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1、云南自龙洞碳酸钙景观恢复的 水文地球化学试验+王静1l 宋林华1 l向昌国。( 1 中国科学院地理科学与资源研究所，北京1 0 0 1 0 l 2 南京农业大学，南京2 1 0 0 9 5 )旅游设施的建设和游客的涌人，洞穴水文地质条件和表层喀斯特特征的改变，往往导致洞穴环境的巨大变异，碳酸钙景观强烈风化，科学价值和观赏价值严重受挫。目前，许多学者为保护洞穴环境和碳酸钙景观，进行了大量研究和试验工作，并取得了丰富的成果“ 。本文讨论了改善表层喀斯特水文地质特征和洞穴环境，恢复洞穴碳酸钙景观的水文地 球化学试验。1 试验机理1 1 洞穴水形成的水文地球化学过程洞穴滴水的形成经历了大气降水一土壤水
2、一喀斯特水一洞穴水4 个阶段3 个过程。渗入土壤的雨水在溶解了土壤C O ：后，变成土壤碳酸水。它能溶蚀大量碳酸盐岩，形成富含碳酸氢钙的喀斯特水。当它下流到洞穴顶板并从上滴落，或在毛细力作用下从微裂隙或孔隙中渗出或以集中流排人洞穴时，水中C O 。放出，形成洞穴碳酸钙景观。这一水化学变化过程为：H 2 0 + C 0 2 H 2 C 0 3( 1 )C a C 0 3 + H 2 C 0 a C a 2 + + 2 H C 0 3 一( 2 )C a 抖+ 2 H c o a , 一C a C O 。+ + c O 。十+ H 。O( 3 )以上说明，土壤C O z 浓度是决定洞穴水性质和碳酸
3、钙景观形成的关键。 1 2 洞穴碳酸钙景观形成的水文地球化学机理当洞穴水与洞穴空气C O 。间在正分压力差A P c 0 ，( A P 吼一( A P 咄( 水) 一P 。气) ) o )的驱动下，C a C O s 沉积形成各种碳酸钙景观I 当A P c o 。 o 时，洞穴空气C O 。溶入水体，增强水的溶蚀能力，侵蚀洞穴景观；当A P c 。= 0 时，水中C O 。与洞穴空气C O 。达到平衡，洞穴碳酸钙景观处于动态平衡。若水温升高，水中C O 。溶解度下降，导致碳酸钙沉积。当水温恒定时，水中C O 。溶解度与空气C O z 分压成正相关。2 试验区概况白龙洞位于云南弥勒县虹溪镇，属于
4、云南高原中亚热带半湿润常绿阔叶林红壤地带，气候温暖湿润，干湿季分明。年均气温1 7 3 “ C ，年降雨量9 7 0 m m 。白龙洞发育于节理裂隙发育的下中三叠统灰质白云岩中。白龙洞全长11 1 8 8 1 2 1 ，洞体呈O C 形分上下2 层，上层长4 7 7国家自然科学基金资助项目( 4 0 0 7 1 0 17 )1 7 4 m ，下层长6 4 1 8m 。全洞最大高度3 9 4m ，最宽为15 7m ，最窄处仅1 ，3 9m 。白龙洞内景观主要有：石钟乳、石笋、石柱，边石类、石幔类及石花类景观也很丰富。白龙洞有2 个天窗3 个洞口，通风较好。距进洞口1 7 0 1 2 1 的“芭蕉
5、扇”天窗直径1 3 m 。后洞口“犀牛望月”处的天窗，直径1 5 m 。游步所经洞穴廊道宽1 2 m ，较平直，有利于洞内空气的流通。洞内C O 。浓度约为6 0 0 7 0 0m g m 3 。虽然空气温度恒定在1 8 5 左右，但洞内湿度仅为3 7 4 5 “ ，这是白龙洞碳酸钙景观上多援覆土状风化物，景观变色、风化干裂和脱皮现象严重的一个重要原因。为改善此状况，设想通过地表人工滴灌增加地下洞穴滴水和洞穴湿度，使碳酸钙景观复生。试验水源有采自地下河的喀斯特水和雨水2 种。自来水塔位于洞顶白龙山上，高出洞顶约3 0 m 。它们的水化学特征如表1 。裹1 自来水与雨水水化学特征3 表层喀斯特补
6、水地球化学试验3 1 试验方法本试验采用滴灌地表喀斯特水，通过洞中采样、现场和实验室分析相结合的途径与自然滴水C a C O 。沉淀从水中带走的c a 2 + 量( 以下称损失量) 进行对比。地表滴水胶管长2 0m ， 管上每隔1 0c m 钻1 个直径2 m m 孔，水从小孔中涌出，渗入土壤进人洞穴中，水量可由阀门控制。3 2 试验点的选择试验点选在自龙洞出口段。第一次试验始于4 月2 4 日1 4 ：4 0 ，当日1 9 ：3 5 观测段出现了几个滴水点。为了便于采样与分析，我们仅选择了D P I 1 和D P I 2 观测点。滴水点距离采样点分别为1 4 1 6 m 和2 6 m 。第一
