基于改进的Vensim模型模拟岩溶泉水文过程

经典的Vensim模型采用2个平行线性水箱来模拟岩溶水文系统中的慢速流和快速流, 很难模拟岩溶水文系统内的非线性水文过程。提出一种改进的R-Vensim模型, 将Vensim中的一个水箱改为非线性水箱, 同时进一步考虑不同水文条件下降雨分配系数的变化, 用于模拟岩溶含水层中存在的非线性水文过程。2个模型被用于模拟丫吉试验场的S31岩溶泉, 模拟结果表明R-Vensim能更好地模拟不同降雨条件下岩溶泉水文动态过程, 而Vensim总是低估暴雨下的流量峰值和高估低强度降雨下的流量峰值。研究区岩溶水文系统中慢速流呈现强烈的非线性, 而快速流更接近于线性过程, 2个模拟时段内78.5%和68.4%的泉流量来源于非线性水箱。研究结果表明模型中考虑非线性水文过程对于岩溶泉流量尤其低流量过程的精准模拟十分重要。      

三江平原挠力河上游流域水文过程及其驱动力模型研究

以三江平原挠力河上游流域为研究对象,选择年均流量和洪峰流量两个水文参变量,对流域降水、耕地面积和各水文参变量的统计回归分析,分别建立水文过程的单因素模型,用于分析气候变化、土地利用变化对水文过程的影响。在定量区分土地利用变化和气候变化的水文效应基础上,利用最小二乘法建立基于降雨量和耕地面积两种因素的流域水文过程驱动力模型。研究结果表明:(1)1956-1975年间降雨量对水文过程的影响非常显著,之后影响逐渐降低,总体上为气候模型对年均流量的模拟能力高于洪峰流量;(2)流域耕地面积,自1954年以来不断扩张,但未对水文过程产生显著影响,对洪峰流量的影响高于对年均径流的影响;(3)研究区的水文过程驱动力模型的模拟效果较好,相比单因素模型,年均流量和洪峰流量的模拟精度均得到较大提高,RMSE分别为0.5和1.04;对年均流量的模拟精度更高一些,决定性系数为0.933;(4)总体上,研究区水文过程受气候变化的影响程度高于土地利用变化,但土地利用变化对水文过程的影响不容忽视,尤其是对洪峰流量的影响呈增大趋势。     

中国西南喀斯特地区水库溶解态与颗粒态碳研究进展

为了阐明喀斯特水库对河流水体碳循环造成的影响, 总结了近年来喀斯特流域筑坝作用对不同形态碳迁移转化和环境影响的研究进展。通过光谱学、稳定及放射性同位素等手段等对喀斯特地区河流-水库系统中的溶解无机碳(DIC)、溶解有机碳(DOC)、颗粒无机碳(PIC)和颗粒有机碳(POC)迁移转化及其控制机制的研究, 发现喀斯特水库碳循环展现出明显的季节性分布特征以及梯级水库群可能会进一步放大单个水库的生态效应, 这一结果不仅极大地促进了人们对水库碳循环的认识, 还有利于探索河流碳循环中"遗失"的碳汇以及更加准确的评估岩溶水库在全球河流碳循环中扮演的角色。喀斯特水库相比非喀斯特水库对人为活动加剧的影响可能具有更强的响应强度, 这也意味着喀斯特水库在全球变暖的趋势中发挥的作用需要得到更准确的评估, 而在未来的研究中, 通过不同分析手段从微观到宏观系统性的总结不同形态碳迁移转化特点将更准确的回答该问题。      

