（环境科学专业论文）陕西秦岭翠华山片麻岩区泉水溶蚀作用与化学成分变化规律研究.pdf

r e s e a r c ho nc o r r o s i o np r o c e s sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc u i h u a m o u n t a i ns p r i n g s w a t e ri nq i n l i n gg n e i s sa r e ai ns h a a n x ip r o v i n c e x i a oj u n a b s t r a e t ：a th o m ea n da b r o a d r e s e a r c ho nc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs p r i n g s w a t e ri so n eo ft h eh o tp r o b l e m s a ta b r o a d ，r e s e a r c hm a i n l yc o n c e n t r a t e so n e s t a b l i s h i n gh y d r o g e o l o g i c a lm o d e la n du s i n gc h e m i c a lm e t h o d s t oa n a l y z ec h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fs p r i n g w a t e r u n d e rt h eg u i d a n c eo fe a r t hs y s t e ms c i e n c e d o m e s t i c s c h o l a r sh a v em a d eal a r g en u m b e ro fs t u d i e so fb a s i ct h e o r y , e x p l o i t a t i o na n d u t i l i z a t i o n ，p o l l u t i o na n dg o v e r n a n c eo f s p r i n g w a t e r , a n dh a v ea c h i e v e df r u i t f u lr e s u l t s h o w e v e r t h ep a s to b s e r v a t i o no fc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs p r i n g s w a t e ri sm a i n l y c o n c e n t r a t e di nt h el i m e s t o n ea n dd o l o m i t i ca r e a ；t h e mi sn oo b s e r v a t i o ni ng n e i s s i c a r e a g n e i s ss t r a md e v e l o p e di nc u i h u am o u n t a i na r e ao fq i n l i n gm o u n t a i n s ，a n d s p r i n gw a t e ri sa c i d i c w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mo t h e ra r e a so fn o r t h e r nc h i n a t h r o u g h t w oy e a r sc o n t i n u o u so b s e r v a t i o n ，c h a n g e so fc o r r o s i o np r o c e s sa n ds p r i n gw a t e r s c h e m i c a lc o m p o s i t i o ni nt h i sa r e aa r em a s t e r e d r e a s o n so ft h e ma r ee x p l o r e d t 1 l i s r e s e a r c he n r i c h e dt h ec h a n g et h e o r yo fs p r i n g sc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，p r o v i d e d s c i e n t i f i cb a s i sf o rs c i e n t i f i c ，r a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fl o c a lw a t e r r e s o u r c e s ，l a n dr e s o u r c e s ，t o u r i s mr e