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水资源是人类赖以生存和发展的基本保障,水资源的合理开发和充分利用是人类永久性目标。我国是淡水资源缺乏的国家,人均水量仅占世界人均水量的1/4,科学适度开发地下水资源是保障缺水地区人畜饮水和工农业发展的重要途径。
岩溶水是我国重要的淡水资源,其储量占我国地下水资源的1/4,对于某些岩溶地区是极其重要、甚至是唯一的生活生产水源。但岩溶区受脆弱地质环境制约,被认为是与沙漠边缘一样的脆弱环境,大气降雨快速渗入地下,造成水土资源空间配置失调,导致水土流失严重和土壤贫瘠,常常造成地表水资源匮乏。缺水干旱已成为岩溶山区长期处于贫困落后的主要原因之一。岩溶区环境容量低,一旦受到损害破坏,短期内将很难恢复。其地上地下双层结构,形成水土分离格局(“土在楼上,水在楼下”),加之可溶岩造壤能力较低、岩溶水空间分布不均、地表地下水联系极为密切、水资源容易漏失,以及偏碱性环境和生态环境脆弱,极易遭到人类活动的影响,使得开发与利用地下水资源问题更加突出。
由于岩溶水文系统对环境变化具有很强的敏感性,传统的观测方法不能准确及时反映岩溶动力系统的短时间尺度变化规律。通过野外自动化仪器对岩溶地下水进行长期动态监测,可获取岩溶水动态和与环境相关信息的大量第一手基础资料,对了解和发现岩溶动力系统运行规律和动力机制,完善和发展岩溶动力学理论具有重要意义。
本文通过自动化监测不同降雨条件下青木关地下河水化学和流量变化,选择具有代表性的几场降雨,分析不同降雨过程下地下河岩溶动力系统的运行规律,研究岩溶水文系统信息(青木关地下河出口姜家泉泉水的电导率、pH值、水温和NO3-等水文水化学指标)对降雨的响应过程;分别分析流量上升阶段和衰减阶段的水文过程线,初步估算岩溶含水介质基本储水量,并对不同岩溶含水介质的调蓄能力作了初步探讨。得出以下主要结论:
1、通过对青木关岩溶地下河两年多动态连续监测,发现降雨条件下岩溶水文地球化学指标对降雨响应及时。在雨季,尤其是暴雨期,姜家泉水量动态变化大,水位暴涨暴落,表明青木关地下河系统存在较大规模的岩溶管道,岩溶含水层介质极不均匀,验证了示踪实验结果。
2、青木关岩溶水化学特征对不同降雨状况(降雨量、降雨强度)响应的敏感程度并不一致。季节尺度上,各水化学监测指标表现为雨季低旱季高的特点。短时间尺度上,暴雨、大暴雨期,水化学指标均主要表现为雨水的稀释效应;短时强降雨,电导率表现为快速上升;水化学指标对弱降雨响应并不敏感;无雨状态则据外部环境影响程度不同而不同,岩口落水洞各水化学监测指标变化明显,姜家泉表现不明显。
3、通过流量增长阶段过程线分析,可大致计算出整个青木关岩溶含水介质基本含水量约为2.2×104-2.6×104 m3,科学合理利用和分配这些地下水资源,对于当地人畜饮水和生态环境都有非常重要的意义。
4、通过对岩溶泉流量衰减曲线的分析,发现不同降雨强度条件下流量衰减是不同的。强降雨下的流量衰减可分为三个亚动态,各亚动态衰减系数差异很大,第Ⅰ亚动态衰减系数是第Ⅲ亚动态的5倍多,岩溶管道、裂隙特征明显。计算得出的各亚动态水量则表明,管道水只占总水量的8.65%,绝大部分水为裂隙和孔隙水,占总储水量的90%以上。弱降雨下的流量衰减基本可视为两个亚动态,第Ⅰ亚动态因管道未被雨水充满而没有出现或不明显,第Ⅱ亚动态和第Ⅲ亚动态储水量相当。
5、关于岩溶地下水系统的研究要考虑各个圈层的影响。岩溶水文系统是在CO2-H2O-CaCO3(石灰岩)三相相互作用的开放系统中形成的,要了解掌握岩溶含水层演化机理和运行规律、岩溶石山区的生态治理和水土保持,就必须把大气圈、水圈、岩石圈、生物圈及人类活动等作为一个整体来解释岩溶作用的水文地球化学过程。
6、通过对岩溶泉流量衰减过程分析,可以看出表层岩溶带的调蓄功能集中在以较小裂隙和孔隙为主的岩溶含水介质;弱降雨下的岩溶含水介质相对于强降雨更具有调蓄水功能。