典型喀斯特白云岩小流域土壤-表层岩溶带厚度空间异质性特征

土壤-表层岩溶带厚度是喀斯特地球关键带的关键指标,明确其空间异质性特征对于理解地球关键带结构演化机理以及评估水源涵养功能具有重要意义。在广西环江木连小流域1.4 km²范围内,通过高密度电法(ERT)探测45条样线,共获取1 731个样点的土壤-表层岩溶带厚度及环境因子数据资料,研究了土壤和表层岩溶带厚度的空间分布格局及其影响因素。结果表明,土壤和表层岩溶带厚度平均值分别为1.15 m和6.44 m,且分别呈现强变异程度和中等变异程度。地统计分析结果表明球状模型和指数模型分别可以反映土壤和表层岩溶带的空间结构特征。土壤厚度呈现中等空间自相关性,变程长,空间连续性好;而表层岩溶带呈现强烈的空间自相关性,变程短,空间依赖性强。土壤厚度受到环境因子(地形湿度指数、垂直曲率、曲率、坡向、坡度、高程、覆盖度、出露基岩率和植被归一化指数)的多重影响,而表层岩溶带厚度受部分环境因子影响的同时,与土壤厚度和植被类型的相关性更高。研究结果有助于喀斯特区土壤-表层岩溶带演化机理认识,并为土壤-表层岩溶带厚度的空间预测提供科学依据。     

北方岩溶区降水入渗补给系数及补给机制：以羊庄岩溶水系统为例

为建立北方岩溶区水文地质参数系列,提高岩溶地下水可采资源计算精度,笔者团队于20世纪80年代开始,在山东羊庄封闭式泉排型岩溶水系统开展了岩溶水均衡试验研究,积累了40余年的监测试验数据。根据长期野外水均衡要素观测资料,推导出裸露型、半覆盖型和覆盖型岩溶区降水入渗补给系数计算公式,建立了岩溶区降水入渗补给系数α与降水量P和地下水位埋深D的相关方程,以及可调控的最大降水入渗补给系数系列,揭示了降水入渗补给过程与α变化机制。结果表明：α随水位埋深D的改变而改变,每个降水量P段分别对应一个最大降水入渗补给系数α_max和最大降水入渗补给量即补给极限G_max,相应的水位埋深便是最佳水位埋深D_critical。D>D_critical时,包气带截留量随着水位埋深的增大而增大,α<α_max;Dcritical时,地表径流量随着地下水位埋深的减小而增大,α<α_max。不同的降水量段对应不同的D_critical     

大汶河流域中上游地区岩溶地下水水化学特征及其控制因素分析

为查明大汶河流域中上游地区岩溶地下水水化学特征和离子来源, 基于2018年枯、丰两期采集的岩溶地下水样品水化学数据, 综合运用数理统计、相关性分析、Piper图、Gibbs图以及离子比值等方法, 对大汶河流域中上游地区岩溶地下水水化学特征及其控制因素进行了分析。结果表明,大汶河流域中上游地区枯、丰水期岩溶地下水的pH均值分别为7.6和7.5, 整体表现为弱碱性。岩溶地下水中Ca2+为占优势的阳离子, HCO₃-和SO₄2-为主要阴离子。枯、丰期岩溶地下水中ρ(TDS)均值分别为645.4, 648.4 mg/L。按照TDS划分, 大汶河流域中上游地区岩溶地下水均属于淡水或微咸水;枯、丰水期岩溶地下水水化学类型均以HCO₃·SO₄-Ca为主。岩石风化作用是控制区内岩溶地下水水化学特征的主要控制因素, 碳酸盐岩和硅酸盐岩矿物的溶解是地下水主要离子的重要来源。同时, 大汶河流域中上游地区岩溶地下水还受到了比较明显的人为输入影响, 地下水中NO₃-主要来自于农业生产活动。该研究成果为水资源利用提供了指导作用。      