s o u r c e s ，a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dg l o b a l c h a n g er e s e a r c h a tt h es a m et i m e ，i ti si m p o r t a n tt ot h ee x p l o r a t i o no fg l o b a lc a r b o n c y c l ea n ds p r i n g s c o r r o s i o nm e c h a n i s m t h r o u g hc o n t i n u o u s o b s e r v a t i o na n dd a t aa n a l y s i si nt h i sa r e a , f o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r eg o t ( 1 ) d i u r n a lv a r i a t i o no fs p r i n g s p hv a l u ea n dc o n d u c t i v i t yi nc u i h u a m o u n t a i na r e ai si n c o n s p i c u o u s b yc o m p a r i s o n ，p hv a r i a t i o ni ss l i g h t l yl a r g e rt h a n c o n d u c t i v i t y ( 2 ) p hv a l u ec h a n g eo fs h u i q i us p r i n g sw a t e ri nt h ec u i h u am o u n t a i ni s b e t w e e n5 6 9a n d6 7 4 ；t h ea n n u a lm e a nn u m b e ri s6 1 7 t a k i n go naw e a ka c i d i c c h a r a c t e r c o n d u c t i v i t yc h a n g eo fs h u i q i us p r i n g i sb e t w e e n1 8 0 0 3 i _ t s c ma n d 2 1 0 0 0 1 a s c m ；t h ea r m u a lm e a nn u m b e ri s1 9 6 3 6 1 a s c m w i t l l i nay e a r , p hv a l u ea n d c o n d u c t i v i t yi ns h u i q i us p r i n gc h a n g e sf r o mh i g ht ol o wa n dt h e nt ol l i g ha g a i n b u t t h ec o n d u c t i v i t yc h a n g ei sl a r g e r , a n dt h et i m et oc h a n g es m a l l e ri sl a t e r o v e r a l l ，i n w i n t e ra n ds p r i n gt h es p r i n g sp hv a l u ea n dc o n d u c t i v i t yi sl a r g e rt h a ni ns u m m e ra n d a u t u m n ( 3 ) p hv a l u ec h a n g eo fh u x is p r i n g sw a t e ri sb e t w e e n6 2 7a n d6 9 8 ；t h e a n n u a lm e a nn u m b e ri s6 5 8 ，t a k i n go naw e a ka c i d i cc h a r a c t e r c o n d u c t i v i t yc h a n g e o fh u x is p r i n gi sb e t w e e n15 5 i t s c ma n d2 3 7 i _ t s c m ；t h ea n n u a lm e a nn u m b e ri s 1 8 5 5 6 i t s c m w i m i nay e a r , p hv a l u ei nh u x is p r i n gc h a n g e sf r o mh i g ht ol o wa n d t h e nt oh i g ha g a i n ，b u tt h ec o n d u c t i v i t yc h a n g e si sc o n t r a r yt op h o v e r a l l ，i nw i n t e r a n ds p r i n g ，t h es p r i n g s p hv a l u ei sl a r g ew h i l ec