降水对广西马山兰电堂泉水化学动态变化观测研究

利用多参数自动记录仪(CDTP300)对广西马山兰电堂泉的降雨量、水位、水温、pH值和电导率进行自动化监测,数据采集间隔为15 min。结果发现,降雨期间泉水pH值和温度呈升高趋势的同时却出现电导率急剧降低的现象。通过进一步利用WATSPAC软件计算泉水方解石饱和指数(SI_C)、白云石饱和指数(SI_D)和二氧化碳分压(LogP-CO₂),发现其SI_C、SI_D和LogPCO₂值在降雨期间均呈明显降低趋势。由此可以推断,兰电堂泉水化学动态变化是由雨水的稀释作用造成的,因为研究区具有较高pH值和低电导率的雨水能够形成坡面流快速通过岩溶管道系统影响泉水的水化学性质,并使稀释作用成为控制表层岩溶泉在雨季水化学动态变化的主要因素。     

垂直气候带岩溶动力系统特征研究——以重庆金佛山国家级自然保护区为例

利用CTDP300多参数自动记录仪对重庆金佛山国家级自然保护区碧潭泉和水房泉的降雨量、水位、水温、pH值、电导率进行了监测。结果表明,不同海拔高度的表层岩溶泉水化学对环境变化十分敏感,且具不同的表现形式,气温和土壤CO2浓度是引起水化学动态变化的两个重要因子。位于海拔较低的碧潭泉气温,土壤CO2浓度相对较高,岩溶作用也相对强,位于海拔较高的水房泉则相对较弱。受气温控制,前者的水温、pH表现出明显的白天高,夜间低的昼夜变化规律。降雨过程中,至少有两种效应在影响水化学性质:雨水的稀释效应和CO2效应,前者对碧潭泉水化学变化影响较大,降雨可引起泉水电导率、水温及pH的显著下降,降雨强度越大,下降速度与幅度越大,而从泉水电导率下降、pH值略有上升看,两者均对水房泉的水化学变化产生了影响。     

我国西南岩溶区表层岩溶带的水文动态分析

以西南地区10个表层岩溶泉的长期观测和自动化监测数据为基础,分析了表层岩溶带的水文动态特点。表层岩溶泉的月径流量变化和连续的水位变化表明表层岩溶带具有水文动态不稳定的共性,不稳定性和表层岩溶带的功能和降水有关。根据表层岩溶带的形态和水文动态变化特点进行分类,认为以间互型碳酸盐岩为基础的溶丘洼地表层岩溶带和以连续型碳酸盐岩为基础的峰丛洼地表层岩溶带是西南岩溶区两种重要的表层岩溶带类型。溶丘洼地表层岩溶带相对于峰丛洼地表层岩溶带具有较连续的土壤盖层和较大的表层岩溶泉密度以及较稳定的水文动态变化。白云岩上发育的表层岩溶带水文动态比灰岩稳定,森林覆盖下的表层岩溶带的水文动态比灌木林稳定。表层岩溶带的水文动态受控于它的补给类型和径流特征。土壤层的厚度和植被类型会使表层岩溶带集中补给的比例发生变化,而岩性则通过影响表层岩溶带的空隙类型来控制径流特征。     

表层岩溶泉域短时间尺度岩溶作用碳汇效应初步研究——以重庆市金佛山水房泉域为例

本文以水房泉表层岩溶泉域为例,通过CDTP300多参数自动水质监测仪提供的年际连续的电导率、水温、水位,利用岩溶水化学-径流量方法计算出水房泉连续两年各月的CO2吸收量和年吸收总量。计算结果显示水房泉各月CO2吸收量中6、7、8三个月吸收量较大,1、2、12月吸收量均较小;年最大CO2吸收量出现在7月份,年中最小CO2吸收量出现在1月份。水房泉各月CO2吸收量同水房泉出口月径流量和月降雨量都有很好相关性,雨季吸收量远大于旱季吸收量。泉水HCO3-含量受到气温、降水、径流量和土壤CO2含量的综合影响, HCO3-含量的最高值与月CO2吸收量的最大值在时间上存在2个月的滞后现象。相对于较大流域碳汇的估算,以小流域为对象从短时间尺度计算碳汇更加精确,而且对于流域岩溶作用碳汇过程及其控制机理的深入揭示也是非常必要的。      

