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2022年 第41卷  第2期

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水文地质
基于表层岩溶带调控的峰丛洼地低影响开发构建
姜光辉, 刘凡, 王奇岗, 郭芳
2022, 41(2): 165-173. doi: 10.11932/karst2021y32
摘要:
岩溶峰丛洼地地区石漠化、饮水困难和水污染等环境问题高发,生态环境十分脆弱。低影响开发概念的引入有助于规范开发行为,促进水资源的高效利用,降低石漠化和地下河污染风险。根据水文条件和开发方式岩溶洼地空间分为坡耕地水土流失敏感区、表层岩溶泉水源地敏感区和落水洞污染输入敏感区。低影响开发模式总体是在3类敏感区实现5个管理目标。坡耕地敏感区的低影响开发目标设置为降低农田耗水量和减少水土流失,开发途径是减少蒸发和调控坡面洪水径流。表层岩溶泉敏感区的管理目标是降雨-径流资源化利用和饮用水安全保障,通过实施雨水收集回用工程和设置水源地保护区来实现。落水洞敏感区需要通过设置径流缓冲区和沉淀过滤池来预防污染物进入。我国南方石漠化地区探索和总结出以表层岩溶带降雨-径流管理为特征的低影响开发模式。该模式要求峰丛顶部留置生态保护区涵养水源。岩溶洼地底部为落水洞排洪预留缓冲区,利用岩溶裂缝设置下凹式绿地,实现自然渗透和净化。“峰”、“洼”之间过渡区划定水源地保护区边界,同时设法增加雨水资源化利用率,补充生态和生活缺水量。低影响开发模式也适用于峰丛洼地发育的东南亚和中美洲等地区。
山西娘子关泉群及其水的来源
唐春雷, 梁永平, 晋华, 申豪勇, 赵春红, 王志恒, 谢浩, 赵一, 王士娜
2022, 41(2): 174-182. doi: 10.11932/karst20220201
摘要:
娘子关泉域群泉是中国北方最大的岩溶泉,泉域汇水面积达7 436 km2,前人认为:泉域内岩溶水由北、西、南3面向娘子关一带径流汇集,由于娘子关一带下奥陶系燧石团块或条带白云岩相对隔水层隆起,并被桃河侵蚀出露,使岩溶地下水溢出地表成泉群,其主要含水层为中奥陶系含石膏碳酸盐岩。但各泉的水化学、同位素特征有差异,娘子关泉群并不是出自统一源。文章通过水化学、同位素、水文地质剖面等方法研究得出: 娘子关泉域存在两个含水层、三个子系统:中奥陶系灰岩含水层和中上寒武系白云岩含水层;西部奥陶系岩溶水系统、东部奥陶系岩溶水系统和东部中上寒武系岩溶水系统。泉域内城西泉与程家泉出露于中奥陶系下马家沟组泥灰岩之上,含水层为中奥陶系灰岩裂隙、溶隙水,由于区域下马家沟组泥灰岩隆起隔水出露地表成泉,属于东部奥陶系岩溶水系统;坡底泉、五龙泉、河北泉、水帘洞泉、苇泽关泉其补给主要来源于中上寒武系含水岩组,为承压上升泉,属于东部中上寒武系岩溶水系统。
岩溶水库热结构变化对水体溶解无机碳及其同位素的影响过程
李大帅, 吴少景, 李建鸿, 张陶
2022, 41(2): 183-196. doi: 10.11932/karst2022y02
摘要:
