（环境工程专业论文）人为活动对安徽大王洞洞穴环境影响研究.pdf

摘要 摘要 在天然喀斯特洞穴开发为旅游洞穴的过程中，随着旅游设施的建设，旅游活动的开 展，洞穴自然环境将发生很大的变化。探讨导致喀斯特旅游洞穴环境变异的因素，研究 洞穴碳酸钙景观稳定性，对旅游洞穴的景观保护具有重要的意义。本文以安徽省池州市 大王洞为研究实例，以洞穴坏境观测及洞穴水水化学分析数据为依据，研究了1 ) 自然因 素及人为因素对旅游洞穴环境变异的影响；2 ) 大王洞洞穴水的化学特性及影响因素；3 ) 环境变化对沉积景观的影响及保护。并得出以下结论： 洞内二氧化碳浓度总体较低，温度、湿度较为恒定，旅游旺季时，由于游客的大量 涌入使洞内温度升高、湿度下降、c 0 2 浓度增大，供游人休息的聚仙山庄尤为明显，但 经过一晚的恢复后基本回到原有平衡；洞内大气环境( c 0 2 、温度、湿度) 的空间分布明 显受到洞外大气环境的影响；洞内外空气流通性好，洞内空气较为清新。 地下河水中c a 2 + 、m 9 2 + 、h c 0 3 主要来自碳酸盐岩的溶解，土壤和岩石的元素通过 岩溶地球化学过程向水中迁移致使水中存在大量元素，c a 2 + 在阳离子中占主导地位， h c 0 3 - 在阴离子中占主导地位，k 十、n 矿、n 0 3 。、s 0 4 、c 1 浓度较高，明显受到人为污 染影响，c a 2 + 与h c 0 3 。、e c 与t d s 、c a z + 、h c 0 3 。、n a + 与s 0 4 2 。、c 1 表现出了较强的相关 性。整个地下河水主要由洞外水、支流水、滴水汇聚而成，洞外水、支流水、滴水对地 下河水的贡献量约为6 2 、2 3 、1 5 。 关键词：大王洞；大气环境；影响；地下河水；化学组成：相关性；污染 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec a v et o u r i s mi nc h i n ai nt h er e c e n td e c a d e s t h e n a t u r a lc a v ee n v i r o n m e n th a sb e e ng r e a t l yc h a n g e d i no r d e rt or e c o g n i z ea n dp r o t e c tt h e t o u r i s tc a r b o n a t el a n d s c a p e ，i ti su r g e n tt os e a r c ht h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee n v i r o n m e n t a l c h a n g e sa n dt h es t a b i l i t yo fs p e l e o t h e ml a n d s c a p ei nt h es h o wc a v e s u n d e rt h es u p p o r t so f t o u r i s mb u r e a uo fc h i z h o uc i t y , a n h u ip r o v i n c e ，t h er e s e a r c hp r o j e c tw a ss u c c e s s f u l l y e n g a g e d i nd aw a n gc a v e ，c h i z h o uc i t y t h er e s e a r c hw o r ki n c l u d e d ：( 1 ) t h ei n f l u e n c eo ft h e n a t u r a la n dh u m a nf a c t o r so nt h ec a v ee n v i r o n m e n t a lc h a n g e s ；( 2 ) t h eh y d r o c h e m i c a l p r o p e r t i e so fc a v ew a t e ra n dt h e i ri n f l u e n c ef a c t o r s ；( 3 ) t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r sa n dt h e i r d y n a m i cf u n c t i o no nt h es p e l e o l a n d s c a p e s o m ec o n c l u s i o n sc a nb ed r a w na sf o l l o w s ： c a r b o nd i o x i d ec o n c e n t r a t i o ni n s i d ew a ss l o wa sa w h o l e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yw e r e s t e a d y d u r i n gt o