旅游洞穴環境變化監測分析及其影響因素研究

2024年2月25日發(作者：獨一無二近義詞)

旅游洞穴環境變化監測分析及其影響因素研究

[摘 要]研究旅游洞穴的環境變化，關鍵是要弄清洞穴開放后，人為因素對洞穴環境的影響。通過實地測量沂源九天洞洞穴空氣溫度、濕度、co2濃度、水化學特征和游客量的變化，研究旅游洞穴環境變化中的人為影響，并把它與自然影響做簡單的比較。沂源溶洞環境變化研究將為洞穴景觀的保護提供科學依據，同時對其他洞穴的保護起借鑒作用。

關鍵詞]溫度；濕度；co2濃度；游客量；燈光系統

對旅游洞穴環境變化的研究主要集中在洞穴的氣候環境(溫度、濕度)，空氣co2含量、氣流、灰塵、燈光植物方面。這些因素除了在很大程度上受自然影響外，還與洞穴旅游活動有著密切關系。國外的研究起步較早，并通過建立自動觀測系統對洞穴環境因子進行連續觀測，收集了大量資料。較之國外，我國在這方面的研究還是落后的，目前國內還沒有一個洞穴設立有洞穴環境的自動觀測設備，對旅游洞穴環境的監測大多間斷而不連續，國內對洞穴環境研究較多的旅游洞穴主要有浙江瑤琳洞、北京石花洞、貴州織金洞、河北白云洞等，其他洞穴則研究很少，洞穴環境的基本資料相當缺乏。我國是個喀斯特大國，洞穴資源十分豐富，開放洞穴從早期的桂林七星巖、蘆笛巖，廣東云浮巖等幾十多個，發展到現在已達280多個，成為世界上最大的洞穴旅游國。多

數旅游洞穴游客較多，由于缺乏洞穴環境保護知識和措施，致使許多洞穴景觀遭受不同程度的破壞。為了保護和恢復洞穴景觀資源，有必要增強對我國旅游洞穴環境變化及其改變因素的研究。

1 研究區概況

九天洞旅游區位于山東省沂源縣土門鎮魯山之南，屬于暖溫帶大陸性季風氣候。年均氣溫13℃，年均降水量767毫米，為半干旱和半濕潤過渡帶環境。

九天洞發育于魯中斷隆區的沂源盆地西北部魯山山前斷裂南側中奧陶統厚層石灰巖地層中。魯山山前斷裂在地貌上表現為一近東西向溝谷，溝谷南側九天洞等所在的千人洞山，山上植被茂密，蓋度在90％以上，主要喬木種群為側柏，刺槐等。溝谷兩側及緩坡地帶多為耕地及經濟林地，生態環境良好。

該洞總體為一近南北向的單口洞穴，洞口位置36°16′17″n，118°04′06″e，開口方向333°。洞口海拔高度470米，與谷底相對高度約60余米。洞穴總長度為1010米，現開放長度約有500多米。洞穴高度一般在37.5米，洞穴寬度一般在38米；在石冰凌與凌霄玉塔、凌霄玉塔與夢幻天堂廳之間的個別人工開鑿洞段，洞穴高度不足1.5米；寬度不足2米。部分洞廳洞穴規模較大，如仙山瓊閣廳的個別地段寬度達10余米；高度可達89米。洞穴底部整體相對平坦，

但在天河與天官廳、石冰凌與凌霄玉塔廳等過渡洞段坡度較大，而修有階梯。由于在中、末段(測點612)洞廳交界處有多處卡口存在(圖1)，阻礙洞穴空氣與外界的交換。因此，洞穴可以大致分為兩個段落：測點15(洞口天官廳)為相對開放段落；測點612(天官廳夢幻天堂)為相對封閉洞段。九天洞因洞內發育有九個大的洞廳(表1)而得名。洞內鈣華沉積物豐富，有石鐘乳、石筍、石柱、邊石壩、石瀑、石旗、石盾、石葡萄、石蓮花、石花、石針、卷曲石、月奶石等，而且體態晶瑩剔透，多姿多彩，具有很高的觀賞價值。該洞穴自1993年向游人開放以來，歷經3次階段性開發，目前已開發有十幾個洞廳，主要景觀300多處，年均接待游客量數萬人。

2 研究方法

2．1 觀測點布置

監測點布置本著易于測量、不妨礙游客觀賞的原則，共選擇了12個監測點，沿著主要旅游線路走向布置(圖1)。考慮到距離洞口越近，環境要素的變化越大；距離洞口越遠，環境要素變化較小，趨于平穩的特點；接近洞口處，觀測點布設相對密集，隨著到洞口距離增加，觀測點之間的距離逐漸加大。另外，選點一般在主要景觀附近，無景觀洞段，距離可適當加大。而且，對洞內兩處長期滴水點進行了觀測，即“天宮廳”景點處以及“觀音賞花”景點處(在石冰凌和靈霄玉塔之間)。