以中国南方亚热带地区典型的地下水补给型水库——大龙洞水库为对象,于2018年1月、4月、7月、10月、12月分别在上、中、下游三个监测点进行采样,探究水库热结构变化对于水体无机碳及其同位素的影响过程及机理。结果表明:(1)大龙洞水库水体在一个水文年中呈现周期性的混合期—分层期—混合期的热结构变化,4月热分层开始显现,7月逐渐显著呈现完整的热分层,10月以后热分层逐渐消失,水体逐渐实现混合;(2)水体热分层是溶解无机碳(DIC)浓度与碳稳定同位素(δ13CDIC)值变化的主要驱动力。表水层中DIC主要受水—气界面二氧化碳脱气、水生生物光合作用控制,其DIC浓度与δ13CDIC值分别为3.22 mmol·L−1和−9.15‰;温跃层中DIC主要受有机质降解过程影响,其DIC浓度与δ13CDIC值分别为3.43 mmol·L−1和−9.70‰;底水层中DIC主要受碳酸盐沉淀过程影响,其DIC浓度与δ13CDIC值分别为4.32 mmol·L−1和−11.89‰;(3)三种过程伴随水库热结构的变化而变化,驱动DIC浓度及其同位素的变化梯度 G (DIC)与 G13CDIC)的变化,表现为底水层<表水层<温跃层。热分层结束进入混合期后,DIC浓度与δ13CDIC值的时空差异均逐渐消失,最终表现出DIC浓度与δ13CDIC值的均一化。
湘南泥盆系碳酸盐岩区富锶饮用天然矿泉水成矿规律——以新田县新圩矿泉水为例
周鑫, 王璨, 郑鹏飞, 姚腾飞, 巫政卿, 米茂生, 覃佐辉, 李杨
2022, 41(2): 197-209. doi: 10.11932/karst20220202
摘要:
湘南地区泥盆系碳酸盐岩分布广泛,文章在分析湖南省新田县新圩富锶饮用天然矿泉水形成的岩性、构造、水文地质条件、水文地球化学成因的基础上,通过探究影响锶富集的因素,揭示出泥盆系碳酸盐岩分布区富锶饮用天然矿泉水的成矿规律:泥盆系佘田桥组泥灰岩中锶的高丰度、相对封闭的地下水循环交替条件和弱的水动力条件是形成富锶饮用天然矿泉水的根本条件,循环深度和水温是锶富集的重要影响因素。湘南地区台盆相佘田桥组泥灰岩分布区是寻找富锶饮用天然矿泉水的首选靶区,特别是平缓的溶丘岗地地区的阻水断裂上盘以及靠近岩浆岩岩体和区域导热断裂附近是寻找富锶饮用天然矿泉水的有利地段。
生态地质
基于果园牧草间作的石漠化综合治理效益评价——以贵州省兴义市为例
程汉亭, 刘国道, 董荣书, 王晓敏, 李勤奋, 周小慧, 张显波
2022, 41(2): 210-219. doi: 10.11932/karst20220203
摘要:
开展石漠化综合治理效益评价,对于石漠化综合治理模式的优化和改进至关重要。文章以贵州兴义市南盘江镇田房村为研究对象,分析热带果树+覆盖作物措施的石漠化综合治理效益。通过调查兴义市南盘江镇田房村治理前(2014年)和治理后(2017年和2020年)的农业产业结构、产业资源发展、经济效益和生态效益,利用冗余分析(RDA)和结构方程建模(SEM)评价了田房村石漠化治理的综合效益。结果表明:通过将耕地转变为园地(芒果和澳洲坚果间作牧草或绿肥),综合治理6年后,该示范区农业产业结构、产业资源发展、经济效益和生态效益均呈现向好趋势;除了农/林草面积比和农产品商品产值两个观测变量,农业产业结构和产业资源发展与经济效益和生态效益之间观测指标均呈显著相关;果园用地比重、务工劳动力比重、务工贡献率、农产商品化产值、农/林草面积比5个变量是引起经济效益和生态效益变化的重要驱动因子;石漠化治理能耦合生态环境与产业资源的协调发展,同时实现生态恢复和经济增收。热带果树+覆盖作物相结合综合治理石漠化是该村生态恢复和经济增收的有效措施。研究结果为喀斯特石漠化综合治理提供了依据。
桂林典型岩溶区和非岩溶区土壤剖面钙镁形态迁移对比
梁建宏, 崔旭东, 文来艳, 刘鼎, 伊晨旭, 黄可尊, 王俊
2022, 41(2): 220-227. doi: 10.11932/karst20220204
摘要:
