一种白云岩喀斯特地区石漠化演变过程的监测方法

摘要

本发明提供了一种白云岩喀斯特地区石漠化演变过程的监测方法，该方法包括如下步骤：利用水位自动记录仪自动记录研究区过水断面的相对水位,结合水力学与水文学中的谢才公式和曼宁公式推算获得流量数据；通过野外现场滴定及利用VBTAMPX型实验室电感耦合等离子体光发射光谱仪测定Ca

说明书

技术领域

本发明涉及一种白云岩喀斯特地区石漠化演变过程的监测方法。

背景技术

喀斯特区是一种生态环境脆弱区，因人类不合理利用,引发水土流失,导致生境退化,甚至形成困扰地区经济发展和生态建设的重大生态环境问题—石漠化。为了评估石漠化的治理效果，需要监测石漠化的演变过程，从而调整治理措施。目前针对石漠化演变过程的监测方法尚不多见。

而在石漠化演变过程中，基岩的化学剥蚀速率也会随之响应。因此较为高效而精确的计算喀斯特地区的化学剥蚀速率，为定量研究岩石风化机制、过程与结果提供重要参数，能有效的监测石漠化的动态变化过程，为石漠化预防与治理提供科学而便捷的数据和理论支撑。同时，也能为喀斯特地区的发展规划提供技术参考。

之前对于化学剥蚀速率的计算主要是在石灰岩地区或石灰岩与白云岩共同分布区，而针对较纯白云岩流域化学剥蚀速率的计算方法尚不多见，且前期关于其他碳酸盐岩剥蚀速率的估算较为粗略，用于反馈石漠化的演变过程及区域发展规划的技术参考也不太科学。

因此，本方法考虑到碳酸盐岩反应的复杂性，为使计算结果更为接近实际值，将白云岩的化学式表述为Ca_xMg_y(CO₃)₂。通过水中Ca²⁺、Mg²⁺浓度，计算出白云岩对应的虚拟摩尔质量，使之更为精确的计算白云岩的化学剥蚀速率。从而能准确的监测白云岩喀斯特地区石漠化演变过程。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种白云岩喀斯特地区石漠化演变过程的监测方法，该监测方法通过对白云岩流域化学剥蚀速率的逐年比较，从而判断出石漠化演变的趋势。

本发明采用如下的技术方案：

一种白云岩喀斯特地区石漠化演变过程的监测方法，包括如下步骤：

1)利用水位自动记录仪自动记录研究区过水断面的相对水位,结合公式推算获得流量数据；

2)通过野外现场滴定及利用光谱仪测定Ca²⁺、Mg²⁺浓度；

3)根据上述获得数据与已知的白云岩相对密度和流域集水面积计算白云岩流域化学剥蚀速率；

4)根据计算得到白云岩流域化学剥蚀速率进行逐年比较，判断白云岩喀斯特地区石漠化演变趋势。

所述白云岩流域化学剥蚀速率的计算方法为：

R＝6Qt(5c₁+7c₂)/10⁶ρS

式中：C₁为Ca²⁺的质量浓度(mg/L)；

C₂为Mg²⁺的质量浓度(mg/L)；

Q为流量(m³/s)；

t为月时间(s)；

ρ为白云岩的相对密度(g/cm³)；

S为流域集水面积(km²)；

R为化学剥蚀速率(mm/ka)。

上述公式的推导过程如下：

利用水文水化学仪器测量推算获得的研究区月均降雨量、流量、HCO₃^-浓度、Ca²⁺浓度、Mg²⁺浓度，证明月降雨量和月均流量的变差系数远远高于钙、镁、碳酸氢根离子浓度的变差系数，白云岩流域月时间尺度上仍明显表现出流域化稳性特征。推导出利用高时间分辨率的流量数据和低时间分辨率的钙镁离子浓度数据可以计算白云岩的化学剥蚀速率，并且基本可以保证计算值精度的结论。

白云岩流域化稳性使得利用以上高时间分辨率的流量数据和低时间分辨率的镁和钙离子的浓度，可以较为精确的估算黄洲河白云岩流域的化学剥蚀速率。具体方法是：利用获得的流量和钙镁离子的质量浓度数据，采用积分的方法得出一个水文年各月流域内白云岩的总流失量，根据白云岩密度、流域面积，计算出黄洲河流域的化学剥蚀的白云岩体积、厚度，最后计算出化学剥蚀速率。计算过程如下：由于碳酸盐岩反应的复杂性，为使计算结果更为接近实际值，本方法中将白云岩的化学式表述为Ca_xMg_y(CO₃)₂。所以有以下平衡式：

x:y＝(C₁/40):(C₂/24)(1)

x+y＝2(2)

