西南岩溶地下河系统水流运动数值模型

为深入认识地下河系统水循环规律,针对与周围空隙介质有密切水力联系、分布于饱和带中且具有集中排泄的地下河系统,建立了水文地质概念模型.阐述了该类型地下河系统中不同含水介质水流运动特征及相应的运动方程,给出了数值模型中方程和空间离散方式及模型的求解方法,分析了数值模型中孔隙水和裂隙水自由面、管道有压和无压转换、管道层流和紊...     

西南岩溶地下河流量重复统计问题及对策探讨

西南岩溶区的地下河数量及总流量是有关职能部门和专业技术人员关心的两个重要数据。20世纪80年代对西南6省进行统计,结果为2 836条,流量1 482 m3/s;20世纪90年代对西南8省进行统计,并经过近年的数据库校核为2 523条,总流量1 321.7 m3/s;其中流量大于2 000 L/s有120条,合计流量699.7 m3/s,占总流量的52.94%;流量在50~500 L/s地下河最多,有1 311条,占总数的51.55%,其次为流量小于50 L/s的有723条,占总数的28.43%。文章针对上述统计方法存在岩溶地下河流量重复统计、与岩溶大泉流量交叉重复统计两种问题,以大小井和寨底地下河系统为例,给出了具体重复统计量。基于1∶20万水文地质普查资料,大小井和寨底地下河重复统计量分别占总出口流量的57.1%、7.1%;而基于最新调查资料,重复统计量则分别可增加到134.3%, 86.1%。因此,随着1∶5万水文地质调查面积越多,所发现的地下河出口越多,按传统的统计方法其重复统计量则越大。引起上述重复统计问题主要原因是把地下河系统和子系统混合在一起。文章最后讨论了地下河系统的空间属性,提出避免重复统计措施,对西南岩溶区地下河流量正确统计以及具有相同特征的岩溶大泉流量统计有一定指导意义。      

南洞地下河岩溶管道展布及结构特征的示踪试验解析

运用高精度的示踪试验研究了南洞地下河流域部分岩溶管道的展布状况,并对暗河管道的结构特征进行了分析。试验结果表明:一号暗河有一独立的含水系统,补给区为瓦白白一带,二号暗河主管道总体通往永宁和石洞方向,三号暗河通往城红寨方向,二号暗河和三号暗河在南洞口附近有连通,枯季时二号暗河补给三号暗河。此外,一号暗河和二号暗河分别呈老年期和壮年期地下河形态,较为畅通;三号暗河则发育较晚,出口处有较多的裂隙。最后,结合现有的资料及流域内的水文地质条件,对流域内岩溶管道的大体分布位置进行了推断,绘制了岩溶管道的展布图,以期为南洞地下河流域的岩溶水文地质调查、物探、钻探及地下水开发利用等提供理论依据。      

旅游活动输入岩溶地下河系统的水化学指纹记录

地下河系统是岩溶地质景观的重要组成部分,利用特殊岩溶地形地貌建立的国家重大科技基础设施成为科研和旅游的胜地。为了解旅游活动对岩溶地下河系统水化学的影响,文章分析了大小井地下河系统入口和出口在不同旅游时段的水化学特征。结果表明：受旅游人数影响,污水水化学变化较大;大小井水化学类型为Ca-HCO3型,水岩相互作用产生的Ca2+、Mg2+和${\rm{HCO}}_3^{-}$从入口到出口逐渐增加,而人类活动输入的K+、Na+、Cl−、${\rm{NO}}_3^{-}$和${\rm{SO}}_4^{2-}$则表现出差异性特征。小井地下河系统因受沿途城镇生活排放污水和农业活动影响,水化学波动较大,出口K+、Na+、Cl−和${\rm{NO}}_3^{-}$升高;大井地下河虽受旅游活动输入影响,但K+、Na+、Cl−、${\rm{NO}}_3^{-}$和${\rm{SO}}_4^{2-}$随着地下径流长度增加而降低。HFE−D和Gibbs模型以及离子比例系数分析显示,地下河系统受到了城镇生活排放、旅游和农业等人类活动输入的影响,这一现象应引起足够的重视。     

岩溶地下河管道流和管道结构及参数的定量示踪——以桂林寨底地下河为例

定量示踪研究是岩溶地下河管道流和管道结构参数估测的有用技术,可以为概化水文地质条件和数学模型研究提供科学依据.以桂林寨底地下河示踪试验为例,利用荧光素钠和罗丹明B为示踪剂,通过高精度、高密度和多指标的自动检测技术,不仅合理估算了管道流平均滞留时间、平均运移速度、弥散系数、管道过水体积、管道过水断面面积及其等效直径,而且表明常用示踪剂荧光素钠和罗丹明B在应用中存在的吸附性差异,认为荧光素钠吸附性弱,数据可信性强,而罗丹明B吸附性强,在数据解释中需要谨慎.     