典型表层岩溶动力系统的环境敏感性研究--以广西马山县弄拉峰丛洼地为例

利用多参数自动记录仪(CTDP300)对广西马山县弄拉监测站的降雨量及表层岩溶泉水的水位、水温、pH值、电导率进行了监测。结果表明,系统对环境变化响应及时。其地球化学行为表现为明显的季节与昼夜动态变化,且在不同的气候条件下,水化学动态变化有不同的表现。在正常气候(无雨)条件下,水温、pH与电导率之间具有较好的正相关关系。暴雨期间,降雨开始阶段稀释作用明显。降雨中后期,CO2效应逐渐占主导地位。因此有必要把水、岩、CO2气体作为一个整体来解释表层岩溶作用的水文地球化学行为。     

鄂西岩溶槽谷区洼地的水位响应特征及产流阈值估算

以湖北省兴山县黄粮镇刘家坝和龙湾两处岩溶洼地作为研究对象,利用其降雨、水文和土壤水等监测数据,探讨灌入式补给条件下洼地汇流的水位响应特征和产流特点,并基于降雨量和洼地内明渠流量的关系,采用数学拟合方程,估算两处洼地的降雨产流阈值,进而分析了影响产流阈值的因素。结果表明:降雨强度增大,产流阈值减小;土壤前期含水率越大,越有利于坡面产流;落水洞和岩溶泉水位与降雨有较好的同步响应关系,水位变化曲线随雨强大小分别表现出“陡升陡降”和“缓升缓降”的特点;刘家坝和龙湾洼地的产流阈值分别为7.4 mm和10.6 mm。      

岩溶水系统的水化学曲线及其在水文地质研究中的应用

为了认识水文地质条件与岩溶泉水化学之间的关系,以西南地区的6个典型岩溶水系统丫吉试验场S31号泉、毛村地下河、官村地下河、陈旗岩溶泉、青木关地下河以及金佛山水房泉为例进行研究。通过对比发现,在这些强烈非均质的山区裸露型岩溶水系统中,仪器能够实现自动化监测的电导率、温度和pH值等指标的水化学曲线存在差异。分析可知控制水化学变化的主要因素如下:首先是降雨补给引起系统的水量与碳酸盐岩溶解过程的变化;其次是CO₂气体随降雨进入含水层,促进碳酸盐岩的溶解;最后是地表污染物的淋滤。当电导率、水温、pH曲线出现降低和碳酸盐岩矿物饱和指数下降时,反映的是岩溶水的稀释作用;当电导率曲线出现高峰时,反映的是岩溶水补给的CO₂效应,此时水中二氧化碳分压(p_CO2)升高;当场雨中水化学曲线的变化滞后于水文动态曲线时,反映的是岩溶管道的活塞流效应;与人类活动有关的NO₃^-等污染物质量浓度在降雨后出现高峰,反映土壤的降雨淋滤作用,并可能影响电导率的变化趋势。某个系统的水化学曲线趋向于经常出现某几种效应,并且彼此的类型不同,表明了降雨补给的面状渗流方式和集中灌入方式对岩溶水影响的强弱不同,以及系统在径流方式和调蓄机制上的差异。一般而言:以面状补给方式为主的系统,水化学曲线多表现为CO₂效应,较少出现稀释作用;而岩溶发育强烈的系统,降雨补给受控于溶蚀裂隙和管道,其水化学曲线较多出现稀释作用,较少出现CO₂效应;以管道为主要径流方式的系统易出现活塞流效应,而包气带厚度大和含水层储水能力强的系统水化学变化被减弱。     

典型岩溶包气带洞穴滴水水文过程研究——以桂林硝盐洞为例

选取桂林丫吉试验场硝盐洞为研究对象,通过示踪试验和高分辨率水文水化学监测,确定滴水补给来源,研究典型岩溶包气带洞穴滴水对降雨响应的水文过程。研究结果表明,硝盐洞XY5滴水主要受到两种径流成分补给,即集中补给的管道流和弥散流。硝盐洞上部包气带中可能存在表层岩溶带含水层,长期维持滴水流量。滴水流量、电导率和示踪剂浓度的峰值均出现在强降雨时段,表现出快速响应的管道流特征,存在降雨阈值引起硝盐洞滴水降雨响应。降雨前岩溶含水层水分条件是包气带水文响应差异的主要原因,雨季滴水对降雨响应迅速,XY5滴水对降雨响应的滞后时间为10 h;而旱季对降雨的响应滞后明显,滞后时间达9.8天,体现了土壤和表层岩溶带的调蓄作用。74.4 mm降雨量是旱季转雨季滴水响应的降雨阈值。借助于洞穴滴水的水文动态变化和示踪试验技术对于研究包气带水文过程,深入了解岩溶含水层结构及特征,揭示岩溶区降雨入渗补给机制具有重要作用。     

