《Journal of Hydrology》：Towards the use of acoustic monitoring in karst networks to infer hydrological dynamics during flood events
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喀斯特地下水系统 flood propagation 机制研究中，首次整合声学监测（含次声波）与水位、气压数据，揭示"Plunger Chamber Effect"——洞穴封闭空间因洪水压缩空气后瞬间释放驱动水流的物理过程，发现低频声波（<50Hz）与洪水涨落存在强时空关联，为地下洪水预警提供新方法。
亚历山德罗·马斯特拉（Alessandro Mastella）、弗朗切斯科·萨乌罗（Francesco Sauro）、米歇尔·安德烈（Michel André）、迈克·范德沙尔（Mike van der Schaar）、玛丽亚·菲利皮尼（Maria Filippini）、吉多·罗西（Guido Rossi）、吉多·贡扎托（Guido Gonzato）、恩尼奥·尼科利尼（Ennio Nicolini）、乔·德瓦勒（Jo De Waele）
意大利博洛尼亚大学生物、地质与环境科学系，意大利洞穴学研究所，赞博尼街67号（Via Zamboni 67），40126博洛尼亚，意大利
摘要
由于洪水具有高能量和破坏性，监测洞穴中的洪水事件是一项重大挑战，因为这些洪水会对水下传感器和数据传输系统构成威胁。因此，关于洪水传播及其对空气-水相互作用影响的研究相对较少。值得注意的是，以往的研究大多忽略了将声学监测与传统水文参数相结合的方法。
本研究通过在意大利维罗纳莱西尼山脉（Lessini Mountains of Verona）的Spurga delle Cadene洞穴中测试多参数水文和声学监测方法，来填补这一知识空白。该洞穴在洪水期间会形成临时性的溢流喀斯特泉。通过监测次声到可听声范围内的声音以及水位和气压变化，研究了洞穴-泉水系统的水力特性。研究发现，被困空气在洞穴不同区域中的压缩、隔离和释放过程通过一种新发现的“活塞室效应”（Plunger Chamber Effect）显著影响水位上升、压力变化和洪水传播。此外，对低频（<50?Hz）声音的详细分析显示，在洪水上涨前和退去过程中存在特定的重复声学模式。这些声音与导管形态和水位变化有关。识别这些重复声学模式为开发针对洞穴的早期洪水预警系统奠定了基础。本案例研究强调了将声学监测与传统水文方法相结合的重要性，有助于更全面地理解地下环境中的洪水机制。
引言
在封闭的导管（如活跃的喀斯特系统）中，水流和洪水事件会产生与流动状态、空气-水相互作用及导管几何形状相关的独特声音（De Waele和Gutiérrez，2022）。尽管这些现象很少被详细分析和监测，但它们可能揭示地下系统中的流动动态，包括预测或预警极端水文事件的可能性。最近，Pantiga等人（2025）成功应用了7–12?Hz的地震次声噪声监测来研究法国一个喀斯特系统的流动动态，而Luhmann等人（2025）则利用环境地震噪声监测了喀斯特含水层的注入实验，发现大部分噪声可能来源于洪水上升过程中压力过高的空气囊的释放。Sauro（2023）讨论了声学监测在洞穴环境中的多种应用潜力，包括水文学、地震事件、生物学以及人类对地下环境的影响；Piechowicz等人（2018）则研究了不同材料构成的洞穴的声学特性。声学监测的优势在于只需在洞穴内放置一个记录器即可捕捉到所有类型的声音事件。到目前为止，由于洪水具有高能量，使用原位仪器监测地下极端水文事件（如洪水）一直具有挑战性，因为这会危及安装在水流附近的水下传感器、数据记录器和传输电缆。因此，关于洪水传播及其对洞穴室内空气-水压力相互作用影响的研究仍然非常有限，且主要局限于特定情况（Bonacci和Bojani?，1991；Sanz Pérez等人，2016；Stroj和Paar，2019；Pellet等人，2024）。这些研究均未考虑将声学监测与其他参数（如气压和水位）结合以更好地理解洪水机制。在未被洪水淹没的高区域持续监测洞穴内的声音，可能成为喀斯特系统中的新型遥感方法，为仍不为人知的水文现象提供新的见解。在水位较低时，如果喀斯特系统部分可进入，声学监测也是可行的。为了安全部署仪器，至少需要确定一个永远不会被洪水淹没的洞穴室或导管顶部。这种间歇性泉水和多层导管的喀斯特网络在喀斯特地区很常见，通常只有在水位较低时才能进行水文监测（Gabrov?ek等人，2018；De Waele和Gutiérrez，2022）。安装声学记录器可以在无法安全进行直接洞穴考察的时期监测水文活动。
