CN105866377A - 一种洞穴体系式的水土漏失监测方法与装置 - Google Patents

一种洞穴体系式的水土漏失监测方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种洞穴体系式的水土漏失监测方法与装置，其方法包括：示踪研究，确定洞穴水土漏失点所对应的上覆土壤点位置；对洞穴水土漏失点所对应的上覆土壤点进行采集；对洞穴水土漏失点的水土漏失进行监测与采样；所采集水样与土样进行实验分析；对所获得数据进行分析处理得出结论。为研究石漠化地区地下水土漏失以及系统研究地表水土流失提供了重要参考，进而为石漠化环境监测评价与治理效益评估提供科学依据。本发明属于石漠化环境研究领域。

Description

一种洞穴体系式的水土漏失监测方法与装置
技术领域
本发明涉及一种监测装置及方法，属于石漠化环境研究领域。
背景技术
喀斯特石漠化作为制约我国西南地区可持续发展的首要问题，一直以来备受关注。随着石漠化治理工作的逐步推进，其环境监测与成效评价成为治理方案中重要的参考重点，如何准确有效地对其治理效果进行监测评价，是迫切需要关注的重点问题。
水土流失是石漠化过程中的关键部分，包括地表及地下两部分流失，许多传统的研究方法过多的限于地表环境，地下漏失研究相对较少，缺少二元地质结构监测所提供的依据。地表与地下的双重监测可以系统全面的提供石漠化生态环境参考指标，喀斯特地区独特的二元地质结构为地下监测研究提供了可能。
在地表水土流失监测研究中，土壤水作为一种研究基材，是监测研究中必不可少的参考重点。但在石漠化较为严重地区，由于水土流失作用的影响，造成山体坡度较大、土壤贫瘠，且受岩溶作用与风化作用的影响，导致石芽、溶沟较为发育。因此，这种地貌特征给土壤水收集造成较大的困难，传统的土壤水收集方法并不适用于石漠化较为严重的地区。
另外，因喀斯特石漠化地区地表土壤较为贫瘠，基岩裸露率高，岩溶与风化作用导致基岩裂隙发育较多，从而影响了洞穴裂隙发育，地表土壤(主要是粘土)会随降水林滤携带至洞穴内部，造成地表水与土壤漏失至地下洞穴内部。因此，洞穴漏失水中会携带一定的化学养分，反映其地表土壤养分及其化学元素的漏失。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种洞穴体系式的水土漏失监测方法与装置，以利于全面研究石漠化地区水土漏失状况，为系统研究地表水土流失提供了重要参考，进而为石漠化环境监测评价与治理效益评估提供科学依据。
为解决上述问题，拟采用这样一种洞穴体系式的水土漏失监测方法，包括如下步骤：
步骤一：示踪研究，确定洞穴水土漏失点所对应的上覆土壤点位置；
步骤二：对地下洞穴水土漏失点所对应的上覆土壤点进行采集：确定洞穴水土漏失点所对应的上覆土壤点后，采集该点剖面的不同深度土壤样本，同时利用土壤水收集装置对该土壤点的土壤水进行监测与取样；
步骤三：对洞穴水土漏失点的水土漏失进行监测与采样：通过水土漏失收集装置对洞穴水土漏失点滴漏的水和漏失水携带的漏失土进行收集和取样：
步骤四：对所采集水样与土样进行实验分析；
步骤五：对所获得数据进行分析处理：根据漏失水的物理指标确定其漏失量，根据土壤水与漏失水的化学指标对比分析其化学元素漏失程度；根据漏失土的物理指标确定其漏失量，根据土壤与漏失土的化学指标对比分析其地表土壤养分及其化学元素的漏失程度。
示踪研究的具体过程为：首先，确定洞内漏失监测点，将洞穴平面图与洞穴上覆地表遥感影像叠加(利用GIS技术)，分析其地下洞内漏失监测点所对应的上覆地表土壤点范围；选择食盐(氯化钠)作为示踪剂，将食盐分成若干份，在土壤覆盖点把表层土壤挖开将食盐埋设；在雨季，对洞穴裂隙的漏失水进行示踪研究，监测其水体中是否收到上覆土壤点所埋设的食盐(氯化钠)中Na+和Cl-的示踪信号；通过长期示踪对比监测分析，从而获得漏失点所对应上覆土壤点的具体位置，同时掌握漏失水在岩溶通道中的运移时间与路径；
