旅游洞穴環(huán)境變化監(jiān)測分析及其影響因素研究

[摘 要]研究旅游洞穴的環(huán)境變化，關(guān)鍵是要弄清洞穴開放后，人為因素對洞穴環(huán)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(huán)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(huán)境變化研究將為洞穴景觀的保護提供科學依據(jù)，同時對其他洞穴的保護起借鑒作用。

[關(guān)鍵詞]溫度；濕度；CO₂濃度；游客量；燈光系統(tǒng)

[中圖分類號]F59

[文獻標識碼]A

[文章編號]1002-5006(2009)02-0081-06

對旅游洞穴環(huán)境變化的研究主要集中在洞穴的氣候環(huán)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(guān)系。國外的研究起步較早，并通過建立自動觀測系統(tǒng)對洞穴環(huán)境因子進行連續(xù)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(nèi)還沒有一個洞穴設立有洞穴環(huán)境的自動觀測設備，對旅游洞穴環(huán)境的監(jiān)測大多間斷而不連續(xù)，國內(nèi)對洞穴環(huán)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(huán)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(fā)展到現(xiàn)在已達280多個，成為世界上最大的洞穴旅游國。多數(shù)旅游洞穴游客較多，由于缺乏洞穴環(huán)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(huán)境變化及其改變因素的研究。

1 研究區(qū)概況

九天洞旅游區(qū)位于山東省沂源縣土門鎮(zhèn)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(huán)境。

九天洞發(fā)育于魯中斷隆區(qū)的沂源盆地西北部魯山山前斷裂南側(cè)中奧陶統(tǒng)厚層石灰?guī)r地層中。魯山山前斷裂在地貌上表現(xiàn)為一近東西向溝谷，溝谷南側(cè)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(cè)柏，刺槐等。溝谷兩側(cè)及緩坡地帶多為耕地及經(jīng)濟林地，生態(tài)環(huán)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(xiàn)開放長度約有500多米。洞穴高度一般在3-7.5米，洞穴寬度一般在3-8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(guī)模較大，如仙山瓊閣廳的個別地段寬度達10余米；高度可達8-9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6-12)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1-5(洞口-天官廳)為相對開放段落；測點6-12(天官廳-夢幻天堂)為相對封閉洞段。九天洞因洞內(nèi)發(fā)育有九個大的洞廳(表1)而得名。洞內(nèi)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(tài)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(jīng)3次階段性開發(fā)，目前已開發(fā)有十幾個洞廳，主要景觀300多處，年均接待游客量數(shù)萬人。

2 研究方法

2．1 觀測點布置

監(jiān)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(jiān)測點，沿著主要旅游線路走向布置(圖1)?？紤]到距離洞口越近，環(huán)境要素的變化越大；距離洞口越遠，環(huán)境要素變化較小，趨于平穩(wěn)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(nèi)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(shù)較多的“五一”黃金周(2006年5月1-5日)和人數(shù)相對較少的7月底(2006年7月28-30日)進行監(jiān)測。根據(jù)洞穴長度及工作人員數(shù)量，確定每日基本測量次數(shù)為4次，即上午下午各2次?！拔逡弧秉S金周期間，由于游客數(shù)量大增，環(huán)境因子變化較快，測量次數(shù)增加至6-7次／日，上午3-4次，下午3次。監(jiān)測時間：8-12時；13-17時。同時，分時段統(tǒng)計進出洞穴的游客數(shù)量，用以計算洞內(nèi)游客滯留人數(shù)。

2．3 觀測要求

分時段測量洞內(nèi)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(shù)字穩(wěn)定在10秒以上方可讀數(shù)，同時記錄觀測時間及環(huán)境狀況(周圍游客數(shù)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GXH305A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?，F(xiàn)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^-、CO₃CO^2-、Mg²⁺、Ca²⁺等成分。

