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桂林市毛村流域碳酸盐岩溶蚀工程实验研究

  • 发布日期:2018-09-26
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本文是一篇硕士工程论文,工程硕士专业学位在招收对象、培养方式和知识结构与能力等方面,与工学硕士学位有不同的特点。工程硕士专业学位侧重于工程应用,主要是为工矿企业和工程建设部门,特别是国有大中型企业培养应用型、复合型高层次工程技术和工程管理人才。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪 论
 
1.1 研究背景
随着人类社会的快速发展和科技的不断进步,人类活动给自然环境带来了深刻而沉重的影响。工业革命开始前全球大气CO2浓度仅有280ppm,如今已突破了400 ppm,近几十年其实测值仍以约2ppm/y的速度持续攀升。通过多年的研究发现,地球气候环境异常与大气中CO2等温室气体的增加明显相关。2014年IPCC完成的第五次评估报告明确指出人类活动对气候变暖具有显著影响。矿石的开采与运输、化石燃料的燃烧、烧山毁林、工业生产过程等活动,引起大气中以CO2为主的温室气体浓度增加。IPCC给出了利用线性趋势计算结合全球地表和海洋温度实测数据结果,显示1901~2012年这110年间温度增加了约0.72°C[0.49~0.89],而1951~2012年这60年间温度增加了约0.89°C[0.69~1.08](IPCC,2013)。谭红建等(2016)利用CMIP5模式,模拟并评估了未来中国近海区域海面温度的变化趋势。结果表明,2030年以后我国近海海域的大部分海区,其海温相对于1970~2005年将普遍上升,增幅甚至有可能超过1℃。大气CO2浓度持续上升造成全球气候变暖加剧,导致气象灾害频发,对全球环境变化产生了巨大作用,凸现出越来越多的环境问题。极端天气事件趋强趋多,南极冰盖的消融和冰川的退缩,永久性冰川崩解导致海平面不断抬升,一些岛国的未来岌岌可危。CO2含量持续增加将导致自然环境空前危机,而环境的变化也将给人类造成不可估量的灾难和危险。碳减排面临着日趋严峻的压力,寻找碳减排途径已经迫在眉睫。
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1.2 国内外研究现状
人类对全球碳循环以及其对生命生存环境影响的探究已经持续了400多年的时间(Mackenzie F T et al,1995)。早在17世纪,比利时化学家在检测木炭燃烧和发酵过程中的副产气时发现了一种气体,就是我们现在所知道的CO2。1756年,英国医学教授J.Black指出,菱镁矿是镁和某种气体的化合物,这种气体会让蜡烛熄灭,还可以引起动物窒息,之后的研究确定其成分就是碳和氧。1773年,A. L. Lavoisier把碳放在氧气中燃烧,产生了当时被他称作“碳酸”的CO2气体,并测量其质量组成为碳23.5~28.9%,氧71.1~76.5%。1799年牛痘接种技术发现者J. Ingen-Housz在其著作中指出,植物中的碳都是利用光合作用从大气中吸收的,而不是土壤中的腐植质。这一新概念的提出,成为现代集约农业的立论前提,同时标志着人类对全球碳循环与生物圈和大气圈的关系认知获得了巨大突破(刘承宪,1996)。但这一观点与当时刚提出的马尔萨斯人口论的立论基础即植物生长的物质来源于土壤的腐植质的观点相反,所以并未被人们所接受。直到1840年,经过有机化学家J. Von Leibig的实验演示,J. Ingen-Housz的观点才被广泛接受。19世纪A. Van Humboldt测量了大气CO2浓度。J. Baptiste、J. Fourier和J. Tyndall提出了CO2温室效应的概念。在19世纪至20世纪之交,瑞典化学家S. Arrhenius根据不同地点CO2浓度的测量资料,计算得出大气CO2浓度和气温的定量关系:大气CO2浓度升高1倍时,地表平均气温将增加5~6℃;而大气CO2浓度降低一半时,地表平均温度将下降4℃;如果大气中CO2浓度为零,则平均气温将下降20℃。美国地质学家Chamberlin提出大气CO2浓度反复变化导致地球历史上冷暖交替出现的假说,推动了以后对地球系统碳循环的更全面的探索(Oppo,1997)。从20世纪中期开始直到现在,全世界各个国家和地区相关领域的学者们对碳循环的推动机制及其对生命生存环境产生的影响这一科学问题一直在孜孜不倦地探索中。
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第二章 研究区概况
 