u rr u s hh o u r , t h et e m p e r a t u r ea n dc a r b o nd i o x i d ew e r eh i g h e r , a n dh u m i d i t y w a sl o w e rb e c a u s eo ft h ev i s i t o rf l o w ，e s p e c i a l l yi nj ux i a ns h a nz h u a n g i nw h i c ht h e v i s i t o r sh a v eab r e a k , b u ti tc a l lr e t u r nt ot h e i rn a t u r a le q u i l i b r i u ma f t e r w a r d s ；t h es p a t i a l d i s t r i b u t i o n so ft h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t ( c a r b o nd i o x i d e 、t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y ) i n t h ec a v ew a sc l e a r l yi n f l u e n c e db yt h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n to u t s i d e t h ev e n t i l a t i o n b e t w e e ni n t e r i o ra i ra n de x t e r i o ra i rw a sw e l l s oi n t e r i o ra i rw a sf r e s h c a + 、m g + 、h c o s o f c a v eg r o u n d w a t e rw e r em a i n l yf r o mt h ed i s s o l u t i o no f c a r b o n a t e r o c k s t h ee l e m e n t so fs o i l sa n dr o c k st r a n s f e r r e dt ow a t e rv i ak a r s tg e o c h e m i s t r yp r o c e s s ， r e s u l t i n gt oe x i s t e n c eo fa b u n d a n te l e m e n t si nc a v ew a t e r c a 十w a st h ed o m i n a n tc a t i o ni n w a t e r ，w h i l et h eh c 0 3 。w a sad o m i n a n ta n i o n t h eh i g hc o n c e n t r a t i o n so fk + 、n a + 、8 0 4 2 。、 n 0 3 。、c i 。w e r ep o l l u t e db yp e o p l e t h e r ei ss t r o n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nc a 2 + a n dh c 0 3 ， b e t w e e ns b ca n dt d s 、c a 十、h c o s , a n da l s ob e t w e e nn a + a n dc 1 、s 0 4 z t h eu n d e r g r o u n d r i v e rw a sc o n v e r g e db yo u t s i d ew a t e ro fc a v e 、t r i b u t a r yw a t e ra n dd r o p p i n gw a t e r t h e c o n t r i b u t i o no fo u t s i d ew a t e ro fc a v e 、t r i b u t a r yw a t e ra n dd r o p p i n gw a t e rw a sa p p r o x i m a t e l y 6 2 、2 1 、1 5 r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：d aw a n gc a v e ；1 1 1 ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t ；i n f l u e n c e ；u n d e r g r o u n dr i v e r ； c h e m i c a lc o m p o s i t i o n s ；c o r r e l a t i o n ；p o l l u t i o n l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 易彳 日 期：y ，矿参) 弓 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 可 导师签名： 岁望查羔 日 期：炒p 参； 第一章前言 第一章前言 我国喀斯特分布面积居世界首位。