漓江流域岩溶碳循环与水循环耦合机制及模型研究

It is very important to study carbon cycle and water cycle processes for water resources management, pollution prevention and global warming influence in southwest karst region of China. Lijiang river basin is selected as our study region. Interdisciplinary field and laboratory experiments with various technologies are conducted to characterize the karst aquifers in detail. Key processes in the karst water cycle and carbon cycle will be determined. Based on the MODFLOW-CFP model, new watershed flow and carbon cycle models will be developed coupled subsurface and surface water flow models, flow and chemical/biological models. Our study will focus on the karst springshed in Mao village, the mechanisms coupling carbon cycle and water cycle will be explored. Parallel computing technology will be used to construct the numerical model for the carbon cycle and water cycle in the small scale watershed, which be calibrated and verified by field observations. The developed coupling model for the small scale watershed will be extended to a large scale watershed considering the scale effect of model parameters and proper model structure simplification. The large scale watershed model will be used to study water cycle and carbon cycle in Lijiang rivershed, and to calculate the carbon flux and carbon sinks in the Lijiang river basin. The study results will provide scientific methods for water resources management and environmental protection in southwest karst region corresponding to global climate change. This study will provide basic theory and simulation method for geological carbon sequestration in China karst region.

研究岩溶流域碳循环与水循环过程，对我国西南岩溶地区水资源管理、污染防治和应对全球气候变化具有重要的意义。本项目选择漓江流域为研究区，通过跨学科、多技术的野外观测与室内试验分析方法，精确刻画岩溶流域含水介质的精细结构，厘定岩溶水循环与碳循环的关键过程，在现有MODFLOW-CFP模型的基础上，研发地下水与地表水流动耦合模拟模型、水循环和碳循环的耦合模型。以桂林毛村岩溶地下河流域为重点，揭示小流域碳循环与水流过程的耦合机制，利用并行计算技术，构建小流域尺度水循环与碳循环的耦合模拟模型。基于野外观测，对模型进行充分验证。考虑参数的尺度效应，进行适当的模型结构概化，将小流域发展起来的模型扩展到大流域。进而建立漓江流域水循环与碳循环耦合模拟模型，计算漓江流域的碳通量和碳汇。研究将为西南岩溶地区水资源管理和应对全球气候变化提供科学依据，同时为我国岩溶地质碳汇研究提供基础理论和模拟手段。

研究岩溶流域碳循环与水循环过程，对我国西南岩溶地区水资源管理、污染防治和应对全球气候变化具有重要的意义。本项目该项目选择漓江流域为研究区，以桂林毛村流域为例，通过跨学科、多技术的野外观测与室内试验分析方法，开展了一系列研究。基于人工梯度下的钻孔示踪试验和抽水试验，刻画了毛村流域岩溶含水介质和岩溶含水层水力特性，研究了岩溶区地下含水介质连通性。在野外观测的基础之上，室内模拟了不同岩性、温度、CO2分压和水动力条件条件下对碳酸盐岩溶解的影响，确定了岩溶洞穴内CO2气体迁移特征；基于水化学特征和同位素技术，揭露了经降水入渗、土下溶蚀碳酸盐岩后经管道流入洞穴内部的高HCO3-滴水特征，深入细致地分析了硅酸盐区与碳酸盐区溶解有机碳的分布、变化规律，以及溶解无机碳的主要来源。基于室内砂箱实验进行室内模拟试验，发现了漓江流域水化学主要离子的控制机制、来源、时空变化特征及CO2通量的时间及其季节性变化特征，阐明了岩溶非岩溶交错区不同土地利用方式下土壤呼吸的空间变异特征及其影响因素。利用示踪、物探、钻孔、探洞、高分辨率监测多手段结合对毛村小流域岩溶介质进行了高分辨率刻画及流域观测数据的建立。发现了外源水和外源酸是影响毛村和漓江流域碳汇的关键要素,并计算了漓江流域碳通量和碳汇量。在现有MODFLOW-CFP模型的基础上，开发了连续介质-管道网络耦合模型模拟岩溶含水层地下水流和溶质运移过程，同时利用时间分数阶导数瞬态存储模型，模拟了岩溶含水介质中溶质的运移过程，成功描述了桂林毛村自然河流中的示踪数据，建立了基于过程的水文模型模拟毛村小流域水循环和碳循环过程。至目前为止，发表了相关学术论文30余篇，其中SCI论文17篇，EI论文3篇，中文核心17篇，实用新型专利7项，培养青年教师4名、博士后6名，博士研究生14名，硕士研究生20余名，本研究将为西南岩溶地区水资源管理和应对全球气候变化提供科学依据，同时为我国岩溶地质碳汇研究提供基础理论和模拟手段。