闽西赖源溶洞群小流域河流δD、δ18O时空特征及其水文学意义.pdf
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1、对闽西赖源溶洞群小流域河流的氢、氧稳定同位素比值开展连续观测的数据 本研究探讨了赖源溶洞群小流域地表河和地下河的补给关系 结果表明:()郑地溪上村段小流域内地表河和地下河的 表现出不同的时空变化特征 地下河 值较为稳定 时空变化幅度较小 平均值接近于大气降水氧同位素的加权平均值 而地表河时空变化较大 在地下河汇入点的上下河段存在明显差异 上段河道 响应降水 变化 但相较降水加权平均值显著偏正 下段受地下河 混合效应明显()流域地表河和地下河 在不同程度上受蒸发作用的影响 但总体上较为微弱 地下河 与降水年加权平均值变化趋势一致 地下水 低于地表水表明研究区内地下水单向补给地表水()在地下河汇入
2、点的下游河段的 表现为上游河水与地下河混合的结果 可以利用 的二元混合模型估算地下河流量的贡献关键词:喀斯特小流域 河流水体 赖源溶洞群中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.().第 期黄庭悦等:闽西赖源溶洞群小流域河流、时空特征及其水文学意义 .().().:引言喀斯特(又称岩溶)是指水对可溶性岩石的溶蚀作用及其所形成的各种地表和地下景观与过程 在喀斯特地区发育的“二元三维”地貌结构对当地流域的地表水、地下水补给产生分异 形成独特的水文系统 喀斯特地下河流与地表河流具有不同的水文过程 在汇水面积较小的小流域 旱季地下河对地表河流的补给 是小流域社会生产和生态保育的重要水资源保障 与
3、西南地区大面积分布的喀斯特区不同 福建及周边的东南地区 喀斯特地层多呈零星分布 流域内地层分布较为复杂 以闽西赖源溶洞群所在的郑地溪小流域为例 喀斯特地层呈条带状分布于郑地溪一侧 外源水(非喀斯特区水流)构成该区地下河主要的补给来源和排泄区 喀斯特地下河在伏旱季节是下游大片基本农田的重要水源 然而 有关赖源溶洞群小流域地下河与地表河的补给关系、过程与特征尚缺少系统的研究水体中的 和 是天然的示踪剂 水体继承了当地降水的稳定同位素组成 同时在植被、土壤和岩石裂隙的运移过程中受蒸发作用的影响 不同来源和水文过程的水体通常具有不同的氢氧同位素时空变化特征 地表水与地下水的水体交换影响了水体的氢氧同位
4、素组成 被广泛运用于小流域河流的水文过程研究 例如、陈雪莲等运用稳定同位素技术研究径流的形成机制 并用于判定水分来源及所占比例 刘兵等分析东宫河流域大气降水、地表水和地下水的时空变化特征揭示三者之间的转化关系 朱晓峰等延续径流划分的方法 应用于降雨过程中新旧水补给比例的研究 在中国西南喀斯特地区 和 也被广泛运用于流域水文过程研究 年 月 年 月期间 在闽西赖源溶洞群小流域采集地表河水和地下河水样品 通过分析其氢氧稳定同位素组成 揭示 和 值的时空分布特征 探讨地表水与地下水的补给来源、补给过程及其混合程度 为该区小流域的水文循环和古气候重建研究提供参考 研究区域与方法 研究区概况赖源溶洞群位
5、于福建省龙岩市连城县赖源乡上村和中村 地理位置为东经 北纬 区内二叠系船山组和栖霞组石灰岩地层中发育有幽琴洞、仙云洞、石燕洞、梧桐洞等 个大小不一的溶洞 赖源溶洞群构成冠豸山国家地质公园的一部分 幽琴洞和仙云洞是其中最大的 个洞穴 洞内发育有地下河 地下河在部分洞道出露 河床海拔略高于下游地表水的排泄基准面地下河自东向西汇入郑地溪(图)洞穴上覆基岩厚度大致在 地表植被茂密 仅在幽琴洞近洞口上覆的孤峰分布有裸露的喀斯特石牙 植被以常绿阔叶和常绿针叶混交林和毛竹林为主 林下草被较为发育 根据仙云洞的滴水观测数据分析 部分快速响应滴水及大型裂隙、管道水对降水滞后约 个月(未发表数据)仙云洞洞内空气实