2．2 觀測時間

分別在人數較多的“五一”黃金周(2006年5月15日)和人數相對較少的7月底(2006年7月2830日)進行監測。根據洞穴長度及工作人員數量，確定每日基本測量次數為4次，即上午下午各2次。“五一”黃金周期間，由于游客數量大增，環境因子變化較快，測量次數增加至67次／日，上午34次，下午3次。監測時間：812時；1317時。同時，分時段統計進出洞穴的游客數量，用以計算洞內游客滯留人數。

2．3 觀測要求

分時段測量洞內溫度、co2濃度、濕度。每一日觀測前，進行儀器校正。測點觀測時，手持觀測儀器探頭距地面2米高度。要求儀器數字穩定在10秒以上方可讀數，同時記錄觀測時間及環境狀況(周圍游客數量，游客至儀器距離等)。

2．4 觀測儀器

溫、濕度測量儀器為電子溫、濕度計，co2濃度測量所用儀器為xh305a便攜式紅外氣體分析儀。

把250毫升塑料瓶放置于滴口下方的洞底收集滴水。現場用秒表計時測量滴水量，用溫度表測量溫度。采集的水樣帶回實驗室用酸度計測量其ph值，并用edta滴定分析水樣的hcoco3co、co3co2、m2+、ca2+等成分。

3 九天洞環境變化監測分析

3．1 氣溫

洞穴氣溫是反映洞穴能量變化的一個重要指標。且洞穴空氣的溫度會影響水中的co2溶解度，當氣溫高于水溫時，會促使co2從水中逸出，有利于caco，的沉淀。

根據九天洞2006年5月15日和7月2830日觀測數據，可以得到洞穴氣溫沿旅游線路的變化曲線(圖2)及洞穴環境要素與洞內游客數量變化過程圖(圖5)。

由圖2看出，九天洞洞穴氣溫變化具有如下幾個特點：

(1)從兩次監測結果來看，洞內各點氣溫均低于洞外，而且隨著距離洞口的增加，洞內大部分測點氣溫不斷降低，但至天河廳(5號測點)、天官廳(6號測點)一帶后又呈逐漸增高趨勢。這主要是由于近口段(測點35)洞穴高度較大，受外界影響較大；而洞穴中、末端(測點612)較小(表1)，受外界影響較小。

(2)從測點平均氣溫來看(圖2)，5月15日時間段，洞內各點氣溫變化較大，特別在5月13日， 洞內各點氣溫呈明顯降低趨勢。這主要因為“五一”黃金周期間，天氣多變，尤其是4月30日本地有一次較大的降雨過程，使洞穴內滴水明顯增多，并使洞穴氣溫出現較大幅度下降。此后，隨滴水減少以及5月3日游客量高峰的到來(見后文圖5)，洞內各點氣溫逐漸升高。5月5日的陰雨天氣，又使得洞內外氣溫進

一步降低。

7月28－30日時間段，正值當地高溫多雨時節，因此洞外及靠近洞口諸點的氣溫均較高，而距離洞口較遠的洞內地段由于雨季滴水量大，滴水的降溫作用及蒸發耗熱，使各點氣溫均較低，且與5月3－5日氣溫接近，致使氣溫分布曲線接近重合。

(3)測點的平均溫度最低值出現在仙山瓊閣(測點4)與天河廳(測點5)，同為13.9℃，原因是該洞段洞穴高度較大，而最高值則出現在洞口。洞外與洞內平均溫度差為13.9℃－26.8℃。

3．2 濕度

洞穴空氣濕度監測結果如圖4所示。

(1)從較大的尺度看，洞穴濕度與季節氣候密切相關。九天洞所處的沂源縣，四季分明，雨熱同期，雨季集中在6、7、8月份，其他月份降水很少。反映在洞穴空氣濕度變化上，盛夏的7月28－30日觀測期的平均濕度明顯高于春末初夏的5月1－5日，且洞內外差別較小。而5月1－5日觀測期，除了5月5日因降雨造成濕度較大外，其余大部測點濕度較小，且洞內濕度大大高于洞外。

(2)從較小的尺度來看，濕度受當時的天氣和氣溫的影響很大。降雨及雨后的一個時間段內，由于溫度的降低及滴水

的作用，濕度呈增大之勢。如受4月30日和5月5日降水導致洞穴氣溫降低等影響，5月1－5日洞內濕度明顯增高。此外，游客呼吸對封閉洞段濕度增大也有一定的貢獻作用，如非雨季的“五一”黃金周，由于有較多的游客進入，而使洞內的平均濕度達到雨季7月28－30日的水平。

