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2020年  第39卷  第3期

水文地质
中国北方岩溶地下水污染分析
高旭波, 王万洲, 侯保俊, 高列波, 张建友, 张松涛, 李成城, 姜春芳
2020, 39(3): 287-298.
摘要:
近年来,受气候变化和强烈人类活动的影响,环境物质及能量多频次、大范围的输入,极大程度上改变着岩溶水系统的水环境质量,岩溶水生态环境遭受不同程度的威胁和破坏,岩溶水水质日趋恶化。本文归纳分析了我国北方岩溶水系统水质特征、污染现状、污染来源及污染途径。我国北方岩溶水水质类型中硫酸盐型水和氯化物型水的分布逐渐增加,主要污染组分为总硬度、SO42-、F-、NO3-和TDS等。其中硫酸盐和硝酸盐污染强度和范围最大,呈现出显著的人类活动影响特征。依据我国北方岩溶系统结构及水力学特征,将岩溶水污染途径概括为:①连续入渗型——主要包括岩溶区地表水(河流、水库等)渗漏污染,城镇污水渠或排污管道破损引起的污水渗漏污染;②越流型污染——污染孔/裂隙水(含矿坑水/老窑积水等)越流污染岩溶水;③间歇入渗型——固废淋溶入渗和污水灌溉渗漏污染等。据此提出了推进岩溶水水资源保护和污染防治的合理化建议。
藏北温泉盆地地热田水文地球化学特征研究
徐刚, 伍坤宇, 王鹏, 陈永东, 李兴彦, 胡林, 刘子畅, 李海
2020, 39(3): 299-310.
摘要:
藏北温泉盆地地热资源丰富,但研究程度较低。为查明温泉盆地地热资源赋存状态及热源来源,揭示热循环机理,定量评估研究区热储温度、冷水混入比例、热循环深度等,利用温泉盆地地热田共18组温泉水样进行水化学分析,进行定量计算。结果表明:温泉盆地温泉水水化学类型主要为Ca-HCO3?SO4型。温泉盆地地下热水在向上运移过程中,受浅层地下水的混合作用影响,使得热水变为“未成熟水”。温泉水中文石、方解石等钙质热液的饱和度指数大于0。热储温度60.93~96.52 ℃,热循环深度3 238.06~5 215.28 m,冷水混入比例在20.97%~70.19%之间。硅-焓模型计算出未混入冷水时深部热储温度在81.94~167.26 ℃之间,热储循环深度4 405.56~9 145.56 m。
碳酸钙纳米孔隙中凝聚水数学模型及实验研究
胡云皓, 于青春
2020, 39(3): 311-318.
摘要:
岩石纳米孔隙中的凝聚水与许多水文地质工程地质问题关系密切:干旱区凝聚水是维持当地生态平衡的重要水资源,石雕石刻文物保护中凝聚水问题是需要考虑的关键因素之一,页岩气工程中页岩纳米孔隙中的凝聚水对页岩气的聚集和流动有重要影响,全球碳循环问题中凝聚水会影响C02与碳酸盐岩的作用。本文给出了单位体积岩石形成的凝聚水的质量与温度、相对湿度、孔隙度、颗粒大小之间数学关系式。在这一关系式中,通过分离压理论计算吸附水,通过开尔文方程考虑了毛细作用。把解析计算结果与三个平行样四个不同湿度下的凝聚水量实验值对比,对所提出的数学表达式进行了验证。实验时选取直径500 nm的碳酸钙球形颗粒,采用夯实的办法加工成样,把样品置于恒温恒湿环境中令水汽在孔隙中凝聚,定期对样品称重计算凝聚水质量,直到凝聚过程达到平衡。
泸西喀斯特断陷盆地地表水与地下水流域边界与水动力性质
王波, 张华, 王宇, 张贵, 张文鋆, 高瑜, 罗为群
2020, 39(3): 319-326.