全球喀斯特面积约2 2 0 0 万k m 2 ，而中国有3 4 4 4 万k r n 2 ，约占世界的1 6 ，约占国土面积的l 3 ，其中裸露喀斯特面积达9 0 7 万k m 2 ， 接近国土面积的1 1 0 。我国喀斯特地区主要分布在天山一阴山构造带以南，即大致在北 纬4 2 4 5 0 以南，此线以北有小面积的零星分布，中国南方喀斯特地区主要分布于滇、黔、 桂、川、渝、鄂、湘、粤，中国北方喀斯特地区主要分布于晋、鲁、豫、冀。在这些地 区发育有丰富多彩的喀斯特旅游资源。尤其是南方喀斯特地区，旅游资源数量多、质量 好，许多都是世界旅游资源中的极品。 喀斯特洞穴是喀斯特地貌的重要组成部分，也是喀斯特地貌与其它地貌类型最重要 的差别所在。大气降雨吸收了土壤中的c 0 2 后，具有了很强的溶蚀力。当它与石灰岩接 触，并沿着灰岩裂隙向下渗流的过程，就不断溶解灰岩。当富含钙和碳酸氢离子的裂隙 水进入洞穴，在以各种形式运动的过程中，由于水中c 0 2 分压大于洞穴空气中c 0 2 分压， 在压力差的驱动下，水中的c 0 2 不断被释放出来，导致碳酸钙的沉淀，形成了各种各样 的沉积物形态，如石笋、石钟乳、石柱、石慢、卷曲石、石枝、石葡萄、石珍珠等。在 现存于石灰岩中的天然洞穴，这些千姿百态、绚丽的次生碳酸盐沉积物把洞穴装饰得富 丽堂皇，成为一座座美丽的地下宫殿，自古以来吸引着千万人们去观赏，探索。在唐、 宋、明时代，洞穴考察已经遍及我国灰岩之乡的南部地区，尤其是明人徐霞客以连续三 年的时间对湖南、广西、贵州、云南等地的石灰岩分布作了系统的考察，探察洞穴3 0 0 余处，在洞穴化学沉积物的研究方面做出了杰出的贡献，早在4 0 0 多年前，徐霞客游 记里就描述了我国华南许多旅游洞列1 1 。可惜由于社会历史的原因，我国近代这种洞 穴研究的势头未能继续发展下去，长时间的沉寂，直n t 0 年代至8 0 年代初，随着一系列 的经济改革，洞穴旅游资源的开发得到了蓬勃发展，9 0 年代旅游热潮的兴起及四天半工 作制和“五一”“十一 黄金周出现，更是极大的促进了洞穴旅游的开发。目前全世界 大约有6 5 0 个装备有灯光系统的旅游洞穴，美国的m a m m o t hc a v e 每年的游客就有2 百万 j 。据初步统计，全世界近千个风景旅游洞穴每年吸引了超过1 5 亿的游客，洞穴旅游( 门 票) 收入估计达到2 3 亿1 2 0 1 。我国开放的旅游洞穴约为4 0 0 多个【2 】，每年有2 千多万的游客 到洞穴游览【3 j 。就桂林芦笛岩而言，2 0 0 0 年的游客量就达n 11 4 万人次，成为世界之最【2 】a 旅游的开发，不但带来了直接的经济效益，也推动了当地经济的发展，对有些地区的脱 贫致富起了重要作用，如云南建水县燕子洞，1 9 9 2 年收入就达3 8 9 万元，地方收入近千 万，浙江桐庐县以瑶琳洞为先导，逐渐发展全县旅游业，促使贫困地瑶琳镇在1 9 9 0 年就 变成了人均收入3 0 0 0 元以上的富镇【4 j ，重庆武隆芙蓉洞自1 9 9 4 年以来，参观者络绎不绝， 为开发商带来了丰厚的利润，每年仅门票收入一项就上千万元。 开放洞穴不仅是重要的旅游资源，推动了地方旅游产业及经济的发展，同时洞穴还 是大自然留下的珍贵自然遗产，它经历了数千年至数百万年地质时期的复杂演变，具有 地质、地貌、古生物、古环境等方面的科学意义和价值【5 儿引。在较长期的地质、地貌和 古环境演化过程中，许多遗迹在地表已遭破坏，但在洞穴内的各种堆积物和各种溶蚀、 江南大学硕+ 学位论文 侵蚀形态中可保留许多有重要价值的信息，较完整地记录着喀斯特发育过程中相应的气 候、环境变化的各种信息，例如石笋就是进行高精度、高分辨率的全球变化研究的重要 物质材料【7 。9 1 。 洞穴沉积物景观是一种不可更新的自然资源，一旦破坏难以恢复。许多天然洞穴是 个相对封闭的地下环境，生态环境脆弱。在洞穴开发过程中，铺路架桥，设置电缆，然 后游客大量涌入，这些人类活动增强了洞穴内气温的变化，加速了空气的流动，使洞内 相对湿度降低，空气中c 0 2 含量大幅度增加，灯光植物繁衍等。人为地给洞穴输入物质、 能量，加大了洞内外物流、能流的交换，致使许多洞穴开放一段时间后，原来晶莹剔透 的洞石表面逐渐变黄、变黑，失去光泽，表面长出绿色植物，原来表面湿润的洞石景观 风干脱落，甚至折断，景观遭到了严重破坏。但受限于科学技术及洞穴知识的发展，人 们对洞穴景观的高科学性、脆弱性、不可再生性没有充分认识。直到2 0 世纪后半叶，随 着人们对洞穴研究的加深及环保意识的不断增强，旅游洞穴的环境变异问题才逐渐引起 人们的重视，并开始采用现代科学手段对旅游洞穴的环境变化和洞穴景观稳定性进行观 测和研究。 此外，影响洞穴沉积物景观的另一重要因素就是洞穴水。