7、次试验于4 月2 5 日6 ：4 0 结束，试验共耗水2 5 m 3 。2 个观测点水文曲线如图1 、图2 、图3 和图4 所示。2 5l2 。0 ，垂1 ；0 0l234567 89 1 0 l I j 2 1 3时间订1 )1 0 0耋8 0娶e5 0福4 0 嚣2 0O o l2 34567 89 1 0 1 1 1 2 1 3 时间图1D P I 1 点滴速上升曲线图2D P I 2 点滴速上升曲线17 5 图1 和图2 说明，在地表供水阶段，D P I 1 点的滴速上升缓慢，上升系数为5 9 5 5 ，而D P I 2 点的滴速上升很快，系数为2 6 5 9 8 。23456时间f
8、b )23456时酬( h )图3D P I 1 点滴速衰减曲线图4D P I2 点滴速衰减曲线图3 和图4 说明地表停止供水后D P I 1 点很快停止滴水，持续时间为6h ，衰减系数1 2 0 5 8 ，而D P I 2 点在相同6h 内只是滴速降低，直到2 2 9h 之后，即5 月6 日才停止滴水，衰减速度较慢，衰减系数为1 0 2 2 8 。 4 结论试验中水的碳酸钙饱和指数s J c 用下列方程式表示“3 ，即：S I c = l g ( C a 2 + ) + l g ( H C 0 3 一) + p H p K 2 十p K c式中p K 。和p K c 是与滴水水温相关的2 个
9、常量。裹2自来水一洞穴水滴落过程成分变化时问采样龃C 。a Z + m g 尝L ：。? t m 塌g 挚L 。2 等LJJg L j1 7 6 D P I 2 上、下采样点间的高差为2 4 4m ，于2 0 0 3 年5 月6 9 日分别对2 点的5 ，c变化状况进行观测、计算分析，结果示于图5中，它表明下部水样碳酸钙饱和度高于上部水样。可见在滴水水滴落过程中C O 。不断从水中逸出，因此C a C O 。能够不断产生沉淀。 表2 与图5 对应性地说明水下滴过程中C a ”和H C O 。一含量的变化。12l 0do8O604 565 65 75 75 85 859时间图5D P 一2 点S
10、 i c 变化图505O5OuI肇瑚骣同年雨季，选择不受人工补水影响的D P 2 1 ，D P 2 2 和D P 2 3 观测点进行观测研究。上、下采样点的高差为1 8 6m ，观测结果列于表3 。衰3 雨水一洞穴水滴落过程成分变化计算结果表明，D P I 一2 点的C a “的沉积率平均为8 2 3m g L ，D P 2 一l 的平均c a 2 + 沉积率为1 3 5m g L ，而D P 2 3 沉积率为约1 8m g L 。以上说明，用自来水补绘表层喀斯特含水层产生的C a C O 。沉积率是雨水的5 倍，而季节性的慢速流的C a C O 。沉积率大于常年流。可见，喀斯特滴水进人洞穴时
11、的初始浓度在相同洞穴环境条件下越高越有利于新景观的形成，因此对于洞穴碳酸钙景观严重风化的洞穴，最好应用当地喀斯特水补给表层喀斯特含水层。参考文献 1 朱林华，杨京蓉，林钧枢等浙江瑶琳洞风化碳酸钙景观复生试验地理研究，1 9 9 9 ，1 8 ( 2 ) 1 9 9 2 0 5 2 宋# 华旅游洞穴的环境变异及景观保护喀斯特与洞穴风景旅游资豫研究北京：地震出舨社，1 9 9 4 。1 1 8 N 1 2 5 3 W e l l sR C a v ec a l c i t e S t u d i e ai nS p e l e o l o g y ，1 9 7 1 ，2 ；1 2 9 1 4 8 4 王静，宋林华云南白龙洞嚣区旅游赍源潜力探讨资探科学2 0 0 3 ，2 5 ( 3 ) ：9 8 1 0 3 5 F o r dD ，W i 1 i a m sP K a r s tG e o m o r p h o l o g ya n dH y d r o l o g y L o n d o n ：U n w i aH y m a n ，1 9 8 9 5 0 9 51 7 7