岩溶碳循环及碳汇效应研究与展望

碳酸盐岩风化是全球碳循环的重要组成部分, 具有大气与土壤CO₂汇效应, 受生态系统因子驱动与全球变化影响, 岩溶地区碳汇具有地表和地下双碳汇特征。简要介绍岩溶碳循环与全球变化关系, 论述岩溶碳汇的相关科学问题和主要进展, 分析岩溶增汇潜力与土地利用变化, 进一步提出基于岩溶关键带理念的碳酸盐岩风化过程概念模型。碳酸盐岩风化产生的碳汇可能是全球碳循环"遗漏碳汇"的贡献者, 同时具有缓解土壤CO₂向大气释放的作用, 进而成为全球碳循环模型中"土地利用变化项"(E_LUC)的重要调节者(减源效应)。碳酸盐岩风化过程能快速响应短时间尺度变化环境因子, 是岩溶关键带中连接生物、水文与地球化学过程的核心驱动机制。岩溶碳循环可理解为是土壤-生态系统碳循环的延伸或横向组成部分, 共同组成岩溶地区完整的陆地浅表层碳循环系统。碳酸盐岩风化对大气CO₂浓度上升的负反馈效应, 石漠化治理与生态修复工程的持续推进, 蕴藏着巨大的岩溶固碳增汇潜力。应加强土壤CO₂季节及其区域变化监测与研究, 构建基于土壤CO₂与流域水化学指标相关性的反向模型, 为估算区域碳汇本底、评估年际碳汇增量与潜力提供更加清晰且有效的岩溶增汇方案与途径。      

柳州西部地区地下水资源有限单元法评价

本文采用有限单元法对广西柳州西部水源地进行地下水资源评价。该水源地是由复杂的岩溶含水层构成。文中正确地建立了非均质承压-无压流的数值模型;首次提出对非完整河渗透阻力的处理方法。利用模型求得各区的含水层导水系数(T),重力给水度(μd),弹性给水度(μe),降雨入渗系数(α),稻田入渗系数(Sd),以及池塘入渗系数(ST)等水文地质参数。采用不同的开采方案,预测了地下水位自1987-2000年的变化趋势,取得了满意的结果。     

喀斯特地区水生光合生物群落结构组成及其对微量元素的影响

微量元素是影响喀斯特地表水体水质的重要因素,水生光合生物在光合代谢过程中能够吸收并去除部分有害元素,然而关于不同水生光合生物群落结构组成对微量元素的吸收效果和去除潜力如何目前则少有研究。基于普定喀斯特生态系统国家野外观测站的野外监测、系统采样和实验测定以及统计分析,构建了由裸岩地、裸土地、耕地、草地和灌丛地5种土地利用组成的植被-土壤-地下水-地表水模拟生态系统,并以其中的地表水生生态系统为研究对象,开展了水生光合生物群落结构组成对微量元素去除潜力及控制机制的研究。结果表明：(1)地表水水化学和水生光合生物量受季节变化与土地利用类型影响显著;(2)Cr, Mn, Co, Ni, Fe和Zn 6种微量元素浓度在不同喀斯特水生光合生物系统中存在显著差异,浮游-沉水共存系统对Mn, Co, Ni, Fe和Zn的吸收和去除能力优于单一浮游系统;(3)喀斯特地区的自然植被恢复(灌丛地和草地)促使地表水体形成的高溶解性无机碳(DIC)环境,有利于沉水植物生长,从而提高了对地表水体中Mn, Co, Ni, Fe和Zn等微量元素的去除潜力。这些认识将有助于岩溶区地表水体水生光合生物群落结构对地表水体微...     

典型西南岩溶地下水抗生素污染指示因子识别

我国南方岩溶地区是全球三大岩溶集中分布区之一,由于岩溶地区独特的含水层结构,其地下水极易受到地表污染。为了探明岩溶地下水中抗生素污染空间分布的主控因素,厘清抗生素浓度与水化学参数的相关关系,进而识别岩溶地区水环境中抗生素污染的指示因子,以西南典型岩溶地下河系统为研究对象,利用超高效液相色谱串联质谱联用仪(UPLC-MS/MS)分析了35种抗生素浓度。结果表明：研究区共检出了30种抗生素,包括3种四环素类(<检出限(MDL)～421 ng/L)、5种大环内酯类(28.3～884 ng/L)、9种磺胺类(2.50～30 ng/L)和13种喹诺酮类(19.5～1 807 ng/L)。其中,大环内酯类和喹诺酮类抗生素是研究区检出的主要抗生素,其空间分布特征主要受污染源和稀释作用控制。研究区水化学类型包括HCO₃-Ca·Mg型和HCO₃-Ca·Na·Mg型,抗生素浓度在不同的水化学类型中存在显著差异,HCO₃-Ca·Na·Mg型水样中抗生素浓度显著高于HCO₃-Ca·Mg型(2～10倍)(Mann-Wh...     

