山西柳林泉域岩溶地下水溶解无机碳特征及控制因素

稳定碳同位素可指示岩溶动力系统无机碳循环过程及流域水文地球化形成演化。为揭示山西柳林泉域岩溶地下水循环演化规律及控制因素。本研究对泉域补给区、径流区、排泄区、深埋区29个岩溶地下水的主要离子组分和碳同位素进行测试分析。研究结果表明,流域内岩溶地下水的δ^13CDIC,VPDB(DIC—溶解无机碳)具有较大的变化范围,最大值为-8.19‰,最小值为-13.35‰,平均值为-10.09‰。从补给区、到径流区、到排泄区,到深埋区δ^13CDIC,VPDB值呈不断增重的变化规律。补给区来源于土壤CO2的比例最高,范围为46.22%~58.04%,平均值为51.13%,其次是径流区,范围为36.22%~58.37%,平均值为42.05%,排泄区和深埋区最小,范围分别为37.61%~41.52%和35.61%~42.26%,平均值分别为39.38%和38.28%。从补给区到径流区、到排泄区、到深埋区,随着径流途径增大和硫酸参与溶蚀的比例增加,DIC(溶解无机碳)中来源于土壤CO2的比例减小,碳酸盐岩来源的碳的比例增加。

柳林泉域岩溶水水化学及碳硫同位素特征

以2011年5月的同位素取样及水化学分析资料为基础,利用Piper三线图和同位素测年、示踪等方法,分析了柳林泉域内岩溶水的水化学和碳硫同位素特征。结果表明,沿泉域的补给区—径流区—排泄区—滞流区一线,岩溶水离子含量由碱土金属离子、弱酸为主逐渐过度到以碱金属离子、强酸为主;水化学类型由HCO3-Ca·Mg型向Cl·SO4-Na型转变;岩溶水14 C年龄由现代水增加到7 000年左右;岩溶水放射性流速由5.72m/a减至0.68m/a,减少了8.4倍;岩溶水中34S含量与石膏中的34S含量接近,结合当地的水文地质条件,可推测岩溶水中硫酸根离子主要来源于中奥陶统石膏岩的溶解。

柳林泉域岩溶水中SO_4^(2-)的来源探讨

SO_4^(2-)浓度偏高是晋西柳林泉域岩溶水的主要特色之一,判断SO_4^(2-)来源对于理解岩溶水的水文地球化学过程具有重要意义。在分析区域地质、水文地质条件及岩溶水中SO_4^(2-)浓度空间分布特征的基础上,利用化学计量学法、同位素质量平衡模型和Rayleigh蒸馏模型,分析了岩溶水中SO_4^(2-)的主要来源,计算了不同来源的SO_4^(2-)所占的比例和滞流区岩溶水中SO_4^(2-)的还原比例。结果显示,石膏的溶解和黄铁矿的氧化是柳林泉域岩溶水中SO_4^(2-)的主要来源,排泄区岩溶水中石膏溶解来源的SO_4^(2-)所占比例介于73%~88%之间,平均为81%;黄铁矿氧化来源的SO_4^(2-)占比12%~27%,平均为19%。滞流区发生了硫酸盐的还原作用,约有9%~15%的SO_4^(2-)被脱硫细菌还原为H2S气体,且越靠近西部边界,还原反应所消耗的SO_4^(2-)比例越高。

人类活动对柳林泉域水文过程影响研究

20世纪50年代以后,柳林泉流量日益减少,人类活动成为其衰减的主要原因。通过分阶段应用灰色系统模型,定量地描述人类活动对柳林泉水文过程的影响。第一阶段（1957~1973年）,柳林泉水流量只受自然条件的影响,第二阶段（1974~2009年）柳林泉水流量受自然条件和人类活动的双重影响。运用灰色关联分析和GM时滞模型,通过比较分析得到人类活动对柳林泉水文过程的影响。结果显示：人类活动导致泉水流量相对于降水量的时间滞后由0年增长到4年,即地下水压力波在传播过程中受到人类活动的干扰,强度被削弱,传播速度变缓。降水量对泉水流量的灰作用系数由第一阶段的1.127 2×10-2下降到了第二阶段的7.75×10-3,说明由于人类活动使降水量对泉水流量的补给强度减弱。

柳林泉域滞流区岩溶水的热源及其Na^+、Cl^-来源探讨

柳林泉域滞流区岩溶水以高温、高Na^+和Cl^-浓度为主要特征。文章在区域地质及水文地质条件分析基础上,采用化学计量学原理,判断了该区岩溶水的热源及Na^+和Cl^-的来源。结果显示:在泉域的补给区、径流区和排泄区的上青龙、龙门会、杨家港和寨东泉组,岩溶水中的Na^+和Cl^-主要来源于岩盐的溶解,其中多余的Na^+可能来自于阳离子交换、黄土中含Na^+矿物的溶解及城市污水的排放;滞流区和排泄区的刘家疙瘩泉组岩溶水中高浓度的Na^+和Cl^-也主要来自于岩盐的溶解,而多余的Cl^-可能由岩溶水中的Na^+交换吸附介质中的Ca^(2+)或Mg^(2+)所致。西部滞流区岩溶水的热源主要包括地温梯度增热、当地正常地温、岩石中放射性元素产热和石膏的溶解放热,其贡献率分别为45%、28%、20%和7%。