岩溶地区地下河系统水资源定量评价的问题与出路

岩溶地区含水介质的多重性和高度复杂性,给地下河系统的水资源量评价带来许多难题。在分析地下河系统水资源形成、分布和运移特征基础上,认为目前用于地下水评价的主要方法都不太适用来解决地下河系统水资源量的评价和预测问题。作者在比较地下河与地表水多方面的相似性后,建议引入现代水文学的理论方法和模型来解决岩溶地区地下河系统水资源评价问题,并分析了可能需要解决的若干关键问题。针对岩溶水资源的特征,作者认为,改变传统定量评价的思维、引进现代水文学理论方法和充分利用3S技术,是解决地下河系统水资源定量评价的主要出路。      

基于流量衰减曲线的岩溶含水层水文地质参数推求方法

分析流量衰减曲线是研究岩溶含水层水文地质参数的重要手段。在阐明流量衰减分析理论的基础上,通过连续监测一年寨底地下河出口的小时流量过程,共获取8 784组流量数据。首先选取典型的2013年9月25日3:00暴雨后至2013年10月13日17:00的446组流量数据作为研究对象,并利用MATLAB软件对该时间段的流量过程进行曲线拟合,从而确定了不同阶段流量衰减系数分别为0.642 5、0.025 8、0.001 5;然后通过流量衰减系数计算寨底不同含水介质导水系数T与给水度S的比值;最后利用裂隙率近似给水度的方法确定了寨底不同含水介质的水文地质参数。结果表明,寨底岩溶管道、裂隙、基岩介质导水系数分别为:258.87、3 865.98、40.64 m²/d。说明辅以必要的水文地质调查,确定管道分布和径流距离,流量衰减曲线可用于计算岩溶含水层不同介质的导水性能和给水度。     

基于ANN模型重塑岩溶地下河系统流量数据可行性研究

西南岩溶地区地下河系统的多层次和多级性特征,决定了其输入因子与响应因子之间为非线性关系,传统的统计方法在揭示此类关系时效果欠佳,而人工神经网络模型( Artificial Neural Ne two rk—— ANN)正好弥补了此项不足,其在原理和构模上均表现出与岩溶地下河系统十分相似的特点。通过对广西地苏地下河系统水量数据的重塑发现, ANN模型重塑的效果明显优于传统的回归分析法,证明了运用ANN模型重塑岩溶地下河系统流量数据是完全可行的。      

典型岩溶地下河系统暴雨条件下水文水化学动态变化研究

利用HOBO小型自动气象站、WGZ21型光电数字水位计和CTDP300型在线水质监测仪,对典型岩溶槽谷地下河系统暴雨条件下水文水化学动态变化进行了连续监测,运用WATSPAC软件计算方解石饱和指数(SIc)和CO2分压(PCO2)。分析了降雨过程中,地下河系统水文水化学动态变化特征。结果表明:在降雨过程中,地下河系统总体以稀释效应为主,对降雨的响应速度快。其中,地下河入口水化学变化受降雨稀释效应和外界环境因素共同影响,变化复杂。出口水化学变化以稀释效应为主,较入口规律。强降雨初期主要由来自中下游岩溶裂隙和洼地对地下河管道的快速补给;降雨后期和降雨过程结束后主要由来自上游岩口落水洞的注入补给。青木关流域岩溶发育程度高,岩溶管道流畅通性良好。强降雨形成的短时地表产流集中注入、降雨入渗经裂隙的快速补给对地下河水质的好坏造成直接影响。     