洞穴水是碳酸钙沉积景观 形成的主要动力，水的化学平衡决定了碳酸钙的沉淀和溶蚀，洞穴水的化学特性、在洞 穴里的运动及存在方式直接影响着沉积物的类型及其形态特征。在旅游洞穴里，洞穴环 境的变化一方面可以直接影响着沉积物景观，另一方面又可以通过影响洞穴水的水化学 平衡来作用于洞穴景观。因此，从保护洞穴环境的目的出发，通过研究洞穴水化学来研 究洞穴景观的稳定性是具有实际意义的。 1 1 国内外研究现状 许多天然洞穴处于相对封闭的地下环境。在把它们开发为旅游洞穴时，必须铺设道 路，设置灯光，有些洞穴甚至还须开凿新的入洞或出洞通道，洞穴开放后游客在洞中的 活动，都会使洞穴环境发生很大的改变，特别是空气组分，如c 0 2 浓度，气温，湿度、 尘埃及能量、气流变化等，同时洞穴水水化学成分也因此受到影响。 洞穴空气c 0 2 含量是旅游洞穴环境观测中的一个重要内容。c 0 2 作为喀斯特动力系 统的重要驱动力己得到充分肯定和认识。对洞穴系统来说，c 0 2 同样是直接影响洞穴沉 积物形成和溶蚀的重要参量。当洞穴空气中的c 0 2 分压力小于洞穴水中c 0 2 分压力时， 在c 0 2 分压差的驱动下，水中的c 0 2 就会不断逸出，促使c 0 2 的溶解度日趋饱和或过 饱和，最终从水中析出形成洞穴景观。反之。洞穴空气中的c 0 2 就会溶解于水中或洞穴 水汽中，增加水的酸度，使水不断溶蚀c a c 0 3 景观，对洞穴景观产生严重破坏作用【4 j 。 对旅游洞穴来说，游客呼出的c 0 2 是洞穴c 0 2 的重要来源。在国内，俞锦标、程寿全、 朱文孝、张蔷、宋林华等人先后对洞穴c 0 2 进行了研究。俞锦标等1 1 - j 】对贵州黄果树景区 各溶洞的c 0 2 进行了预测，并以此作为确定洞穴游客容量的依据；朱文孝等i l5 j 在织金洞 对洞穴气温和空气c 0 2 进行了测量；程寿全【1 4 j 在考虑游客呼出量、洞内外空气交换量的 情况下，提出了洞穴空气c 0 2 含量的预测公式：张蔷等【i6 】在北京石花洞对洞穴c 0 2 进 行了为期1 年多的观测，并提出了洞穴c 0 2 的标准计算公式及评价标准，宋林华等【1 7 】 2 第一章前言 在浙江瑶琳洞对洞穴游客量及空气c 0 2 含量进行了观测，并用碱性c a 溶液进行了风化 碳酸钙景观复生试验；在国外，s t e p h e n 【1 8 j 在南非的c a n g oc a v e 的监测结果显示，在四 月的旅游旺季，游客的数量足够使c 0 2 浓度显著升高，洞穴关闭一个晚上后，其浓度在 一定程度上得到恢复。在意大利的g r a n d ed e lv e n t oc a v e 自动监测系统数据表明，游客 的到来与洞穴c 0 2 浓度及气温升高在以小时为单位的记录上有着很好的相关性。v l l a r e 等【l 州在对西班牙a l t a m i r ac a v e 的观测基础上，建立了一个c 0 2 预测模型，该模型不仅 可用来描述在一定游客量下c 0 2 浓度的变化，同时还可以用来计算游览结束后，c 0 2 浓 度恢复到初值所需的时间。程寿全【1 4 】亦建立了洞穴c 0 2 含量模式对贵州几个未开放洞穴 空气c 0 2 含量及日变化规律进行了预测。另一方面，旅游洞穴空气中的c 0 2 含量还受到 其它因素的影响。例如c i g n a 等【2 u j 认为假如考虑到一个更长的时间尺度，则c 0 2 浓度归 因于许多来源，游客仅是其中之一，可能并不是最相关的一个。c a s t e l l a n i 2 i 】也提出过这 样的假说。法国学者观测到洞穴水释放的c 0 2 影响了洞穴空气c 0 2 浓度【2 2 1 。在南非的 主要旅游洞穴c a n g oc a v e 也对洞穴c 0 2 含量的变化进行了测型1 8 j 。 洞穴气温的改变是洞穴能量变化的一个反映指标。洞穴空气的气温会影响水中c 0 2 的溶解剧2 2 j ，当气温高于水温时，会促使c 0 2 从水中逸出，有利于c a c 0 3 的沉淀【4 】。在 旅游洞穴里，洞穴气温升高主要源于游客身体及灯光系统放出的热量。朱文孝等【l5 j 在织 金洞对洞穴气温和空气c 0 2 进行了测量；林钧枢等【6 j 对瑶琳洞的气温散应与旅游资源管 理进行了研究；1 9 9 0 年，意大利的g r o t od ii sz u d d a s 在洞内设了5 个测点，监测洞穴 气温，研究旅游活动对洞穴气温的影响p 4 j ；在洞穴里，一个健康的成年人能放出8 2 - - 1 1 6 瓦的热量，如果他在行走放出的热量可达1 7 0 j s 1 9 l 。在比利时的r e m o u c h a m p s 洞， 一组8 7 人的游客团在5 分钟的游览中使气温升高了1 5 。c 【3 5 】：同样，c i g n a ( 1 9 8 9 ) 在意 大利的c a s t e l l a n ac a v e 洞穴测得，一组1 0 5 人的游客团在7 分钟内使洞穴气温上升了1 ，自然降解所升高温度需要的时间是1 0 分钟。在意大利的g r a n d ed e lv e n t oc a v e ，每 日的气温随游客的增加而波动幅度加大，叠加在另一个可能因自然影响产生的波动之 上，且因游客产生的气温波动在远离游道的地方变得很小【4 l l 。