岩溶地质环境及水文地质特征
中国地质科学院岩溶地质研究所
西南岩溶地区包括云南、贵州、广西、湖南、四川、重庆、湖北、广东8个省(区、市),岩溶面积78万平方千米。该岩溶地区存在严重干旱缺水、水土流失与岩溶石漠化、地下水质恶化、岩溶塌陷和岩溶内涝等典型资源环境问题,制约了经济社会的发展。2009~2011年,西南地区连续发生的严重干旱主要分布于岩溶地区,耕地受旱面积1亿余亩,受灾人口6000多万人,直接经济损失300多亿元,引起了党中央国务院的高度关注。
2003年起,在中国地质调查局的领导下,中国地质科学院岩溶地质研究所组织西南8省(区、市)地调院等单位,联合实施了“西南岩溶地区水文地质环境地质调查”计划项目。至2011年底,完成了80个工作项目,包括1:5万水文地质环境地质调查44项、地下水开发利用与环境治理示范13项、地下水动态监测3项和综合研究20项。面上工作覆盖了西南8省(区、市),1:5万水文地质综合调查选择了77个典型岩溶流域。
通过调查与探测,查明了不同岩溶环境类型区地下水分布结构、水循环机理、水质与污染现状、生态环境状况和开发利用与保护条件;通过监测与试验,掌握了岩溶水系统形成演变规律与动态变化趋势;通过科技攻关,进行水质、水量和开发利用潜力评价,制定了地下水开发利用、水污染防治和生态环境综合整治区划;通过开发与治理示范,建立岩溶水资源有效开发利用与保护优化模式,为面上推广积累了经验。完成1:5万水文地质调查面积20万平方千米,水文地质钻探52000米,综合地球物理探测60000点,岩溶洞穴探测60千米。本项目调查成果为该区抗旱找水提供了很好的技术支撑,快速确定了找水靶区和取水水源,使得勘探成井率达到了90%以上。
该项目主要取得了6方面成果:
第一,掌握了西南岩溶区水资源量及其开发利用潜力,为该区地下水开发利用提供了依据,为地方经济社会发展提供了技术支撑。对西南岩溶地区地下水资源量进行了评价论证,掌握了岩溶地下水可供有效开发利用的潜力。调查区地下水天然资源量为1762.82亿立方米/年,岩溶水允许开采量615.70亿立方米/年,地下水资源潜力为517.38亿立方米/年。区内有2863条地下河,己开发利用的地下河138条,占4.82%,地下河的开发利用潜力很大。
第二,查清了岩溶石漠化的分布状况及其发展趋势,掌握了岩溶石漠化形成的主要机理,为正在开展的石漠化治理提供了依据。西南岩溶地区石漠化面积为11.35万平方千米,占岩溶区面积的22.7%,年平均增长率为1.86%,岩溶石漠化呈不断恶化的趋势。
第三,查清了典型流域岩溶水文地质条件和环境地质问题。选择不同类型岩溶区,以流域为单元,开展了1:5万水文地质和环境地质调查,掌握了岩溶干旱、洪涝、地质灾害状况,制定了流域内岩溶水开发工程方案和地质环境综合整治区划。这一基础性调查成果已被多个部门应用于调查区开发治理工作中。