3 九天洞環(huán)境變化監(jiān)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(jù)九天洞2006年5月1-5日和7月28-30日觀測數(shù)據(jù)，可以得到洞穴氣溫沿旅游線路的變化曲線(圖2)及洞穴環(huán)境要素與洞內(nèi)游客數(shù)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(jiān)測結(jié)果來看，洞內(nèi)各點氣溫均低于洞外，而且隨著距離洞口的增加，洞內(nèi)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3-5)洞穴高度較大，受外界影響較大；而洞穴中、末端(測點6-12)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1-5日時間段，洞內(nèi)各點氣溫變化較大，特別在5月1-3日，洞內(nèi)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(nèi)滴水明顯增多，并使洞穴氣溫出現(xiàn)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(nèi)各點氣溫逐漸升高。5月5日的陰雨天氣，又使得洞內(nèi)外氣溫進一步降低。

7月28－30日時間段，正值當?shù)馗邷囟嘤陼r節(jié)，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(nèi)地段由于雨季滴水量大，滴水的降溫作用及蒸發(fā)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(xiàn)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(xiàn)在洞口。洞外與洞內(nèi)平均溫度差為13.9℃－26.8℃。

3．2 濕度

洞穴空氣濕度監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

(1)從較大的尺度看，洞穴濕度與季節(jié)氣候密切相關(guān)。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(nèi)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)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(nèi)的平均濕度達到雨季7月28－30日的水平(圖5)。

(3)綜觀全洞監(jiān)測點，濕度最低值出現(xiàn)在洞口，平均濕度為46.6％；濕度最高值出現(xiàn)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(huán)境觀測中的一個重要內(nèi)容。CO₂作為喀斯特動力系統(tǒng)的重要驅(qū)動力已得到充分肯定和認識。對洞穴系統(tǒng)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(qū)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(chǎn)生嚴重破壞作用。同時洞穴CO₂又是反映洞穴空氣質(zhì)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(zhì)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(xiàn)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(nèi)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(tài)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1-5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⁺、Mg²⁺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(jīng)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(jiān)測結(jié)果。這種現(xiàn)象已經(jīng)在貴州的涼風洞也是同樣存在(周運超，2005)。

4 洞穴環(huán)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(huán)境的自然因素主要有洞穴滴水和通過洞穴石灰?guī)r裂隙的氣體交換；開發(fā)為旅游洞穴后，洞穴環(huán)境不僅受到自然因素的影響，還受到因旅游開發(fā)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(tǒng)對洞穴環(huán)境影響最為顯著，使洞穴物質(zhì)、能量交換規(guī)律及洞穴空氣組份發(fā)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(jié)果來看，兩次滴水中的變化不大，Ca²⁺含量有所降低，Mg²⁺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(shù)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(guān)關(guān)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(jié)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(tài)，洞內(nèi)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?？慷囱严丁⑷芟杜c洞外空氣交換的比例較小。據(jù)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(nèi)CO₂經(jīng)過長期擴散，已經(jīng)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(shù)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(shù)量較冬半年為多，CO₂仍能保持在較高水平，因此出現(xiàn)相對封閉洞段5月1－2日CO₂濃度低于7月28－30日的現(xiàn)象。

由于九天洞所處區(qū)域降雨量較少，因此洞內(nèi)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(nèi)空氣CO₂濃度的影響應遠小于游客的影響。

4．2．2 燈光系統(tǒng)

九天洞燈光系統(tǒng)總瓦數(shù)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(shù)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(shù)只約為高峰期的十分之一，但小旅游團的數(shù)量增加，只要有旅游團經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)對于洞穴熱量平衡的影響還是比較大的。旅游洞穴里持續(xù)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(chǎn)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(huán)境使得在一盞路燈的旁邊長出了苔蘚。

5 結(jié)論

通過對九天洞的旅游環(huán)境監(jiān)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(huán)境要素的分布與變化起著重要的控制作用。

(2)九天洞內(nèi)的氣溫受外界天氣影響較大，大于游客數(shù)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(xiàn)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(guān)。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(jié)CO₂濃度水平很高，積累效應明顯。

(5)從影響洞穴環(huán)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(huán)境變化的主要因素。

[責任編輯：張憲玉；責任校對：王玉潔]