2.1 自然地理
毛村地下河流域位于广西壮族自治区桂林市东南的灵川县潮田乡,地下河出口在毛村,经纬坐标为 N25°11′38″,E110°31′35″,高程约 178m,流域总面积 10.51 km2,长度约为 5.1km。流域内主要包括背地坪、木桥头、掌山底、山湾、大岩前等村庄。
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2.2 气候特征
研究区属亚热带季风气候,四季分明,气候温和舒适,夏季长而冬季短,降雨量大且雨热基本同期,有 “三冬少雪,四季常花”之说。年平均降雨量约 1980mm,年均气温 18.6℃。年内降水情况受季风气候影响变化幅度极大,雨季常集中在每年 3 月到 8月,旱季为每年 9 月到次年 2 月。丰水期暴雨频发,水资源充沛;枯水期流量明显小于丰水期,甚至出现河流断流现象。流域内地下水赋运方式主要以管道和裂隙两种形式为主。研究区土地利用类型主要有水田、果园、林地、灌木丛、草地与居民住宅等。水田主要集中在流域上游汇水区一带,果园多集中在易于灌溉的洼地或其边缘,区域内的林地主要分布在砂页岩地带,由于过度砍伐,大片林地退化成灌丛。
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第三章 仪器设计和室内溶蚀实验方案.......17
3.1 实验原理 .... 17
3.2 实验装置 .... 18
3.3 实验参数的确定 ........ 19
3.4 实际实验条件 ..... 21
3.5 实验过程 .... 21
3.6 小结 ..... 24
第四章 室内实验结果与讨论.......25
4.1 实验数据整理 ..... 25
4.2 实验结果讨论 ..... 26
4.3 小结 ..... 38
第五章 岩溶水与外源水对碳酸盐岩的溶蚀作用.......39
5.1 实验方案 .... 39
5.2 数据的获取 ........ 40
5.3 水化学数据分析 ........ 40
5.4 溶蚀结果与分析 ........ 43
5.5 小结 .... 44
 
第五章 岩溶水与外源水对碳酸盐岩的溶蚀作用
 
5.1 实验方案
外源水(allogenic water)即由非可溶岩地区流入岩溶区的水流,常具有较低的饱和指数,对岩溶地貌的发育有着特殊的作用(袁道先,1988)。为探究岩溶水与外源水对碳酸盐岩溶蚀的影响,在对已有的研究区基本资料分析总结的基础上,选取小龙背、扁岩和背地坪三个监测点进行了原位溶蚀实验。2017 年 10 月至 2018 年 4 月在三处监测点放置了碳酸盐岩试片,每月对取样点的温度、pH 值、电导率、HCO3-浓度等参数进行了现场观测,每三个月取回三块试片测量其溶蚀量。监测点小龙背处于研究区的上游,为地表外源水,岩性为泥盆系中统下部的红色砂岩、粉砂岩。扁岩位于碳酸盐与非碳酸盐的交接处附近,是外源水的冲蚀形成的,由外源水补给。背地坪的位置在山湾村以西,裂隙状地下管道崩塌形成,由白云岩区岩溶水(内源水)补给。水源自非碳酸盐岩区流入,由上游小龙背经扁岩与背地坪最后汇流到毛村地下河出口。
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结论
 
以自主设计的实验设备为平台,完成了控制单一变量的碳酸盐岩溶蚀实验,并于2017 年 10 月至 2018 年 4 月在研究区进行了外源水与岩溶水对碳酸盐岩溶蚀的影响的研究,同时对监测点水化学特征进行分析,得出如下结论:
1、岩性是导致碳酸盐岩发育产生差异性的首要原因。在反应条件相同时,灰岩的溶蚀量是白云岩的 1.2~2.4 倍。白云岩的起始反应速率只有灰岩的 1/2~1/3,远远低于石灰岩,说明白云岩比灰岩难溶。小龙背和背地坪灰岩溶蚀量是白云岩的 2 倍,扁岩更达 4~5倍,说明无论在外源水还是在岩溶水中,灰岩的溶蚀速率都远大于白云岩的溶蚀速率。所以整体看来,研究区灰岩岩溶发育程度比白云岩要好。
2、温度对碳酸盐岩溶蚀的影响存在单向性特征,两种岩性溶蚀量均随温度上升而变大。研究区夏季气温高,冬季气温低,碳酸盐岩的发育具有季节性,有夏强冬弱的特点。50℃时灰岩溶蚀量是白云岩的 1.29 倍,25℃时 1.78 倍,15℃时变为 2.45 倍,说明随着温度升高,两者溶蚀差异变小。温度每升高 10℃,白云岩溶蚀量增加 0.7mg/g,灰岩增加 0.55mg/g,说明白云岩受温度影响比灰岩大。而 pH 值与碳酸盐岩溶蚀量呈负相关关系,两种岩性溶蚀量均随 pH 减小而增大。pH=4 时,灰岩溶蚀量是白云岩的 2.18 倍,pH=5 时,是 1.78 倍,pH=6 时,是 1.52 倍,两者溶蚀差异随 pH 值减小而增大。pH=6降至 pH=5 灰岩溶蚀量增加了 51.4%,白云岩增加了 29%, pH=5 降至 pH=4 灰岩溶蚀量增加了 196%,白云岩增加了 142%,说明灰岩受 pH 值的影响比白云岩大。
3、CO2水溶液在流动状态下的溶蚀量远大于浸泡状态下的该值,溶液的流动有利于碳酸盐岩的溶解的发生,且随流速增大溶蚀量增大。水动力条件的变化在对化学溶蚀发生影响的情况下,同时也影响着物理溶蚀破坏的速度。所以研究区地下水强径流带岩溶发育程度好。
4、小龙背(外源水)溶蚀量是背地坪(岩溶水)的 5~6 倍,证明外源水对碳酸盐岩溶蚀的促进作用大大高于岩溶水。扁岩是外源水与岩溶水的混合,其碳酸盐岩侵蚀量却远远大于小龙背外源水的碳酸盐岩侵蚀量,考虑原因主要是扁岩流量小于小龙背,一来给碳酸盐岩溶蚀提供了充分的反应时间,二来水的流速影响了水中所溶解的 CO2含量。
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参考文献(略)

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