第四,针对不同类型区开发条件,因地制宜,采取堵洞蓄水、暗河截流、大泉壅水、钻井等多种方式,开展了岩溶地下水开发利用与生态环境综合治理示范,取得了明显的社会效应与经济效益。拦截地下河形成地下调节水库6座,钻探成井200余口,解决了100余万人饮用水、50万余亩耕地的灌溉用水问题。在云南泸西盆地边缘建成了皮家寨岩溶大泉束流调压壅水开发示范工程(图1),允许开采量6万立方米/天。解决了25660人的饮水困难和36000亩耕地的灌溉用水问题。在贵州省实施了巨木地下河岩溶水开发示范工程,利用地下空间在地下河出口处筑坝拦蓄地下水成库(图2和图3),建成了库容239.2万立方米地下水库1座、300立方米的高位蓄水池1座,解决了区内12000余人和14000余头大牲畜的饮水、缓解了8000余亩农田缺水灌溉。水稻平均增收150千克/亩、总增收水稻90.0万千克/年、油菜增产8.82万千克/年,实现经济收入145万元/年。在广西黎塘镇谢村桥美示范区,开发表层岩溶系统地下水(图4),建设以蔬菜为主的高效农业基地,使蔬菜总产值达1300多万元,增收20%~30%,萝卜单产由过去的2000千克提高到现在的3500~5000千克,年产值达235万元,增收125万元,人均增收350元。
图1 云南岩溶大泉壅水示范
图2 贵州拦蓄地下河示范
图3 贵州蓄水构造机井开采示范
图4 广西表层岩溶泉开发示范
第五,初步建立了西南岩溶石山区地下水与环境地质信息系统,实现了地质调查成果的信息化。建立了具有输入、编辑、查询、空间分析、输出等功能的西南岩溶石山区地下水与环境地质信息系统,为岩溶地区水资源开发利用、生态资源和土地资源保护与管理等提供了科学依据。
第六,地调与科研相结合,开展了综合性研究工作,实现了地质调查工作的科技创新。在岩溶水资源形成机理、岩溶水资源定量评价方法、岩溶石漠化形成机理与演变规律、表层岩溶带及其对水资源的调蓄功能、岩溶水自动化监测技术、地下河水变化与土地利用关系、碳酸盐岩岩性地层遥感填图技术和岩溶地下水综合探测技术和示踪技术研究等方面取得了新进展。
本书是作者主持的云南省科研项目：岩溶水有效开发技术方案研究(项目编号：2003PY04)，依托国土资源大调查项目：云南典型地区岩溶地下水调查与地质环境整治示范(项目编号：200310400024)完成的研究成果。完成了典型岩溶流域1：5万水文地质及环境地质测绘1100km2，水文地质及工程地质钻探3791.94m，各类物探4169点，取岩土水样试验分析626件，岩溶水动态监测18个点，岩溶水示踪试验2组等大量的调查和勘探试验工作。这些工作和成果，为本书的研究提供了翔实的资料，使之能够顺利完成，达到了预期的目的，并检验了研究成果的正确性。同时，本书的研究也为岩溶水的勘查和开发示范提供了理论和技术指导，使开发工程的技术方案设计得到了技术创新，工程取得了显著的经济、社会和环境效益，达到了示范目的。
此外，1999～2002年，作者参与主持完成的国土资源大调查项目：西南岩溶石山地区地下水资源勘查与生态环境地质调查，也为进行岩溶水有效开发技术研究提供了水文地质与水资源的系统基础资料。在各个参加工作的省市区的示范工作中，也成功地建成了一批暗河及大泉引、提、堵、蓄、富水块段钻井开采工程。这些调查成果和工程实践，为本书的研究打下了坚实的基础，积累了丰富的经验。
本书的研究目的是通过科学技术研究，在岩溶水资源及地质环境特征研究，以及岩溶水开发技术实验研究的基础上，系统地总结适宜于不同的岩溶水源地类型以及不同需求的岩溶水有效勘查和开发技术方案，为岩溶水的有效开发利用提供理论和技术支持，使岩溶水开发的成功率和效益大幅度提高。
为了达到上述目的，本书从以下三个方面开展研究，所采取的研究思路、内容和方法如下：