西班牙的a l t a m i r ac a v e ， 游人经过后，温度上升2 ，c 0 2 含量浓度从0 4 升高到1 2 ，是游人进洞时的3 倍， 他还建立了在一个模型来预测气温的变化1 4 引。在贵州织金洞的研究表明，开放洞段的 c 0 2 含量和气温普遍高于未开放洞段引。 照明系统也是洞穴热量升高的一个重要原因。洞穴由于旅游的需要，往往安装了大 量的高能灯泡，他们直接照射在景观上，彻底改变洞穴景观原始环境。强光源可使岩石 壁变干，空气湿度下降。如在一个l k w 光源的照射下，距它5 0 c m 处的岩壁在几秒钟内温 度可以由1 5 上升至e j 2 5 ，而空气的相对湿度从9 0 一1 0 0 下降到5 5 ，6 0 。同时形成 强烈的上升气流p7 1 。在浙江瑶琳洞，距4 0 w 白灯泡1 1 5 c m ，气温为1 7 6 ，距离减少为 1 5 c m 时，气温上升到1 8 1o c i 邓j 。在新西兰的g l o w w o r mc a v e ，除去游客温度影响的情况 下，每日的洞穴灯光可以导致2 c 的气温上升【3 9 1 。在意大禾l j c a s t l l a n ac a v e ，由游客和灯 光系统输入的总能量改变了洞穴的热平衡，在2 2 年里，洞内气温上升了3 。气温升高， 相对湿度便会下降，但水蒸汽的容量却增加了，气温升高l 会导致水蒸气容量增加8 倍， 江南人学硕士学位论文 同时，每位游客在一小时内还可以蒸发4 0 克的水气，高浓度的c 0 2 及水蒸汽的存在使洞 穴空气具有较强的溶蚀性。洞穴湿度对洞穴景观来说十分重要，正在生长的石泡、石枝、 鹅管等，其生成环境湿度在9 0 1 0 0 ，当环境温度降到6 0 以下时，就会逐渐失水，变 于，甚至产生裂隙，断裂和破碎。特别是在高能灯近照下，破坏作用会更大。 洞穴气流的强度和方向影响着洞穴空气特征，特别是湿度和c 0 2 含量。因气流变化 导致的洞穴变干是一个重要问题，对洞积石的影响更是直接的，洞风可使碳酸钙沉积景 观失水、风干、剥落，甚至会改变洞积石的成分和结果，可使月奶石变成粉末 i o l ，也可 使洞穴沉积的石葡萄变成“洞穴爆米花”，当温差为1 5 的气流以l m s 的速度进入洞内， 就需要以1 2 s 的速度来补充水分以保持相对湿度【l 。此外，洞穴气流还可引起溶蚀作用， 这种溶蚀作用实际上包括洞穴汽态水对碳酸钙洞穴沉积物的溶蚀作用和洞穴气流的吹 蚀作用。在夏、秋季，外界的热空气吹入洞穴，遇到温度较低的洞穴空气时，由于骤然 变冷，空气中的水分子凝结形成凝结水，并溶解空气中的c 0 2 ，对洞穴景观起溶蚀破坏 作用，这在洞穴风风道上尤为明显。越靠近洞穴出入口的地方，气流一般较强烈，如在 西班牙的a l t a m i r ac a v e ，接近洞口的洞厅与外界气流交换的强度要远大于距洞口较远的 地方。因此，洞穴气流控制设施，如双重气门、出入洞隧道修改成曲道等，将对这些地 方的洞穴景观起保护作用。洞穴的“烟囱效应”对洞穴环境也产生一定影响，它促进了 洞穴内外气流的交换，加剧景观风化，如在浙江瑶琳洞( 林钧枢等，1 9 9 9 ) ，在新西兰的 萤火虫洞，“烟囱效应 产生的气流改变了萤火虫的生存环境，直接导致了萤火虫的 死亡。 喀斯特的发育过程是天然水溶解碳酸盐岩。流水搬运溶解物质并在有条件的地方放 出c 0 2 ，把c a c 0 3 沉积下来的过程。水中碳酸盐的平衡状况不仅控制着洞穴的发育，还 控制着洞穴景观的形成和溶蚀。洞穴水化学成分特征和变化规律对研究洞穴景观的稳定 性有重要作用。最初，g o n z a l e s 等1 2 3 】通过研究洞穴水体化学组成来研究碳酸盐岩床的溶 解和钟乳石的沉积。g o c 等【2 5 1 ，n e i l 等【2 6 j 等人陆续地研究了由于洞穴所在地的污染源 对洞穴水体所造成的影响。近年来，对于洞穴水的研究主要侧重于对洞穴水的流速 和雨水在碳酸盐岩层中的停留时间以及雨水和碳酸盐岩层物质交换等方面，l l a i z 等【3 0 l ，b a r b a r a v o k a l 等【3 l 】对滴水的滴速、化学组成、污染分析以及空间时白j 变化进 行了研究。 洞穴旅游活动因为改变了空气c 0 2 含量、气温、湿度等环境条件，并促进空气的扰 动，从而使洞穴水化学特性亦受到影响。西班牙的n e r j ac a v e 开放洞厅的滴水，其电导 率5 2 0 5 4 0 “s c m 和c 0 2 平衡浓度0 1 0 2 要略高于那些未开放洞厅滴水的电导率 3 9 0 5 1 0 “s c m 和c 0 2 平衡浓度0 0 5 - - - 0 1 5 。在洞穴开放区域的滴水的矿化度、c 0 2 平衡浓度、温度的季节变化幅度要大于未开放区域的滴水。滴水中c 0 2 浓度季节性变动 与自然界中土壤的c 0 2 浓度变动相一致，冬季低，夏季高。在桂林喀斯特地区的实验表 明，土壤中的c 0 2 含量的季节变化和多年变化导致了地下水c a ：+ 和h c 0 3 浓度的季节变化 和多年变化【3 3 1 。