旅游洞穴环境变化监测分析及其影响因素研究

周长春　王晓青　孙小银　武传震

[摘要]研究旅游洞穴的环境变化，关键是要弄清洞穴开放后，人为因素对洞穴环境的影响。通过实地测量沂源九天洞洞穴空气温度、湿度、CO₂浓度、水化学特征和游客量的变化，研究旅游洞穴环境变化中的人为影响，并把它与自然影响做简单的比较。沂源溶洞环境变化研究将为洞穴景观的保护提供科学依据，同时对其他洞穴的保护起借鉴作用。

[关键词]温度；湿度；CO₂浓度；游客量；灯光系统

[中图分类号]F59

[文献标识码]A

[文章编号]1002-5006(2009)02-0081-06

对旅游洞穴环境变化的研究主要集中在洞穴的气候环境(温度、湿度)，空气CO₂含量、气流、灰尘、灯光植物方面。这些因素除了在很大程度上受自然影响外，还与洞穴旅游活动有着密切关系。国外的研究起步较早，并通过建立自动观测系统对洞穴环境因子进行连续观测，收集了大量资料。较之国外，我国在这方面的研究还是落后的，目前国内还没有一个洞穴设立有洞穴环境的自动观测设备，对旅游洞穴环境的监测大多间断而不连续，国内对洞穴环境研究较多的旅游洞穴主要有浙江瑶琳洞、北京石花洞、贵州织金洞、河北白云洞等，其他洞穴则研究很少，洞穴环境的基本资料相当缺乏。我国是个喀斯特大国，洞穴资源十分丰富，开放洞穴从早期的桂林七星岩、芦笛岩，广东云浮岩等几十多个，发展到现在已达280多个，成为世界上最大的洞穴旅游国。多数旅游洞穴游客较多，由于缺乏洞穴环境保护知识和措施，致使许多洞穴景观遭受不同程度的破坏。为了保护和恢复洞穴景观资源，有必要增强对我国旅游洞穴环境变化及其改变因素的研究。

1研究区概况

九天洞旅游区位于山东省沂源县土门镇鲁山之南，属于暖温带大陆性季风气候。年均气温13℃，年均降水量767毫米，为半干旱和半湿润过渡带环境。

九天洞发育于鲁中断隆区的沂源盆地西北部鲁山山前断裂南侧中奧陶统厚层石灰岩地层中。鲁山山前断裂在地貌上表现为一近东西向沟谷，沟谷南侧九天洞等所在的千人洞山，山上植被茂密，盖度在90％以上，主要乔木种群为侧柏，刺槐等。沟谷两侧及缓坡地带多为耕地及经济林地，生态环境良好。

该洞总体为一近南北向的单口洞穴，洞口位置36°16′17″N，118°04′06″E，开口方向333°。洞口海拔高度470米，与谷底相对高度约60余米。洞穴总长度为1010米，现开放长度约有500多米。洞穴高度一般在3-7.5米，洞穴宽度一般在3-8米；在石冰凌与凌霄玉塔、凌霄玉塔与梦幻天堂厅之间的个别人工开凿洞段，洞穴高度不足1.5米；宽度不足2米。部分洞厅洞穴规模较大，如仙山琼阁厅的个别地段宽度达10余米；高度可达8-9米。洞穴底部整体相对平坦，但在天河与天官厅、石冰凌与凌霄玉塔厅等过渡洞段坡度较大，而修有阶梯。由于在中、末段(测点6-12)洞厅交界处有多处卡口存在(图1)，阻碍洞穴空气与外界的交换。因此，洞穴可以大致分为两个段落：测点1-5(洞口-天官厅)为相对开放段落；测点6-12(天官厅-梦幻天堂)为相对封闭洞段。九天洞因洞内发育有九个大的洞厅(表1)而得名。洞内钙华沉积物丰富，有石钟乳、石笋、石柱、边石坝、石瀑、石旗、石盾、石葡萄、石莲花、石花、石针、卷曲石、月奶石等，而且体态晶莹剔透，多姿多彩，具有很高的观赏价值。该洞穴自1993年向游人开放以来，历经3次阶段性开发，目前已开发有十几个洞厅，主要景观300多处，年均接待游客量数万人。

2研究方法

2．1观测点布置

监测点布置本着易于测量、不妨碍游客观赏的原则，共选择了12个监测点，沿着主要旅游线路走向布置(图1)。考虑到距离洞口越近，环境要素的变化越大；距离洞口越远，环境要素变化较小，趋于平稳的特点；接近洞口处，观测点布设相对密集，随着到洞口距离增加，观测点之间的距离逐渐加大。另外，选点一般在主要景观附近，无景观洞段，距离可适当加大。而且，对洞内两处长期滴水点进行了观测，即“天宫厅”景点处以及“观音赏花”景点处(在石冰凌和灵霄玉塔之间)。