又Ca_xMg_y(CO₃)₂的质量(m)＝Ca_xMg_y(CO₃)₂的摩尔质量(M)*Ca_xMg_y(CO₃)₂的摩尔数n，且：M＝40x+24y+120(3)

n＝n2/y＝C₂/24*(Qt)/y；(4)

或n＝n1/x＝C₁/40*(Qt)/x(5)

所以：m＝Mn＝5*10^-4(5c₁+7c₂)Qt(6)

月均剥蚀的Ca_xMg_y(CO₃)₂体积(V₂)＝Ca_xMg_y(CO₃)₂的月均剥蚀质量/白云岩的相对密度(ρ)(7)

剥蚀的月均Ca_xMg_y(CO₃)₂厚度(H)＝月均剥蚀的岩石体积(V₂)/流域集水面积(S)(8)

剥蚀速率(R)＝月均剥蚀的Ca_xMg_y(CO₃)₂厚度(H)*12*10³(9)

所以R＝6Qt(5c₁+7c₂)/10⁶ρS

本发明具有的技术效果：

首次提出喀斯特地区白云岩流域石漠化演变过程的监测方法，首次提出喀斯特地区白云岩流域化学剥蚀速率的计算公式，获得公式中所涉及的数据，便可以快速的计算出化学剥蚀速率。为定量研究岩石风化机制、过程与结果的提供重要参数；能有效的监测石漠化的动态变化过程，为石漠化预防与治理提供科学而便捷的数据和理论支撑。同时，也能为喀斯特地区的发展规划提供技术参考。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述：

实施例1

1.选取贵州施秉世界自然遗产地内黄洲河典型白云岩流域为研究样地，白云岩密度为2.6g/cm³,流域积水面积为49.19km²。

1)流量测定

在黄洲河流域出口断面安放了2台Solinst LEVEL LOGGER水位自动记录仪(加拿大生产)，用于自动记录高时间分辨率的相对水位和水温数据，自动监测的时间间隔设定为15min，监测精度分别为0.1cm和±0.05℃。利用Solinst水位自动记录仪高时间分辨率自动记录过水断面的相对水位过程，建立流量与相对水位之间的水位(H)流量(Q)关系曲线，高水位时将采用谢才公式和曼宁公式推求，并根据实测的H～Q关系按照拟合的趋势线进行复核。进而推算高时间分辨率的流量数据。同时采用流速仪Flow Tracker ADV3.9(美国产)测量黄洲河流域出口过水断面的流量，分辨率0.01cm/s，按月进行。

2)水样采集及分析测试

一般按月对水样进行采集，在有些月份会有高时间分辨率的数据。在黄洲河出口采样现场，HCO₃^-浓度用碱度滴定盒在野外直接滴定，Ca²⁺浓度先用Ca²⁺滴定盒在野外直接滴定(精度分别达到0.05mmol/L和1mg/L)。同时采样带回实验室进行ICP-OES(电感耦合等离子体光发射光谱仪)分析。用事先清洗过的50ml高密度聚乙烯塑料瓶采集离子水样，加入1:1HNO₃酸化至pH<2。样品皆密封低温保存，之后带回实验室用美国Varian公司产的VBTAMPX型电感耦合等离子体光发射光谱仪测定Ca²⁺、Mg²⁺浓度，检测精度0.001mg/L(相对标准偏差<2％)。

上述测量推算获得的研究区月均降雨量、流量、HCO₃^-浓度、Ca²⁺浓度、Mg²⁺浓度(如表1所示),其统计表征显示：月降雨量和月均流量的变差系数(0.7～1.33)远远高于钙、镁、碳酸氢根离子浓度的变差系数(0.1～0.2)。因此，可以说明，亚热带典型白云岩流域月时间尺度上仍明显表现出流域化稳性特征。这也表明，利用高时间分辨率的流量数据和低时间分辨率的钙镁离子浓度数据可以计算白云岩的化学剥蚀速率，并且基本可以保证计算值的精度。

表1黄洲河流域出口水文水化学指标统计

2.将数据代入公式R＝6Qt(5c₁+7c₂)/10⁶ρS中，获得2015年3月-2016年2月一水文年各月的化学剥蚀速率，再取算术平均值，即为该水文年内白云岩的化学剥蚀速率(如表2所示)。

表2黄洲河白云岩流域化学剥蚀速率计算结果

3.将各水文年的白云岩的化学剥蚀速率相比较，根据化学剥蚀速率的改变，即可得出白云岩喀斯特地区石漠化的演变趋势，为石漠化防治提供科学依据。

本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的保护范围的前提下，可以对上述实施方式进行各种修改、变化和组合，并且认为这种修改、变化和组合是在独创性思想的范围之内的。