6、测温度常年稳定在 略低于洞外年平均气温 实测湿度常年接近 研究区三面环山 北山和南山两座海拔接近 的山峰高耸于村庄西北侧和东南面 二者交接于研究区西南侧 构成封闭的小流域 郑地溪发源于上村西南侧 自西南向东北依次流经上村、中村和 亚热带资源与环境学报第 卷下村 在郑地溪上村段 河流东侧为石灰岩地层 西侧则为石炭系林地组下段的碎屑岩 幽琴洞和仙云洞地下河于上村东北侧汇入郑地溪 是赖源中村至下村之间大片农田灌溉的主要水源(图)该区地处亚热带季风气候区 雨热同期 区域年降水量约为 降水主要集中在 月 约占全年降水的 每年 月是伏旱天气 多年平均气温为 全年最高温度在 月 最低温度在 月 注:左侧为地
7、层分布 右侧为卫星图像照片图 研究区地质概况和赖源溶洞群小流域河流及采样点示意 样品采集与分析方法在赖源溶洞群小流域共选取 个采样点进行野外监测和样品采集 各样点水样类型及地理位置如图 所示 其中地表河水采样点 个(、)地下河水采样点 个(、)和 位于幽琴洞地下河出口处 为仙云洞洞内地下河水监测点 监测从 年 月开始 至 年 月结束 采样的时间间隔为 个月 监测的内容包括:洞内外大气温、湿度 降水量 并采集水样进行氢氧同位素测试 在洞内、洞外多个位置放置 温湿度数据记录仪记录温湿度(分辨率:)在当地居民的平房房顶放置 翻斗式雨量计记录降水量(分辨率:)水样采集使用 聚乙烯瓶 采集前用待采水体冲
8、洗瓶子 遍 采集后立即用 封口膜密封瓶口 野外样品带回实验室后立即使用注射器和 一次性水系针头过滤器转移至 棕色玻璃瓶 封口并置于 的冰箱冷藏保存 水样的稳定同位素测试在福建师范大学地理科学学院稳定同位素实验中心进行 测试仪器为 型同位素分析仪 和 测试精度分别优于 和 最终结果用相对于维也纳标准平均海水()的千分差()来表示:()()()式()中:为滴水样品中/(或/)的比值 为 中/(或/)的比值 结果与讨论 大气温度、湿度、降雨量变化特征观测期间 大气温度、湿度和降雨量变化如图 所示 受拉尼娜事件的影响 年气候异常 年降水总体偏少 全年无台风过境 年冬春降水偏多 年夏季温度偏高 相对而地
9、质资料参考福建省地质图(万)说明书(矿产勘查开发局.福州:福建省地图出版社)根据现场测量对局部进行修改(虚线闭环内为石灰岩地层)第 期黄庭悦等:闽西赖源溶洞群小流域河流、时空特征及其水文学意义 图 年 月研究区大气温湿度和月降水变化 言 年春季温度偏低 湿度高频变化显著 平均约为 在 年 月出现持续时间较长的低湿度天气 降水和河水的氢氧同位素组成变化特征降水和河水的氢、氧同位素比值和氘盈余()值的变化范围和平均值列于表 各个监测点的 时间变化曲线如图 所示 降水的 值变化范围 为 雨 量 加 权 平 均 值 为 的值介于 雨量加权平均值为 地表河水的 和 变化范围分别为 和 地下河水的 和 的
10、变化范围分别为 和 在时间维度上(图)降水 值呈阶梯式降低趋势(图):年 月最高 月份快速降低 到 年 月 基本稳定在上下波动 年 月 值最为偏负 地表河水快速响应降水的同位素变化 年上半年枯水期同位素值较为偏正 而且不同点位的同位素比值差异性较大 年 月开始随着降水同位素值降低 地表河水的同位素随之变负 降水 月际变化基本上都有响应 观测点之间的差异缩小 相比之下 地下河 值虽然在 年上半年略微偏正 之后总体上较为稳定 变化不显著 可能是响应降水年际变化的特征表 各采样点水中氢、氧同位素比值和氘盈余值()的变化范围与平均值 编号水样类型(均值)(均值)(均值)大气降水 ()()()地表河水(
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