o n d u c t i v i t yi ss m a l l ；i ns u m m e ra n d a u t u m n ，p hv a l u ei ss m a l lw h i l ec o n d u c t i v i t yi sl a r g e ( 4 ) h y d r o c h e m i c a lt y p eo fs h u i q i us p r i n ga n dh u x is p r i n ga r em a i n l y h c 0 3 a n dc 扩，c o n t e n to ft h e mi sh i g h ，w h i c ha c c o u n t e df o rm o r et h a n9 5 o ft h e i i i t o t a la n a l y z e di o n s c o n t e n t c o n t e n to fm 9 2 + ，n a + a n dk ，i sl o w e r t h a n5 7 r h eo r d e r o ft h e mi sh c 0 3 一 c a 2 + m g z + n a + k + c o m p a r e dw i t hs h n i q i us p r i n g ，v a r i a t i o n r a i l 露a n da v e r a g ec o n t e n tn u m b e ro f r i c 0 3 。、k i 、n a + 、m g z + i nh u x is p r i n gi ss m a l l e r , w h i l ec o n t e n to f c 一+ i sh i g h e r ( 5 ) t h em a i nm a s o n so fs p r i n g s w a t e ri sa c i d i ci nc u i h u am o u n t a i na r e a a l ec o n n e c t e dw i t hg r o w t hc o n d i t i o nq u a l i t yo fv e g e t a t i o n ，p h v a l u eo ft h e a t m o s p h e r i cp r e c i p i t a t i o n ，c o n t e n to f s o i lc 0 2d e n s i t ya n ds o i lc h e m i e a li n g r e d i e n t si n t h i sa r e a t h ew a t e r sc o n d u c t i v i t yc h a n g ei sm a i n l yc o n c e l l l sw i t ht h ec o n t e n tc h a n g e o f w a t e rc a t i o n ( 6 ) n er e a s o n so f t h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns h i u q i us p r i n ga n dh u x is p r i n g a r et h a tt h ed e v e l o p m e n to fv e g e t a t i o na n dw a t e rs o n r c c so ft h e s et w os p r i n g si s d i f f e r e n to rt h a tw h e nf l o w i n g ，w a t e rp a s s e sd i f f e r e n ts o i l l a y e r sa n ds t r a t aw h e r e c a c 0 3 c o n t e n ti sd i f f e r e n t ( 7 ) w i t ht h ed e c r e a s i n ga l t i t u d e ，p hv a l u ea n dc o n d u c t i v i t yo fc u i h u a m o u n t a i n ss p r i n g ss h o w sar i s i n gt r e n d ( 8 ) c h a n g eo fc h c m i c a lc o m p o s i t i o na n dc o r r o s i o np r o c e s si n c u i h u a s p r i n g si sd e t e r m i n e db ys o i lc o z c o n t e n t ，w h i c hi sas t a b l ec h a n g ea n de a s yt ob e o b s e r v e d k e yw o r d s ：c u i h u am o u n t a i n o fs h a a n x iq i n l i n g ；c