洞穴水的化学性质还与洞穴所处的地质环境相关，如在四川兴文洞，黄 铁矿和硫加工业的存在就使地表水、地下水富含硫酸盐，严重的还有酸掣蛆j ，会对石灰 4 第一章前言 岩和洞穴景观产生强烈的腐蚀作用。 1 2 研究目的和意义 我国对旅游洞穴环境变化的研究起步较晚，直n 2 0 世纪9 0 年代，随着人们环保意识 的增强，对旅游洞穴环境的研究才逐渐增多。中国地理学会喀斯特与洞穴专业组( 1 9 8 2 ) 、 国际旅游洞穴协会( 1 9 9 0 ) 及中国地质学会洞穴研究会( 1 9 9 1 ) 的成立，国家自然科学基金 委及有关机构对旅游洞穴环境研究的大力资助，都对我国旅游洞穴环境保护的研究起了 促进作用。 目前，对旅游洞穴环境变化的研究主要集中在洞穴的气候环境( 温度、湿度) ，空气 c 0 2 含量、气流、灰尘、灯光植物等方面。这些因素除了在很大程度上受自然影响外， 还与洞穴旅游活动有着密切关系。国外的研究起步较早，并通过建立自动观测系统对洞 穴环境因子进行连续观测，收集了大量资料。较之国外，我国在这方面的研究还是落后 的，目前国内还没有一个洞穴设立有洞穴环境的自动观测设备，对旅游洞穴环境的监测 大多间断而不连续。我国是个喀斯特大国，洞穴资源十分丰富，开放洞穴从早期的桂林 七星岩、芦笛岩、广东云浮岩等几十多个，发展到现在已达4 0 0 多个，成为世界上最大 的洞穴旅游大国。虽然有众多的开放洞穴，但国内对洞穴环境研究较多的旅游洞穴主要 有北京石花洞、贵州织金洞、河北白云洞等，它们所在的纬度不是南就是北，其它纬度 条件下的洞穴环境研究则很少，不同气候条件下的洞穴环境的基础资料相当缺乏，许多 洞穴由于缺乏基础数据，缺乏洞穴环境保护知识和措施，致使许多洞穴景观遭到不同程 度的破坏。而大王洞所在的池州市位于东经1 1 6 0 3 8 一11 8 0 0 5 ，北纬2 9 0 3 3 一3 0 0 5 1 ，属暖 湿性亚热带季风气候，在独特的气候条件下其洞内环境必然有其自身的特点，国内并没 有此气候条件下洞穴环境的研究，因此大王洞洞穴环境变化及其改变因素的研究可以完 善我国不同气候条件下洞穴环境基础数据，进一步完善洞穴环境保护知识和措施，为更 好的保护和恢复洞穴景观资源提供依据。 1 3 研究内容 大王洞位于安徽省池州市，是我国主要旅游洞穴之一。开放至今，原先洁白或半透 明的碳酸钙沉积物景观变黑、风化，美学价值大大下降。该洞景观目前风化严重，洞积 石强烈疏松、折断和掉块。对大王洞环境变异的研究将为洞穴景观的保护提供科学依据， 同时对其它洞穴的保护起借鉴作用。 洞穴大气环境作为洞穴环境中一个比较敏感的因素，极易受到外来因素的影响，进 而影响到了整个洞穴碳酸钙沉积景观的生长和消亡。因此，洞穴大气环境( 温度、湿度、 c 0 2 浓度) 的研究，对于保护洞穴景观，实现洞穴旅游的可持续发展，具有至关重要的 作用。研究旅游洞穴的环境变化，关键是要弄清洞穴开放后，人为因素对洞穴环境的影 响。对大王洞来说，因旅游活动产生的人为影响因素主要有三个：新开出入洞口隧道、游 客流和灯光系统。我们通过实地测量洞穴空气温度、湿度、c 0 2 含量、气流和游客量的 变化，研究旅游洞穴环境变异中的人为影响，并把它与自然影响做简单的比较。 洞穴水是碳酸钙沉积物景观形成和溶蚀的主要动力，在大王洞内定点观测洞穴水， 现场采集水样进行水化学成分分析，研究其变化特征。通过对洞穴水水化学的研究，对 江南大学硕+ 学位论文 其污染进行分析，揭示洞穴地下河水的物质来源，为以后更好地研究、保护洞穴水环 境提供可靠依据。最后，把洞穴坏境因素和洞穴水结合起来，对自然因素和人为因素 共同作用下的大王洞景观的影响进行综合研究，提出具体的保护措施。 1 4 研究区概况 1 4 1 研究区气候 池州地处东经1 1 6 。3 8 一1 1 8 0 0 5 ，北纬2 9 。3 3 一3 0 0 5 1 ，光照充足无霜期长，属暖湿性 亚热带季风气候。气候温暖，四季分明，全市年平均气温为1 6 1 ，较高年份达1 7 2 。c ， 较低之年为1 5 5 。c ；全市季、月、旬的气温分布：春季( 3 5 月) 为1 5 7 ，贵池最低 1 5 5 。c ，夏季( 6 8 月) 为2 7 0 9 c ，贵池2 7 2 。c 较高，石台2 6 7 较低，秋季( 9 i1 月) l7 1 ， 贵池1 7 3 。c ，东至、石台1 7 0 较低，冬季4 6 。c ，其中石台4 8 较高，贵池、青阳4 4 。c 较低；各月分布是元月份3 49 c 最低，7 月份2 8 ，3 。c 最高；旬气温分布是：元月中旬最低 为3 2 ，其中贵池、青阳均为3 1 ，东至、石台为3 3 ；7 月下旬和8 月上旬最高均为 2 8 8 。c ，其中贵池2 9 2 。c 较高，石台2 8 4 较低。雨量充足，全市年平均降水量为1 5 5 6 9 毫米，呈南多北少，东西相当之分布；降水量丰沛年达2 2 0 0 毫米以上，极大值为2 7 1 6 毫 米( 九华山、8 3 年) ，干旱年9 5 0 毫米左右，极小值8 8 8 7 ( 贵池、7 8 年) 。 