2．2观测时间

分别在人数较多的“五一”黄金周(2006年5月1-5日)和人数相对较少的7月底(2006年7月28-30日)进行监测。根据洞穴长度及工作人员数量，确定每日基本测量次数为4次，即上午下午各2次。“五一”黄金周期间，由于游客数量大增，环境因子变化较快，测量次数增加至6-7次／日，上午3-4次，下午3次。监测时间：8-12时；13-17时。同时，分时段统计进出洞穴的游客数量，用以计算洞内游客滞留人数。

2．3观测要求

分时段测量洞内温度、CO₂浓度、湿度。每一日观测前，进行仪器校正。测点观测时，手持观测仪器探头距地面2米高度。要求仪器数字稳定在10秒以上方可读数，同时记录观测时间及环境状况(周围游客数量，游客至仪器距离等)。

2．4观测仪器

温、湿度测量仪器为电子温、湿度计，CO₂浓度测量所用仪器为GXH305A便携式红外气体分析仪。

把250毫升塑料瓶放置于滴口下方的洞底收集滴水。现场用秒表计时测量滴水量，用温度表测量温度。采集的水样带回实验室用酸度计测量其pH值，并用EDTA滴定分析水样的HCOCO₃CO^-、CO₃CO^2-、Mg²⁺、Ca²⁺等成分。

3九天洞环境变化监测分析

3．1气温

洞穴气温是反映洞穴能量变化的一个重要指标。且洞穴空气的温度会影响水中的CO₂溶解度，当气温高于水温时，会促使CO₂从水中逸出，有利于CaCO，的沉淀。

根据九天洞2006年5月1-5日和7月28-30日观测数据，可以得到洞穴气温沿旅游线路的变化曲线(图2)及洞穴环境要素与洞内游客数量变化过程图(图5)。

由图2看出，九天洞洞穴气温变化具有如下几个特点：

(1)从两次监测结果来看，洞内各点气温均低于洞外，而且随着距离洞口的增加，洞内大部分测点气温不断降低，但至天河厅(5号测点)、天官厅(6号测点)一带后又呈逐渐增高趋势。这主要是由于近口段(测点3-5)洞穴高度较大，受外界影响较大；而洞穴中、末端(测点6-12)较小(表1)，受外界影响较小。

(2)从测点平均气温来看(图2)，5月1-5日时间段，洞内各点气温变化较大，特别在5月1-3日，

洞内各点气温呈明显降低趋势。这主要因为“五一”黄金周期间，天气多变，尤其是4月30日本地有一次较大的降雨过程，使洞穴内滴水明显增多，并使洞穴气温出现较大幅度下降。此后，随滴水减少以及5月3日游客量高峰的到来(见后文图5)，洞内各点气温逐渐升高。5月5日的阴雨天气，又使得洞内外气温进一步降低。

7月28－30日时间段，正值当地高温多雨时节，因此洞外及靠近洞口诸点的气温均较高，而距离洞口较远的洞内地段由于雨季滴水量大，滴水的降温作用及蒸发耗热，使各点气温均较低，且与5月3－5日气温接近，致使气温分布曲线接近重合。

(3)测点的平均温度最低值出现在仙山琼阁(测点4)与天河厅(测点5)，同为13.9℃，原因是该洞段洞穴高度较大，而最高值则出现在洞口。洞外与洞内平均温度差为13.9℃－26.8℃。

3．2湿度

洞穴空气湿度监测结果如图4所示。

(1)从较大的尺度看，洞穴湿度与季节气候密切相关。九天洞所处的沂源县，四季分明，雨热同期，雨季集中在6、7、8月份，其他月份降水很少。反映在洞穴空气湿度变化上，盛夏的7月28－30日观测期的平均湿度明显高于春末初夏的5月1－5日，且洞内外差别较小。而5月1－5日观测期，除了5月5日因降雨造成湿度较大外，其余大部测点湿度较小，且洞内湿度大大高于洞外。

(2)从较小的尺度来看，湿度受当时的天气和气温的影响很大。降雨及雨后的一个时间段内，由于温度的降低及滴水的作用，湿度呈增大之势。如受4月30日和5月5日降水导致洞穴气温降低等影响，5月1－5日洞内湿度明显增高。此外，游客呼吸对封闭洞段湿度增大也有一定的贡献作用，如非雨季的“五一”黄金周，由于有较多的游客进入，而使洞内的平均湿度达到雨季7月28－30日的水平(图5)。