o r r o s i o np r o c e s s ；c h e m i c a l c o m p o s i t i o no fs p r i n g s w a t e r ；c h a n g el a w ；c h a n g er e a s o n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：碰 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西师 范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索； 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名：醐脚咖 1 前言 1 1 研究意义 水化学成分变化研究一直是国内外学者研究的热点问题之一。国外研究主要 集中在水文地质模型的建立和利用水化学方法对地下水地球化学特征进行分析 “。在中国，该研究主要集中在南方碳酸岩地区，已对水化学成分变化规律及其 对碳酸盐溶蚀作用差异等进行了大量研究”1 ，取得了许多重要成果。在中国北方 地区，对水化学成分变化也进行了一定的研究，但研究目的主要是为了水资源的 开发利用“”，专门针对地下水化学成分变化规律的研究则较少。由于中国北方降 水较少，地表水与地下水通常是碱性的。然而，秦岭翠华山地区片麻岩地层发育， 岩石成分决定了该区的泉水性质与中国北方其它地区不同。我们从岩石圈、水圈、 大气圈、生物圈界面上的物质、能量传输入手，通过监测，掌握了秦岭片麻岩地 区泉水溶蚀作用及化学元素的年内变化规律，该研究丰富了泉水化学成分变化理 论，为该区水资源、土地资源、旅游资源等科学、合理的开发利用及环境保护和 全球变化研究提供了科学依据，同时对探讨全球碳循环和溶蚀形成机制也具有重 要意义。 l - 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外研究主要集中在水文地质模型的建立和利用水化学方法对地下水地球化 学特征进行分析。1 9 7 5 年，水化学成分变化首次作为国际性水文地质大会的主题， i a h ( 国际水文地质家协会) 出版了( h y d r o g e o l o g yo fk a r s t i ct e r r a i n s ，首次 系统地研究了岩溶区的水文地质学问题。自此以后，几乎每年都有不同规模的国 际学术讨论会召开，论文和专著不断涌现。美国的s h u s t e r t 和w h i t e 在前人工作基 础上，于1 9 6 9 和1 9 7 1 年首先明确提出了岩溶水化学成分变化双重介质模型“+ ”1 ，即 在碳酸盐岩含水单元中常常同时存在着溶洞、暗河充水的管道集中流和由溶蚀裂 隙组成的扩散流介质，前者起导水排泄的作用、后者起贮水网络的作用。由于岩 溶发育程度不同，故不同地区两种介质所占的比例不同。洪水季节，管道流介质 内水位上升快而渗透补给的扩散介质水位上升慢，故管道流一方面向排泄区运动， 另一方面还侧向补给周围的裂隙；在枯水季节，管道水位下降快，扩散介质中因 滞后效应而水位相对较高，故水从裂隙、溶隙向管道中运动“：s c a n l o n 和 t h r a i l k i l l 在美国的研究和a t k i n s o n 在英国孟迪普山区的研究使得该工作得以发 展和完善“”1 。1 9 8 5 年，q u i n l a n 和e w e r s 在总结世界一些著名岩溶区的研究成果 基础上，建立了岩溶含水介质及流动的特征谱。“；a t k i n s o n 和s m a r t 于1 9 7 9 年、1 9 8 5 年对大量岩溶、半岩溶含水层进行研究后认为，被岩溶水拓宽的一些溶隙宽度达 l o c m 以上时，其内的水流为非达西流，其水文地质意义不可忽略。由此，他们提 出了岩溶含水层的三重介质模型”“2 ”，即岩溶含水岩体中存在着孔隙、微裂隙、 层面等扩散流介质及溶蚀大裂隙介质和管道流介质，同时在流态上分有达西流、 紊流和介于其间的混合流。著名示踪专家o u i n l a n 在犸猛洞区5 0 0 多次示踪研究和 在对长期自动监测资料分析的基础上，提出了岩溶含水层的四重介质模型。 但岩溶含水介质具有多重性，并具有裂隙流与管道流并存、层流与紊流并存、 线性流与非线性流并存、连续水流与孤立水体并存等特殊水流的流动规律，给 研究带来了困难。于是，针对岩溶含水介质的复杂性，人们开始寻找新的理论和 方法，在此过程中，系统理论的引入提供了有效的工具。成功的模型有c o mp a n a 等人的全混合模型。“”3 和d r i e s 的模型，前者以示踪剂或溶质作为输入，而d r i e s 根据密苏里州东南部两个岩溶大泉的历次暴雨期流量资料，用反褶积法求得水化 学成分变化系统的核函数( 特征因数为瞬时单位过程线) ，利用己求得特征函数重 现了输出信息，根据不同单位的计算误差，判断补给区的位置和范围，具有较高 的精度。w h i t e 等人o ”研究了构造一地层子系统，水循环子系统，化学反应子系统 和岩溶地形、洞穴地貌子系统的输入、输出及内部结构的相互作用。