鲁中南岩溶发育的控制因素

地质构造、气候、水动力条件对鲁中南地区丰富多彩的岩溶形成起着控制作用。下古生界特别是中寒武统上部及中、下奥陶统的碳酸盐岩是该区岩溶发育的基础,新生代继续活动的断裂构造把被非可溶岩分割的碳酸盐岩岩层串通成统一的水文系统。新生代多期的上升运动,使该区持续保持较大的地形高差和积极的水文交替条件,特别是该区的泰山、鲁山、沂山、蒙山等均由前寒武系变质岩及岩浆岩组成,它们在新生代的漫长地质历史时期,直至今日均高于周围的可溶岩分布区,造成了该区岩溶发育可经常受到强大的外源水影响的基本格局。     

滇中高原岩溶关键带典型含水系统水化学特征及成因分析

岩溶关键带水文地球化学过程的研究对于科学认识其内部的演化环境与结构特征具有重要意义。岩溶水是水-岩作用后主要的信息载体, 定量分析其水化学特征及成因是揭示岩溶关键带含水系统介质环境与水动力条件的有效手段。以滇中高原岩溶关键带3个典型岩溶含水系统为研究对象, 通过对不同含水系统出露的岩溶泉进行野外采样与室内测试, 综合采用数理统计分析、水化学图解、离子比例系数与水文地球化学模拟等方法, 深入剖析了各含水系统岩溶水水化学组分特征、成因作用和含水层介质特性, 并对关键带中水循环与水化学的内在联系及规律进行了探讨。结果表明: ①HCO₃-、Ca2+是各含水系统岩溶水中含量最高且来源稳定的离子组分, Mg2+是控制各含水系统水化学类型异化的关键因素; ②碳酸盐岩类的岩石风化、矿物溶解是各含水系统内岩溶水化学组分特征的主要成因作用, 岩溶水对华宁水系统含水层的溶蚀作用仍在发生, 阳离子吸附交替与硅酸盐岩类的风化溶解是区域岩溶水中Na+、K+的重要来源; ③区域岩溶的发育强度、岩溶含水层的出露条件及含水介质岩性与连通性共同塑造了滇中高原岩溶关键带不同含水系统地下水化学特性。研究成果丰富了对滇中高原岩溶关键带水文地球化学过程的认识, 为区域岩溶水资源的开发、利用与保护提供基于水化学的证据支撑。      

沂水县富锶地下水特征及成因分析

沂水县富锶(Sr)地下水分布广泛,白垩纪沂南序列侵入岩的锶(Sr)含量最高,平均含量1013.64×10^-6,其次为白垩纪火山岩,锶(Sr)平均含量为739.18×10^-6,太古代侵入岩、变质岩中的锶(Sr)平均含量为398.99×10^-6,寒武-奥陶纪灰岩、页岩中的锶(Sr)平均含量为201.54×10^-6;碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组地下水锶(Sr)平均含量为0.99mg/L,喷出岩孔洞裂隙水含水岩组地下水锶(Sr)平均含量为0.95mg/L,碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组地下水锶(Sr)平均含量为0.76mg/L,块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组地下水锶(Sr)平均含量为0.48mg/L。碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组、喷出岩孔洞裂隙水含水岩组、块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组地下水中锶(Sr)主要来源为围岩的风化溶解;碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组地下水中锶(Sr)主要来源于沂南序列构造破碎带和风化带的风化溶解,其次为寒武-奥陶纪灰岩的风化溶解,锶(Sr)强变异性与不同含水层地下水的混合比例有关。     

