对中国北方岩溶水研究方向的思考与实践

中国北方碳酸盐岩含水层连续沉积厚度大、分布范围广,蕴藏着丰富的地下水资源,是重要的国家级含水层。北方岩溶水集水资源、旅游资源、生态功能等于一体,在国民经济建设中具有举足轻重的地位,特别在城市供水和能源基地建设中发挥了不可替代的支撑性作用。近50年来,受大规模水资源开发利用和人类其它高强度活动影响,北方岩溶水环境问题凸显并带来了一系列负面效应,严重制约了水资源的可持续利用。在国家大力倡导生态文明建的大背景下,如何协调好北方岩溶区资源开发与环境保护,是水文地质工作行业需要着重思考的问题。本文从国家需求出发,提出北方断流岩溶大泉泉水复流的生态修复、闭坑煤矿酸性“老窑水”对岩溶水的污染防治、深层岩溶水的水和热资源开发利用等应作为未来一段时期北方岩溶水的重点研究方向,同时,对近年来在这几个方面开展的调查研究工作取得的成果了进行简要介绍。      

中国主要岩溶地区地下水系统及其生态水文特性

本文比较中国南、北方岩溶水特性及其水资源。在中国南方主要岩溶地区,已知有3358条岩溶地下河系统,枯季流量有420×108m3/a,目前开发量只有8%～15%。而在中国北方岩溶地区主要形成平均流量在1m3/a～13m3/a、流域面积在几百至4000km2的近百个大的岩溶泉系统,其水资源开采量已达70%～80%。对一些典型中国岩溶生态水文特性,主要由6个方面,包括水环境、生态特性、母岩与土之间的特质、结构、生物-地质作用及孢粉等方面予以探讨。根据主要的生态条件和人工效应,对有关地质环境与石漠化予以评判。中国主要岩溶地区地下水系统及其生态水文特性@卢…     

中国北方气候变化特征及其对岩溶水的影响

在气候变化的大背景下,近数十年来随着北方岩溶区降水量的趋势性下降和气温的不断升高,岩溶水补给资源量大幅度衰减,气候变化成为引发一系列岩溶水文地质环境问题的原因之一。针对这一问题,以岩溶水系统为单元,采用大量气象系列资料研究北方岩溶区降水变化与分布特征,分析了气候变化发展趋势及成因,从区域角度出发,估算了气候变化对岩溶水资源的影响。     

中国北方裂隙岩溶不资源开发和保护中若干问题的研究

我国由于人口多、水资源贫乏,裂隙岩溶水成为北方重要的供水不源。本文从裂隙岩溶水和裂隙岩溶含水层的水力特性出发,研究了裂隙岩溶水井的成井深度,裂隙岩溶水资源的特点,补给量和储存量对水资源开发的影响,裂隙岩溶含水层中污染物的运移特征和治理对策以及城市总体规划或选厂址时如何保护裂隙岩溶水资源等问题。本文以解决实际应用问题为目的,从地下水水力学的角度研究中国北方的裂隙岩溶水的开发和保护。     

中国典型地区岩溶水资源及其生态水文特性

本文比较中国南北方岩溶水特性及其水资源。在中国南方主要岩溶地区,已知有3358条岩溶地下河系统,枯季流量有420×108m3/a,目前开发量只有8%~15%。而在中国北方岩溶地区主要形成平均流量在1~13m3/a、流域面积在几百至4000km2的近百个大的岩溶泉系统,其水资源开采量已达70%~80%。对一些典型中国岩溶生态水文特性,主要由6个方面,包括水环境、生态特性、母岩与土之间的特质、结构、生物—地质作用及孢粉等方面予以探讨。根据主要的生态条件和人工效应,对有关地质环境与石漠化予以评判。     

我国北方岩溶研究的形势和任务

随着国民经济的发展、全球气候变化的加剧,我国北方岩溶还出现了许多重大环境地质问题,不仅受到国家的重视,还引起了国际学术界的关注。国家及各级政府正加大对岩溶研究的投入,北方岩溶研究面临着前所未有的大好形势,同时也肩负重大的责任。本文从社会经济发展和学科建设的需求出发,简要阐述了北方岩溶研究所面临的问题,并提出今后应当加强对北方岩溶水资源的保护工作,重视对岩溶形态等基础理论的研究,特别是对岩溶陷落柱、古岩溶与深部岩溶发育规律的研究,加强对已有成果的总结与交流;在应对全球气候变化和极端气候上,一方面要逐步推进岩溶碳汇调查和岩溶地质储碳实验的开展,另一方面要开展对气候变化,尤其是极端气候与岩溶水及岩溶含水层关系的研究;此外,还应当重视岩溶知识的普及,加强后继人才的培养,特别是对岩溶战略科学家的培养。      

华蓥山中段某岩溶水系统循环演化条件变化分析

针对华蓥山岩溶山区岩溶泉水枯竭,水质污染等问题,为查明其原因并做好防范措施。本文根据已有资料和实际调查研究,对比分析华蓥山中段某岩溶水系统天然条件和人工活动下循环演化条件的变化,主要表现在含水介质特征、岩溶水补给径流排泄特征、水化学特征和水资源量等方面的变化。分析引起岩溶水系统循环条件变化的影响因素并提出合理建议,研究结果对区域岩溶水资源的合理利用和水环境良性循环有较好指导作用。      

