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岩溶山区包气带洞穴滴水水文水化学过程与水量研究-以硝盐洞研究为例

作　者: 周文亮
导　师: 贾亚男
学　校: 西南大学
专　业: 第四纪地质学
关键词: 硝盐洞滴水表层岩溶带水化学过程水文特征
分类号: P641
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

由于全球变化,极端气候事件频繁发生,近年来在我国西南地区干旱灾害持续不断,多地人畜饮水困难。在岩溶石山地区,由于其特殊的水文地质结构,以及缺乏良好的植被覆盖,干旱灾害尤为严重。加强对岩溶山区水文水化学过程的了解,认识岩溶山区包气带调蓄机制,探索出符合岩溶石山地区的水资源开发利用与保护模式,提高应对极端干旱气候事件的能力是迫切需要解决的科学问题。早在上世纪九十年代,以广西桂林丫吉村为例,就已开展了中国南方裸露型岩溶峰丛山区岩溶水系统及其水文模型的研究,将峰丛山区岩溶水文系统划分为三个调蓄带：表层岩溶带(上部包气带)、下部包气带和饱水带。三个调蓄带中,上部包气带水资源的保护利用是解决岩溶山区干旱问题的关键,本文中选择丫吉试验场内包气带洞穴——硝盐洞作为研究岩溶山区上部包气带地下水文特征的载体,通过定期采样和在线监测手段了解洞穴水文水化学和水量的变化特征,探讨洞穴上部包气带的水文过程,调蓄机制,最后根据上部包气带水文特征,提出岩溶山区水资源开发利用与保护的方法。研究的内容主要包含三个部分：硝盐洞水化学动态变化特征及其水文过程意义；水量的动态变化过程与调蓄机制；岩溶石山地区水资源的利用与保护。对三个具体内容的研究得到以下认识：1.水化学动态变化过程(1)硝盐洞滴水离子浓度的动态变化与温度和降水关系密切,高温多雨的天气加快岩溶作用,使得洞穴滴水中Ca2+、Mg2+含量升高。此外,岩溶洞穴滴水的水化学性质与洞穴顶板厚度有关,土壤层越厚,分布越均匀,滴水中钙离子含量越高。(2)洞穴滴水的水化学性质受到补给方式的影响,如果滴水点上部土壤或者基岩顶板具有一定厚度,降雨沿土壤和基岩裂隙“慢速补给”,滴水量和Ca2+浓度呈正相关；如果降雨经坡面汇流灌入管道“快速补给”,滴水量与Ca2+浓度呈负相关；(3)在线监测表明硝盐洞主要滴水点,滴水电导率、水温、滴水量等与降雨之间存在良好的对应关系,对降雨响应快速,但是响应幅度存在季节差别,在雨季前期响应幅度较大。同时由于活塞效应,包气带调蓄等作用的影响,电导率峰值略早于滴水量峰值,温度峰值相对滞后于流量峰值。2.洞穴水文过程与水量特征在对硝盐洞水文过程和水量研究时,从降雨补给到洞穴滴水的整个水文过程,包括补给、径流、排泄方式分别做了分析,硝盐洞所在岩溶山坡的水文过程具有自身的特点：(1)硝盐洞接受的补给形态,有坡面流沿管道裂隙直接灌入的快速补给,同时也存在表层岩溶带水沿微小溶隙缓慢的渗透补给。两种补给形式在强降雨过程中都会增强。但在雨后快速补给方式会很快消失,表层岩溶带及所处上部包气带微小裂隙慢速渗透的补给才可以持续很长时间。(2)因表层岩溶带的存在,岩溶山区产流模式独特,依据界面产流原理,硝盐洞上部包气带具有的径流包括：超渗坡面径流、表层岩溶带水流、管道径流,在土层较厚的地方还存在壤中流。因为表层岩溶带的存在和岩溶石山地区浅薄的土壤层,坡面径流往往是超渗产流、表层岩溶带回归流和土壤水的混合,在表层岩溶带以下,往往还存在渗透水流和渗漏水流。(3)在硝盐洞内下渗水的排泄形态多样,有滴状,线状和悬挂幕状水流。排泄快慢也不相同,排泄形态和速度的多样性主要由洞穴上部的补给和径流形态所决定。(4)洞穴内主要滴水点的流量衰减过程有明显的两个衰减亚动态,两个衰减亚动态的衰减系数差别很大,第一个衰减亚动态的衰减系数大,退水过程快速,第二个衰减亚动态的衰减系数很小,流量也很小。