(3)综观全洞监测点，湿度最低值出现在洞口，平均湿度为46.6％；湿度最高值出现在洞的末端(测点12)，平均湿度为96.5％。

3．3洞穴CO₂

洞穴空气CO₂含量是旅游洞穴环境观测中的一个重要内容。CO₂作为喀斯特动力系统的重要驅动力已得到充分肯定和认识。对洞穴系统来说，CO₂同样是直接影响洞穴沉积物形成和溶蚀的重要参量。当洞穴空气中的CO₂分压力小于洞穴水中CO₂分压力时，在CO₂分压差的驱动下，水中的CO₂就会不断逸出，促使CaCO₂的溶解度日趋饱和或过饱和，最终从水中析出。反之，洞穴空气中的CO₂就会溶解于水中或洞穴水汽中，增加水的酸度，使已有的CaCO₂不断受到溶蚀，以致洞穴景观产生严重破坏作用。同时洞穴CO₂又是反映洞穴空气质量的一个重要指标，当空气中CO₂过高，会使游客感到胸口憋闷，呼吸困难，影响游客的旅游质量和身体健康。

对旅游洞穴来说，游客呼出的CO₂是洞穴CO₂的重要来源。图4是九天洞不同测点洞穴空气C02浓度分布变化图。分析该图可以得出如下认识：

(1)从洞口到洞底，CO₂浓度总体上呈上升趋势，即洞口CO₂浓度最低，越往洞里CO₂浓度越高。洞口的最低日平均值为180ppm；最高值出现在灵霄玉塔(测点11)，最大日平均值为11250ppm，该点CO₂浓度之高，远远超出旅游洞穴C02浓度标准，同时在国内外也颇为少见。其原因在于该测点接近封闭洞段的末端，空间较为狭小，CO₂累积效应较强，且该处洞穴景观奇特，游客滞留时间较长等。

(2)从曲线形态变化来看，开放洞段由于离洞口近，洞厅开阔，缺少窄小洞段，因此与外界沟通顺畅，空气扩散与交换速度快，CO₂虽有积累，但累积效应不明显，浓度较低。而封闭洞段距离洞口远，洞厅较小，且有多处狭窄卡口阻碍空气的流通与交换，造成CO₂明显积累，特别在5月1-5日观测期间积累更为突出。如全洞CO₂平均浓度由5月1日清晨平均低于3000ppm至5月4日中午接近8000ppm(图5)，而梦幻天堂(测点12)则由5月1日的4130ppm迅速增至5月5日的11190ppm(图4)，增幅高达170％。

3．4洞穴滴水

“天宫厅”滴水量平均22滴／分钟。“观音赏花”处滴水量29滴／分钟。其余Ca²⁺、Mg²⁺等离子均相差不大。

通过前后两次滴水化学成分对比研究，Ca²⁺浓度在降雨量充沛的7月份，比旱季有所下降。原因是，之前洞顶土壤经过雨季的淋溶，造成土壤Ca²⁺浓度下降，而滴水中Ca²⁺的变化继承了土壤水的特点。因此，7月份滴水化学成分检测Ca²⁺含量低于旱季的5月份监测结果。这种现象已经在贵州的凉风洞也是同样存在(周运超，2005)。

4洞穴环境影响因素分析

九天洞原是一个封闭的地下洞穴，无洞口与外界相通，能够影响洞穴环境的自然因素主要有洞穴滴水和通过洞穴石灰岩裂隙的气体交换；开发为旅游洞穴后，洞穴环境不仅受到自然因素的影响，还受到因旅游开发活动所带来的人为因素的影响，在这一系列人为因素中，游客流、灯光系统对洞穴环境影响最为显著，使洞穴物质、能量交换规律及洞穴空气组份发生了变化，这些变化主要反映在洞穴空气的CO₂浓度变化、气温的变化上。

4．1自然条件影响

4．1．1洞穴滴水释放CO₂量

在天然洞穴里，洞穴滴水在碳酸钙沉淀过程中释放出来的CO₂是洞穴空气中CO₂的主要来源。

从表2两次采样结果来看，两次滴水中的变化不大，Ca²⁺含量有所降低，Mg²⁺有所增加，而PH值则都有增加。这是因为7月份进入雨季，滴水量较大，导致大多数HCO₃^-离子被中和，碱性较大。

这说明洞穴水释放的CO₂量与洞穴滴水量、水中C02含量呈正相关关系。一般来说，洞穴滴水总量随旱季和雨季的交替而变化，导致滴水释放出的

CO₂量也随季节变化。

4．1．2岩石裂隙的气体交换

九天洞为一单口洞穴，且洞口较小，无游客时呈封闭状态，洞内空气交换不畅。离洞口越近，空气交换越强；越远，空气交换越弱。靠洞穴裂隙、溶隙与洞外空气交换的比例较小。据5月、7月份两次观测记录，九天洞中距离洞口越远，CO₂浓度越高，湿度越大，说明了到洞口的距离是影响该洞空气交换强度的重要因素。