裸露型岩溶区地下河系统岩溶水开发利用研究——以贵州省江口县凯德场地下河为例

裸露型岩溶区因其特殊的地质环境条件而具有独特的岩溶水资源形成和分布规律,其地下水资源十分丰富,但由于时空分布极不均匀,开发利用程度低,导致脆弱的岩溶环境所形成岩溶干旱及岩溶洪涝等生态环境问题突出。本文通过对凯德场地下河系统的水文地质特征、地下水开发利用条件进行分析,提出了因地制宜的地下水开发利用方案,为改善流域农村饮水不安全局面及生态环境提供有效途径,实现环境、经济、社会的协调发展。     

Sources and transports of organochlorine pesticides in the Nanshan underground river,China

Karst areas have much higher ecological vulnerability and are prone to be contaminated. Organochlorine pesticides (OCPs) were detected in waters and sediment from the two sites of the karst Nanshan underground river system, China, to understand the sources and transport of OCPs in the underground river systems. Obviously, seasonal variations were found both in the waters and the sediments. Detected OCPs ranged from 61 to 936 ng L^?1 in the groundwaters and 51–3,842.0 ng g^?1 in the underground sediments, respectively. OCPs in groundwaters were mixture of younger and older residues from commercial sources. The maximum OCPs in the sediments of the underground river were historically older residues from commercial sources. The sources of OCPs in the waters and sediments of the underground river indicated that the surface systems play an important role in OCPs transport and pollution in the underground river. Karst features were liable for the transport behavior.     

The hydrologic function and behavior of the Houzhai underground river basin, Guizhou Province, southwestern China

The genesis of the Houzhai karstic water system of the Guanling Formation, southwestern China, dates back to the Middle Triassic. Due to differences in the geomorphology and the extent of the underground river system with highly developed conduits, the hydrologic function appears to be complex. The hydrologic function and behavior of the karst system were analyzed by spring hydrograph (Mangin 1975) and by groundwater hydrochemical methods. The result obtained from the former shows that the Houzhai karstic water system behaves in a non-karstic way, with slow infiltration and a large regulation power. This study shows that Mangin’s karst classification is not applicable in the karstic water systems of southwest China. The hydrodynamic parameters obtained from Mangin’s spring hydrograph and the hydrochemical parameters obtained from the analysis of the bicarbonate relative frequency were combined to characterize the hydrologic function and behavior of the Houzhai karstic water system. The synthesized result shows that the distortion degree of the precipitation input is lower upstream, due to the different surface landform and the degree of karst heterogeneity. Mangin A (1975) Contribution à l’étude hydrodynamique des aquifères karstiqus (Contribution to the hydrodynamic study of karst aquifers). Thèse, Université of Dijon, France (Annales de Spéléologie 29(3), 283–332; 29(4), 495–601; 30(1), 21–124).     

基于在线示踪技术的岩溶地下河流场反演与水文地质参数估算

以青木关岩溶地下河为例,利用在线高分辨率示踪技术获取基础数据来探寻岩溶地下河形态特征,估算水文地质参数。试验中示踪剂回收率高达99 %,示踪剂历时浓度曲线有两个孤峰,前后峰值浓度分别为37.63 μg/L和1.21 μg/L, 两个孤峰的偏度和峰度均大于0,据此推测青木关岩溶地下河并无较大溶潭发育,且地下河流态为紊流流态。根据试验所得数据结合地下河地理空间信息,以经验公式估算得到地下河平均流速、摩擦系数、雷诺数、舍伍德数、施密特数等水文地质参数,分别为204 m/d、0.26、127 980、4 165、1 140,表明青木关地下河管道内部结构复杂,地下水环境比较脆弱,且估算得到的雷诺数所表征的地下河水流态与示踪剂历时浓度曲线得到的结果一致。      

地下空间逾渗与裂缝属性的关系分析

裂缝连通性评价是地下空间研究的重要内容。逾渗分析是研究裂缝网络连通性的一种有效手段。裂缝网络逾渗临界值多使用裂缝间接表征参数(如分形维数)来确定,但存在裂缝网络连通性不同却有相同间接表征参数的情况,这降低了预测的可靠性。为避免此类问题并更加准确快速地表征裂缝网络的连通性,文章在构建逾渗临界值方程时,摒弃了间接参数简化的方式,使用裂缝直接表征参数(如裂缝数量、长度等)进行非线性拟合。通过二维数值模拟建立不同参数的离散裂缝网络模型,分析逾渗低、中、高概率临界条件与裂缝直接表征参数的关系,建立逾渗临界条件预测方程,并对方程在不同尺度研究区的应用进行了讨论和验证。结果表明：预测方程可有效地预测不同概率的逾渗临界值。同时文章在预测方程的基础上,建立了裂缝网络连通性评价标准,这对于裂缝发育地区的地下空间评价工作具有一定的指导和借鉴意义。     

