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。      

亚高山表层岩溶泉域土壤溶蚀速率季节变化及碳汇量估算——以重庆金佛山水房泉流域为例

利用标准溶蚀试片法测定了重庆金佛山水房泉流域林地、草地和灌丛三种土地利用类型不同深度年溶蚀速率。结果表明,不同土地利用类型、不同季节、不同土壤深度的溶蚀速率具有很大的差异。通过对各土地利用类型下不同季节不同深度土壤有机质、土壤CO2浓度和土壤pH分析发现:土壤有机质和pH相互耦合共同对溶蚀速率产生影响,有机质含量越高,则pH值越低,溶蚀速率就越大;三种土地利用方式下土壤CO2浓度与溶蚀速率具有一定的相关性,夏秋季土壤CO2浓度较冬春季高,相对应地,其土下溶蚀速率也比冬春季大。最后利用试片溶蚀数据对泉域内年碳汇量进行了估算,结果约为:25.595t/a。      

岩溶泉域降雨径流水文过程的模拟——以重庆金佛山水房泉为例

通过地貌、水文地质、土壤、植被、地下洞穴管道等实地调查,以及示踪试验确定水房泉泉域范围和地下水文系统特征,并通过代表性点的土壤入渗试验、降雨和流量监测以及DEM数据等获得泉域水文模型所需的面积、结点高程、入渗率、糙率、管道长度、含水层孔隙度、出流系数等参数。选择SCS径流曲线模型估算地表产流,利用SWMM模型模拟泉域对场降雨的径流响应过程。通过运行模型,与实测流量比较,结果显示模拟曲线与观测流量曲线吻合较好,用于校正和验证的两场降雨产流的模拟误差分别为9.5%和12%,表明SWMM可应用于岩溶区以管道流为主要排水系统的含水介质的模拟。     

岩溶作用碳汇强度计算的溶蚀试片法和水化学径流法比较——以陈旗岩溶泉域为例

溶蚀试片法和水化学径流法是计算岩溶作用碳汇强度的两种重要方法,利用这两种方法对贵州普定陈旗岩溶泉系统的岩溶作用碳汇强度分别进行了计算,结果发现:通过溶蚀试片法估算出的岩溶作用碳汇强度仅为水化学径流法估算值的1/6左右,这主要是因为陈旗岩溶泉域内埋放溶蚀试片处的上覆土体中含有石灰岩角砾和土骨架中存在少量原生与次生碳酸盐矿物,这些碳酸盐的先期溶蚀大大降低了下部试片的溶蚀量。可见,溶蚀试片法具有一定的局限性,即在该方法应用之前,必须对试片上覆土体的碳酸盐矿物含量进行分析,以评价该方法的适宜性。     

岩溶作用碳汇强度计算的溶蚀试片法和水化学径流法比较——以陈旗岩溶泉域为例

溶蚀试片法和水化学径流法是计算岩溶作用碳汇强度的两种重要方法,利用这两种方法对贵州普定陈旗岩溶泉系统的岩溶作用碳汇强度分别进行了计算,结果发现:通过溶蚀试片法估算出的岩溶作用碳汇强度仅为水化学径流法估算值的1/6左右,这主要是因为陈旗岩溶泉域内埋放溶蚀试片处的上覆土体中含有石灰岩角砾和土骨架中存在少量原生与次生碳酸盐矿物,这些碳酸盐的先期溶蚀大大降低了下部试片的溶蚀量。可见,溶蚀试片法具有一定的局限性,即在该方法应用之前,必须对试片上覆土体的碳酸盐矿物含量进行分析,以评价该方法的适宜性。     

亚高山不同海拔高程中的岩溶泉水化学特征对比研究--以重庆金佛山碧潭泉和水房泉为例

金佛山岩溶泉水化学呈现日变化和空间变化的动态特征.在时间上,碧潭泉水化学特征呈现周期性的日变化规律,而水房泉日变化规律不甚明显.由于海拨高程的影响,金佛山岩溶泉水化学变化动态对降雨直接响应的效应不同:在同一时间里,碧潭泉对降水的响应微弱;而水房泉水中的Ca 、Mg2 和HCO3-等离子浓度随降雨而上升,它主要受碳酸盐岩-水-CO2相互作用中的CO2的控制.金佛山岩溶泉水化学特征还受岩性的控制.     