1 4 2 研究区地质地貌 池州大地构造上位于扬子地台东北部，根据地层、构造、岩浆活动的差异，可分别 归属于三个次级构造单元，即东至县南部为江南台隆：贵池区和青阳县以北为下扬子台 坳；本市的中部为皖南浙台坳。在地壳运动影响下形成一系列褶皱与断裂，本市地层发 育齐全，自太古界至新生界均有出露。市内印支期、燕山期岩浆活动强烈，导致一系列 基底断裂发生，频繁的岩浆侵入活动，形成了以构造岩浆岩带为主干的成岩成矿系列。 池州地处安徽省西南部，东南是黄山山脉与九华山山脉结合地带，北西濒临长江。整 个地势由东南向西北逐渐下降，从中山、低山过渡到低山、丘陵，最后到岗地、平原。 地貌类型比较复杂，根据地貌组合特征，自东南至西北可分为三个地貌区，且都是北东 方向延伸，尤以九华山一一牯牛降中山、低山、山间贫地和青阳木镇一一东流沿江岗地、 平原区，都呈狭长状态，中部青阳县一一东至县低山、丘岭、山问搞地面积较大。 1 4 3 大王洞自然环境概述 大王洞是个典型的水洞，位于贵池城西南5 8 公里处牌楼乡穿山村，主洞长2 2 0 0 米， 总面积约3 万平方米，是以水景石景相交融的大型溶洞。该洞基本为一倾斜双进口洞穴， 进口总面积约2 0 0 m 2 ，出洞口面积约1 5 0 m 2 ，进口洞海拔1 3 5m ，出口洞海拔6 5m ，进出 洞口高差约7 0 m ，按照整个行程，洞内可分为银河、瑶池、仙园、龙宫、风殿五大部分， 洞内廊道宽窄不，最宽处可达1 0 0 多米，最窄处只容一人通过，最高处达8 0 余米， 大型洞厅众多，可供游人观光休憩，洞内景色旖旎，石钟乳、石笋、石柱、石莲花等千 姿百态。整个洞穴被一条来自洞外的河水贯穿，河水落差达7 0 米，因而洞内形成瀑布、 水帘喷泉、碧潭等水景奇观。 从垂直方向上，大王洞可分为三层。银河、瑶池位于第一层，均为低矮的廊道，廊 道断面多以矩形、孔状、拱状为主，平均高度在6 m 左右，平均宽为3 m ，银河长约8 0 0 m ， 6 第一章前言 瑶池长约5 0 0 m ，空间狭小：第二层的仙园位于第一层斜上方，有一个体积约为4 0 0 m 3 的 大厅一聚仙山庄，是一个供游人休息的地方，其余地方以廊道为主，洞道狭窄，平均宽 为2 m ：最高层为龙宫和凤殿两部分，以大型的厅堂为主，厅堂之间有低矮狭窄的廊道连 接，其中龙宫大厅和风殿大厅体积巨大，体积约为6 0 0 0 m 3 ，是整个洞穴的精华所在。 1 4 4 洞穴内碳酸钙沉积物景观 大王洞沉积物景观类型丰富，有石钟乳、石笋、石柱等滴石类沉积物，有石幔、石 幕、石旗、石瀑布等流石类沉积物，有池边钙板、池底穴珠、石柱基等静水类沉积物， 还有卷曲石、石枝、石针等非重力水沉积。 大王洞分上、中、下三层洞穴，各层洞穴的景观特征各不相同。上层洞穴( 龙宫、 凤殿) 主要是大型沉积物景观，以滴石、流石类为主，有全洞最大的石笋，最大的石瀑 布，最长的石柱，最长的石幔，长有十几米，中间层的洞穴( 仙园) 呈厅堂和廊道交错型， 次生沉积物较少，因沉积状态稳定，生成上下大小均匀的石柱。在该部分，铁质和泥沙 的存在使沉积物变成褐色，但颜色却分别为白色和浅褐色的石柱组成。最下层( 银河和 瑶池) 呈廊道型，该部分没有大型的景观，但非重力沉积的微小景观如卷曲石、石枝、 石针、石毛等极为丰富。卷曲石是大王洞微小沉积物中的最多的种类，有枝状、钩状、 毛发状、放射状等，颜色主要有泥黄色。卷曲石的大小差别也较大，最小的如同石针， 细而长，直径约1 2 m m 粗壮的卷曲石直径有1 0 1 5 m m ，多长在风化的沉积物表面。各层 洞穴水文、水化学特征的差异是造成有序沉积的主要原因。 碳酸钙沉积物景观风化是大王洞的另一个特点。许多石柱、石笋、石幔等沉积物表 层白垩化呈粉末状，有些石帷也风化成白色，并且下部断裂开来。在游客罕至的置隐蔽 处里生长的卷曲石，因生长环境更加稳定，显得晶莹剔透，而在游道附近，沉积物表面 生长的卷曲石因气流、温湿度等环境变化较大。风化现象较为严重，一些卷曲石的表面 呈泥黄色粉状，另一些则整个白垩化。在景观严重风化的同时，在沉积物的风化表面， 新生成的石枝，石针，石毫，卷曲石等非重力沉积物又随处可见，在许多地方构成美丽 的景观，它们主要是由沉积物内部的风化孔隙渗透出来的毛细水沉积形成的。洞穴沉积 物强烈风化破坏的同时，新的沉积物，尤其是非重力沉积物又不断生成的现象，是大王 洞最为显著的特征。 1 4 5 旅游概况 大王洞从开放至今已接待游客3 0 0 万以上。近几年，年游客量逐渐趋于稳定，根据 门票统计，近几年游客量可达n l o 万人左右。春季和冬季是大王洞的旅游淡季，游客很 少，进入4 月份，游客逐渐增多，“五一”长假是大王洞的第一旅游黄金周，每天游客 量达到一年中的最高峰，高峰时一天可达3 0 0 0 人。随后，大王洞进入旅游旺季，月游客 量近万人，九月份因学校的开学，游客量有所下降，但紧随而来的“十一长假使大王 洞进入第二个旅游高峰周，“十一 过后。游客量迅速降低，进入旅游淡季。 一般地，在个月当中。周末的人数相对较多，不是周末的时候，每天游客数为 1 0 0 2 0 0 人，周末的游客数为5 0 0 8 0 0 人，较平时多出五、六百人。在一天当中，有两个 游客高峰，分别在上午1 0 点- - 1 2 点及下午2 点4 点之间，其中上午的高峰期游人最多。 