中国岩溶编辑部

本书是作者主持的云南省科研项目：岩溶水有效开发技术方案研究(项目编号：2003PY04)，依托国土资源大调查项目：云南典型地区岩溶地下水调查与地质环境整治示范(项目编号：200310400024)完成的研究成果。完成了典型岩溶流域1：5万水文地质及环境地质测绘1100km2，水文地质及工程地质钻探94m，各类物探4169点，取岩土水样试验分析626件，岩溶水动态监测18个点，岩溶水示踪试验2组等大量的调查和勘探试验工作。这些工作和成果，为本书的研究提供了翔实的资料，使之能够顺利完成，达到了预期的目的，并检验了研究成果的正确性。同时，本书的研究也为岩溶水的勘查和开发示范提供了理论和技术指导，使开发工程的技术方案设计得到了技术创新，工程取得了显著的经济、社会和环境效益，达到了示范目的。此外，1999～2002年，作者参与主持完成的国土资源大调查项目：西南岩溶石山地区地下水资源勘查与生态环境地质调查，也为进行岩溶水有效开发技术研究提供了水文地质与水资源的系统基础资料。在各个参加工作的省市区的示范工作中，也成功地建成了一批暗河及大泉引、提、堵、蓄、富水块段钻井开采工程。这些调查成果和工程实践，为本书的研究打下了坚实的基础，积累了丰富的经验。本书的研究目的是通过科学技术研究，在岩溶水资源及地质环境特征研究，以及岩溶水开发技术实验研究的基础上，系统地总结适宜于不同的岩溶水源地类型以及不同需求的岩溶水有效勘查和开发技术方案，为岩溶水的有效开发利用提供理论和技术支持，使岩溶水开发的成功率和效益大幅度提高。为了达到上述目的，本书从以下三个方面开展研究，所采取的研究思路、内容和方法如下：第一个方面，以现代岩溶学理论为指导，深入研究国家国土资源大调查西南岩溶地区岩溶水资源调查的最新资料。系统地认识岩溶地质环境及水文地质条件以及岩溶水的赋存及运动特征，准确把握岩溶水富集规律，建立确切的找水标志，提高寻找和圈定岩溶水源地的准确性。根据岩溶含水层的埋藏分布、岩溶水出露状态，以及岩溶含水层的导水和赋水空间形态、结构及水动力特征，划分岩溶水源地类型，分析总结各类岩溶水源地岩溶水的开发技术条件，评价其脆弱性，最终掌握各类岩溶水源地对不同的勘查开发技术的适宜性。第二个方面，引进目前国内外先进的核磁共振、高密度电法、地质雷达等地球物理探测技术，研究这些技术的特点和适用条件，结合常规电法技术和水文地质调查分析方法，选择典型的岩溶流域，结合国家在云南安排的岩溶水开发示范工程建设，针对不同类型岩溶水源地的勘查技术条件，分别选择不同的方法开展野外技术方法试验研究，并对探测和综合分析解释成果进行钻探检验，验证其可靠程度及准确性，优选出适合不同类型岩溶水源地的有效探测技术方法，集成岩溶水有效探测技术方案。第三个方面，通过调查省内外岩溶水开发工程，考察发达国家岩溶水开发情况，收集国外相关信息，研究其成功的技术和经验，以及其中失败的原因与缺陷。根据各类岩溶水源地的开发技术条件，引出新的技术方案，并选择典型岩溶水源地进行开发实验，根据实验结果加以改进和完善，得出各类岩溶水源地岩溶水有效开发技术方案。从岩溶水开发的全过程来分析，成败的最关键环节是找水勘查，只有找准岩溶赋水空间或径流通道，才可能正确有效地实施岩溶水开发工程，这个问题的解决除了提高水文地质研究程度外，关键是要减少物探方法存在的多解性。本书研究了适合不同岩溶水源地的物探方法，通过不同方法探测结果的相互补充、验证，根据经济合理性和探测的有效性比选，选择其中适宜的方法形成综合探测方案，并建立代表不同含水层的地球物理特性、反映各类岩溶赋水空间的解译参数和标准，从而达到提高探测的可靠性和精度的目标。