基于氢氧稳定同位素的洞穴滴水在包气带中渗流特征研究

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洞穴滴水是降水补给在包气带内部气-水-岩三相综合作用的结果。在包气带的内部除了存在着溶蚀孔隙、微裂隙和层面等扩散流介质,还存在溶蚀大裂隙和管道流介质。岩溶过程在引导地下水沿补给路径向排泄点渗流时,这个路径的选择是具有一定层次性的:连通较好的大裂隙和管道提供了主要流动路径,而岩溶发育程度低的小裂隙和孔隙是地下水储存和交换的主要空间。由于大多数岩溶地层和张裂隙的不均匀性以及渗透的多变性,使得不同水文地质条件下的洞穴滴水在包气带中的渗流过程存在多种类型。对滴水稳定同位素特征进行研究可以直接或间接地反映出包气带水的贮存及渗流过程。本论文选取昆明市老黄龙洞作为研究区,高频率的对大气降水—9个洞穴滴水(洞内池水)—地表泉水等地下水的各循环补给环节,以7天为周期,开展了为期两个水文年的连续定点监测水体氢氧稳定同位素。首先,运用数理统计方法对大气降水和地下水的δ18O值进行分析,探寻岩溶水体的来源和时空变化特征;其次,采用时间序列自相关分析初步确定不同类型滴水和岩溶泉水在包气带中运移路径的差异和平均滞留时间(MRT);另外,选取同一裂隙下相邻三个滴水点,采用高斯混合模型和“经验公式”深入分析其运移通道岩溶化发育程度的差异和平均滞留时间;最后此基础之上,初步建立了相关洞穴滴水在包气带中下渗过程的概念模型。得到以下结论:(1)老黄龙洞地区,大气降水线为δD=7.75δ18O+3.78(R2=0.94),并且表现出显著的“降水量效应”和反“温度效应”;研究结果还表征了老黄龙洞洞穴系统中水体的主要来源是大气降水,但是由于包气带中大多数岩溶地层和张裂隙的不均匀性以及渗透的多变性,洞穴滴水对当地大气降水的继承是具有修正性的。(2)在一个完整的水文年里洞穴滴水、洞穴池水和岩溶泉水的δ18O值变化范围分别是-12.36‰-10.65‰、-11.56-11.35‰和-12.85‰-12.27‰。并且远小于当地大气降水中δ18O的变化范围-16.60‰-1.28‰;由于洞内空气流通性、滴水滴落时间、高度和上覆包气带特性的差异,洞穴系统中岩溶水体的δ18O值变化差异较大。(3)采用时间序列自相关对洞内滴水进行分析得知:洞穴滴水补给路径上新鲜入渗水与通道不流动的“滞留水”进行了水体交换并排出形成不同类型的洞穴滴水。其中“快速流滴水(17号)”运移通道多以岩溶管道和大裂隙为主,平均滞留时间约为几天到十几天不等,并且其高度依赖以往的水文条件;“中速流滴水(1、12和14号)”的平均滞留时间(MRT)在1-几个月时间内,大量补给水流储存在排水良好的裂隙网络中;“慢速流滴水(15和16号)”的补给水流多储存在排水能力、岩溶发育程度低微裂隙、孔隙和基岩基质中,流动和储存时间更长。(4)对同一裂隙相邻三个洞穴滴水(1、12和14号),运用高斯混合模型深入分析其运移路径特征,结果表明:三个滴水点在包气带中拥有共同的水资源存储库,但是12号滴水补给运移通道相较于其他两点(1和14号)岩溶发育程度更低。(5)利用经验公式计算出洞内滴水和岩溶泉水在包气带中的平均滞留时间(MRT),滞留时间最长的16号滴水约为9.6周;相邻的三个滴水点1、12和14号滴水在包气带中的滞留时间分别是:3.7、5.8和3.7周;岩溶泉水由于“快速优先流”形式补给的存在,其平均滞留时间约为2.8周。
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