但对于岩溶 含水系统中多重介质之间耦合关系的确定，仍是许多水文地质学家正致力探求解 决的问题之一。 到目前为止，涉及泉水溶蚀作用比较著名而有代表性的模型主要有3 个： ( 1 ) p l u m m e r 等的表面反应控制模型o ”：p l u m m e r 等( 1 9 7 8 ) 研究了在不同的 温度和c o ：条件下颗粒状方解石的溶解行为，采用的方法包括稳定p h 值法和自由漂 移法，实验搅拌速度为1 8 0 0 2 3 0 0 转分。他们提出的溶解速率方程为( 常称为p w p 方程或p w p 模型) ：r = k 。 r + k ：a h 。c o 。+ k 。a h 2 0 - k a c a 2 * a h c 0 3 - 其中，k 。至k 。为与温度有关的一级速率常数：k 4 贝0 既取决于温度又和c 0 ：分压有 关；a 为活度。p w p 模型已得到广泛应用，然而由于它是基于溶液充分搅拌，即溶 质传输为非速率控制因素的假说。因此，该模型在解释边槽及边石坝等自然现象 时就显得无能为力了。 ( 2 ) w a l l i n 等( 1 9 8 9 ) 的薄膜理论模型：它基于速率的纯传输控制，假定 固一液界面间达到相平衡，而这一假设仅在酸性( p h c a ” m 矿 n a + r 。 表7 各种离子占总离子含量的百分比( ) 可看处这两处泉水水溶组分以h c 0 ；和c a 2 + 为主，这两种离子均值之和占所分 析离子总含量的9 5 以上，如水湫池泉水占9 5 ，8 0 ，湖西泉水占9 6 1 0 ；m g “含量 百分比小于3 0 0 ，如水湫池泉水占2 6 9 ，湖西泉水占2 6 0 ：n a 含量则更低， 仅占l _ 1 9 铲1 3 5 ：k 十含量最低，所占百分比小于0 2 0 ( 水湫池泉0 1 6 ，湖西 泉0 0 9 ) 。 由此可见，该区泉水水化学类型以h c 0 3 - - c a 2 + 为主，h c 0 。- 、c a 2 + 含量高，而m g ”、 n a + 和k + 含量低。 6 7 泉水c q 含量 泉水c o ：含量是指每升水从大气中吸收c 0 2 的数量，从石灰岩溶解的化学方程 式：c a c o , + c o , + h = o c a “+ 2 h c 0 。一可知，在达到溶解平衡的条件下，当i 升水中有2 个 摩尔的h c 盯存在时，与之相应的有一个摩尔的c 0 2 ，即h c 0 3 _ 和c o ：以2 ：1 的浓度共存， 从水分析资料中获得h c 0 3 _ 离子含量后，即可求得泉水c o ：含量，计算式为： c o ：( m 1 ) = h c o j 3 丽( m g 1 ) + 4 4 很显然，单位体积水中的h c o 浓度越 ，就有越多气相c o 。转化为h c o ；，c o z 吸收量也就越大。得到泉水中c q 含量后，再根据溶蚀面积和流量就可以进一步得 到泉水c o 。吸收模数，进而可以估算出溶蚀系统吸收的碳量，这对于查明全球碳循 环平衡计算中“被遗漏的碳汇”有很大的帮助。“叫。 据我们得到的h c o ；数据资料，经过计算得到翠华山泉水c o z 含量值( 表8 ) 。 表82 0 0 5 年翠华山泉水c o z 含量( m g l ) 从表8 可以看出，水湫池泉水c 0 2 含量变化范围为3 0 6 3 7 1 4 8 m g l ，年均值为 4 9 4 4 m g l ；湖西泉水c o ：含量变化范围为3 0 6 3 5 1 0 6 m g l ，年均值为4 1 2 7 m g l ， 含量比水湫池泉水c 0 。低。就其动态变化而言，冬、春季泉水c o 。含量低，夏、秋季 泉水c o ：含量高，这与该区土壤c 吼含量变化是相同的( 表1 0 ) ，与两处泉水p h 值变 化是相反的( 图1 2 ，图1 6 ) 。 同我国南方地区泉水c o t 含量相比，翠华山地区的泉水c o 。含量要低的多。如贵 州地区泉水c 魄含量为9 1 7 3 m g l ，云南地区为8 8 m g l ，湖北为8 6 6 8 m g l ，广西为 8 2 6 6 m g l ，湖南为8 2 1 3 m g l ，四川为8 1 1 2 m g l ，而该区泉水c o ：含量平均值小于 5 0 0 0 3 。差异的主要原因是翠华山区泉水流量小、稳定，运动和交替慢。 7 讨论 7 1 降水对泉水溶蚀作用的影响 根据溶蚀作用基本方程式：c a c 0 。+ h + 一c a “+ h c o ；得知，溶蚀作用的实质是 h 与c a c 0 3 中的c a 2 + 交换，所以p h 值大小在一定程度上可以指示溶蚀作用的强弱。 p h 值大时溶蚀作用弱，p h 值小时溶蚀作用强。 以前的研究认为，泉水中的h + 主要有2 个来源渠道：大气、土壤中的c 0 2 与水 结合后产生的h 十；植物、微生物活动产生的有机酸电离出的h + 。而我们认为大气 降水中的h + 也是导致泉水酸性变化的一个重要因素。由我们的观测资料得知，本 区大气降水的p h 值在5 2 5 6 7 7 之间，呈现弱酸性。