4．1．3洞厅容积和地形

洞厅的容积和地形(如表1所示)对空气CO₂含量和气温的变化有直接影响。在空间宽敞、地势平缓的洞厅里，空气CO₂含量和气温的变化幅度要小于在空间狭窄、地势陡峭的洞厅里的变化。旅游旺季，在狭窄洞厅里，易因游客滞留及气流不畅，导致空气CO₂含量累积过高，不利于游客的身体健康。

4．2人为条件影响

4．2．1洞穴游客流

7月28－30日观测期，虽然游客较黄金周少，但7月29－30日适逢双休日，仍保持一定的游客量(100－300人／日)，因此，CO₂在封闭洞段仍有一定积累。如梦幻天堂由7月28日8080ppm增至7月30日的8730ppm(图4)，增幅为8％，全洞平均浓度则由前期的4500ppm左右上升至5000ppm以上(图5)。

值得指出的是，由于“五一”黄金周之前的冬半年为旅游淡季，洞内CO₂经过长期扩散，已经达到很低的浓度水平。因此相对封闭洞段5月1－2日CO₂浓度并不很高(且游客数量较5月3－4日为少)。虽然“五一”黄金周之后CO₂扩散造成浓度降低，但由于夏半年，游客数量较冬半年为多，CO₂仍能保持在较高水平，因此出现相对封闭洞段5月1－2日CO₂浓度低于7月28－30日的现象。

由于九天洞所处区域降雨量较少，因此洞内的滴水量也较南方洞穴的少。九天洞比较明显的长年滴水点仅有两处。由此可以认为，洞穴滴水对九天洞洞内空气CO₂浓度的影响应远小于游客的影响。

4．2．2灯光系统

九天洞灯光系统总瓦数最大的是天街厅，为1320瓦，因为天街厅的游路最长，路灯和景观灯总数也最多；其次为天河厅，为1100瓦。具体情况如表4。

这些路灯和景观灯在旅游高峰期，由于旅游团密集，变成全天开放，一般开放时间为9小时，此时由路灯和景观灯释放出的热量分别为1.22×10⁸焦耳／天(34.02千瓦时／天)和124×10⁸焦耳／天(34.38千瓦时／天)。在旅游淡季，虽然每天游客数只约为高峰期的十分之一，但小旅游团的数量增加，只要有旅游团经过，景观灯和路灯就要打开，因此每天路灯和景观灯开放的时间约为4个小时。此时由路灯释放出的能量为0.54×10⁸焦耳／天(15.12千瓦时／天)，景观灯释放出的热量为0，55×10⁸焦耳／天(15.28千瓦时／天)。因此，由灯光系统释放出来的能量在旅游淡季约为30千瓦时／天，在旅游旺季为68千瓦时／天。由此可见，灯光系统对于洞穴热量平衡的影响还是比较大的。旅游洞穴里持续的洞穴灯光给绿色植物的生长提供了条件，此类灯光植物一般为藻类、孢子植物和真菌。它们不仅对碳酸钙沉积物产生机械破坏作用，其生长过程的有机酸还对碳酸钙有溶蚀作用。在景观灯的照射下，九天洞的天官厅的一根石柱表面覆盖上一片绿藻，在“观音赏花”处，灯光的照射和潮湿的环境使得在一盏路灯的旁边长出了苔藓。

5结论

通过对九天洞的旅游环境监测分析，主要得到以下几点认识：

(1)该洞穴曲折，洞径变化较大，对洞穴环境要素的分布与变化起着重要的控制作用。

(2)九天洞内的气温受外界天气影响较大，大于游客数量增减造成的影响。沿洞口至洞底方向，在开放洞段平均气温表现为渐减，进入封闭洞段后又呈渐增之势。

(3)洞穴空气湿度从洞口向洞底基本呈递增趋势。湿度大小与天气、气候密切相关。而游客呼吸对封闭洞段湿度增大也具有一定的作用。

(4)从洞口到洞底，CO₂浓度变化总体呈上升趋势。开放洞段由于离洞口近，CO₂虽有积累，但累积效应不明显，浓度较低。而封闭洞段距离洞口远，洞厅较小，且有多处狭窄卡口阻碍空气的流通与交换，旅游季节CO₂浓度水平很高，积累效应明显。

(5)从影响洞穴环境的因素来看，人为条件的影响超越自然条件，成为影响洞穴环境变化的主要因素。

[责任编辑：张宪玉；责任校对：王玉洁]