基于“三源模式”的岩溶地下河区污染场地修复治理——以遵义坪桥地下河系统为例

在分析岩溶地下河系统范围内水源、污染源特性的基础上,建立了双源调查、源汇追踪和源头阻控为主要内容的岩溶地下河污染修复治理模式——三源模式。以遵义市坪桥地下河系统为例,利用三源模式对该地下河污染进行修复治理实践。结果表明：研究区分布有各类水点25处,以钻孔、岩溶泉点、地下河出口为主,特征污染物为以NH地下河; 污染; 修复; 双源; 近源截排; 帷幕工程在分析岩溶地下河系统范围内水源、污染源特性的基础上,建立了双源调查、源汇追踪和源头阻控为主要内容的岩溶地下河污染修复治理模式——三源模式。以遵义市坪桥地下河系统为例,利用三源模式对该地下河污染进行修复治理实践。结果表明：研究区分布有各类水点25处,以钻孔、岩溶泉点、地下河出口为主,特征污染物为以NH₄⁺、NO₃^-、SO₄^2-、Mn2+、Se2+为主;分布有各类污染源点15处,以工业废渣堆放场为主,主要分布在地下河系统下游坪桥工业园区一带,特征污染物同样为以NH₄⁺、NO₃^-、SO₄^2-、Mn2+、Se2+为主;地下河系统范围内有3条地下水污染通道,均分布在地下河出口与坪桥工业园区Z1(1#、2#)废渣处置场之间;通过对2#废渣处置场排洪竖井-地下河出口这一污染通道上游段进行帷幕工程修复后,地下河出口可减排污水排放量47 244...     

喀斯特生态系统生物地球化学过程与物质循环研究:重要性、现状与趋势

喀斯特地质与生态系统是地球表层系统中的重要组成部分,其变化将对其他地区以及整个地球系统产生影响.生物地球化学循环是全球和区域变化研究的核心内容,而生态系统的演化与系统内水分和养分的生物地球化学循环密切相关。因此,我们有必要将喀斯特生态系统纳入到更大区域或全球生态系统中进行分析研究,在充分研究认识整个喀斯特生态系统物质生物地球化学循环规律的基础上,进一步研究喀斯特生态系统的全球变化响应或影响机制,为喀斯特生态系统优化调控对策和措施提供科学基础。研究生态系统演化过程中物质的生物地球化学循环规律,是研究植物适生性、物种优化配置和适应性生态系统调控机理的关键基础。在介绍前人工作基础的同时,本文全面而概括地总结了我们近年利用元素、同位素(如δ13C、δ15N、δ34S、87Sr/86Sr)示踪和化学计量学理论和方法对喀斯特生态系统中不同界面和流域中物质的生物地球化学循环及其生态环境效应的研究成果。认识到:喀斯特流域生物地球化学循环活跃,相互耦合,并与流域生态环境变化相互制约;人类活动正干预流域物质的自然生物地球化学循环过程,并导致相应的生态和环境效应;全球变化科学深化有赖于区域生态环境变化及物质生物地球化学循环的研究。这些认识是我们将来系统深入开展喀斯特以及其他流域生态系统物质生物地球化学循环研究的重要方向。     

Pollution pattern of underground river in karst area of the Southwest China

Investigation of groundwater pollution has been carried out on multiple typical karst underground river systems in recent years in order to reveal the characteristics and mechanism of underground river pollution. Through the summary of the survey results, five characteristics of underground river pollution have been revealed, including directionality, weak hysteresis, easier for reversibility, linear and intermittent (or seasonal); combining with karst geomorphic types, pollution sources (primordial, secondary pollution and compound), pollution ways and pollution receptors, three basic pollution patterns of the underground river were depicted: Recharge area pollution, runoff area pollution and discharge area pollution. At the same time, the study discloses the reality of the underground river pollution is the three basic patterns and their subgenera in combination with super imposition on the space and time. And from the angle of the hydrogeological model, the study expounds the process of underground river pollution. Finally, the study gives naming rules of pollution pattern of the underground river and sets up PISAB method of pattern recognition. The results provide scientific basis for pollution repair and management of underground river in the southwest karst region.