文章以桂林典型岩溶区和非岩溶区土壤剖面为研究对象,采用改进的Tessier元素形态连续提取法,测定岩溶区和非岩溶区土壤钙(Ca)和镁(Mg)元素离子交换态(包括水溶态)、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化物结合态、强有机质结合态(包括部分硫化物)和残渣态等形态,探讨岩溶区和非岩溶区土壤Ca、Mg形态在土壤剖面中的迁移变化特征。结果表明:(1)岩溶区石灰土剖面中,随剖面深度加深,pH值增大,而土壤有机质、全氮(N)、全磷(P)含量减少,Ca元素主要以交换态存在且在各土壤剖面中含量相近,Mg元素主要是以残渣态赋存在土壤剖面中,随着土壤剖面深度腐殖酸结合态百分比减少,存在累积现象;(2)在非岩溶地区酸性土壤中,土壤总钙较低。在土壤剖面0~60 cm以强有机结合态为主,深层剖面(大于60 cm)以残渣态为主;Mg元素有效态含量较低,非岩溶区土壤Mg元素以腐殖酸结合态和残渣态为主,与岩溶区土壤类似,非岩溶区Mg元素在土壤中也存在一定累积。
岩溶区土壤有机质空间变异性分析
张春来, 陆来谋, 杨慧, 黄芬
2022, 41(2): 228-239. doi: 10.11932/karst20220205
摘要:
采用GIS和地统计学研究土壤有机质(SOM)的空间分布、影响因素和预测是指导农业生产、环境治理和土壤碳储计量的重要手段。基于广西马山县北部岩溶区表层土壤 (0~20 cm)的441个SOM数据,建立普通克里格(OK)、回归克里格(RK),以及结合辅助变量的地理加权回归克里格(GWRK)、残差均值(MM_OK)和中值(MC_OK)均一化克里格的5种模型,并比较其预测精度,旨在探讨岩溶区SOM制图中地统计学方法的适用性。结果表明:(1)SOM的变异系数为37.30%,属于中等空间变异;(2)岩溶区SOM空间变异受土地利用方式、土壤类型和地形因子等因素共同影响,SOM高值区分布在西北部、西部和东部等石灰土分布的岩溶区和水田,低值区位于北部红水河沿岸的冲积土地带;(3)RK、GWRK、MM_OK和 MC_OK对SOM解释能力均较优,可用于岩溶区SOM预测制图。结合辅助变量因子的GWRK预测模型能有效消除空间变异因素的影响,克服岩溶区SOM含量的空间非平稳性,从而提高SOM含量模型的稳定性和精度,同时MC_OK模型能提高预测的准确度。
表层岩溶裂隙带土壤地表流失/地下漏失室内模拟实验
闫钇全, 刘琦, 邓大鹏, 王涵
2022, 41(2): 240-248. doi: 10.11932/karst20220206
摘要:
以表层岩溶裂隙带为研究对象,采用室内模拟降雨的方法,通过控制降雨强度、坡度、裂隙宽度、裂隙产状,研究其对土壤地表流失、地下漏失的影响。结果表明:(1)土壤地表流失主要受降雨强度和坡度的影响,土壤地表流失量随降雨强度的增大而增大、随坡度的增大而增大,30°坡面土壤地表流失量最高。(2)土壤地下漏失主要受裂隙宽度、产状和坡度的影响,对降雨强度的响应不明显;土壤地下漏失量与裂隙宽度大小呈正相关关系,裂隙走向与坡面走向呈30°时最容易发生土壤地下漏失;坡度与土壤地下漏失的发生呈负相关关系;伴随降雨,土壤地下漏失速率变化幅度较大,漏失速率先增加后减小直至停止。无落水洞、漏斗等管道的岩溶坡面土壤流失的主要形式是地表流失,而土壤地下漏失的主要通道是落水洞、漏斗等大型岩溶管道,土壤地下漏失对土壤流失的总贡献率小于5%。
典型岩溶湖泊湿地流域景观格局动态变化及趋势预测
闻国静, 王妍, 刘云根, 侯磊
2022, 41(2): 249-258. doi: 10.11932/karst2021y41
摘要:
岩溶湖泊湿地流域作为景观格局变化的热点研究区域,探讨景观格局动态变化及预测趋势,为岩溶流域生态安全研究提供科学依据。应用遥感与地理信息系统技术,结合普者黑岩溶湖泊湿地流域实际情况,分别对该地区1990、1995、2000、2005、2010、2015 年6 期遥感影像进行分类、解译,系统地获取地区景观格局状况,分析动态变化特征,并运用CA-Markov 模型对未来湿地景观格局进行模拟预测。结果表明:1990−2015年普者黑岩溶湿地流域景观格局随时间变化显著,景观破碎化程度总体呈现增加趋势,斑块数(NP)从861增加到889,景观类型的优势斑块面积在逐渐增加,而多样性指数从1.064下降到0.966;2020−2030年普者黑岩溶湿地流域建筑用地、农地和湿地景观类型面积在增加,农地和林地在减少,其中,较为突出的是建筑用地占有率由2.79%上升到2.97%,农地占有率60.12%增加到60.74%,湿地占有率6.67%上升7.02%,而林地占有率由26.70%下降到26.40%。景观格局进行预测可以发现湿地面积、建筑用地面积和农地变化幅度最大,本文相关研究和预测结果可为普者黑流域生态保护提供一定的建议和参考。
灾害地质
华北煤田岩溶陷落柱及其突水研究综述及展望
许光泉, 张海涛, 周继生, 李旭, 汪敏华, 刘满才
2022, 41(2): 259-275. doi: 10.11932/karst20220207
摘要:
华北煤田岩溶陷落柱(简称“陷落柱”)是地质历史演化过程中形成的产物。80多年来,在中国华北煤田39个矿区煤矿开采过程中共揭露10 000多个陷落柱,因其导致的重大突水淹井事故20余起,研究岩溶陷落柱对系统认识中国矿山岩溶水文地质条件以及防治岩溶水害具有十分重要的理论与现实意义。文章系统梳理、总结了华北煤田陷落柱的发育特征、成因机理、突水机理、探查与防治方法,归纳出近年来华北南缘陷落柱的研究成果,并结合目前华北煤田生产过程中陷落柱研究与水害防治中存在的问题,从陷落柱形成机理与演化过程、小型隐伏陷落柱精细化探查与解译、陷落柱“动态监测—预测模型—突水机理”模式以及陷落柱水害防治技术体系等方面展望了其今后研究趋势及水害防治的方向。
基于指标信度测度赋权的岩溶隧道水害危险性集对云评价研究
蒋英礼, 崔杰, 王景梅, 张彦龙
2022, 41(2): 276-286. doi: 10.11932/karst20220208
摘要:
隧道水害危险性评价是一个非线性复杂的不确定系统问题。首先,针对其评价指标参数具有不确定性、模糊性和随机性等特点,在充分考虑岩溶隧道水害危险性评价指标关联性的基础上,提出了基于Jousselme距离的指标信度测度动态赋权理论,实现不同的实例、不同的指标实测值对整个系统的动态赋权,降低实际工作中由于指标实测值误差或错误导致评价结果偏差的风险;其次,运用云理论优化集对联系度,与所得权重加权得出系统综合云联系度,并与等级评价区间期望加权平均得到危险值,同时生成对应的等级云图判定隧道水害危险性等级,进而判定岩溶隧道水害危险状态,实现水害危险等级判定的可视化;再次,基于大气降水为岩溶隧道水害主要来源的视角,选取年均降水量、入渗系数、汇水面积、渗透系数和单位涌水量5项指标作为集对云评价指标,并以6条典型岩溶隧道为样本数据进行模型检验,发现评价结果与其他方法的评价结果相吻合,证明了该模型的可靠性和有效性。最后,将模型应用于京珠高速公路媲双坳岩溶隧道水害事故中,评价结果与实际情况相符,采取与评价等级相对应的处治措施,取得了良好的水害治理效果,表明该模型具有工程实用价值,评价流程可操作性强,为岩溶隧道水害的预测和防治提供参考。
滇东高原罗平湾子水库岩溶渗漏机理及库外补漏设想
段乔文, 俞富有, 张天柏, 何伟, 段春林