第一个方面，以现代岩溶学理论为指导，深入研究国家国土资源大调查西南岩溶地区岩溶水资源调查的最新资料。系统地认识岩溶地质环境及水文地质条件以及岩溶水的赋存及运动特征，准确把握岩溶水富集规律，建立确切的找水标志，提高寻找和圈定岩溶水源地的准确性。根据岩溶含水层的埋藏分布、岩溶水出露状态，以及岩溶含水层的导水和赋水空间形态、结构及水动力特征，划分岩溶水源地类型，分析总结各类岩溶水源地岩溶水的开发技术条件，评价其脆弱性，最终掌握各类岩溶水源地对不同的勘查开发技术的适宜性。
第二个方面，引进目前国内外先进的核磁共振、高密度电法、地质雷达等地球物理探测技术，研究这些技术的特点和适用条件，结合常规电法技术和水文地质调查分析方法，选择典型的岩溶流域，结合国家在云南安排的岩溶水开发示范工程建设，针对不同类型岩溶水源地的勘查技术条件，分别选择不同的方法开展野外技术方法试验研究，并对探测和综合分析解释成果进行钻探检验，验证其可靠程度及准确性，优选出适合不同类型岩溶水源地的有效探测技术方法，集成岩溶水有效探测技术方案。
第三个方面，通过调查省内外岩溶水开发工程，考察发达国家岩溶水开发情况，收集国外相关信息，研究其成功的技术和经验，以及其中失败的原因与缺陷。根据各类岩溶水源地的开发技术条件，引出新的技术方案，并选择典型岩溶水源地进行开发实验，根据实验结果加以改进和完善，得出各类岩溶水源地岩溶水有效开发技术方案。
从岩溶水开发的全过程来分析，成败的最关键环节是找水勘查，只有找准岩溶赋水空间或径流通道，才可能正确有效地实施岩溶水开发工程，这个问题的解决除了提高水文地质研究程度外，关键是要减少物探方法存在的多解性。本书研究了适合不同岩溶水源地的物探方法，通过不同方法探测结果的相互补充、验证，根据经济合理性和探测的有效性比选，选择其中适宜的方法形成综合探测方案，并建立代表不同含水层的地球物理特性、反映各类岩溶赋水空间的解译参数和标准，从而达到提高探测的可靠性和精度的目标。
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由于地质环境条件、地质作用的变化，必然地导致水土资源、生物生长的适宜性、人类的生产生活环境、生态地质环境问题或灾害类型及活动强度的明显改变。相应地在不同类型的岩溶地质环境条件下，岩溶水的资源特征及生态环境功能，岩溶水源地的类型、水文地质特征，开发技术条件与脆弱性，供水需求等都有所差异。因此，岩溶水资源的开发利用，只有与岩溶地质环境条件相适应，做到因地制宜，才能够实现可持续发展。
服务于岩溶水运动和赋存规律、岩溶水开发技术条件研究的需要，也为了在岩溶水的开发与环境效应评价实践中便于识别，本书以岩溶地貌形态组合及特征为主导标志，结合地形地貌、地质、土壤、气候、水资源、植被等地质环境要素与人居分布及人类活动等社会环境的差异，对泸西小江流域进行岩溶地质环境分类研究，为岩溶水的有效开发实验研究提供地质科学依据。
小江流域岩溶地质环境类型复杂多样，从岩溶水的补给区到排泄区，历经岩溶山地、岩溶槽谷、岩溶丘陵、峰丛洼地、岩溶平坝、岩溶河谷等不同类型的岩溶地貌形态组合单元(图3-2)。
图3-2 泸西小江流或水文地质结构概化图
1—松散土覆盖层；2—表层岩溶带；3—岩溶空隙；4—导水溶洞管道；5—岩溶上升和下降泉；6—岩溶水流向；7—落水洞；8—地表河流及水位；9—地表河流及流向；10—高程点