摘要:
在详细调查基础上,采用系统科学及水文地质分析方法,依据地形地貌、地层岩性、地质构造、示踪试验、地下水排泄基准面、喀斯特发育条件及发育规律等剖析论证流域边界,并通过钻探及示踪试验进行验证。研究结果:(1)对泸西喀斯特断陷盆地南东部的水系统边界向北移进行了修正,证实了三塘一带深部不发育的喀斯特是地下水分水岭边界,使得泸西喀斯特断陷盆地流域的径流系统和边界圈化更加准确;(2)泸西喀斯特断陷盆地流域地表水、地下水转化频繁,地表水径流特征主要以小江河在水库、河流、伏流间的径流转化过程为体现,地下水在侵溶山区接受大气降水补给后,上层径流以泉、暗河的形式在泸西盆地底面排泄后转化成地表水,最终汇集于盆地南部、通过工农隧洞及落水洞排向小江,而下层径流则以小江水面为基准,通过深层径流排泄。
鲁中南山区古近系朱家沟组灰质砾岩溶蚀发育特征及水文地质意义
刘元晴, 周乐, 李伟, 丁鹏, 吕琳, 马雪梅, 孟顺祥, 邓启军, 李波
2020, 39(3): 327-334.
摘要:
以大汶口盆地南北两侧分布的朱家沟组灰质砾岩为研究对象,通过钻探施工岩心编录、野外井点调查、可控源音频大地电磁法、抽水试验等技术方法研究盆地南北两侧灰质砾岩溶蚀发育特征及富水性,以施工水文地质钻孔为例,系统总结出盆地南北两侧灰质砾岩的富水规律。结果表明:朱家沟组含水层单井涌水量为720~2 027 m3?d-1;受沉积环境和构造发育影响,盆地北部和南部朱家沟组含水层在岩石结构、物性、溶蚀发育特征、地下水补给来源、富水性等方面存在明显差异。此灰质砾岩富水规律在鲁中南山区具有普遍性和适用性。
相关和频谱分析法在岩溶系统中的应用研究综述
李建鸿, 蒲俊兵, 张陶, 王赛男
2020, 39(3): 335-344.
摘要:
岩溶含水层由多重含水介质组成,具有高度的非均质性,从系统角度出发,将岩溶系统看作是一个过滤器,将降雨作为输入信号,泉流量、水位、电导率、浊度等物理化学参数作为输出量进行相关和频谱分析是认识岩溶系统内部结构特征的有效方法。文章综述了相关和频谱分析法在岩溶系统研究中的应用,首先介绍了相关和频谱分析法基本理论的形成、发展过程和研究意义,然后总结了如何根据不同的研究目的选择相关和频谱分析法使用的时间序列的长度、周期和类型,最后阐述了该方法应用于岩溶系统分析的局限性。
马达加斯加Mahajanga盆地岩溶水文效应
危润初, 孙萌, 彭向训, 袁汉明, 郑仰奇
2020, 39(3): 345-351.
摘要:
本文在对马达加斯加地质演化研究成果分析的基础上,通过野外调查和监测,结合已有水文资料对Mahajanga盆地岩溶的水文效应开展研究。受地质结构、岩性等条件的控制,Mahajanga盆地东部演化形成绵延近300 km的岩溶槽,在西南部则形成面积达12 000 km2的岩溶台地。岩溶槽和岩溶台地的岩溶发育均以水平方向为主,垂直方向发育较浅,岩溶形态则呈现出明显的均等溶蚀特征。盆地东部岩溶槽拦截了大部分来自高原的河流,是马达加斯加最重要的汇流区,同时,特殊的地质结构也演化形成独特的地下“汇流”系统。岩溶槽区内平缓的河床比降、复杂的河流网络、星罗棋布的湖泊和洼地、分布广泛的松散堆积层以及面积广阔的地下岩溶系统,构成了巨大的水循环调节库,对水文过程将产生较大的“滞流”效应。盆地西南部的岩溶台地面积广,规模大,是一个巨大的天然储水“水库”,对地表径流起到重要的调节作用。
生态地质
出露石牙对珍稀濒危植物四药门花分布与叶表型性状的影响
俞筱押, 杨光琴, 丁智强, 余瑞, 潘成臣
2020, 39(3): 352-358.