步骤二中，按季节采集洞穴水土漏失点对应的上覆土壤点剖面不同深度的土壤样本，自表层垂直向下按5cm一层位各取一个土壤样品，并放置土壤水收集装置按月对土壤水收集取样；
步骤三中，在洞穴中放置水土漏失收集装置，按月对洞穴水土漏失点的漏失水与漏失土进行监测与采样，并测定其水土漏失量；
步骤四中，使用水质分析仪测试水样pH值；土壤样品pH值采用2.5：1的水土比，用电位计法测定；水样在取样时加入1:1HNO3酸化至pH＜2，送入实验室直接测试；土壤样品进行前处理；元素含量使用Optima—2100DV全谱直读型电感耦合等离子发射光谱仪进行测定；因基岩中不含有土壤中的有机质与养分元素指标，不会对地表水土与漏失水土中的化学成分造成干扰，故主要测试化学指标为有机质与养分指标。利用重络酸钾—浓硫酸溶液氧化法测定土壤有机质含量，利用半微量开氏法(高氯酸—浓硫酸消化法)测定土壤全N含量，利用高氯酸酸溶—钼锑抗比色法测定土壤全P含量，利用氢氟酸高氯酸消煮法测定土壤全K含量；利用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测试水体中的总氮含量，利用过硫酸钾消解法测试水体中总磷含量，利用离子色谱法测定水体中全钾含量，利用燃烧氧化—非分散红外吸收法通过红外分析仪测定水体中有机质含量(具体参见：鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社，2000.)。
洞穴体系式的水土漏失监测装置，包括土壤水收集装置和水土漏失收集装置，土壤水收集装置用于收集上覆土壤点处土壤水，水土漏失收集装置用于收集洞穴水土漏失点滴下的漏失水和水内的土壤，土壤水收集装置包括采集槽、土壤水收集容器和导管，采集槽为上端敞开的倾斜槽体，采集槽的底部通过导管连通至土壤水收集容器内，且土壤水收集容器位于采集槽的下方，所述水土漏失收集装置包括采集筒和收集容器，采集筒的下端伸在收集容器内，且采集筒的下端与收集容器的上端开口处之间密封，采集筒的上方还固定设置有引流管，引流管为漏斗形结构，引流管的下端伸至采集筒内，采集筒和收集容器均由透明材料制成，采集筒上标有容量刻度；
优选地，收集容器为封闭式结构，收集容器的外侧包覆有遮光膜，且收集容器上标有容量刻度线；
优选地，采集槽的底部设置有双重过滤结构；
优选地，采集筒通过支架支撑固定，引流管通过高度可调式支架固定，引流管的下端为可拆式软管结构；
优选地，采集筒的下端与收集容器的上端开口处之间为可拆式密封连接结构。
本发明与现有技术相比，主要优点是所述装置结构简单，使用方便，制造成本低廉，能够方便对喀斯特地区地表土壤水与地下洞穴漏失水、漏失土进行采样收集、转移和观测；本发明建立了洞穴体系的水土漏失监测系统，利于对地表土壤—土壤水—洞穴漏失水—洞穴漏失土体系进行全面研究，分析其石漠化地区水土漏失状况，改变了现有地下洞穴环境监测仅用于环境气候变化研究的状态，地下水土漏失监测为系统研究地表水土流失提供了重要参考，进而为石漠化环境监测评价与治理效益评估提供科学依据。
附图说明
图1是本发明所述监测方法的技术路线图；
图2是监测结构示意图；
图3是土壤水收集装置的结构示意图；
图4是图3的侧视图；
图5是水土漏失收集装置的结构示意图；
其中，附图标记3是岩溶洞穴，4是洞穴上方的上覆土壤点，5为洞穴水土漏失点。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图对本发明作进一步地详细描述，
实施例：
参照图1至图5，本实施例提供一种洞穴体系式的水土漏失监测方法，包括如下步骤：