柳林泉域岩溶地下水水化学特征及演化分析

在对柳林泉域水文地质详细调查的基础上,系统研究了柳林泉域岩溶水水化学类型及分带规律,并对其形成演化特征进行了分析。结果表明:柳林泉域岩溶地下水是矿化度较低的优质淡水,水中优势阳离子为Ca2+、Mg2+,优势阴离子为HCO3-;水化学类型从补给区到深埋区经历了HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca→SO4·HCO3-Ca、HCO3.SO4-Ca·Mg→Cl.SO4-Na·Ca、Cl·SO4-Na的变化过程,具有典型的干旱、半干旱地区水化学演化特征。

基于时间序列分析的柳林泉流量预测

柳林泉域岩溶水是当地主要的供水水源,科学合理地对泉流量进行预测对于泉域内岩溶水的开发、利用和保护具有重要意义。在泉流量动态分析的基础上,利用时间序列分析中的移动平均模型和指数平滑模型对柳林泉的还原泉流量进行了预测。结果表明:受自然及人为因素的影响,柳林泉流量长期以来呈现出一定的减小趋势,但其年内的动态变化较为稳定;利用试算法确定了移动平均阶数k=1和平滑系数α=0.9;两种模型的计算结果均较好地拟合了还原泉流量,但指数平滑模型的拟合结果优于移动平均模型的;两个模型预测的2016年还原泉流量均为1.95 m^3/s。

基于SEBS模型的柳林泉域蒸散发研究

利用MODIS数据,结合气象站实测资料,应用SEBS模型,对柳林泉域蒸散发量进行估算,并分析其影响因素。结果表明,柳林泉域2001—2004年蒸散发量总体趋势平稳。在时间序列上,具有明显的季节性,蒸散发量月值随温度呈指数增长,降水峰值相对于蒸散发量峰值滞后,平均滞后2个月。在空间分布上,蒸散发量与土壤覆盖类型和地貌单元具有良好的一致性:东部低中山区林地覆盖率高,蒸散发量大;西部堆积侵蚀丘陵区灌木丛覆盖稀疏,蒸散发量最小;中部山间河谷阶地区多为农田和城市,蒸散发量介于两者之间。对蒸散发量影响较大的因素依次为:高程、气温、坡度。

柳林泉域岩溶水特点与地质背景条件分析

柳林泉域作为我国北方典型的单斜-顺置式岩溶水资源系统,岩溶水在循环过程中表现出与其它泉域共性的同时,也存在一些非常奇特的特征:(1)由于泉域内断层、褶皱轴和区域隔水顶板的阻水作用,造成了岩溶地下水在主径流方向上的二级排泄与三次富集;(2)由于泉域中部王家会阻水性背斜轴的倾覆所形成的地下潜流断面梯形形态,导致了泉水流量衰减幅度与阻水断面上游区岩溶地下水位下降幅度的不匹配;(3)由于泉域南、北翼岩溶地下水循环路径和所处的地球化学背景不同,导致了分布在三川河两岸相距不足300m的泉水水化学特征表现出很大的差异性;(4)由于岩相建造地处中奥陶世古膏盐湖东部边缘,泉域西部中硬石膏溶解不仅形成了岩溶热水,而且还使得柳林泉成为"锶矿泉水"。上述特征都是由柳林泉域特定的地质结构、地球化学环境和岩相古地理条件所决定的。

柳林泉流量动态模拟及衰减原因分析

以柳林泉域泉流量及降水量的系列资料为基础,分别建立了基于灰色理论的GM(1,1)模型、GM(1,1)残差周期修正模型和不同方案下的多元线性回归模型,模拟预测了泉流量动态,并对泉流量衰减原因进行了分析。结果表明:残差周期修正后的GM(1,1)模型优于多元线性回归模型;还原泉流量下的回归模型较实测泉流量下的回归模型拟合误差大但预测误差小;柳林泉流量的衰减过程分为两个阶段,1990年以前大气降水减少是泉流量衰减的主要原因,1990年以后泉流量的衰减则是大气降水减少和人工开采量增大共同作用所致。

基于灰色斜率相似关联度的柳林泉域降水时滞分析

研究降水时滞可为柳林泉流量预测提供理论依据。采用灰色斜率相似关联度分析模型,结合柳林泉域水文地质条件,研究了降水时滞问题。结果表明,泉域内不同区域接受的大气降水对泉流量的影响时滞存在差异,即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区接受的大气降水分别在1年内、1～2、4～5、8～9年对泉流量产生影响;月泉流量分别在4、6、8月出现峰值,第一次峰值受前期降水与当年融雪水的影响,后两次峰值则是前期降水与当年降水共同作用的结果。