7 第二章大气环境特征 第二章大气环境特征 自8 0 年代初以来，大王洞开发并陆续向公众开放，取得了良好的经济和社会效益， 但是正是因为旅游活动的开展，致使原本是一个封闭的洞穴系统变成了开放的洞穴系 统，破坏了原有洞穴系统的平衡，使洞穴内外环境的相通性增强，物质和能量的交换加 剧，而洞穴气候环境是洞穴环境中比较敏感的因素，因此洞内气候环境容易受到洞外气 候环境的影响，洞穴气候环境对于整个洞穴碳酸钙景观的生长和消亡具有决定性的作 用，只有了解大王洞开放后，洞内环境的变化和过程，才能更好地保护洞内环境和景观， 因此，洞穴气候环境( 温度、湿度、c 0 2 浓度) 的研究，对于保护洞穴景观，实现洞穴 旅游的可持续发展，具有至关重要的作用。 在大王洞，主要对洞穴空气c 0 2 浓度、温度、风速这几个环境因素进行观测。观测 分两种方式，一是沿着游路在全洞观测洞穴空气c 0 2 浓度、温度、湿度、风速的变化， 目的是了解大王洞各洞厅环境因素的变化情况和差异性；二是选择观测点，在一定时间 段内进行定点观测，连续观测游客量、空气c 0 2 浓度和温度，以了解游客量对空气c 0 2 浓度、温度的影响。 表2 1 大王洞气候分带及各带气象特征 气候分带 c 0 2 浓度 温度相对湿度 2 1 研冤方法 2 1 1 监测时间和方法 在2 0 0 7 年1 月、3 月、5 月、6 月、7 月、9 月、1 2 月，根据大王洞地形以及环境 特点在洞内布设了1 5 个监测点( 如图2 一1 ) ，对洞内二氧化碳、温度、湿度、风速等气候 环境进行较为系统的观测。5 月、6 月、7 月属于洞穴旅游的旺季，人流量较大，旅游活 动对洞内大气环境的影响较大，1 月、3 月、9 月、1 2 月份属于洞穴旅游的淡季，人流 量少，大王洞此阶段也如此，此时洞穴内部环境受到旅游活动影响方面可以忽略不计， 主要受其自身因素以及洞外气候环境所影响，本章旨在对洞内外环境进行监测，找出洞 内外气候环境的相关性及旅游活动对洞内大气环境的影响。 使用台湾泰仕仪器厂产的t 1 3 7 0 二氧化碳仪对二氧化碳进行监测、a v m 0 7 叶轮式 风速计和数字电子温度仪对洞穴空气中的二氧化碳、温度、湿度、风速进行直接监测。 9 江南人学硕十学位论文 每天八点半从洞u 丌始依次测量，监测一次的时叫为2 小时3 0 分，每天上午、下午各 监测一次。 2 1 2 监测点的设定覆测点概况 大王洞洞内通道蜿蜒曲自，各洞厅大小不，洞穴形态、洞穴内部构造、洞内环境 特点，比如：洞内宽敞性、通风性、高差、水量大小等，以及洞外环境都将影响到气体 和热量的扩散与积累，进而影响到涧内二氧化碳值、温度、湿度、风速等大气要素。为 了比较准确地了解到洞腔大小、洞腔内部构造、洞内落差、景观发育情况以及洞外环境 等因素对洞内环境的影响。于大王洞洞内五个景区中选取了l o 个大气监测点。各测点 位置如图2 - 1 所示。 凤殿黑留篙! 篙黜j 瘩篓紫j 。剥麓黜臻辚+ 灞罐：裂焉臻 图2 - 1r 3 - n 示意图厦监测最布局 f i g2 is c h e m a t i c m a p o f d a w a n g c a v es h o w i n g m e a s u r i n gs p o t so f c 0 2a n d w i n d 2 2 洞穴大气环境特征 2 2 1 洞穴c 0 2 浓度变化特征 对于末丌放的较为封闭的洞穴内部c 0 2 主要有以下来源：石扶石的侵蚀风化，十壤 中微生物的作用，洞穴深层大气的扩散传播以及土壤水中携带的c 0 2 f 4 0 】。而对于大乇洞 这个丌放的旅游洞穴，其来源j = e 包括游客以及洞外大气的影响。 洞穴c 0 2 浓度的测点布设如图2 - 1 所示，测定时| 1 | j 为每天的上午8 点和下午1 点各 一次。从图2 - 2 及表23 、2 2 可以看出在监测时间段内大- e 嗣二氧化碳浓度变化有如f 的规律： ( 1 ) 1 、1 2 月份各测点c 0 2 浓度较低：3 、5 、6 、9 月份c 0 2 浓度相对较高 洞穴c o ：的主要来源有两个方面，一是土壤经活塞效应进入洞内，= 是洞内游客的 呼吸排放，监测时间1 、1 2 月份是洞穴旅游的淡季，大王洞的游客量很少，游客对洞内 c 0 2 的影响可以忽略不计，因此，洞内c 0 2 浓度主要受到洞外气候环境的影响，从而洞 内c 0 2 浓度与洞外c 0 2 浓度相差不大。从3 月份丌始游客丌始增多，洞内c 0 2 浓度也 相应增加，特别是游客停留时问较长的聚仙山庄以及空间相对狭小的线荚。 ( 2 ) 从洞i1 到洞内c 0 2 浓度总体来说是呈递增趋势 第章人气环境特征 越往洞内受洞卅环境的影响越小，空气流动性越小，c 0 2 越容易累计，特别是在5 、 6 、7 、9 月份，游客量增加，对洞内c 0 2 浓度确很大的贞献，特别是洞穴深处的聚仙l 【i 庄和一线关，空气流动性羞，最大月份的c 0 2 浓度比最小月份高约4 0 0 r l l g l 。 ( 3 ) 上午c 0 2 浓度比下午c 0 2 浓度高 大王洞森林覆盖率超过了9 0 ，j f 是由于这些大量植物的光合作用，致