基于微氣候數(shù)學(xué)模型的洞穴CO2遷移變化機(jī)制研究——以貴州省織金洞為例.pdf

1、以碳、水、鈣循環(huán)為紐帶的巖溶動(dòng)力系統(tǒng)理論將整個(gè)喀斯特地區(qū)各種運(yùn)動(dòng)變化過程聯(lián)系在一起，該理論的提出對系統(tǒng)研究喀斯特作用及其過程具有積極重要意義。本研究為探索喀斯特地區(qū)洞穴環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)的CO2遷移變化機(jī)制，以及基于該遷移機(jī)制的各影響因素定量分析，在前人工作的基礎(chǔ)上采用更為精確的數(shù)學(xué)模型方法。并著重圍繞洞穴CO2的物質(zhì)來源、洞穴CO2的時(shí)間空間變化規(guī)律、洞穴CO2的時(shí)空遷移變化機(jī)制及其影響因素、將洞穴CO2時(shí)空遷移變化機(jī)制應(yīng)用于實(shí)際洞穴旅游管理

2、等問題展開。
　　本研究在織金洞世界地質(zhì)公園(ZJWGP)研究區(qū)開展，該研究區(qū)位于貴州省中西部，織金洞已有30余年的開發(fā)與研究，相比國外其他著名世界地質(zhì)公園的研究，對本區(qū)內(nèi)洞穴CO2的定量分析還未達(dá)到應(yīng)有的高度和深度。為通過數(shù)學(xué)建模的方法解釋其他因子對CO2遷移變化的貢獻(xiàn)，如洞腔結(jié)構(gòu)、氣候參數(shù)、水化學(xué)數(shù)據(jù)、以及旅游活動(dòng)數(shù)據(jù)等，本研究采用野外現(xiàn)場試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室分析、文獻(xiàn)查詢分析等多種方法，對以洞穴CO2為核心的微氣候環(huán)境展開為期一個(gè)水

3、文年(2015年1月~2016年3月)的調(diào)查研究。野外試驗(yàn)建立在洞口海拔和洞內(nèi)41個(gè)監(jiān)測點(diǎn)高程的基礎(chǔ)上，主要包括對洞穴空氣中CO2濃度、溫度、相對濕度、氣壓、風(fēng)速等微氣候因子的定點(diǎn)、定期監(jiān)測，時(shí)間尺度包括晝夜(5分鐘、15分鐘、4小時(shí)間隔等)、月、年等，同時(shí)對洞外大氣降水、洞內(nèi)滴水點(diǎn)以及洞外對應(yīng)滴水點(diǎn)附近選擇對應(yīng)的土壤點(diǎn)，開展降水與洞穴水環(huán)境的水化學(xué)分析和土壤環(huán)境的理化性質(zhì)與土壤空氣相關(guān)分析，以對應(yīng)“土壤-水-洞穴”系統(tǒng)，所有“氣-水-

4、土”數(shù)據(jù)均采用按月調(diào)查獲取的方式，以探索降水與滴水的響應(yīng)，進(jìn)而洞穴內(nèi)外CO2的耦合過程；實(shí)驗(yàn)室分析包括對野外采樣的洞穴水、土壤水的實(shí)驗(yàn)室精密分析，以及對多種、多期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析等；文獻(xiàn)查詢則主要結(jié)合前人研究的思路，對應(yīng)于本研究區(qū)相關(guān)因子進(jìn)行理論延伸。
　　分析研究發(fā)現(xiàn)，CO2在“土壤-水-洞穴”系統(tǒng)中表現(xiàn)出一致的時(shí)間變化規(guī)律，且相互之間均存在一定程度時(shí)空變化與耦合響應(yīng)。具體表現(xiàn)為，季節(jié)上夏秋季比冬春季CO2濃度高，最高值發(fā)生在8

5、月，最低值在2月；晝夜尺度上則存在24小時(shí)或12小時(shí)的變化周期，通常以11時(shí)和5時(shí)為峰谷值。
　　研究還發(fā)現(xiàn)，空間上CO2從洞口往內(nèi)逐漸升高，并在洞內(nèi)達(dá)到一定的穩(wěn)定值，同時(shí)高低海拔段之間的差異較大，并且與季節(jié)相關(guān)，呈現(xiàn)出“高低低高”和“高高低低”兩種變化模式；同時(shí)，CO2在土壤-水-洞穴系統(tǒng)中存在一定時(shí)間尺度上的滯后。
　　以上結(jié)果表明，洞穴環(huán)境系統(tǒng)中的碳循環(huán)、水循環(huán)、鈣循環(huán)等相互聯(lián)系相互統(tǒng)一，在巖溶動(dòng)力系統(tǒng)中占有重要的地位

6、，有必要開展廣泛而深刻的研究，并且研究是可行的。因此可得出以下結(jié)論：
　　(1)織金洞 CO2主要來自上覆土壤碳庫經(jīng)滴水脫氣釋放過程和與洞外大氣對流交換等自然因素，和游客活動(dòng)等人為因素，自然因素和人為因素在不同季節(jié)和晝夜等時(shí)間和空間尺度上各自占主控地位；
　　(2)織金洞 CO2的變化存在時(shí)間和空間上的規(guī)律性和差異性，有必要按照洞口帶、過渡帶、洞內(nèi)帶繼續(xù)劃分出六段空間分別進(jìn)行研究，使整個(gè)研究達(dá)到整體與局部的統(tǒng)一，及時(shí)響應(yīng)與滯

7、后效應(yīng)的耦合，進(jìn)而有效地指導(dǎo)相關(guān)的科學(xué)實(shí)踐與管理活動(dòng)；
　　(3)織金洞洞內(nèi)帶是研究的核心，其中 CO2在高低海拔段之間存在一定的季節(jié)性變化，主要表現(xiàn)為“高低低高”(即夏秋季為高海拔段 CO2濃度比低海拔段低)和“高高低低”(冬春季高海拔段CO2濃度比低海拔段高)兩種模式；
　　(4)通過織金洞洞穴環(huán)境因子的不同時(shí)空尺度的變化分析而建立或改進(jìn)相關(guān)數(shù)學(xué)模型，可應(yīng)用于更廣泛的喀斯特地區(qū)地貌與洞穴研究分析，這對進(jìn)一步擴(kuò)展地表地下二