步骤一：示踪研究，确定洞穴水土漏失点所对应的上覆土壤点位置：首先，确定洞内水土漏失监测点，将洞穴平面图与洞穴上覆地表遥感影像叠加(利用GIS技术)，分析其地下洞内漏失监测点所对应的上覆地表土壤点范围；选择食盐(氯化钠)作为示踪剂，将食盐分成若干份，在土壤覆盖点把表层土壤挖开将食盐埋设；在雨季，对洞穴裂隙的漏失水进行示踪研究，监测其水体中是否收到上覆土壤点所埋设的食盐(氯化钠)中Na+和Cl-的示踪信号；通过长期示踪对比监测分析，从而获得漏失点所对应上覆土壤点的具体位置，同时掌握漏失水在岩溶通道中的运移时间与路径；
步骤二：对洞穴水土漏失点所对应的上覆土壤点进行采集：确定洞穴漏失点所对应的上覆土壤点后，按季节采集该土壤点剖面不同深度的土壤样本，自表层垂直向下按5cm一层位各取一个土壤样品，并按月利用土壤水收集装置对该土壤点的土壤水收集取样；
步骤三：对洞穴水土漏失监测点的水土漏失进行监测与采样：在洞穴中放置水土漏失收集装置，按月对洞穴水土漏失点的漏失水与漏失土进行监测与采样，并测定其水土漏失量；
步骤四：所采集水样与土样进行实验分析：使用水质分析仪测试水样pH值；土壤样品pH值采用2.5：1的水土比，用电位计法测定(参见：刘光崧.土壤理化分析与剖面描述[M].中国标准出版社，1996.)；元素含量使用Optima—2100DV全谱直读型电感耦合等离子发射光谱仪进行测定；因基岩中不含有土壤中的有机质与养分元素指标，不会对地表水土与漏失水土中的化学成分造成干扰，故主要测试化学指标为有机质与养分指标。利用重络酸钾—浓硫酸溶液氧化法测定土壤有机质含量，利用半微量开氏法(高氯酸—浓硫酸消化法)测定土壤全N含量，利用高氯酸酸溶—钼锑抗比色法测定土壤全P含量，利用氢氟酸高氯酸消煮法测定土壤全K含量；利用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测试水体中的总氮含量，利用过硫酸钾消解法测试水体中总磷含量，利用离子色谱法测定水体中全钾含量，利用燃烧氧化—非分散红外吸收法通过红外分析仪测定水体中有机质含量(具体参见：鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社，2000.)。
步骤五：对所获得数据进行分析处理：根据漏失水的物理指标确定其漏失量，根据土壤水与漏失水的化学指标对比分析其化学元素漏失程度；根据漏失土的物理指标确定其漏失量，根据土壤与漏失土的化学指标对比分析其地表土壤养分及其化学元素的漏失程度。
土壤水收集装置1用于收集上覆土壤点处土壤水，包括采集槽11、土壤水收集容器12和导管13，采集槽11为上端敞开的倾斜槽体，采集槽11的底部通过导管13连通至土壤水收集容器12内，且土壤水收集容器12位于采集槽11的下方，收集容器12为封闭式结构，收集容器12的外侧包覆有遮光膜14，且收集容器12上标有容量刻度线121，采集槽11的底部设置有双重过滤结构；
水土漏失收集装置2用于收集洞穴水土漏失点滴下的漏失水和水内的土壤，包括采集筒21和收集容器22，采集筒21的下端伸在收集容器22内，且采集筒21的下端与收集容器22的上端开口处之间密封，采集筒21的上方还固定设置有引流管24，引流管24为漏斗形结构，引流管24的下端伸至采集筒21内，采集筒21和收集容器22均由透明材料制成，采集筒21上标有容量刻度211，采集筒21通过支架23支撑固定，引流管24通过高度可调式支架25固定，引流管24的下端为可拆式软管结构，采集筒21的下端与收集容器22的上端开口处之间为可拆式密封连接结构。

Claims (10)

1.一种洞穴体系式的水土漏失监测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：示踪研究，确定洞穴水土漏失点所对应的上覆土壤点位置；
步骤二：对洞穴水土漏失点所对应的上覆土壤点进行采集：确定洞穴漏失点所对应的上覆土壤点后，采集该点剖面的不同深度土壤样本，同时利用土壤水收集装置对该土壤点的土壤水进行收集取样；
步骤三：对洞穴水土漏失点的水土漏失进行监测与采样：通过水土漏失收集装置对洞穴水土漏失点滴漏的漏失水和漏失水携带的漏失土进行收集和取样：