(3)綜觀全洞監測點，濕度最低值出現在洞口，平均濕度為46.6％；濕度最高值出現在洞的末端(測點12)，平均濕度為96.5％。

3．3 洞穴co2

洞穴空氣co2含量是旅游洞穴環境觀測中的一個重要內容。co2作為喀斯特動力系統的重要驅動力已得到充分肯定和認識。對洞穴系統來說，co2同樣是直接影響洞穴沉積物形成和溶蝕的重要參量。當洞穴空氣中的co2分壓力小于洞穴水中co2分壓力時，在co2分壓差的驅動下，水中的co2就會不斷逸出，促使caco2的溶解度日趨飽和或過飽和，最終從水中析出。反之，洞穴空氣中的co2就會溶解于水中或洞穴水汽中，增加水的酸度，使已有的caco2不斷受到溶蝕，以致洞穴景觀產生嚴重破壞作用。同時洞穴co2又是反映洞穴空氣質量的一個重要指標，當空氣中co2過高，會使游客感到胸口憋悶，呼吸困難，影響游客的旅游質量和身體健康。

對旅游洞穴來說，游客呼出的co2是洞穴co2的重要來源。圖4是九天洞不同測點洞穴空氣c02濃度分布變化圖。

分析該圖可以得出如下認識：

(1)從洞口到洞底，co2濃度總體上呈上升趨勢，即洞口co2濃度最低，越往洞里co2濃度越高。洞口的最低日平均值為180ppm；最高值出現在靈霄玉塔(測點11)，最大日平均值為11250ppm，該點co2濃度之高，遠遠超出旅游洞穴c02濃度標準，同時在國內外也頗為少見。其原因在于該測點接近封閉洞段的末端，空間較為狹小，co2累積效應較強，且該處洞穴景觀奇特，游客滯留時間較長等。

(2)從曲線形態變化來看，開放洞段由于離洞口近，洞廳開闊，缺少窄小洞段，因此與外界溝通順暢，空氣擴散與交換速度快，co2雖有積累，但累積效應不明顯，濃度較低。而封閉洞段距離洞口遠，洞廳較小，且有多處狹窄卡口阻礙空氣的流通與交換，造成co2明顯積累，特別在5月15日觀測期間積累更為突出。如全洞co2平均濃度由5月1日清晨平均低于3000ppm至5月4日中午接近8000ppm(圖5)，而夢幻天堂(測點12)則由5月1日的4130ppm迅速增至5月5日的11190ppm(圖4)，增幅高達170％。

3．4 洞穴滴水

“天宮廳”滴水量平均22滴／分鐘。“觀音賞花”處滴水量29滴／分鐘。其余ca2+、m2+等離子均相差不大。

通過前后兩次滴水化學成分對比研究，ca2+濃度在降雨量充沛的7月份，比旱季有所下降。原因是，之前洞頂土壤

經過雨季的淋溶，造成土壤ca2+濃度下降，而滴水中ca2+的變化繼承了土壤水的特點。因此，7月份滴水化學成分檢測ca2+含量低于旱季的5月份監測結果。這種現象已經在貴州的涼風洞也是同樣存在(周運超，2005)。

4 洞穴環境影響因素分析

九天洞原是一個封閉的地下洞穴，無洞口與外界相通，能夠影響洞穴環境的自然因素主要有洞穴滴水和通過洞穴石灰巖裂隙的氣體交換；開發為旅游洞穴后，洞穴環境不僅受到自然因素的影響，還受到因旅游開發活動所帶來的人為因素的影響，在這一系列人為因素中，游客流、燈光系統對洞穴環境影響最為顯著，使洞穴物質、能量交換規律及洞穴空氣組份發生了變化，這些變化主要反映在洞穴空氣的co2濃度變化、氣溫的變化上。

4．1 自然條件影響

4．1．1洞穴滴水釋放co2量

在天然洞穴里，洞穴滴水在碳酸鈣沉淀過程中釋放出來的co2是洞穴空氣中co2的主要來源。

從表2兩次采樣結果來看，兩次滴水中的變化不大，ca2+含量有所降低，m2+有所增加，而ph值則都有增加。這是因為7月份進入雨季，滴水量較大，導致大多數hco3離子被中和，堿性較大。

這說明洞穴水釋放的co2量與洞穴滴水量、水中c02含量呈正相關關系。一般來說，洞穴滴水總量隨旱季和雨季的交替而變化，導致滴水釋放出的 co2量也隨季節變化。

4．1．2 巖石裂隙的氣體交換

九天洞為一單口洞穴，且洞口較小，無游客時呈封閉狀態，洞內空氣交換不暢。離洞口越近，空氣交換越強；越遠，空氣交換越弱。靠洞穴裂隙、溶隙與洞外空氣交換的比例較小。據5月、7月份兩次觀測記錄，九天洞中距離洞口越遠，co2濃度越高，濕度越大，說明了到洞口的距離是影響該洞空氣交換強度的重要因素。