亚热带典型岩溶水系统的碳汇效应对比研究

选择中国南方亚热带地区具有不同地质背景和生态状况的广西柳州市官村地下河(灌木林生态环境、人类活动影响显著)、云南省广南县木美地下河(石漠化严重)和贵州茂兰板寨地下河(原始森林生态)3个岩溶水系统为例,对比研究岩溶水中溶解无机碳浓度和碳汇效应的差异。结果表现,(1)流域管道水的溶解无机碳平均浓度排列顺序为:官村>木美>板寨,表层岩溶带泉水的排列顺序为:木美>官村>板寨。(2)水的PCO2分压计算结果显示:3个流域岩溶水的方解石溶解度基本达到饱和,PCO2的大小顺序为:官村地下河>木美地下河>板寨地下河。(3)根据一个水文年的流量监测计算官村地下河流域的岩溶碳汇强度为12.34tC/(km2?a),板寨地下河流域的为11.8tC/(km2?a),木美地下河流域为34.11tC/(km2?a)。木美地下河流域的石漠化现状相当严重,石漠化面积高达90%,而板寨地下河为原始森林区,但木美地下河流域的岩溶碳汇强度却最大,这与其流域面积大、调蓄功能强,且有外源水补给有关。这也同时表明,单从生态环境的角度去研究岩溶作用碳汇潜力是不够的。      

典型岩溶水系统碳汇通量估算

现代岩溶学研究成果表明,碳酸盐岩在全球碳循环中响应极其迅速,水循环过程中的碳汇效应显著。本研究选取广西桂林寨底地下河系统、广西环江大安地下河系统、重庆北碚青木关地下河系统三个典型岩溶地下水系统,利用各系统地下河的流量和HCO3-浓度的监测资料,采用简单化学平衡模式法估算碳汇通量(CO2)。结果显示,寨底地下河系统的单位面积年碳汇通量为68.82 t/(km2.a),大安地下河系统的单位面积年碳汇通量为81.18 t/(km2.a),青木关地下河系统的单位面积年碳汇通量为100.07 t/(km2.a)。分析认为同一个岩溶水系统的结构特征和环境条件基本上是稳定的;地下河的流量和HCO3-浓度是影响岩溶碳汇强度的关键因素,尤其是地下河流量的变化对碳汇强度的影响显著;不同岩溶水系统的碳汇通量不但受水化学条件和地下水动力条件的控制,同时受土地利用变化的影响。该研究对于改进碳循环模型和评价岩溶地质碳汇有重要意义。     

石漠化治理区表层岩溶泉流量衰减分析及无机碳通量估算——以重庆酉阳龙潭槽谷老泉为例

应对“双碳”目标,加强岩溶石漠化综合治理工作,地下水是关键。为探究重庆市酉阳县龙潭槽谷石漠化治理区岩溶泉的流量衰减及无机碳通量变化特征,采用流量衰减方程与水化学径流法对研究点老泉进行模拟与分析。结果表明：(1)老泉的流量衰减分为两个亚动态,衰减系数分别为0.089 2、0.019 6,其具有双重性含水介质特征。(2)暴雨期老泉的碳通量随流量变化的特征明显;而伏旱期(7月底-8月底)老泉的碳通量与土壤CO₂、泉水CO₂均具有明显的昼夜变化特征,表现为夜间低、日间高。(3)老泉夏季的碳通量与降水量呈正相关(R=0.78),与蒸发量呈负相关(R=-0.36),气候的不稳定性变化对碳通量影响显著。老泉的月HCO^-₃浓度与月土壤CO₂浓度的相关系数为0.64,HCO^-₃敏感地响应土壤CO₂的变化;而老泉年碳通量与年土壤CO₂浓度的相关系数为0.90,且年均δ¹³C_DIC...     