摘要:
喀斯特区常见的出露石牙对水分和养分的再分配影响了植物物种的分布与适应特征。为了解出露石牙对中国特有珍稀濒危植物四药门花(Loropetalum subcordatum)的分布与叶表型性状的影响,用样带法对贵州茂兰国家自然保护区内四药门花个体根部和周边最近石牙与土表连接处的距离进行调查、并选择距石牙不同距离的乔木植株叶片进行表型特征测量。根据四药门花植株的分布特征,将其与石牙距离分为三组(0 cm、0.1~10 cm、≥10 cm)进行分析。结果表明:①本次共调查到四药门花个体515株,其中胸径≥1 cm的388株(75.3%)。胸径最大值为17.5 cm,该植株距石牙7 cm。胸径≥1 cm植株距石牙0 cm、0.1~10 cm、≥10 cm植株数分别为89株平均胸径3.44±2.26 cm、21株平均胸径4.38±4.55 cm和278株平均胸径3.93±2.75 cm;幼苗和幼树距离石牙0 cm有19株、0.1~10 cm有62株、≥10 cm有46株。②茂兰四药门花种群叶长106.60±19.28 mm、叶宽47.53±10.10 mm、叶宽/长0.45±0.08、叶厚0.32±0.05 mm、叶柄长12.82±3.35 mm、叶柄径1.43±0.35 mm。距石牙0 cm组、0.1~10 cm组和≥10 cm组四药门花的叶长、叶宽、叶柄径差异不显著(P>0.05),叶厚、叶宽/叶长、叶柄长差异极显著(P<0.01)。石牙出露深刻影响了四药门花的分布和植物的适应特征。
典型岩溶县生态承载力演变分析——以云南泸西为例
李旭尧, 邓艳, 曹建华, 蒋忠诚, 徐烨, 梁锦桃
2020, 39(3): 359-367.
摘要:
以云南省泸西县为研究对象,从生态弹性力、生态支撑力、生态压力3个维度将生态承载力目标分层,结合研究区石漠化严重、水资源匮乏、经济结构以农业为主的特点构建了岩溶石漠化县的生态承载力综合评价指标体系,并采用主客观有机结合的赋权方式,评价了泸西县2008-2017年生态承载力演变规律。结果显示:在研究时段内,生态弹性力指数波动剧烈,生态支撑力指数稳定上升,生态压力指数略有下降,生态承载力指数由0.269 2增加至0.759 0,由低承载力上升到较高承载力,虽然在2012年受严重自然灾害影响有所下降,但是承载力整体上升明显,泸西县生态系统的承载能力有所提高,可持续发展状况有所提升;受岩溶断陷盆地坡度陡、水土流失及石漠化严重等问题的制约,叠加原始粗放的耕作方式,泸西县第二、三产业发展缓慢,这仍制约着泸西县经济的可持续发展。
云南蒙自断陷盆地石漠化区土壤钙形态特征
张鹏, 胡晓农, 杨慧, 任梦梦, 周孟霞, 陈梁茵
2020, 39(3): 368-374.
摘要:
以云南蒙自断陷盆地区为研究区,沿盆地、坡地到高原面分别采集不同石漠化程度下的土壤,采用连续浸提(BCR)提取方法测定不同形态钙含量,以探讨断陷盆地不同地貌部位不同石漠化程度石灰性土壤钙形态特征及其影响因素。结果表明:研究区土壤中钙以交换态钙含量最多,表明断陷盆地石灰土中钙的生物有效性高,各形态钙的大小顺序为交换态(61.04%)>残渣态(18.53%)>酸溶态(17.44%)>水溶态(1.63%)>有机结合态(1.36%)。地貌部位和石漠化程度对钙形态分布均具有重要影响,地貌部位的影响主要是通过影响温度、降雨等气候条件而影响土壤钙形态含量,而石漠化程度越强的土壤中钙含量尤其是交换态钙含量相对较高,这主要是由于裸露岩石的“聚集效应”造成的。
灾害地质
西南典型紧窄褶皱小尺度浅层岩溶水系统特征及隧道涌水分析
李潇, 漆继红, 许模
2020, 39(3): 375-383.