不同类型表层岩溶泉水源划分及对降雨的响应

表层岩溶泉的水文水化学特征是认识岩溶含水介质结构的重要手段。基于泉域水文地质调查,2018年对广西环江木连小流域内降水和泉水流量及电导率进行监测,利用端元模型与电导率频率分布分析方法,解析表层岩溶泉径流来源及对降雨的响应特征。结果表明：（1）年尺度上,受驱替作用排泄的水流分别占季节泉、常流泉总径流的32.3%和23%;(2)次降雨过程季节泉和常流泉径流均以驱替含水层中未联通的“旧水”为主,强降雨条件下存在的雨水稀释现象仅约占3.6%;(3)季节泉在次降雨过程中受多重水流补给且对降雨响应敏感,其中管道流和壤中流分别占23%、34.2%,以基质或岩溶裂隙释放的重力水流仅占10.5%,导致持续供水能力较差;（4）常流泉补给来源单一,次降雨过程中主要受到以基质或岩溶裂隙排泄的重力水补给（77%）,具有较高的有效涵养地下水资源功能及供水可持续性能力。     

济南四大泉群泉水补给来源混合比探讨

济南泉水众多闻名于世,人类活动造成泉水断流。为恢复名泉,多年来一直实施地下水自备井限采、集中开采的水源地禁采、回灌补源等措施,但保泉效果并不明显。根据泉水位观测、示踪试验、水质指标测试、岩溶发育程度分析、数理统计等方法,研究泉水补给来源的混合比例。研究结果表明：泉水位及泉水电导率动态变化特征揭示泉水补给来源存在季节性差异,丰水期泉水以东南方向管道流补给为主,枯水期泉水以西南方向裂隙流补给为主;岩溶水系统排泄区的水位动态与泉水位具有明显的相关性,奥陶系灰岩补给区地下水位与泉水位的相关性高于张夏组岩溶水水位与泉水位的相关性,枯水期在张夏组灰岩含水层进行回灌补源并不能遏制泉水位下降的势态;根据42组水质资料计算,泉水的Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、总硬度等常规离子组分含量介于寒武系张夏组岩溶水和奥陶系岩溶水之间,四大泉群流量中,来自于张夏组含水层的补给比例占11%~32%,凤山组-奥陶系含水层的补给比例占24%~60%,历阳湖占5%~10%,兴济河占0~6%,玉符河占1%~8%,市区回灌对五龙潭的流量有重要影响。可见,北方岩溶发育极其不均,泉水动态变化反映出北方岩溶的管道流与裂隙流并存,济南保泉回灌补源地点宜选择在奥陶系灰岩分布区。     

Analysis of the environmental sensitivities of a typical dynamic epikarst system at the Nongla monitoring site, Guangxi, China

Nongla, a typical karst dynamic system (KDS) monitoring site, is located at Nongla Village, Mashan County, Guangxi, China. The data from a Greenspan CTDP300 multichannel data logger indicates that the KDS is highly sensitive to environmental changes. Multi-day and diurnal physico-chemical composition of epikarst spring water is quite different under different climatic conditions. During a day with no rainfall, water temperature and air temperature have similar variations. Electrical conductivity (EC) has good positive correlation with pH value and water temperature. During rainstorms, the physico-chemical composition of the spring water is initially strongly effected by dilution, pH and EC drop rapidly. However, half to one hour later, EC returns to normal and the CO₂ effects will be the dominant physical effect. This is due to the high fissure rates and high permeability in the epikarst zone. Dilution effects were observed during the entire rainstorm event,whereas, it only acts during the earliest period of light rain. Therefore, it is necessary to examine the water–rock–CO₂ combination as a whole system to explain the hydrochemical behavior of epikarst processes.     