郭庄泉岩溶水系统研究

郭庄泉泉域内有多处泉点出漏，泉域为一完整的岩溶地下水系统，具有独立的补给、径流、排泄关系，为全排型岩溶大泉。本文通过计算分析，确定了泉域岩溶地下水的天然资源量和可开采资源量，为区域水资源的优化配置提供了科学依据。     

三姑泉域岩溶水边界划分研究

本文依据三姑泉域岩溶水边界独特的地质场、水动力场、水位动态及水文网特征等．划分、分析其边界范围和性质。正确的边界划分及其性质的确定，不仅是评价泉域岩溶水资源量的基础．也是加强水资源管理和防治水资源污染的前提。     

岩溶地质碳汇的稳定性——以贵州草海地质碳汇为例

近几年来对岩溶碳汇的争论越来越多,其关键问题是岩溶作用产生的重碳酸根是否稳定.本文以贵州草海流域为研究区,基于前人研究基础,以碳同位素模型计算出岩溶作用产生的DIC((Dissolved Inorganic Carbon溶解无机碳)中58.8%为草海中为水生植物利用,草海地质碳汇量达588.67 tC/a.以此推算长江中下游湖泊沉水植物每年固碳量370602 tC/a,长江中下游湖泊中仅沉水植物稳定的地质风化CO2汇量约为75万吨.从而证明岩溶碳汇的相对稳定性和岩溶动力系统新理论的合理性.     

广西弄拉表层岩溶动力系统水循环碳汇效应研究

基于对广西弄拉表层岩溶泉水文动态自动化监测研究,发现在良好的森林植被覆盖条件下,泉域内水资源的排泄方式在不同季节差异较大。丰水期主要以泉口径流排泄为主,而枯水期则以泉域内生态需水消耗为主。4至8月降水量占全年总量的66.24%,泉口水资源输出量却高达全年总量的90.89%。与之相对应,碳输出量占全年总量的90.46%。上述数据说明岩溶碳汇过程主要发生在径流系数较高的丰水季节。在碳汇方式上,碳汇过程明显受到雨水稀释效应、CO2效应及水岩相互作用的控制。在降水初期,受到雨水的混合稀释,HCO3-浓度明显下降。期间受到CO2效应及水岩相互作用的影响,使HCO3-浓度波动较大。但随着流量的衰减,水岩相互作用重新又占主导地位,HCO3-浓度动态变化趋于平稳。根据近十年来的监测结果表明,在次生森林植被覆盖条件恢复下,岩溶动力系统中的Ca2+、Mg2+和HCO3-离子浓度均明显增高。以HCO3-浓度增长最为明显,2003—2005年平均值为356.55 mg/L,而2012年上升为432.97 mg/L,其差值76.42 mg/L,十年间增幅达21.4%。     

漓江流域丰水期外源酸对岩溶化学风化碳汇的影响

于2020年4月对漓江流域主要干/支流进行采样及监测, 结合Gibbs图、离子比值、Galy模型和同位素特征值方法, 分析流域内水化学特征及外源酸对流域岩溶碳汇的影响。结果显示: (1)受碳酸盐岩风化影响所控制, 漓江水体主要水化学类型为HCO3-Ca; [Ca2++Mg2+]/[HCO– 3]的当量比均值为0.87, [Ca2++Mg2+]/ [HCO– 3+SO2– 4+NO– 3]的当量比均值为1.07, 指示碳酸盐岩风化过程受到外源输入的硫酸和硝酸影响; (2)漓江流域最终出口(阳朔断面)的碳汇通量为974.86×103 mol·(km2·a)–1。各支流碳汇量占总出口比例的波动较大, 比例最小为小溶江, 只占总通量1.44%, 而贡献比例最大则为良丰河35.74%, 甘棠江和良丰河贡献比例合计达57.04%。(3)流域内各支流CO2消耗量的占比均值为10.02%, 存在显著的空间变化, 受不同流域的地质分布和流量的影响明显。(4)外源酸风化碳酸盐岩的DIC贡献率介于13%~55%之间, 空间变化上, 大榕江和桃花江的贡献比例较大, 均高于50%, 而外源酸对阳朔断面DIC贡献率低至13%。     