步骤四：所采集水样与土样进行实验分析；
步骤五：对所获得数据进行分析处理：根据漏失水的物理指标确定其漏失量，根据土壤水与漏失水的化学指标对比分析其化学元素漏失程度；根据漏失土的物理指标确定其漏失量，根据土壤与漏失土的化学指标对比分析其地表土壤养分及其化学元素的漏失程度。
2.根据权利要求1所述一种洞穴体系式的水土漏失监测方法，其特征在于：示踪研究的具体过程为：首先，确定洞内漏失监测点，将洞穴平面图与洞穴上覆地表遥感影像叠加，分析其地下洞内漏失监测点所对应的上覆地表土壤点范围；选择氯化钠作为示踪剂，将氯化钠分成若干份，在土壤覆盖点把表层土壤挖开将氯化钠埋设；在雨季，对洞穴裂隙的漏失水进行示踪研究，监测其水体中是否收到上覆土壤点所埋设的氯化钠中Na+和Cl-的示踪信号；通过长期示踪对比监测分析，从而获得漏失点所对应上覆土壤点的具体位置，同时掌握漏失水在岩溶通道中的运移时间与路径。
3.根据权利要求1所述一种洞穴体系式的水土漏失监测方法，其特征在于：步骤二中，按季节采集洞穴水土漏失点对应的上覆土壤点剖面不同深度的土壤样本，自表层垂直向下按5cm一层位各取一个土壤样品，并放置土壤水收集装置按月对土壤水收集取样。
4.根据权利要求1所述一种洞穴体系式的水土漏失监测方法，其特征在于：步骤三中，在洞穴中放置水土漏失收集装置，按月对洞穴水土漏失点的漏失水与漏失土进行监测与采样，并测定其水土漏失量。
5.根据权利要求1所述一种洞穴体系式的水土漏失监测方法，其特征在于：步骤四中，使用水质分析仪测试水样pH值；土壤样品pH值采用2.5：1的水土比，用电位计法测定；水样在取样时加入1:1HNO3酸化至pH＜2，送入实验室直接测试；土壤样品进行前处理；元素含量使用Optima—2100DV全谱直读型电感耦合等离子发射光谱仪进行测定；利用重络酸钾—浓硫酸溶液氧化法测定土壤有机质含量，利用半微量开氏法测定土壤全N含量，利用高氯酸酸溶—钼锑抗比色法测定土壤全P含量，利用氢氟酸高氯酸消煮法测定土壤全K含量；利用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测试水体中的总氮含量，利用过硫酸钾消解法测试水体中总磷含量，利用离子色谱法测定水体中全钾含量，利用燃烧氧化—非分散红外吸收法通过红外分析仪测定水体中有机质含量。
6.一种用于权利要求1所述方法的土壤水收集装置，其特征在于：包括采集槽(11)、土壤水收集容器(12)和导管(13)，采集槽(11)为上端敞开的倾斜槽体，采集槽(11)的底部通过导管(13)连通至土壤水收集容器(12)内，且土壤水收集容器(12)位于采集槽(11)的下方。
7.根据权利要求6所述洞穴体系式的水土漏失监测装置，其特征在于：收集容器(12)为封闭式结构，收集容器(12)的外侧包覆有遮光膜(14)，且收集容器(12)上标有容量刻度线(121)，所述采集槽(11)的底部设置有双重过滤结构。
8.一种用于权利要求1所述方法的水土漏失收集装置，其特征在于：包括采集筒(21)和收集容器(22)，采集筒(21)的下端伸在收集容器(22)内，且采集筒(21)的下端与收集容器(22)的上端开口处之间密封，采集筒(21)的上方还固定设置有引流管(24)，引流管(24)为漏斗形结构，引流管(24)的下端伸至采集筒(21)内，采集筒(21)和收集容器(22)均由透明材料制成，采集筒(21)上标有容量刻度(211)。
9.根据权利要求8所述洞穴体系式的水土漏失监测装置，其特征在于：采集筒(21)通过支架(23)支撑固定，引流管(24)通过高度可调式支架(25)固定。
10.根据权利要求8所述洞穴体系式的水土漏失监测装置，其特征在于：采集筒(21)的下端与收集容器(22)的上端开口处之间为可拆式密封连接结构。
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