摘要:
西南地区典型紧窄褶皱控制下的浅层岩溶水,具有循环交替快、水量丰富等特点。精细刻画小尺度浅层岩溶水系统模式类型及其特征,对于探讨岩溶水资源量以及中—浅埋隧道涌水条件具有重要意义。本文以西南典型紧窄褶皱——重庆铜锣山背斜和遵义铜锣井背斜为研究对象,细致地梳理岩溶水系统特征的控制性因素,提出地层空间结构的细微差异导致含水介质及地下水补给、径流、排泄特征等不尽相同。据此,将研究区浅层岩溶水系统细分为四类小尺度模式,并基于各模式差异分析中—浅埋隧道涌水条件。研究认为:穿越不同小尺度岩溶水系统的隧址段,其涌水条件具有一定差异;间互式地层空间结构导致小尺度浅层岩溶水系统之间因地表水体的转换而存在联系,计算涌水量时需考虑相邻可溶岩地层外源补给,而包裹式结构则造成各系统相对独立,计算时需考虑相邻非可溶岩地层外源补给;深切河谷排泄边界,不可忽略降雨对隙流散排型模式的补给,计算涌水量时,降雨量参数应小于年均降雨量,但若边界为浅切河谷,降雨量参数可直接选用年均降雨量。
深埋特长隧道的突涌水危险性评价研究
贺华刚
2020, 39(3): 384-390.
摘要:
为评价隧道突涌水风险,确保施工安全,本文结合工程实例,利用层次分析法和模糊理论构建了隧道突涌水危险性评价模型,并利用P×C分级法确定隧道突涌水危险性等级。实例检验表明:该模型的权值求解方法具操作简单、准确性高等优点,能有效通过一致性检验,且隶属度求解过程有效综合了定性分析与定量评价,保证了分析结果的准确性;同时,该评价模型可定量评价隧道突涌水的危险性等级,且判别结果与现场实测值的判别结果具较好的一致性,验证了该评价模型的可靠性和准确性,为隧道突涌水危险性评估提供了一种有效途径。
基于综合指数法的泰莱盆地岩溶塌陷风险性评价
吴亚楠, 王延岭, 周绍智, 唐丽伟, 焦玉国
2020, 39(3): 391-399.
摘要:
泰莱盆地岩溶地面塌陷始发于20世纪60年代,至今岩溶塌陷地质灾害仍不断发生,造成了日趋严重的经济损失和社会影响。本文将泰莱盆地作为整体研究对象,在对工作区地质环境条件进行充分分析的基础上,选取了包括岩溶塌陷影响因子及能反应社会影响的易损因子(包括灾损敏感因子和抗损强度因子)在内的共计12项指标作为岩溶塌陷评价要素,建立了研究区风险性评价体系;然后,利用层次分析法(AHP)计算各评价要素的权重,结合已有资料绘制各指标分级图并分别赋值;最后,利用MAPGIS软件叠加计算风险性指标,依据风险性分级标准进行研究区岩溶塌陷风险性评价分级区划。结果表明:高风险区主要分布在泰安市城区火车站、訾家灌庄、东羊娄—旧县一带;莱芜市大王庄镇孤山—后枯河及铁矿区孟公清、泉河一带,这些区域多位于水源地周边或矿山企业排水区,高强度的抽排地下水是岩溶塌陷发生的最主要的致塌因素。
地下水多元示踪试验在岩溶隧道水害预测中的应用——以张吉怀高铁兰花隧道为例
常威, 谭家华, 黄琨, 程烯, 黄镇, 万军伟
2020, 39(3): 400-408.