从2 0 0 5 年5 月到2 0 0 5 年1 1 月份，雨水的p h 值呈现出减小一增大的变化趋势，其中2 0 0 5 年8 月到1 0 月份的 降水p h 值降低到6 0 以下( 表9 ) 。 表92 0 0 5 年翠华山区降水酸性变化 来自大气降水中的h 十与h c o ；不仅增加了系统中这两种离子的浓度，更重要的 是加速了对c a c 0 。的溶解，同时也产生了更多的h c o ；。另外，降水的多少还可以 影响水的渗透条件和交替运动，还会强烈地吸收空气和土壤层中的c 哦时7 “，使水 溶液p h 值降低、酸性和溶蚀作用加强，所以在降水多的季节泉水p h 值会明显变小。 同时，由统计资料o ”得到该区降水量季节分配( 图24 ) 。由此可知，该区 春季降水量占全年降水量的2 8 10 9 6 ，夏季占3 2 9 0 ，秋季占3 5 3 0 ，冬季占3 7 0 。 夏、秋季降水较多，较多的酸性降水带来了较多的h + ，使泉水的p h 值变小。冬、 春季降水相对来说较少，所以泉水的p h 值较大。 春季 皿夏季 母秋季 口冬季 图2 4 翠华山地区降水量季节分配 我国南方地区的泉水在降雨后p h 值一般呈现出升高趋势，这主要是因为南方 地区泉水主要以管道水和重力水为补给形式，降雨后雨水的稀释作用明显，使得 p h 值升高。而翠华山地区泉水以裂隙水为补给形式，雨水的稀释作用不明显( 泉 水流量稳定证明了这一点) ，而雨水的h t 效应明显，所以在降水较多的夏、秋季节 泉水的p h 值较小。 在西北、华北地区，由于降水量较少，岩石风化微弱，c a 2 + 、m g “、k + 和n a + 迁 移不明显，常聚集在风化产物中。因此，中国北方的地表水和地下水一般呈明显的 碱性。“。而翠华山区降水量较多，年降水量约达7 0 0 r a m ，这造成了c a 2 + 、m g ”、l ( + 和 n a 发生了一定淋溶和迁移，这也是该区泉水呈现酸性的一个原因。 7 2 水温变化对泉水溶蚀作用的影响 如果将泉水p h 值变化和泉水温度变化联系在一起可知( 图2 5 ，2 6 ) ，p h 值变 化和泉水温度变化呈负相关，水温高的月份p h 值低，水温低的月份p h 值高。这 应当是由于水温高的月份也是降雨多和生物活动强的时期，在此期间降水和生物 活动会产生较多的h + ，所以泉水p h 值小；水温低的月份生物活动弱，降雨量少， 产生的有机酸少和碳酸量少，所以泉水p h 值大。 p 面 * p 函 善 时间 十温度+ d h 图2 5 翠华山水湫池泉水p h 值与水温的关系 时间 + 温度+ p h 图2 6 翠华山湖西泉水p h 值与水温的关系 7 0 0 6 8 0 6 6 0 6 4 0 翟 6 2 0 6 0 0 5 8 0 7 3 土层c 0 2 含量对泉水溶蚀作用的影响 由溶蚀作用的方程式c a c 0 。+ c 0 ：+ h 2 0 h c a ”+ 2 h c o ：得知，c 0 ：是溶蚀作用的重要 物质来源，在岩溶动力系统中起着驱动力作用，当含量高时，反应向右进行，溶 蚀作用加强。土壤对溶蚀作用的影响主要表现在疏松的土壤能够截流径流，并提 供良好的渗透条件和产生大量的c o ：口。所以当岩溶系统有土壤存在时，它便在表 层带岩溶系统中起着c o s 泵( c 0 2 b u m p ) 的作用，显著地激发着溶蚀作用的进行，尤其 是h c 0 a - 的排释。 为了研究土壤c 0 s 对溶蚀作用的影响，2 0 0 4 年我们对翠华山研究区土壤c 0 ：浓 度进行了观测( 表1 0 ) 。 表1 0 翠华山草地土层0 5 m 深处c 0 2 含量变化 观测结果表明，该区土壤c 0 ：含量比自由大气中c 0 2 含量( 0 0 3 ) 高的多。从 3 月到1 1 月份，该地区土层c o 。含量明显呈现由小到大再到小的变化。夏季为c 0 2 含量最高的阶段，秋季次之，春季最低，夏季7 月土壤c o s 浓度是春季3 月的3 4 4 倍。这种变化与该地区泉水的p h 值季节变化基本相同。我们对镇安渔洞河和蓝田 等地土壤c o s 含量连续的观测也显示，土壤空气中c o 。含量较高，特别是从5 月份 开始，土壤c o 。含量迅速增加，5 1 0 月份含量均保持在4 5 0 0 p p m 以上；西安地区 的观测也显示，冬春季土壤c o 。释放量低。夏秋季土壤c 0 s 释放量高，夏季比冬春 季多1 0 余倍“”1 。 由于大气中c o s 浓度比土壤中显著低，那么在大气降水进入土壤层之后，入渗 水必然会吸收土壤空气中的c 0 2 ，使水中h + 含量增加。许多地区的资料也表明“8 ， 雨季是岩溶发育加快的时期，这主要是与大气降水中的h + 和雨水渗透过程中吸收 了土壤空气中c o 。有关。另外，夏、秋季该区植被发育好，土壤呼吸作用强，土层 中和水中有机酸含量较高，促使了泉水p h 值进一步变小“。 因为由降雨的稀释作用引起的泉水p h 值和化学成分含量变化易受降水量多少 和降水时间长短影响，所以这些变化规律具有不确定性。如果某年夏、秋季降水 量较少，那么这种规律就不会出现。而由土壤植物、微生物活动所产生的c 0 。的增 多均发生在夏秋季，是一种稳定的、规律性很强的变化，是每年都易于观测到的 变化。