岩溶山地山高坡陡，气候冷凉，基岩裸露，土层浅薄，分布零散，土壤贫瘠，多属宜林区，耕地多为旱地，以旱作农业为主产业，主要种植玉米、荞、土豆等作物。交通不便，村镇规模小，居住分散。地表岩溶洼地、谷地发育，漏斗、落水洞密布，降水漏失严重，是岩溶水的主要补给区，建库条件极差，水资源严重匮乏。地下岩溶发育极不均匀，岩溶饱水带深埋，导储水空间以洞管为主，岩溶水主要为溶洞管道流，沿暗河有许多漏斗、落水洞与其沟通，岩溶水主要通过这些通道获得补给，岩溶水系统储存调节能力弱，水位流量季节变化剧烈。岩溶水很大一部分以大泉、暗河形式在盆谷底边缘排泄，饱水带岩溶水的开发十分困难，形成了地带性的资源性缺水。农村生活用水、抗旱保苗用水都十分紧缺。但岩溶石山区表层泉出露位置较高，水质良好，开发技术难度小，水量基本能满足岩溶山区分散居住的农村生活及抗旱保苗用水。因此，在饱水带深埋的岩溶石山区具有很大的供水意义和开发价值。
岩溶槽谷、岩溶丘陵、峰丛洼地主要分布于盆地外围山区与盆底平坝之间，气候温和，地势起伏较小，植被覆盖率低，洼地、谷地发育，地形破碎，土层较薄，土壤肥力差，水土流失强烈，石漠化严重，灌溉条件较差，以旱地为主，水田次之，主要种植玉米、荞、土豆、水稻，经济作物和林果种植也较普遍。交通方便，人口稠密，村镇密布。地表落水洞、溶井、脚洞、溶沟溶槽发育，水库渗漏强烈，地下岩溶发育不均匀，岩溶饱水带埋藏较深，导储水空间以洞管隙构成网络，岩溶水为溶洞管道流及溶隙扩散流并存，沟谷、洼地内泉点较多，但流量动态变幅较大。此类地区因地表水严重渗漏、岩溶水埋藏分布不均匀、成井率低形成了工程性缺水。导致农村生活用水、发展种养殖业和庭院经济、抗旱保苗、岩溶石山名特优果林规模经营、生态环境建设用水困难。适宜通过开发隐伏的饱水带和表层带富水块段岩溶水，以解决农村生活和生产用水困难。
盆底沉积平坝地势平坦，气候温和，土层深厚，土壤肥沃，土地连片、平整，水资源较丰富，灌溉条件好，交通方便，最为适宜工农业生产与城镇建设。所以，人口稠密，城镇规模大，分布密集，工厂较多，农业生产发达，是传统的农业主产区。由此也造成了地表水和浅层孔隙水的严重污染，大兴堡一带取样化验分析表明亚硝酸盐超标2925倍，氨氮超标3019倍，细菌超标75倍，大肠杆菌超标800倍以上，造成了严重的水质性缺水，导致农村生活用水困难，周边岩溶台地区旱地的干旱缺水也很严重。该区岩溶水主要是来自周围裸露型岩溶山区的侧向径流，其次有少量的大气降水通过松散覆盖层孔隙的垂向渗透补给。在侧向径流中，一部分来自盆地底面以上上层径流带的岩溶水，以盆地底面为排泄基准，沿盆地边缘形成大泉、暗河排泄；盆地底面以下下层径流带的岩溶水，继续向深部呈近水平二维溶隙扩散流向盆地下游径流，通过盆地南部存在的落水洞和岩溶洞管，向小江峡谷区汇集排泄。大兴堡一带是岩溶水由浅变深，由较均匀的水平二维溶隙扩散流向不均匀的三维溶洞管道流过渡的转换地带，岩溶水埋深逐渐增大，径流逐渐集中。该区岩溶水汇集，且覆盖型岩溶含水层组具有很大的储存资源可以发挥调节作用，允许开采量大，岩溶发育较均匀，是一般供水钻井开发的主要分布区，适宜将大泉或暗河与富水块段联合规划开发，有效调节开发利用岩溶水。