本研究的目的是通过结合声学监测与传统水文监测（水位和气压）来研究临时泉水洞穴系统（Spurga delle Cadene）在洪水期间的水力特性。该洞穴中的洪水特征包括多种声音来源，这些声音可能与地表河流洪水期间的声音相似（Osborne，2022），也可能与洞穴内由于洪水导致空气囊压缩而释放的特殊过程有关（Wright等人，2017；Luhmann等人，2025）。为了探索这些声音背后的潜在机制，我们在洞穴通道附近实施了连续的次声到可听声范围内的声学环境监测。洪水期间，声学仪器记录了覆盖广泛频率范围（<10?Hz至16000?Hz）的信号，获得了可与水位和气压测量结果相关联的新数据。这种结合有助于深入了解空气-水相互作用在控制喀斯特导管中洪水动态中的作用。本研究的主要目标是评估识别与控制洪水动态的关键空气-水过程相关的声音的可能性。其次，监测还用于测试预测洪水的声音是否存在，为未来开发特定地点的极端事件预警技术提供可能性。总体而言，本案例研究为监测可进入的喀斯特系统中的洪水现象提供了一种强大的新方法，并为喀斯特水文学研究提供了宝贵见解。
地理、地质和气候背景
所研究的泉水洞穴系统名为“Spurga delle Cadene”，位于莱西尼山脉（Lessini Mountains），属于东南阿尔卑斯山脉（Sudalpine domain）的最南端，被认为是新近纪-第四纪南阿尔卑斯山脉（Neogene-Quaternary South Alpine Chain）弱变形的前缘（Sauro等人，2012）（图1）。莱西尼山脉是一个广阔的喀斯特高原，由主要呈南北走向的山谷切割而成，这些山谷沿断层和构造线发育，决定了其地貌和地下地下水分布。
方法
2023年9月至2024年1月期间（共4个月），我们在导管内安装了多种仪器，用于监测水位、气压和声音变化。由于通道形态不规则以及洪水能量巨大，使用流量计测量流量在洞穴中并不实际。研究中使用的气象数据来自
结果
悬挂湖（Hanging Lake）的日累计降水量和压力传感器数据显示，在监测期间有八次洪水事件穿过洞穴导管，最高水位达到5.66?m至6.65?m。分析表明，降雨量大的日子与洞穴内洪水事件之间存在明显相关性。
洪水期间的空气-水动态
基于水位和气压监测，我们建立了一个简化的洞穴内洪水期间空气-水相互作用概念模型（图9）。
在降雨量大的情况下，渗透水在几小时内（6至11小时；Mastella，2024）进入洞穴系统，导致上游流量从Qin-1（图9A）增加到Qin-2（图9B）。由于狭窄通道的排水能力有限，多余的水无法有效排出
结论
在Spurga delle Cadene洞穴中，“活塞室效应”（Plunger-Chamber Effect）通过暂时隔离充满空气的腔室来控制洪水动态：随着水位上升，这些腔室被压缩，产生特征性的压力差，从而驱动水流通过溢流通道。声学监测显示，记录到的声音受到上游流量变化的影响显著。
作者贡献声明
亚历山德罗·马斯特拉（Alessandro Mastella）：撰写初稿、方法设计、研究实施、数据分析、概念构建。弗朗切斯科·萨乌罗（Francesco Sauro）：撰写初稿、项目管理、方法设计、研究实施、资金申请、数据分析、概念构建。米歇尔·安德烈（Michel André）：验证结果、方法评估。迈克·范德沙尔（Mike van der Schaar）：审稿与编辑、监督工作、软件开发、方法设计、数据分析。玛丽亚·菲利皮尼（Maria Filippini）：审稿与编辑、监督工作
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了“可持续发展中的地球科学”（The Geosciences for Sustainable Development）项目的支持（预算来源：意大利大学与研究部–卓越部门2023–2027年计划C93C23002690001）。感谢莱西尼地区公园（Regional Park of Lessini）通过维罗纳洞穴学委员会（Commissione Speleologica Veronese）和Troglobius APS机构授予的研究和洞穴进入许可。同时感谢Daniela Barbieri、Ada Maestri和Luca Cattafesta在实地工作中的帮助。