由此可以推断，翠华山区泉水溶蚀作用变化是规律性很强的变化。 综上得出，降水量、水温和土壤c o s 浓度高的夏、秋季泉水p h 值低，降水量、 水温和土壤c o s 浓度低的冬、春季，泉水p h 值高。由此可知，夏、秋季该区泉水 溶蚀作用强，冬、春季溶蚀作用弱。 图2 7 水湫池泉采样点a 处土壤p h 值 d h 5 45 65 86 6 2 6 4 0 5 0 日i o o 恺 磷 1 5 0 2 0 0 2 5 0 图2 8 水湫池泉采样点b 处土壤p h 值 p h 5 566 57 o 1 0 2 0 3 0 目 4 0 蠢5 0 翳 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 图2 9 水湫池泉采样点c 处土壤p h 值图3 0 农户住处泉采样点d 处土壤p h 值 7 5 植被发育状况对泉水溶蚀作用的影响 观测点s i ，s2 和s4 ，s5 处植被发育良好，尤其是s 1 处，乔、灌、草结合 好，地面有厚厚的枯枝落叶，该处泉水p h 值明显比其它几处p h 值小( 图1 2 ) 。 o加卸们阳喜；m孙蚰 0 m 加如 阳舌： 。赵嘴 表1 2 观测点5 处泉水酸性比较 这主要是植被发育差异对溶蚀作用的影响。植被发育好，一方面植物的根系 和植物产生的枯枝落叶层可起着类似于海绵一样的作用，在降雨季节可吸收水分， 而在干旱季节，则可缓慢均匀地释放水分。另一方面，植被覆盖度大，能增加空 气湿度和降水，截流径流，减弱地表径流流速，加强下渗作用，使溶蚀区水循环 量和速率加强，而这是影响溶蚀作用的重要因素。同时，植物根部的机械破坏作 用以及植物残余物、枯枝落叶腐殖质含量高，能产生大量的游离c o ：和有机酸，使 泉水的酸性变强。例如，与林区外相比，森林岩溶区降雨量提高了2 5 4 - 3 4 9 o “， 森林区滞留水、森林区岩溶地下水中生物耗氧量( o 9 8 2 7 2m g l ) 要比森林外 岩溶水( 0 1 4m g l ) 高出7 一1 9 倍。，森林溶蚀区的溶蚀率是具有相同降雨量的非 森林溶蚀区的3 4 4 倍。”。这都表明森林溶蚀区的水蕴含了更丰富的生物活性成分 和更强的侵蚀能力，而这些变化都与植被的发育有着重要的联系。 综上可以得出= 降水量多少、温度与土壤c o 。、钙含量高低和土壤酸碱性强弱 以及植被发育状况好坏是影响该区溶蚀作用强弱的原因。而降水量多少、温度高 低和植被发育状况最终还是通过c 0 。和土壤化学成分与泉水p h 值发生联系，所以土 壤c o ：高低和土壤化学成分是影响该区泉水p h 值变化的主要原因。 7 6 泉水电导率变化原因 2 5 2 3 2 1 1 9 矗1 7 差1 5 矍1 3 1 1 9 7 5 时间 广阳离子含量+ 电导率 e 里 甜 啦 廿 广阳离子含量一电导率 图3 1 水湫池泉水阳离子含量与电导率关系图3 2 湖西泉水阳离子含量与电导率关系 泉水电导率反映了其导电性强弱，电导率大导电性强，电导率小导电性弱。 由该区泉水的化学成分含量分析资料( 表3 - 表6 ) 可知，泉水c a ”，m g “，k + ，n a + 含 量变化是决定电导率大小变化的主要因素。如从2 0 0 4 年1 2 月到2 0 0 5 年1 1 月份，水 漱池泉水所分析的4 种阳离子含量大致呈现由多到少再到多的变化趋势，这与该泉 电导率的变化是基本一致的( 图3 1 ) 。湖西泉水所分析的4 种阳离子含量大致呈现由 少到多再到少的变化趋势，这与该泉电导率的变化也是致的( 图3 2 ) 。 7 。? 水漱池泉水和湖西泉水差异及其原因 水秋池泉水与湖西泉水有两个明显的不同，一是酸性强弱不同，水湫池泉水 酸性明显比湖西泉水的酸性强( 图3 3 ) ；二是化学成分和电导率的变化趋势存在差 异( 表3 - 6 ，图3 4 ) 。水湫池泉水的电导率值、h c o j 、k 、n a 御m 9 2 + 含量在总体 上要比湖西泉水的高，而c a 2 + 含量要比湖西泉水的低。 7 5 0 7 0 0 6 5 0 盘 a 60 0 5 5 0 5 ，0 0陌饵i酊田。田，蓟售l眉旧l。宙；蓟：蓟。蓟；田，函。宙：由。勘， 4 o l4 0 34 0 540 74 0 94 1 15 0 15 0 3 5 0 55 0 75 0 95 1 1 时间 圈水澉池泉口潮西泉 图3 3 水湫池和潮西泉水p h 值比较 日 - 雒11“1昏前ll1匍戡蓟蓟昏勘蓟勘蓟蓟勘副勘蓟勘 图3 4 水湫池和湖西泉水电导率比较 这两个泉均从片麻岩中流出，相距只有2 k m ，但它们却有不同的特点，值得查 明引起差异的原因。从泉水p h 值与h c o ；、c a 2 + 离子含量变化分析得知，这两处泉 水酸性差异的原因有两个：一是两处的植被发育情况不同，水湫池泉水处植被发 呦言啪猢m瑚m m m 叮晒 泉 掣一 泉 - ： 池 4 湫水 墨 叮蛞 育良好，乔、灌、草结合良好，地面有厚厚的植物凋落物，能产生大量的游离c o ： 和有机酸，使泉水的p h 值变小。二是泉水来源地区有所不同或者在流动过程中遇 到了c a c 0 3 含量不同的土层和地层决定的。