摘要:
以张家界—吉首—怀化高速铁路兰花隧道为例,在岩溶水文地质调查基础上结合地下水多元示踪技术,查明了兰花隧道隧址区各岩溶地下水系统以及地下暗河管道的空间展布。结果表明:(1)兰花隧道及其附近区域全部为寒武系碳酸盐岩裸露区,以峰丛洼地为主,地表和地下岩溶极为发育;(2)兰花隧道隧址及其附近区域共发育有呆业洞和兰花洞两个独立的地下暗河系统,其中Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号三个岩溶水系统属于兰花洞地下暗河系统的子系统;Ⅳ号岩溶水系统属于呆业洞地下暗河系统;(3)Ⅳ号岩溶地下水系统在平面和剖面上都没有与兰花隧道相交,不会对隧道突涌水构成威胁;(4)兰花洞地下暗河系统以中部兰花洞暗河天窗为界分为上游和下游两段,上游段Ⅰ号和Ⅱ号岩溶水系统在平面和剖面上都没有与兰花隧道相交,不会对兰花隧道突涌水构成威胁;下游段Ⅲ号岩溶水系统在平面上与兰花隧道相交(交点里程为DK60+100),可能存在隧道突涌水风险;(5)依据高分辨率降雨-水文动态监测数据,采用降雨入渗系数法预测在极端暴雨情况下兰花隧道揭露Ⅲ号岩溶管道的最大涌水量为7.08×104 m3?d-1。
基于数字图像处理技术的溶蚀岩体细观变形破坏机制模拟研究
余逍逍, 史文兵, 王小明, 梁风, 徐伟
2020, 39(3): 409-416.
摘要:
通过数字图像处理技术对广泛发育于岩溶地区的溶蚀岩体的溶蚀特征进行提取,构建离散元溶蚀岩体模型,并模拟单轴压缩试验研究溶蚀岩体的细观变形破坏机制,以分析溶蚀岩体的变形破坏特征和裂隙演化规律。结果表明:溶蚀岩体模型能够很好地表征岩体的溶蚀特征,对真实的溶蚀形态具有较好的还原作用;溶蚀岩体的累计破坏数曲线呈现“S”型变化特征,即分为裂隙不发育阶段、稳定发育阶段和不稳定发育阶段,溶蚀岩体的破坏具有累进性特点;由于溶蚀孔洞的存在,使得溶蚀岩体接触力力链表现出各向异性特征,随着加载的进行,岩体骨架为抵抗外部荷载的作用,导致接触力在岩体骨架内集中,表现为接触力力链线条变粗;随着应变的增加,试样发生起源于溶蚀孔洞周围的破坏,破坏区域发生卸荷作用,接触力力链被淡化,最终试样发生破坏,力链消失,溶蚀岩体应力应变关系是试样内部接触力变化规律的宏观表现。
有机骨架材料充填地下溶洞的支护性能及稳定性分析
周洁军, 程峰, 吴迪, 谢廷勇, 苏夏征
2020, 39(3): 417-425.
摘要:
基于有机骨架材料的吸附作用,分析有机物质降低岩石矿物电解质的电导性质的作用机理,通过渗透试验、抗疲劳试验等验证了有机骨架材料良好的透水性能、抗疲劳性能、抗冲击性能及胶结泥化性能,在静载条件下对实际溶洞进行充填应用,验证了充填效果及材料性能,并建立仿真模型研究了下沉位移的变化规律。结果表明:有机复合材料能够使矿物元素活度系数变小,介电常数降低,与矿物颗粒结合后会形成稳定的晶格结构;有机骨架材料作为治理溶洞的充填材料,其结构性、耐久性都优于传统的充填材料,可满足岩溶地面塌陷治理工程中强度、稳定性与渗透性的材料要求,有效的提高了基础的抗沉降能力;实际充填施工过程中的数值分析与现场监测的位移变化规律与沉降趋势都具有较好的一致性,表明数值模拟的计算参数选取合理,得出的仿真变形规律可应用于指导工程施工。
气候环境
基于岩溶洞穴旅游活动中洞穴环境因子的研究
朱晓燕, 张美良
2020, 39(3): 426-431.