这说明洞穴上部至少存在两个明显的不均一含水介质,这两个介质可以概化为以表层岩溶带较大管道裂隙组成的快速流含水介质和以土壤微小溶隙构成的慢速流含水介质,或者这可以认为滴水组成来源包含两个部分。(5)在对硝盐洞主要滴水观测点的流量做衰减过程分析和对全年总径流做基流分割中发现整个洞穴上部的调蓄能力很差,在裸露型岩溶山区可供利用的慢速流水量很少,基流只占观测时段径流总量的11.2%,这样调蓄特征极易发生旱涝灾害。3.洞穴水资源利用与保护通过水化学和水量的分析研究概括出了硝盐洞山坡坡面至硝盐洞的水文过程模式。依据岩溶山区特有的水文过程模式,提出在硝盐洞因地制宜的修建坡面引水渠道,洞穴储水工程,从而更好的储存雨季的坡面产流和表层岩溶带快速径流。恢复生态环境,增强表层岩溶带的持水性能,调蓄能力,从而延长洞穴水量衰减时间,提高基流比值,以减少旱涝灾害的危害。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
第1章绪论  10-20
  1.1 选题依据与意义  10-11
  1.2 国内外研究现状分析  11-15
  1.3 研究内容  15
    1.3.1 硝盐洞滴水水文水化学过程  15
    1.3.2 硝盐洞滴水水量动态变化特征  15
    1.3.3 岩溶山区水资源的开发利用  15
  1.4 研究目标  15-16
  1.5 技术路线  16
  1.6 研究方法  16-20
第2章研究区概况  20-24
  2.1 研究区自然地理概况  20
  2.2 研究区域地质构造背景  20-21
  2.3 硝盐洞具体形态  21-24
第3章硝盐洞滴水水文和水化学动态变化特征  24-32
  3.1 水文水化学动态变化特征研究具体方法  24
  3.2 主要水化学指标的季节性动态变化分析  24-26
  3.3 离子浓度与滴速关系  26-27
  3.4 降雨过程中滴水理化性质变化的季节差异  27-29
  3.5 单场降雨的水化学过程  29-30
  3.6 本章小结  30-32
第4章硝盐洞水文过程与水量分析  32-42
  4.1 硝盐洞水文系统补给、径流、排泄研究  32-35
    4.1.1 补给面积与补给方式探究  32-34
    4.1.2 径流特征分析  34-35
    4.1.3 排泄特征  35
  4.2 洞穴滴水水量的动态特征及成因分析  35-39
    4.2.1 流量的动态分析  35-36
    4.2.2 流量衰减过程与分析  36-38
    4.2.3 衰减系数分析  38
    4.2.4 洞穴上部赋水空间分析  38-39
  4.3 硝盐洞水文过程的基流分割  39-41
  4.4 本章小结  41-42
第5章硝盐洞水资源过程及开发利用模式探索  42-46
  5.1 岩溶山区水资源利用现状  42
  5.2 硝盐洞水资源过程  42-44
  5.3 硝盐洞水资源利用探索  44-45
    5.3.1 坡面汇流与洞穴防漏工程  45
    5.3.2 改善生态环境、建设水源涵养林  45
  5.4 小结  45-46
第6章结果讨论与研究展望  46-48
  6.1 主要研究结果与讨论  46-47
  6.2 研究展望  47-48
参考文献  48-54
致谢  54-56
作者简介  56

岩溶山区包气带洞穴滴水水文水化学过程与水量研究-以硝盐洞研究为例

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