在翠华山片麻岩分布外围，有灰绿色片 岩等变质岩分布，它们的碱性较片麻岩强。如果泉水流经片岩区，泉水的p h 会变 大。虽然我们观测的两个泉均从片麻岩中流出，但他们的来源区和流动渠道应当 是不同的。水秋池泉水夏秋季p h 值比该区大气降水p h 还低，h c o j 含量较高，而c a 2 + 含量则很低，这证明该泉水在到达泉口之前的流动过程中吸收了相当多的c 观。c o t 与h ：0 结合产生了h 。c 0 。，并通过解离形成了较丰富的h + 和h c o ；，从而决定了水秋池 泉水酸性较强。同时也表明该泉水流路全在片麻岩之中，岩石中缺少c a c o 。，在流 动过程中很少有c a 2 + 的加入，使得c a 2 + 含量低。翠华湖西泉水h c o ；离子含量偏低， c a ”离子含量显著增多，表明该泉水在流动过程中很可能经过了片岩分布的部分地 区，溶解了片岩中或其风化产物中的c a c 0 。，造成了泉水中c a ”含量高，酸性减弱。 7 8 不同高度泉水差异 为了全面的了解该区溶蚀作用发育强弱，我们在翠华山不同高度的地区选择 了4 处泉水和一处湖泊作为研究对象。从高到低它们依次为水湫池泉、农户住处泉、 湖西泉( 天池) 和管理处泉。天池与湖西泉处于同一个高度，主要由山区河流和 湖西泉水汇聚而成。 从图3 5 可看出，随着高度降低，泉水p h 值呈现出升高趋势。水湫池泉水p h 平 均值为6 0 1 、农户住处泉水为6 2 8 、湖西泉水为6 4 6 、管理处泉水为7 0 3 ，天池 p h 平均值为8 6 9 。从2 0 0 5 年6 月1 1 2 0 0 5 年1 1 月，各泉水的p h 值总体上呈现降低一升 高的变化趋势，这与2 年中水湫池泉和湖西泉p h 值在该时间段的变化趋势相同。这 也说明该区泉水的p h 值变化是稳定的、有周期规律的明显变化。 1 2 1 0 8 黾6 4 2 0 5 0 65 0 75 0 8 时间 口水诹池农户住址日湖西日办事处目无池 图3 5 翠华山5 处泉水p h 值比较 随着高度降低，5 处泉水的电导率呈变化略微不同( 1 虱3 6 ) 。从2 0 0 5 年6 月到2 0 0 5 年1 1 月，除了水湫池泉水电导率呈现降低一升高的变化趋势外，其他四处泉水都呈 现出升高一降低的变化。电导率排序大小整体上为管理处泉水 农户住处泉水 水 湫池泉水 湖西泉水 天池。其中水湫池泉水电导率平均值为1 9 5 2 1 p s c m 、农户 住处泉水为2 1 9 8 7 p - s c m 、湖西泉水为1 8 5 2 3 p s c m 、管理处泉水为2 48 7 4 p s c m ， 天池泉水为1 8 3 6 7 烬c m 。 3 5 0 3 。0 8 2 5 0 宣2 0 0 赫1 5 0 删1 0 0 5 0 0 50 650 75u 850 95151 1 时间 口水澉池农户住妊口湖西目办事址口天池 图3 6 翠华山5 处泉水电导率比较 7 9 存在问题 我们的研究尽管取得了一些新的认识和成果，但也存在一些不足，主要表现在 以下几个方面： ( 1 ) 监测的时间短：通常溶蚀动力系统监测指标既有日动态，也存在季节动态 和多年动态，而引起这些动态的控制因子是有差异的。因此，若全面、系统地掌 握溶蚀系统的运动规律，还需要更长时间的监测。 ( 2 ) 虽然我们得出降水量与溶蚀作用有密切关系，但是由于条件限制，我们没 法获得翠华山不同海拔高度各个泉水处的具体降水量值和雨水的p h 值，而这对于 解释不同海拔高度泉水溶蚀作用的差异有很大的帮助。 ( 3 ) 泉水溶蚀作用的强弱除了可以用p h 、电导率的大小来反映以外，还可以用 岩石试片的溶蚀率来反映，这样得出的结论会有更好的对比性和准确性。而我们 在翠华山区放置的岩石试片由于人为破坏原因而多次丢失，使我们没法获得岩石 试片的溶蚀率，不能与我们得出的结论进行对比。 ( 4 ) 虽然我们知道了泉水中离子含量的变化，但是由于条件的限制，还没有进行 室内模拟实验，对于各种离子的迁移运动规律还不是很清楚。虽然我们知道了植 被发育差异和土壤性状对溶蚀作用有很大影响，但是还没有办法明确知道它们对 离子含量高低的贡献率具体是多少。 结论 通过以上分析，我们得出以下认识： ( 1 )翠华山地区泉水的p h 值和电导率昼夜变化不明显，波动性较小。相比 较而言，电导率的变化幅度稍大些。 ( 2 ) 翠华山水秋池泉水p h 值变化在5 6 9 6 7 4 之间，年均值为6 1 7 ，具 弱酸性特点。水秋池村泉水电导率变化在1 8 0 0 3 2 1 0 0 0 烬c m 之间，年均值为 1 9 6 3 6 烬c m 。在一年内p h 和电导率都呈现由大到小再到大的变化规律，但电导 率波动变化较大，开始变小的时间较晚。整体而言，冬、春季该泉p h 值、电导率 值大，夏、秋季p h 值、电导率值小。 ( 3 ) 翠华山湖西泉水p h 值变化在6 2 7 6 9 8 之间，年均值为6 5 8 ，具弱 酸性特点；湖西泉水电导率变化在1 5 5 2 3 7 烬c m 之间，年均值为1 8 5 5 6 烬c m 。 从2 0 0 4 年1 月到2 0 0 5 年1 1 月，泉水p h 值和明显呈现降低一升高一降低一升高