岩溶水文地质系统的自动化监测研究是岩溶水文地质学创新和发展的需要

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1、岩溶水文地质系统的自动化监测研究是岩溶水文地质学创新和发展的需要*－桂林岩溶试验场研究的体会1**21211刘再华，ChrisGROVES，袁道先，JoeMEIMAN，姜光辉，何师意1.中国地质科学院岩溶地质研究所,岩溶动力学开放研究实验室，桂林541004.2HoffmanEnvironmentalResearchInstitute,DepartmentofGeographyandGeology,WesternKentuckyUniversity,BowlingGreen,KY42101USA摘要:利用多参数自动记录仪对桂林岩溶试验场的

2、降水量、水位、水温、pH值和电导率进行了监测，数据采集间隔根据参数变化的程度由2分钟到1小时不等。结果发现，岩溶裂隙水在洪水期间pH值呈降低趋势，而电导率呈升高的不寻常变化。与此相反，对于岩溶管道水，同样是在洪水期间，它的pH值是升高2+-的，而电导率呈正常的降低。考虑到Ca和HCO3分别为地下水中主要的阴阳离子(>90%)，及它们与电导率的线性关系，计算得到了洪水期间方解石的饱和指数(SIc)和水的CO2分压(Pco2)的变化情况。发现洪水时裂隙水的Pco2高于正常情况的Pco2，而它的SIc值比正常情况低。与此相对，对于管道水，尽管同

3、一洪水期间其SIc降低，但Pco2也降低。从这些结果，可以推断，至少有两个关键的过程控制着洪水期间的水化学变化。一个是雨水的稀释作用，另一个是水—岩—气的相互作用。然而，对于裂隙水来说，后者的作用可能更重要，即在洪水期间，高浓度的土壤CO2溶解于水中，则更具侵蚀性的水能溶解更多的石灰岩，从而增强水的电导率。而对于管道水，雨水的稀释作用更重要，因为研究区较高的pH和低电导率的雨水能更快地通过管道流出，所以，要了解岩溶系统水化学的变化，仅考虑水—岩相互作用是不够的，我们还必须重视CO2气体对岩溶系统中水化学变化的影响。总之，水—岩—气相互作用

4、的概念必须引入岩溶水化学的研究中。该项研究也给了我们一个重要启示，那就是，我们必须重视岩溶水文地质系统的自动化监测－这是由岩溶水文地质系统对环境变化具有的特殊敏感性决定的，否则，难以取得岩溶水文地质学的创新和发展。关键词：岩溶水文地质系统；自动化监测；水—岩—气相互作用；稀释作用；桂林岩溶试验场桂林岩溶试验场于1986年由中国地质科学院岩溶地质研究所和法国蒙比利埃大学水文地质实验室合作建造，其目的是考察岩溶峰丛地区岩溶水文地质系统的运行规律。峰丛作为塔状岩溶的一种类型，其特征为在具同一基座的一群石峰间有着许多洼地。在我国西南地区有约50万

5、平方公里的峰丛岩溶地区。该试验场运行过程中，通过多种工作，如航片卫片解译、地质填图、钻孔揭露、气象观[1-4]测、地下水探测、示踪试验、岩溶地球化学和同位素分析、暴雨效应观测等，已经取得许多新的数据和认识，这些工作为流量和降雨量关系、入渗速率、系统内部结构和岩溶峰丛系统，特别是它的表层岩溶带的水文调蓄功能的认识提供了新线索。一个新的岩溶水文系统[5]数学模型已经建立。_____________________________*本研究得到了国家自然科学基金项目(40073026)、国家重大基础研究前期研究专项(2002CCA05200)、国

6、土资源部“百人计划”项目(9806)、广西自然科学基金项目(桂科回0144010)的资助。**第一作者简介：刘再华，男，1963年6月生，博士，研究员，水文地质和地球化学专业。zliu@karst.edu.cn然而，由于过去缺乏水化学自动监测仪，因而无法把握系统中的水化学变化，特别是在洪水期间的水化学动态变化的详细情况，而洪水期是了解系统对降雨反映和水化学变化主要过程的至关重要时段。最近，我们使用功能强大的多参数自动记录仪，来试图解决这一问题。1试验场气候和水文地质背景试验场位于桂林市区东南约8km的丫吉村附近，从地貌上看，处在峰丛洼地和

7、峰林平2原的交界地带(图1)。试验场自成一个岩溶水文地质系统，总面积约2km，它的补给区位于峰丛洼地区，有13个洼地，而它的排泄区，由位于桂林峰林平原东部边缘的一个常年流水泉（s31号泉）和三个季节性泉（s29、s291、s32号泉）组成（图1）。平原面标高150m，而补给区内的最高峰为652m，其内洼地底部标高介于250—400m之间。整个系统发育的是o上泥盆统融县组质纯块状灰岩，地层约呈东南5-10倾斜。在场区西部边界峰丛洼地区有一主干断层，北北东走向，根据地表调查和航片解译结果，主要的节理和断层呈北西西、北东东、北北东向，它们对洼地

8、的形成和岩溶水运移有重要影响(图1)，例如，1号洼地、3号洼地和4号洼地沿着一主干断裂带分布，这个断裂带发育有一条呈北东东向的方解石脉(形成阻水带)。岩溶小形态如溶沟、溶痕、溶盘在洼地周围斜坡