参考文献及主要参考资料[1]国家技术监督局水文地质术语(GB/T14157-93)[S]北京：中国标准出版社，1993[2]袁道先，蔡桂鸿岩溶环境学[M]重庆：重庆出版社，23～58[3]王宇，李燕，谭继中等断陷盆地岩溶水赋存规律研究[M]昆明：云南科技出版社，1～4[4]袁道先对南方岩溶石山地区地下水资源及生态环境地质调查的一些意见[J]中国岩溶，2000，19(2)：103～107[5]王世杰喀斯特石漠化概念演绎及其科学内涵的探讨[J]中国岩溶，2002，21(2)：101～104[6]王瑞江，姚长宏，蒋忠诚，等贵州六盘水石漠化的特点、成因与防治[J]中国岩溶，2001，20(3)：211～215[7]耿弘，王宇，汪才芳等云南岩溶地区水资源开发利用[M]昆明：云南科技出版社，77～78[8]中国大百科全书出版社编辑部中国大百科全书 环境科学[M]北京：中国大百科全书出版社，1983年216[9]杨京平，卢剑波生态恢复工程技术[M]北京：化学工业出版社，5～6[10]王宇，张贵滇东岩溶高原石漠化及防治对策[A]中国地质调查局中国岩溶地下水与石漠化研究[C]南宁：广西科技出版社，26～35[11]苏维词，朱之孝，熊康宁贵州喀斯特山区的石漠化及其生态经济治理模式[J]中国岩溶，2002，21(1)：19～24[12]姚长宏，杨桂芳，蒋忠诚贵州省岩溶地区石漠化形成及其生态治理[J]地质科技情报，2001，20(2)：75～78[13]苏维词，周济作贵州喀斯特山区的“石漠化”及防治对策[J]长江流域资源与环境，1995，4(2)：177～182[14]沈继舫主编中国生态环境建设与水资源保护利用[M]北京：中国水利水电出版社，111[15]邓德仁21世纪初期的云南水资源可持续利用行动框架[A]水资源与能源可持续发展研究[C]昆明：云南科技出版社，11[16]袁道先，刘再华，林玉石等中国岩溶动力系统[M]北京：地质出版社，1～2[17]袁道先论岩溶水的不均匀性[A]《汇编》编选小组岩溶地区水文地质及工程地质工作经验汇编[C]北京：地质出版社，1～19[18]Urich P M，Day M，Lynagh FPolicy and practice in Karst landscape protection：Bohol，the PGeographical Journal，2001，167(4)：305～323[19]Yuan DRock Desertification in the Subtropical Karst of South C1997，ZGNFS-B108，81～90[20]袁道先全球岩溶生态系统对比：科学目标和执行计划[J]地球科学进展，2001，16(4)：461～466[21]丁继红，周德亮，马生忠国外地下水模拟软件的发展现状与趋势[J]勘察科学技术，2002(1)：37～42[22]CCOP Technical SProceedings of the 1st Compiler’Meeting of DCGM Phase Ⅳ：Groundwater and Geothermal D24～26 April 2001 Bangkok，Thailand[23]王宇，李丽辉德国岩溶水勘查技术与开发利用概况[J]水文地质工程地质，2005，32(6)：91～95[24]西部严重缺水地区地下水勘查新技术应用项目组国内外地下水勘查新技术专集[M]中国地质调查局，27～68[25]袁道先法国岩溶和岩溶水[R]桂林：地质矿产部岩溶地质研究所，21～34[26]岩溶地质考察组赴南斯拉夫岩溶地质考察报告[R]北京：国家地质总局，27～42

中国地质科学院岩溶地质研究所一、全球变化是国际社会面临的共同的、关系发展的大问题2005年,随着《京都议定书》的生效,“碳汇、碳储、节能、减排”越来越成为各国政府、国际学术界关注的重点。正如我国国务院总理温家宝在2009年12月7~18日,在哥本哈根气候变化峰会上所提出的“我们始终把应对气候变化作为重要战略任务。”二、岩溶动力系统中的碳循环对全球变化研究所作出的贡献由于碳酸盐岩溶解、沉积过程对气候环境变化响应的敏感性(图1),使岩溶动力系统在两方面对全球变化研究作出贡献,其一,碳酸盐岩的溶解消耗大气/土壤CO2,产生碳汇效应;其二,携带气候环境变化消息的、碳酸钙饱和的岩溶水迁移至地下洞穴,发生碳酸钙沉积,并将气候环境变化消息封存其中,可为过去气候环境变化的高分辨率的重建工作提供依据。图1 “CO2-H2O-碳酸盐”三相不平衡开放岩溶动力系统与有机碳循环耦合的示意图全球碳酸盐岩分布面积达2200万平方千米,占陆地面积的15%,而陆地风化产生的碳汇通量中,岩溶作用的贡献量占37%~51%。