表层岩溶带调蓄系数定量计算--以湘西洛塔赵家湾为例

本文以湖南洛塔赵家湾表层岩溶系统为例,综合利用水位、降雨量、蒸发量及泉流量等长观资料,分别对不同降雨特征下的表层岩溶带调蓄系数进行了定量计算,并对影响表层岩溶带调蓄能力的因素进行了分析。计算得到丰水期赵家湾表层岩溶带调蓄系数为0 14～0 2 8,明显小于枯水期调蓄系数0 44 ;但丰水期久旱后表层岩溶带的调蓄能力接近于枯水期;在丰水期,场雨和连续降雨时的调蓄能力比间歇降雨时的小近1倍。实例计算表明:赵家湾表层岩溶带具有一定的调蓄能力,其地下迳流滞后于降雨至少3d ,调蓄系数确实可以用来定量评价表层岩溶带的调蓄能力。     

Quantifying time lag of epikarst-spring hydrograph response to rainfall using correlation and spectral analyses

Understanding spring-flow characteristics in karst areas is very important for efficient utilization of water resources. The time lag of a spring-hydrograph response to rainfall is related to karst hydrogeological properties such as thickness, porosity and hydraulic conductivity. The length of the time lag can be determined based on results of the time-series analysis. However, some approaches, with different identifying indicators, give different lengths of the time lag. In this study, the flow-discharge series of two hillslope springs located in a karst area of southwest China were used to compute lengths of the time lag. The thickness and porosity of the epikarst-zone fractures on the two hillslopes were estimated based on a ground-penetrating radar investigation and field measurement. Based on comparison of lengths of the time lag computed by auto- and cross-correlation analyses, the identifying indicators of the time lag were classified into three types for measuring short, intermediate and long-term responses of the spring hydrograph to rainfall. The study also reveals that the time lag of spring-hydrograph response to rainfall in the thick epikarst zone is much longer than that in the thin epikarst zone.     

典型表层岩溶泉域植被对降雨的再分配研究

本文在表层岩溶泉域植被结构特征分析的基础上,监测桂林丫吉试验场S31号泉域内香椿和云实两种主要植被的穿透雨和树干径流特征以及钻孔和表层岩溶水的变化。结果表明:香椿林的总穿透雨量1 861.83 mm,占总降雨总量的59.65%;云实灌丛总的穿透雨量为1 626.42 mm,占总降雨量的52.11%;穿透雨率随降雨量增加而减少。香椿林的树干径流总量为89.4 mm,占总降雨量的2.86%;云实灌丛的树干径流总量为27.79 mm,占总降雨量的0.89%;香椿林和云实灌丛的林冠截留总量分别为1 169.97 mm和1 466.99 mm,平均截留率为37.48%和47.01%;用水量平衡法计算得出以灌丛覆盖为主的S31号表层岩溶泉域年蒸散量为1 623.81 mm,占降水量的52.03 %,年径流深度为1 497.39 mm,占降水量的47.97%。植被冠层改变了降雨对表层岩溶带的补给形式和补给量。降雨经过植被冠层的截留后转化成穿透雨和树干径流进入表层岩溶带,穿透雨以连续波状的形式补给表层岩溶带,而树干径流则以快速集中的方式补给表层岩溶带。      

镇江地区降雨导致滑坡规律统计分析

江苏镇江地区地属丘陵地带，近年来由于气候变化，调查资料显示镇江地区短时强降雨或持续时间较长的降雨经常 诱发大量浅层滑坡，降雨是区内滑坡主要影响因素，造成了较大的经济损失。文章通过对镇江地区300多个山体边坡进行 详细现场环境地质调查，结合收集气象资料，对该地区的滑坡与降雨相关参数的关系进行统计分析，得到了降雨量与降雨 持续时间对滑坡数量的变化关系。确定了镇江地区降雨阈值I-D 曲线，并将分析结果与其他地区进行了对比分析，研究成 果可为镇江地区滑坡治理和预警预报提供依据。     

广西果化龙何地区表层带岩溶水系统及其水资源特征

从区域岩溶水系统分析入手,详细论述了龙何地区表层带岩溶水系统的结构特征及水循环过程,并按水动力条件将区内表层带岩溶水系统划分为若干个汇流状或散流状表层带岩溶水子系统。在此基础上,通过表层岩溶泉长观数据的统计分析得出本区表层带岩溶水天然资源量为31. 9× 104m3 /a,约占本区年降水总量的9. 5%。在表层带岩溶水天然资源量中,表层岩溶泉的可开采资源量为5. 9×104m3 /a ,可有效利用资源量为7 732. 4m3 /a。      