发展中的板块边界:天山-贝加尔活动构造带

不同的土地利用方式可使土地理化性质产生一系列的变化和差异,从而影响到岩溶作用的方向和强度。通过野外溶蚀试片实验法,对金佛山典型岩溶区碧潭泉和水房泉两泉域岩溶生态系统的5种典型土地利用方式下的土壤溶蚀速率进行雨季短时间尺度变化的野外观测。2006年7月中旬开始,重庆地区罕遇43天高温无雨的特殊天气,测试结果表明不同土地利用方式甚至同一土地利用方式下不同海拔的岩溶区石灰岩试片溶蚀速率都存在较大差异,碧潭泉域雨季绝对溶蚀量仅为水房泉域的13.3%,6个测试点土下溶蚀量由大到小依次为水房泉竹林地、水房泉林地、水房泉草地、碧潭泉林地、碧潭泉灌草丛、碧潭泉耕地。在研究时间内降雨量、温度和土壤CaCO3含量差异的基础上,金佛山两泉域岩溶作用主要有两个控制因素:土壤CO2浓度、土壤有机质。     

川东槽谷区岩溶泉水物理化学动态特征及其环境效应研究——以重庆青木关岩溶槽谷姜家泉为例

以重庆青木关岩溶槽谷姜家泉野外观测试验基地为例,利用CTDP300多参数水质自动记录仪、NITRATAX plussc在线硝氮分析仪及HOBO小型气象站,分别对岩溶泉在不同降雨条件下水化学的动态变化特征进行了监测研究。结果表明:岩溶泉水pH值受偏酸性雨水的影响而降低;水温变化取决于降雨量、持续时间及气温等因素影响。分析认为,电导率的变化随环境的不同而不同,一般降雨环境下雨水的稀释作用仅表现在降雨的开始阶段,之后裂隙含水介质起主要作用;暴雨环境下雨水的稀释作用贯穿整个降雨过程,地下河水质主要受岩溶管道裂隙控制,水动力作用占主要地位。NO3-含量与电导率变化呈正相关,都与降雨量密切相关,从而说明降雨是导致岩溶区土壤元素流失的主要原因,也是造成岩溶山区地下水污染的重要原因。岩溶泉水化学动态变化的监测研究对于解决岩溶石山区居民的饮水、水土保持及石漠化治理具有重要意义。     

Modeling hydrological responses of karst spring to storm events: example of the Shuifang spring (Jinfo Mt., Chongqing,China)

Reproduction of hydrographs at karst springs has been an approach of understanding the karst aquifer, which normally acts as drains for the groundwater flow. However, its numerical modeling is difficult since factors for the internal geometry and connectedness are unknown and hard to quantify. Hydrographs of the karst aquifer with well-developed conduits in Shuifang spring catchment were obtained from the automatic gauging station at the spring orifice. Data as to the conduit system were also obtained based on results and analyses of tracer tests. With these data, the hydrological responses of Shuifang spring to storm events were simulated by storm water management model (SWMM) developed by USA EPA (Environmental Protection Agency). Nash–Sutcliffe efficiencies are used to compare the computed flow to the observed, which are 0.95 and 0.92 for calibration and validation. SWMM was verified and applicable in karst conduit drainage system. The model illustrated correctly quick recharge through conduits and slow and low inflow from the fissured aquifer matrix. The SCS-CN (soil conservation service-curve number) infiltration method was used for computation of losses and runoff. Field tests indicated that permeability was extremely high but different in karst area, which was less sensitive to the computed runoff when exceeded the common value provided by SWMM. Therefore, an improved quantitative infiltration model for karst area will make SWMM possible to be a useful tool for assessing and reproducing spring hydrographs.