摘要:
随着人们生活水平的不断提高,岩溶洞穴旅游活动日益频繁,使得对洞穴环境的综合研究以及洞穴旅游管理变得尤为重要。通过调研国内外岩溶洞穴旅游管理的现状,结合岩溶洞穴环境的研究成果,综合分析岩溶洞穴环境因子,如温度、相对湿度、洞穴CO2浓度等,对岩溶景观的影响,探讨溶洞环境的自净能力以及景观保护与修复措施等问题;针对目前岩溶洞穴旅游开发的有限空间与无序客流的矛盾,提出了合理调控洞穴旅游客流量,增强洞穴旅游景观资源保护意识,从地学、旅游、环境以及健康等角度评估和开发洞穴,使旅游活动对环境因子的影响限制在可控范围,实现洞穴旅游的可持续发展。
大高加索山南部大气降水氧同位素的气候意义
王涛, 李廷勇, 张键
2020, 39(3): 432-441.
摘要:
大高加索山脉位于黑海和里海之间,是欧洲与亚洲的分界线,该区域气候受到北大西洋涛动 (North Atlantic Oscillation, NAO)的强烈影响。为了对该区域的大气降水δ18O (δ18OP) 与NAO的关系有更加深入的认识,本文利用大高加索山以南6个全球降水同位素监测网(Global Network of Isotope in Precipitation, GNIP)站点的δ18OP数据,分析该区域δ18OP 的季节变化规律,以及δ18OP与温度和降水量等气象要素及大气环流之间的关系。得到以下主要认识:① 在月时间尺度上,δ18OP与月平均温度之间有着显著的正相关关系(p<0.01),表明该区域δ18OP主要受当地温度控制,表现出“温度效应”。② 北大西洋涛动通过改变西风的强度和位置从而影响δ18OP 的变化:当NAO呈现负相位时,此时西风输送较弱,使得来自地中海的富含18O的水汽能够达到大高加索山以南,该地区δ18OP偏正。而当NAO正相位时,西风急流输送较强,从北大西洋穿越黑海带来更多的δ18OP 偏轻的降水。因此,NAO所导致的水汽输送路径的变化可能是影响大高加索山以南地区δ18OP的重要因素,这一研究结果为利用该地区地质记录中的δ18O记录来重建过去的NAO变化提供了前提。
贵阳城区大气污染物的时空变化和复合污染特征
苏志华, 韩会庆, 陈波
2020, 39(3): 442-452.
摘要:
选取贵阳市10个空气质量监测站发布的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3实时浓度数据,通过时间序列分析法和插值法研究贵阳市大气污染物的时空变化和复合污染特征。结果表明:(1)贵阳市2014-2018年主要污染物PM2.5和PM10的年平均浓度逐渐下降,光化学污染物O3年平均浓度有所增加,空气质量逐渐转好,环境治理取得明显效果;(2)2018-2019自然年PM2.5、PM10、NO2和O3在春季污染最严重,SO2和CO在冬季污染最严重,反映出污染源、阶段性燃料燃烧和二次离子生成等因素对不同污染物的影响不同;(3)PM2.5和PM10日变化特征为“午峰晚峰”型,峰值发生的时间因季节而异,主要由不同季节人类作息的起止时间不同所致,O3日变化为单峰型,夜间O3浓度较低,从早晨8:00点开始随着太阳辐射的增大和温度的升高,在15:00-16:00点左右达到峰值;(4)PM2.5的空间分布呈现出部分郊区和工业区较高,市中心居民区较低的特征,指示城市建设向郊区推进。O3浓度呈现出市区低、郊区高的空间分布特征,反映郊区植被覆盖好,释放的天然源VOCs促进了O3生成;(5)主要污染物O3与颗粒物PM2.5和PM10在春季造成的复合污染最为严重,在夏季O3与PM10造成一定程度的复合污染,在秋冬季O3浓度最低,O3与颗粒物不产生复合污染;一天之内同一时刻O3与颗粒物不会产生叠加从而造成复合污染。