利用水化学方法识别岩溶水文系统中的径流

通过暴雨中的野外观测,确认了桂林丫吉试验场S31泉岩溶水文系统中多种径流形式：表层岩溶带管道流、回归流、坡面流和壤中流。现场测量发现不同形式径流的水化学特征(pH、电导率、Ca²⁺、HCO^-₃)存在差异,Ca²⁺的质量浓度相差最大可以达到3倍。从CaCO₃-H₂O-CO₂平衡体系来看,CO₂分压（p_CO2）对径流的水化学特征具有控制作用。在大气p_CO2影响下的岩溶水矿化度较低,而土壤空气p_CO2达到2.7%,是大气的近百倍,其影响的径流矿化度较高。鉴于大气中和土壤中p_CO2的显著差异,从水化学特征上将径流分为2类,并且认为它们构成了系统出口洪水的2个主要来源。在此基础上利用水化学方法计算出S31岩溶泉洪水时的径流构成。结果表明,在暴雨的情形,由大气p_CO2环境产生形成的岩溶水的比例占到泉水总量的70%,进一步证明了快速流在岩溶水中的重要作用。     

镇江地区降雨导致滑坡规律统计分析

江苏镇江地区地属丘陵地带,近年来由于气候变化,调查资料显示镇江地区短时强降雨或持续时间较长的降雨经常 诱发大量浅层滑坡,降雨是区内滑坡主要影响因素,造成了较大的经济损失。文章通过对镇江地区300多个山体边坡进行 详细现场环境地质调查,结合收集气象资料,对该地区的滑坡与降雨相关参数的关系进行统计分析,得到了降雨量与降雨 持续时间对滑坡数量的变化关系。确定了镇江地区降雨阈值I-D 曲线,并将分析结果与其他地区进行了对比分析,研究成 果可为镇江地区滑坡治理和预警预报提供依据。     

Rainfall-triggering response patterns of post-seismic debris flows in the Wenchuan earthquake area

Several giant debris flows occurred in southwestern China after the Wenchuan earthquake, causing serious casualties and economic losses. Debris flows were frequently triggered after the earthquake. A relatively accurate prediction of these post-seismic debris flows can help to reduce the consequent damages. Existing debris flow prediction is almost based on the study of the relationship between post-earthquake debris flows and rainfall. The relationship between the occurrence of post-seismic debris flows and characteristic rainfall patterns was studied in this paper. Fourteen rainfall events related to debris flows that occurred in four watersheds in the Wenchuan earthquake area were collected. By analyzing the rainfall data, characteristics of rainfall events that triggered debris flows after the earthquake were obtained. Both the critical maximum rainfall intensity and average rainfall intensity increased with the time. To describe the critical conditions for debris flow initiation, intensity–duration curves were constructed, which shows how the threshold for triggering debris flows increased each year. The time that the critical rainfall intensities of debris flow occurrences return to the value prior to the earthquake could not be estimated due to the absent rainfall data before the earthquake. Rainfall-triggering response patterns could be distinguished for rainfall-induced debris flows. The critical rainfall patterns related to debris flows could be divided on the basis of antecedent rainfall duration and intensity into three categories: (1) a rapid triggering response pattern, (2) an intermediate triggering response pattern, and (3) a slow triggering response pattern. The triggering response patterns are closely related to the initiation mechanisms of post-earthquake debris flows. The main difference in initiation mechanisms and difference in triggering patterns by rainfall is regulated by the infiltration process and determined by a number of parameters, such as hydro-mechanical soil characteristics, the thickness of the soil, and the slope gradient. In case of a rapid triggering response rainfall pattern, the hydraulic conductivity and initial moisture content are the main impact factors. Runoff erosion and rapid loading of solid material is the dominant process. In case of a rainfall pattern with a slow triggering response, the thickness and strength of the soil, high hydraulic conductivity, and rainfall intensity are the impact factors. Probably slope failure is the most dominant process initiating debris flows. In case of an intermediate triggering response pattern, both debris flow initiation mechanisms (runoff erosion and slope failure) can play a role.