根据已有的估算结果,取其中间值3pgC/年,则全球岩溶碳汇通量占陆地森林生态系统净碳汇量的65%,土壤碳汇净碳汇通量的5%。利用岩溶洞穴石笋可精细描述年、10年分辨率的气候环境变化过程,能较好地甄别自然过程与人类活动影响。三、中国岩溶碳汇效应显著中国岩溶分布面积(包括裸露型、覆盖型、埋藏型)344万平方千米,其中裸露型岩溶面积125万平方千米,其中以灰岩出露面积最大,占碳酸盐岩出露面积的比例超过50%。加上我国岩溶发育的4大特点,即岩石古老坚硬、第四纪地壳缓慢抬升、未受末次冰川刨蚀和具水热配套的季风气候,使中国成为岩溶最为发育、类型最为齐全的国家。岩溶碳汇过程是对气候环境变化响应敏感的过程广西桂林岩溶试验场岩溶动力过程的监测结果显示,随着该地区植被的恢复和全球变暖,土壤CO2浓度和岩溶作用回收大气/土壤CO2的量逐年增加,从1993年到1998年,土壤CO2年平均浓度由5000×10-6增加到21000×10-6,而流域排泄水体中的无机碳的年平均浓度则由84毫克/升增加到98毫克/升。广西和重庆典型岩溶泉小流域不同土地利用条件下的土下溶蚀速率研究结果表明,不同土地利用条件下的土下溶蚀速率差异较明显,耕地、灌丛、草地、次生林、原始林平均值分别为02、0、0、0和5吨/[(千米)2·年]。因此,在进行区域尺度岩溶作用碳汇估算时,除了考虑气候、水文、地质等条件外,还必须考虑土地利用类型的差异。植被的正向演替对岩溶碳汇有显著的促进作用,原始林地土下岩溶作用碳汇量是次生林地的3倍,灌丛的9倍。显示出石漠化综合治理与植被恢复过程中,不仅增加了陆地生态碳汇,更增加了岩溶地质碳汇。桂林毛村小龙背溪流外源水的输入,可增加碳酸盐岩溶解产生碳汇通量76%。野外监测与室内模拟实验结果显示,岩溶碳汇过程不仅受到降雨、温度的影响,还受到碳酸盐岩岩性、结构,植物和微生物品种和生物酶(碳酸苷酶)的影响。中国岩溶碳汇通量进一步估算结果针对中国西南典型岩溶流域的动态监测的结果显示,单位面积的岩溶碳汇强度95~87吨C/[(千米)2·年];利用多年平均径流模数和HCO3值,估算了桂江流域单位面积的岩溶碳汇通量平均为1吨CO2/[(千米)2·年],而柳江流域平均为27吨CO2/[(千米)2·年];从影响岩溶碳汇过程的主导因素,构建估算模型,测算了珠江流域岩溶碳汇通量为85×106吨C/年,相当于8吨CO2/[(千米)2·年]。通过全国9条大江、大河的测算结果显示:中国河流径流量占全球河川的8%,陆地风化产生的碳汇占全球的1%,而岩溶碳汇占全球岩溶碳汇的3%,由此可见,中国岩溶作用过程产生的碳汇通量对陆地风化消耗大气/土壤CO2的通量的贡献更大。岩溶碳汇通量占陆地生态系统碳汇通量也更大,如果取中国岩溶碳汇通量016pgC/年,则岩溶碳汇通量占陆地森林生态系统净碳汇通量的3%,土壤净碳汇通量的23%~40%。四、岩溶洞穴石笋古气候高分辨率的重建采集贵州荔波龙泉洞年轻石笋,长度为180厘米,精确定年为1200年,通过替代指标碳、氧同位素的测定,获得了该地区1200年以来气候变化百年尺度的4个变化旋回,以及10年尺度的气候波动(图2)。近百年来气候变化总体维持在温暖、干燥的状况,但波动的频率和幅度明显增强。利用Craig经验公式,恢复的现代气温为34℃,与实际测量的洞穴气温8℃,非常接近。图2 贵州荔波龙泉洞年轻石笋恢复的1200年以来的气候变化模式五、需要进一步研究的问题(1)中国岩溶流域类型划分方面,不同流域生态环境差异、岩石类型的空间分布及岩溶动力条件差异有待进一步调查。(2)河流等水体中碳形态的分析和迁移转化研究方面,已有估算结果显示由陆地向海洋输送的DIC为26~3pgC/a、DOC为2~22pgC/a、POC为18~23pgC/a,但溶解有机碳在陆地水生生态系统发生沉积的量和过程尚需要研究。(3)需深化岩溶碳汇过程及机理研究,力求揭示主控影响因子,建立多影响因素条件的岩溶碳汇计算模型。(4)土地利用结构调整、生态重建(包括石漠化综合治理)对岩溶碳汇量的增强和促进作用及定量评价,以及岩溶碳汇增汇的途径和技术研究尚待加强。(5)岩溶洞穴石笋古环境变化记录的高分辨率研究方面,需进一步深化气候变化同位素替代指标的研究,以及从大气环流、水热空间分配方面揭示过去气候变化、生态环境变化的时空格局。