泰安上泉泉域边界特征与泉水保护

泰安市西南25km处的大汶口盆地东部出露泰山南麓最大的上泉岩溶泉群。上泉泉域边界清晰,受断裂构造、地层岩性控制。泉域东部云亭山、南山一带丘陵区寒武-奥陶纪碳酸盐岩夹碎屑岩裸露地表,接受大气降水直接入渗补给,西部山前倾斜平原地带浅覆盖或半裸露,除接受大气降水下渗补给外,还接受南留河渗漏和胜利水库季节性放水农灌回渗水补给,地下水动态受补给作用影响明显。泉域多年平均大气降水补给资源量约190万m~3,南留河渗漏补给资源量约259万m~3,农灌回渗水补给资源量约52万m~3,合计约501万m~3,扣除上泉泉群排泄量34万m~3,工农业和生活用水开采量约222万m~3,剩余约245万m~3在向泉域下游径流中逐渐向上顶托越流排泄于第四系松散岩类孔隙含水层中。为保护上泉泉群景观资源,本着"先看后用"的原则,应禁止在泉群上游增采岩溶地下水,可在泉群下游隐伏寒武纪炒米店组灰岩、张夏组灰岩分布区适当布井,夺取部分径流排泄资源量对泉群喷涌不会产生大的影响。     

Variations in sap flow of Zenia insignis under different rock bareness rate in North Guangdong,China

Understanding the impact of rock bareness on the transpiration in karst plants is essential to karst rocky desertification control and sustainable management of plantation in karst area.This study focused on the variations in sap flow of Zenia insignis caused by different rock bareness rate,and the impact of climate factors,soil water content(SWC)and leaf area index(LAI) on transpiration in karst plants,by continuously measuring sap flux densities (Fcd)of 12 sample trees using thermal dissipation probes and monitoring micrometeorology and SwC on a typical karst hill in north Guangdong of China during the year of 2016.Results show that:(1)the maximum hourly sap flux density occurred at11:00-14:00 and the peak daily sap flux density occurred in September.(2)Sap flow density of Zenia insignis increased with rock bareness rate at all hourly,daily and monthly scales,with the sequence of extremely severeseveremoderatemild rock bareness.(3)The transpiration of Zenia insi.gnis is controlled by different factors at different temporalscales.At hourly scale,transpiration was highly(n=144,R~20.72)correlated to Solar radiation(Rs),Air temperature(Ta),relative humidity(RH),and water vapor pressure deficit(VPD).At daily scale,transpiration was greatly(n=366,R20.31)affected by Solar radiation(Rs),Air temperature(Ta),and water vapor pressure deficit (VPD).While at monthly scale,transpiration was mainly(n=12,R~2=0.85)controlled by LAI.Our study proved that Zenia insi.gnis has a good physiecological adaption to fragile karst environment,and Zenia insignis plantation has long-term sustainability even in extremely rocky landscapes.The results may provide scientific basis for plantation management and ecological restoration in karst area.     

Interactions between Soil Characteristics,Environmental Factors,and Plant Species Abundance: A Case Study in the Karst Mountains of Longhushan Nature Reserve,Southwest China

The ability to manage and restore plant communities in the face of human-induced landscape change may rely on our ability to predict how species respond to environmental variables.Understanding this response requires examining factors or their interactions that have influence on plant and resource availability.Our objective was to analyze the relationships between changes in plant abundance and the interaction among environmental habitat factors including soil, geological(rock type), and other environmental variables in the Longhushan karst mountains ecosystem.Species density and dominance were examined using ANOVA, ANCOVA,and Generalized Linear Models to establish the single or combined effects of these groups of factors.The results showed that trends in abundance were mainly affected by rock type(related to the percentage content of dolomite and calcite), soil characteristics in association with topography.Both plant indices were higher in dolomite dominated areas and varied positively with moisture, and elevation, but negatively with organic matter, while density also increased with slope degree.The results demonstrate that significant variations in species abundance was produced with the combination of variables from soil, geological, andenvironmental factors, suggesting their interaction influence on plants.We postulate that spatial variations in plant abundance in karst ecosystem depends on the carbonate rock type in addition to water and nutrient availability which are mainly controlled by topography and other factors such as soil texture and temperature.The study suggests that in karst areas carbonate rock type, in addition to local environmental variables, should be taken into account when analyzing the factors that have impact on plant communities.     