南部岩溶河谷纵坡降大，地形切割深，谷坡陡峻，沟谷发育，植被覆盖率较低，土层浅薄，土地零散，以坡地为主，上游多种小麦、玉米，下游种植柑橘、黄竹等，水土流失强烈，石漠化严重。交通极差，人口稀少，村落稀疏。谷坡之上地表径流很快，岩溶水深埋，空间分布极不均匀，以溶洞管道流为主，在谷底集中排泄，水资源短缺。宜以表层泉开发解决农村生活用水困难。由于小江河谷为全流域地表水和地下水的集中排泄带，水能资源富集，而土地及其他自然资源和环境条件差，因此，适宜建设中小型水电站开发水能资源。
小江流域岩溶水是由大气降水入渗而形成，其上层径流以泉、暗河的形式以泸西盆地底面为排泄基准排泄而转化成地表水，最终汇集于盆地南部通过工农隧洞及落水洞排向小江；下层径流则以小江水面为基准而通过深层径流排泄(图3-2)。流域岩溶水的年平均补给量，减去以泸西盆地为基准的上层径流排泄量及小江流域岩溶水开采利用后的损耗量，应等于小江流域岩溶水的下层径流量。
流域岩溶水均衡方程：
QR-Q1-Q2=QD-Q3
式中：QR—小江流域岩溶水天然补给量(104m3/a)，采用渗入法计算，补给面积取全流域裸露型岩溶面积，降水量取泸西县气象站2003年降水量；Q1—以泸西盆地底面为排泄基准的上层径流排泄量(104m3/a)，采用泉流、暗河流量汇总法，即累加2003年野外调查期间泸西岩溶盆地汇水范围内的所有岩溶水天然出露点的排泄量(实测流量)；Q2—小江流域岩溶水开采利用后的损耗量(104m3/a)，为全流域合计开采量减去退水量，计算公式：Q2=QK(1-tS)，式中：QK为2003年小江流域岩溶水的开采量，tS为退水系数，根据区域经验取0.85；QD—小江河谷岩溶水排泄量(104m3/a)，为未知量；Q3—泸西岩溶盆地南端落水洞、排水隧道地表水2003年的泄流量(104m3/a)。
岩溶水均衡方程左边为小江流域岩溶水总的大气降水渗入、灌入天然补给量，减去以泸西盆地底面为排泄基准的上层径流排泄量，以及小江流域岩溶水开采利用后的损耗量，显然剩余的仅有小江排泄带以上继续作深远程径流的下层径流量；右边为排入流域的最终排泄基准小江河谷的岩溶水总排泄量，包含下层径流量和泸西岩溶盆地南端落水洞、排水隧道吸收的地表水泄流量，显然，当其减去后一项之后，剩余的也仅有下层径流量。所以，方程是成立的，能准确完整地反映小江流域的“三水”转换关系。
选择2003年为均衡年，通过计算，小江流域岩溶水 2003年补给量为 14013.12 104m3/a，上层径流量为6917.89 104m3/a，下层径流量为6124.51 104m3/a(表3-1)，下层径流量占年平均补给量的44%。这一研究成果，首次定量说明了岩溶盆地流域岩溶水开发的资源前景及潜力。
表3-1 泸西小江流域岩溶水均衡计算结果表 单位：104m3/a
岩溶水文地质结构与水循环特征
答：岩溶水系统是由碳酸盐岩组成的独特水文地质体系，其特征受岩性、地质构造、岩溶地貌和洞穴等多种因素影响。碳酸盐岩的不同类型和组合，形成了多样的岩溶地貌和含水介质特征。在此，以石灰岩和白云岩为例进行讨论。石灰岩岩溶水系统在我国西南地区广泛分布，其地表结构以峰丛洼地、峰丛谷地等典型热带-亚热带...
岩溶水系统资源环境特征
答：1—峰林、峰丛补给区；2—峰林平原不纯碳酸盐岩区，弱富水带；3—峰林平原纯碳酸盐岩区，强富水带；4—地下水系统排泄带；5—岩溶水系统山前内排带；6—地下水流向；7—红层埋藏岩溶区 区内主要含水层是强烈岩溶化的马平群（C3Mp）和黄龙组（C2h）灰岩，上覆为相对隔水的栖霞组（P1q）灰岩...
