏感性，笔者认为这主要得益于景区的良好管理，没有其它人为因素(如生活垃圾的排放)对地下河造成不利影响．岩溶作用对地下河敏感性的影响较农业活动与旅游活动更为明显，这与基岩、气候与土壤CO2含量有密切关系［44～46］．农业活动与旅游活动对地下河敏感性的影响有所不同．首先，农业活动较旅游活动对地下河的影响更大，其原因主要为农业活动对地下河的影响面积大、范围广，旅游活动仅对地下河洞穴可进入部分产生影响，且由于管理秩序较好影响很小;二是农业活动与旅游活动对地下河各离子的地球化学敏感性有所不同:农业活动对地下河Cl－、NO－3影响较大;旅游活动对Cl－、Na+影响较大．综上所述，在保护旅游区岩溶水资源时，应根据不同的影响因素实施对应的保护方案．

经济与环境效益

雪玉洞岩溶地下河不仅是景区重要的旅游资源，具有可观的经济效益;更对洞穴环境具有很大的调节作用，具体表现在对洞穴温度、湿度的调控和对空气中CO2浓度的调节，对洞穴景观的保护具有重要作用．通过此次研究发现，景区内部对地下河的保护工作已做得比较到位;但补给区不仅对地下河的影响更大而且由于对土地利用比较松散的管理，很有可能会对地下河造成不可修复的“伤害”，是景区较大的潜在威胁．因而要从污染物质的源头抓起，对补给区的土地利用方式进行合理规划，对农业用地科学施肥，限制农业生态系统污染物质的输出，做好岩溶生态系统的管理工作，让岩溶地下河的经济与环境效益发挥到最大．