2022, 41(2): 287-297. doi: 10.11932/karst20220209
摘要:
在总结和分析前人研究成果的基础上,结合云南省罗平湾子水库地层岩性、地质构造、水文地质工程地质条件、岩溶发育特征、水库汇流条件、多次补漏未遂等因素,对影响水库渗漏的主要因素进行分解,结果表明:岩溶强发育带地层中溶蚀孔、洞发育,土工膜铺盖封闭库底,蓄水后便在土工膜之下、地下水位之上的岩溶空隙中形成真空,在库水位频繁、大幅度波动条件下易发生真空吸蚀作用,充填物部分被淘空;库底以上的蓄水压力与库底以下的真空产生的负压叠加后形成附加应力,当附加应力大于孔洞之上岩土体的抗剪强度,或大于孔、洞充填物与洞壁之间的粘结强度时发生冲切破坏,这是导致水库多次补漏未遂,且同一渗漏片区重复发生岩溶塌陷、出现落水洞的主要原因。在库区内补漏具有很大的局限性,而在库区外适当部位设置防渗帷幕,不仅可根治渗漏,还可明显抬高地下水位,改善蓄水条件,扩大原设计库容数倍。
技术方法
基于时延三维电阻率反演的岩溶地下河管道空间分布识别物理模拟研究
刘伟, 周启友, 潘晓东, 何长响
2022, 41(2): 298-307. doi: 10.11932/karst2022y04
摘要:
岩溶地下河管道空间分布的识别对岩溶区的各类地球科学工作意义重大,文章阐述了采用时延三维电阻率反演技术,开展对地下河管道空间分布识别的研究,在室内灰岩介质下的物理模拟实验结果表明:对雨季管道充水和枯季管道干涸时采集的电阻率数据进行时延反演后,地下河管道的模拟三维空间分布被很好地突显出来,时延反演效果大大地优于对单次采集数据的反演效果,管道充填水时的反演效果次之,管道充填空气时的反演结果很难有效识别地下河管道的空间分布情况。物理模型试验成果可指导野外实践中对岩溶地下河管道的探测研究。
瞬变电磁与跨孔CT成像探测岩溶分布及形态特征的应用——以山东省济南地区为例
代方园, 高扬, 宿庆伟, 胡韬, 耿付强, 董亚楠
2022, 41(2): 308-317, 328. doi: 10.11932/karst20220210
摘要:
文章以山东省济南西南裸露—覆盖型岩溶山区为研究对象,根据钻探资料,将区内岩溶发育形态分为小型溶洞与溶孔,并利用瞬变电磁法、电磁波CT成像两种物探方法,探讨岩溶分布、形态特征与地球物理场的关系。对比瞬变电磁剖面与钻探揭露的岩溶发育段,确定出120 Ω·m作为解译岩溶发育区的分界值,以此圈定岩溶分布区域,之后实施钻孔进行验证,符合性较好;在验证孔及附近钻孔进行电磁波CT成像探测,进一步验证并刻画两孔间的岩溶发育特征。两种物探方法中,电磁波CT的探测数据离散程度较高;两种岩溶发育形态中,小型溶洞的地球物理参数离散程度较大,同时小型溶洞发育区视电阻率平均值较小,视吸收系数平均值较大。
基于数字高程模型的中国岩溶地貌研究进展及前景分析
毕奔腾, 杨辰, 李景文, 姜建武, 周立新
2022, 41(2): 318-328. doi: 10.11932/karst20220211
摘要:
数字高程模型(DEM)蕴含丰富的地形地貌信息,基于DEM的数字地形分析方法为岩溶地貌研究提供了科学、有效的技术手段。文章针对前人应用DEM研究中国岩溶地貌所涉及的关键技术方法,从岩溶地貌识别的尺度效应、岩溶地貌的识别与分类、岩溶地貌的形态及格局分析、岩溶区生态环境变化等方面进行了梳理和分析,提出未来应构建科学的岩溶地貌数字分类体系,对岩溶地貌进行多尺度、深层次的地形分析和定量表达,并从地形现状研究拓展到地形演变的过程与机理研究,发掘出DEM在岩溶地貌研究中更多的应用。