柳林泉域滞流区低温岩溶热水的年龄分析

为了研究柳林泉域西部滞流区低温岩溶热水的年龄,在区域地质、水文地质条件调查及野外取样、分析的基础上,以滞流区横沟自流井的岩溶热水为例,利用δ~2 H(‰)、δ^(18) O(‰)、~3 H(TU)和^(14)C(pMC)同位素测年技术分析、计算并校核了该区岩溶水的滞留时间。通过分析岩溶水中~3 H和^(14)C的关系及其δ~2 H、δ^(18) O值,表明横沟岩溶水属于古岩溶水,其年龄应在10 000a以上;利用^(14)C计算并校核后的岩溶水年龄也印证了这一点,横沟1#和2#井岩溶水的^(14)C年龄分别为12 908a和9 090a。因此,横沟附近岩溶热水应属于末次冰期盛冰期内补给的古岩溶水。

山西省柳林泉域地表径流渗漏量的灰色预测

对于岩溶地区地表径流渗漏量的预测还没有一种令人满意的建模方法。运用灰色系统理论对柳林泉泉域内的６个渗漏段的河水渗漏量建立了ＧＭ（１，１）等维递补动态预测模型，并取得了满意的预测结果。

柳林泉域岩溶水强径流带的成因类型及水文地质条件分析

强径流带是柳林泉乃至山西岩溶大泉的主要特征之一,柳林泉域岩溶水在地质、构造、水动力条件的共同作用下形成了以北川河、东川河强径流带为主的河谷～向斜谷地复合型、河谷～构造带复合型强径流带,由于强径流带是岩溶、裂隙、溶隙的强发育带,是岩溶水运移、富集的主要通道,富水性较强,导水性能强,主要发育于奥陶系中统上、下马家沟组的厚层灰岩、豹皮状灰岩,具明显的各向异性特征,而该强径流带是岩溶发育密集带、富水性强,导水性能强,单井出水量大,水位动态稳定,是开采岩溶水的理想场所。

柳林泉域地表水与岩溶地下水的混合作用研究

研究岩溶水系统中地表水、地下水的混合作用对于岩溶地下水资源的合理开发利用和保护具有重要意义。在野外调查与取样分析的基础上,利用水文地球化学模拟技术和环境同位素示踪技术,研究了柳林泉域地表水与岩溶地下水的混合作用,计算了混合比例,并利用该比例估算了典型补给区的大气降水入渗补给量。结果表明:岩溶地下水由补给区向径流区、由径流区向排泄区流动的过程中,在地表河流渗漏带附近与入渗的地表水发生混合作用,地表水、地下水的混合比例分别约为3∶1和2∶3;在田家会上游的岩溶水补给区,大气降水多年平均入渗补给流量约为0.07 m3/s。

山西离柳矿区煤炭开发对柳林泉域环境风险影响分析

叙述了离柳矿区概况及柳林泉域的概况,对离柳矿区域及柳林泉域的关系、矿区内煤层开采对奥灰水的影响及奥灰水进入矿坑的风险进行了分析总结。

柳林泉域降水补给的时滞研究

柳林泉位于山西省柳林县东川河河谷,是中国北方最大的岩溶泉之一。1984～2005年间的平均流量为3.29 m^3/s。流域内的大气降水是泉水的主要补给来源。根据柳林泉域水文地质条件的灰色系统特征,通过对泉域降水补给的时滞问题研究,提出了带有时滞的灰色关联分析模型。在此基础上,运用该模型对泉域不同地区的降水量与泉水流量进行了时滞分析。结果表明,柳林泉域不同区域的降水对柳林泉域的补给时滞存在差异。离石、中阳和方山的降水时滞分别为3 a、4 a和6 a。该方法可应用于山西省其它岩溶大泉的岩溶水动态分析。

煤矿开采对柳林泉域水环境影响评价

山西离柳焦煤集团有限公司朱家店煤矿位于柳林泉域。从煤矿开采角度出发,结合泉域保护区现状,通过地表水和地下水监测结果,进而对煤矿开采后对地表水和柳林泉域的影响进行了评价。结果表明:煤矿开采沉陷引起的地表塌陷不会改变区域总体地形地貌类型,地表不会形成积水区;煤矿开采对二叠系山西组岩溶岩含水层和石炭系太原组砂岩含水层产生影响。研究对区内煤矿开采和柳林泉域保护有借鉴意义。

新建太兴铁路对柳林泉域水环境影响分析

分析了太兴铁路施工期和运营期隧道、桥涵、路基建设等对柳林泉域水环境的影响,提出了切实可行的水环境保护措施,力争使柳林泉域水资源保护落实到位。