4．1．3 洞廳容積和地形

洞廳的容積和地形(如表1所示)對空氣co2含量和氣溫的變化有直接影響。在空間寬敞、地勢平緩的洞廳里，空氣co2含量和氣溫的變化幅度要小于在空間狹窄、地勢陡峭的洞廳里的變化。旅游旺季，在狹窄洞廳里，易因游客滯留及氣流不暢，導致空氣co2含量累積過高，不利于游客的身體健康。

4．2 人為條件影響

4．2．1 洞穴游客流

7月28－30日觀測期，雖然游客較黃金周少，但7月29－30日適逢雙休日，仍保持一定的游客量(100－300人／日)，因此，co2在封閉洞段仍有一定積累。如夢幻天堂由7

月28日8080ppm增至7月30日的8730ppm(圖4)，增幅為8％，全洞平均濃度則由前期的4500ppm左右上升至5000ppm以上(圖5)。

值得指出的是，由于“五一”黃金周之前的冬半年為旅游淡季，洞內co2經過長期擴散，已經達到很低的濃度水平。因此相對封閉洞段5月1－2日co2濃度并不很高(且游客數量較5月3－4日為少)。雖然“五一”黃金周之后co2擴散造成濃度降低，但由于夏半年，游客數量較冬半年為多，co2仍能保持在較高水平，因此出現相對封閉洞段5月1－2日co2濃度低于7月28－30日的現象。

由于九天洞所處區域降雨量較少，因此洞內的滴水量也較南方洞穴的少。九天洞比較明顯的長年滴水點僅有兩處。由此可以認為，洞穴滴水對九天洞洞內空氣co2濃度的影響應遠小于游客的影響。

4．2．2 燈光系統

九天洞燈光系統總瓦數最大的是天街廳，為1320瓦，因為天街廳的游路最長，路燈和景觀燈總數也最多；其次為天河廳，為1100瓦。具體情況如表4。

這些路燈和景觀燈在旅游高峰期，由于旅游團密集，變成全天開放，一般開放時間為9小時，此時由路燈和景觀燈釋放出的熱量分別為1.22×108焦耳／天(34.02千瓦時／天)和124×108焦耳／天(34.38千瓦時／天)。在旅游淡季，雖然

每天游客數只約為高峰期的十分之一，但小旅游團的數量增加，只要有旅游團經過，景觀燈和路燈就要打開，因此每天路燈和景觀燈開放的時間約為4個小時。此時由路燈釋放出的能量為0.54×108焦耳／天(15.12千瓦時／天)，景觀燈釋放出的熱量為0，55×108焦耳／天(15.28千瓦時／天)。因此，由燈光系統釋放出來的能量在旅游淡季約為30千瓦時／天，在旅游旺季為68千瓦時／天。由此可見，燈光系統對于洞穴熱量平衡的影響還是比較大的。旅游洞穴里持續的洞穴燈光給綠色植物的生長提供了條件，此類燈光植物一般為藻類、孢子植物和真菌。它們不僅對碳酸鈣沉積物產生機械破壞作用，其生長過程的有機酸還對碳酸鈣有溶蝕作用。在景觀燈的照射下，九天洞的天官廳的一根石柱表面覆蓋上一片綠藻，在“觀音賞花”處，燈光的照射和潮濕的環境使得在一盞路燈的旁邊長出了苔蘚。 結論

通過對九天洞的旅游環境監測分析，主要得到以下幾點認識：

(1)該洞穴曲折，洞徑變化較大，對洞穴環境要素的分布與變化起著重要的控制作用。

(2)九天洞內的氣溫受外界天氣影響較大，大于游客數量增減造成的影響。沿洞口至洞底方向，在開放洞段平均氣溫表現為漸減，進入封閉洞段后又呈漸增之勢。

(3)洞穴空氣濕度從洞口向洞底基本呈遞增趨勢。濕度大

小與天氣、氣候密切相關。而游客呼吸對封閉洞段濕度增大也具有一定的作用。

(4)從洞口到洞底，co2濃度變化總體呈上升趨勢。開放洞段由于離洞口近，co2雖有積累，但累積效應不明顯，濃度較低。而封閉洞段距離洞口遠，洞廳較小，且有多處狹窄卡口阻礙空氣的流通與交換，旅游季節co2濃度水平很高，積累效應明顯。

(5)從影響洞穴環境的因素來看，人為條件的影響超越自然條件，成為影響洞穴環境變化的主要因素。