岩溶地质环境背景
答：含水层岩性主要为灰色薄层灰岩、泥质条带灰岩夹厚层角砾状、竹叶状灰岩和白云岩,该层岩溶中等发育,主要岩溶形态为溶沟、落水洞、洼地、槽谷及规模较小的洞穴,地下水主要以岩溶泉的形式排泄,据泉水调查资料,其流量较小,一般为0.1～1L/s,主要以裂隙下降泉形式出露,如滴水洞泉、花桥泉和小河寨泉群等,泉水流量不...
岩溶地貌
答：而且整个岩洞管道系统还与周围围岩中的细微溶蚀裂隙和孔隙并存,具有极不均衡发育的现象,是地下岩溶地貌的重要特点。 图5-13 峰丛、峰林和孤峰(广西漓江,据贾疏源) 溶洞地下水属管道水流,与周围岩体内的裂隙水流不同的是其水流较大而集中,流通循环比较迅速,常有较多的侵蚀性CO2不断补充,因此其溶蚀作用和冲刷作用都...
岩溶水文地质结构与水循环特征
答：岩溶水系统的水循环除受最基本的地层岩性特征影响外,还受地质构造、岩溶地貌和洞穴、含水岩组、表层岩溶带、土地类型、植被条件等水分转化界面的控制,以及与岩溶水水循环关系非常密切。岩溶水系统的水循环即从大气降水过程至地下河系统或岩溶泉系统输出的水循环全过程的研究,包括大气降水、地表径流、壤中径流、岩溶表层...
济南泉域岩溶地下水系统特征
答：一、地质环境条件 1.地形地貌 济南市位于山东省中西部,地处鲁中山地的北缘,南依泰山,北临黄河,地形南高北低。南部为绵延起伏的山区,山势陡峻,深沟峡谷,绝对标高500～600m;中部为山前倾斜平原,绝对标高一般25～50m;北部为冲积平原。根据地貌特征,自东南至西北地形由高渐低,地貌成因类型依次为:低山区、残丘丘陵区、...
自然背景及岩溶水文地质条件概述
答：二、区域岩溶水文地质条件 1.资源要素构成 系统内由大气降水、地表水、松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水、碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙水和侵入岩裂隙水多种水资源要素构成。根据地层岩性、地下水赋存条件，地下水类型有：（1）松散岩类孔隙水 分布于枣庄盆地腹部，第四系厚度多小于10m，多数地段无砂层...
岩溶裂隙含水岩组的水文地质特征
答：一、岩溶裂隙发育状况及分布特征 本区出露地层较多，而岩溶裂隙的发育程度直接控制着其富水性的大小。岩溶裂隙的发育程度直接受地层岩性、地质构造、埋藏条件等因素制约。中奥陶统灰岩因其岩层厚度大、碳酸钙含量较高，易形成大的溶洞、溶隙、陷落柱，因此地下水非常丰富；另外在地质构造较复杂的地段如开平...
岩溶及其发育条件
答：如在位于亚热带南部的广西,由于高温多雨、植被覆盖度较大,大大促进溶蚀作用,因而普遍生成以大型的溶蚀洼地、坡立谷、孤峰、峰林和洞穴系统为特点的岩溶地貌类型;在内陆和高山、高纬度地区,由于气候干燥或寒冷,则不利于岩溶发育。 (2)地质构造因素 地质构造对岩溶发育的影响,主要是裂隙发育程度、延伸方向、组合形式,...
岩溶含水层组类型及赋水特征
答：2020-02-01 含水岩组划分及其特征 2020-02-01 岩溶含水层的含水介质特征 2020-01-30 含水层特征 2020-01-29 岩溶水富集的地貌形态组合 2020-01-31 红层地下水及含水层类型 2020-01-29 岩溶水源地分类方案 2020-02-03 含水层及隔水层 2020-01-30 岩溶地质环境及水文地质特征 更多类似问题...