Hydrochemical characteristics and solute dynamics of meltwater runoff of Urumqi Glacier No.1, eastern Tianshan, northwest China

Hydrochemical characteristics and solute dynamics of bulk meltwater draining from Urumqi Glacier No.1 were investigated in years 2006 and 2007.The glacial meltwater was slightly alkaline with the mean pH of 7.64 and 7.61 in 2006 and 2007,respectively.In the meltwater,the dominant anions were the bicarbonate and sulphate,and the dominant cation was calcium.The concentration of major cations were varied as c(Ca2+) > c(Mg2+) > c(K+) > c(Na+),while the order for the cations was c(HCO3) > c(SO42) > c(NO3) > c(Cl).The total dissolved solids(TDS) in meltwater had inverse relationships with the diurnal discharge.The major ion composition of meltwater was mainly controlled by rock weathering as inferred from the Gibbs model.Furthermore,the ion ratios and Piper diagram indicated that the main processes controlling the meltwater chemistry were carbonate weathering,pyrite weathering and feldspar weathering in rocks,and Ca2+ and HCO3 were the dominant ions during the carbonate weathering process.Solute flux calculation at Glacier No.1 station suggested that chemical denudation rates were 11.46 and 13.90 ton.km 2.yr 1 in 2006 and 2007,respectively.     

武汉两湖隧道岩溶水系统结构及水循环规律

武汉市两湖隧道是国内最长、世界规模最大的城市湖底隧道, 其东湖段穿越岩溶区, 识别其岩溶水系统结构对隧道建设和运营安全具有重要意义。为查明区内岩溶水系统结构及水循环特征, 综合利用地质及水文地质勘探、水文地球化学分析等方法刻画了岩溶含水系统边界, 总结了岩溶发育规律, 识别了洞穴沉积物来源, 分析了岩溶水与孔隙水和地表水之间的水力联系, 探讨了岩溶水循环模式。结果表明: 研究区可划分为南北2个岩溶含水系统, 北段岩溶含水系统的岩溶发育程度强于南段岩溶含水系统, 北段和南段岩溶含水系统由断层带连通而具有统一的水力联系。洞穴沉积物主要来源于第四系残积层和洞穴围岩风化。第四系冲洪积层孔隙水与下伏岩溶水的水力联系较弱, 而第四系残积层孔隙水与下伏岩溶水的联系紧密。本研究利用多种技术方法精细刻画湖底隧道的岩溶水系统结构, 可服务于隧道工程的涌突水风险评价和安全施工。      

武汉白沙洲长江两岸岩溶塌陷易发性评价与地铁建设过程中的防治对策

近年来在武汉市城市工程建设过程中,岩溶塌陷时有发生,严重影响了城市建设发展和人民群众的生命财产安全。为查明岩溶区地面塌陷易发性分区情况并提出防治对策,以白沙洲岩溶条带长江两岸作为研究区,选择岩溶发育程度、土层厚度、土层结构、红层厚度、地下水水位波动、岩溶水水位波动部位、塌陷坑密度7个评价因子,采用层次分析法建立岩溶塌陷发育的多因子判别模型,并结合GIS空间分析技术将研究区划分出高、中等和低易发区域。针对区内地铁工程不同阶段特性及其位于不同的易发性区段,以地质结构为根据,提出了相应的防治对策和建议。结果表明:高易发区主要位于长江两岸覆盖型岩溶区,且多为含砂性土层;高易发区为防治的重点,规划阶段尽量回避此区,防治原则主要是阻止上覆砂颗粒的漏失。中等易发区防治原则是防止单一黏性土中土洞的形成和扩大及保护红层的完整性。低易发性区红层厚度大于工程施工进入基岩厚度,发生岩溶塌陷的可能性极小。本研究成果能为武汉长江两岸的工程建设提供参考。