北京西山泉域岩溶水系统特征探讨

北京西山地区岩溶地下水主要以相对独立的岩溶地下水系统进行循环,其水文地质条件、系统结构模式及其水资源的重要性等,在北方具有代表性。文章主要以北京西山鱼谷洞泉域岩溶水系统、黑龙关泉域岩溶水系统、玉泉山泉域岩溶水系统为研究对象,从岩溶含水层结构、地下水循环、地质构造等方面,总结出北京西山泉域岩溶水系统特征主要为:双层含水层结构、多个子系统构成且多点排泄、系统内岩溶水转化关系复杂多样、岩溶水富集带及系统边界集中在逆冲断层处。      

鲁中南岩溶水资源综合类型及合理调蓄研究

鲁中南岩溶区是中国北方半干旱温带岩溶区中具有代表性的地区之一。该区岩水资源分布具有明显的不均匀性和大面积分散补给而局部富集等特征。岩溶形态以溶蚀裂隙洞穴为主，地下水类型多为裂隙溶洞型。在对该区岩溶水补给，富集，径流及排泄特征的研究基础上，初步将本区地表水和地下水资源划分为两大类型，即地下岩溶水径带变化带水资源类型和排泄带水资源及地下岩溶水资源类型。对该地区地表水和地下水的合理调蓄问题进行了系统的分析和总结，并提出了相关的对策。     

北方岩溶地区水资源科学调配——以娘子关泉域为例

长期以来,在水资源评价及开发中,将地表水和地下水分割开来、使资源量计算重复,开发相互干扰。我国北方岩溶泉域大多是地表水-岩溶地下水联合系统,各种水资源有其不同的性状,其间又有密切的联系。本文以娘子关泉域为例,将地表水-浅层地下水-深层岩溶水-泉水作为统一的水资源系统,在研究其间转化关系的基础上,建立联合调度及管理模型,根据多种水文年组合,提出了长系列优化调度方案。      

岩溶洞穴交互带概念的提出及其在水资源管理中的意义

岩溶地区以管道流为主的地下水补给、径流与排泄常常引起地下水与地表水间快速且频繁的交互与转化,并因此引发水环境退化问题。文章引用并拓展地表水文学和水文生态学中交互带的概念,提出南方岩溶地区管道流与其他类型水体交互的场所为岩溶洞穴交互带,并依据交互带的水流类型和交互方式,划分为泉口交互带、天窗交互带、落水洞交互带和管道交互带4种类型;且以泉口交互带和天窗交互带为重点,采用水文和水化学在线监测、现场测试、流量测量,结合水化学、浮游生物和微生物等的分析鉴定,剖析了交互带的水文、水化学特征和水生生物群落结构及其与水环境的关系。研究发现:岩溶洞穴交互带的水文功能有弱化趋势;泉口交互带的污染物降解能力明显,水化学功能尚能发挥作用;水生生物功能在退化,主要是由水文功能弱化导致的。水文功能弱化是岩溶洞穴交互带环境功能退化的重要原因。建议在岩溶地区的水文地质和环境地质工作中重视交互带,探索交互带的探测和监测技术,通过有效管理改善交互带的环境功能。      

我国北方岩溶泉域生态修复策略研究

我国北方岩溶分布面积广,岩溶泉水资源丰富,是岩溶区工农业及居民生活的优质供水水源。但在全球气候变化和采煤等强烈人类活动的叠加作用下,我国北方岩溶泉水流量衰减,水质恶化,岩溶泉域生态环境功能下降。通过合理、适度的人工干预,强化岩溶大泉的自然恢复机能,并最终实现泉域生态环境修复,是当前我国生态文明建设的先行区和重点领域。论文在分析研究晋祠泉断流原因的基础上,针对性地提出并科学地评估了汾河二库强化渗漏补给、泉域岩溶水关井压采、煤矿区保水限采、近源生态补水和远源河道渗漏补给等一系列措施及预期效果,以期推进晋祠泉域岩溶地下水生态环境得到根本性改善。该研究工作有望对我国北方岩溶大泉的生态修复形成示范效应,为遏制我国岩溶区生态恶化现象提供科学依据。      

川东槽谷区岩溶泉水物理化学动态特征及其环境效应研究——以重庆青木关岩溶槽谷姜家泉为例

以重庆青木关岩溶槽谷姜家泉野外观测试验基地为例,利用CTDP300多参数水质自动记录仪、NITRATAX plussc在线硝氮分析仪及HOBO小型气象站,分别对岩溶泉在不同降雨条件下水化学的动态变化特征进行了监测研究。结果表明:岩溶泉水pH值受偏酸性雨水的影响而降低;水温变化取决于降雨量、持续时间及气温等因素影响。分析认为,电导率的变化随环境的不同而不同,一般降雨环境下雨水的稀释作用仅表现在降雨的开始阶段,之后裂隙含水介质起主要作用;暴雨环境下雨水的稀释作用贯穿整个降雨过程,地下河水质主要受岩溶管道裂隙控制,水动力作用占主要地位。NO3-含量与电导率变化呈正相关,都与降雨量密切相关,从而说明降雨是导致岩溶区土壤元素流失的主要原因,也是造成岩溶山区地下水污染的重要原因。岩溶泉水化学动态变化的监测研究对于解决岩溶石山区居民的饮水、水土保持及石漠化治理具有重要意义。     

优化技术在娘子关泉域岩溶地下水开采资源量评价与管理中的应用

我国北方岩溶地下水，多数是以泉域水资源系统为单元进行循环的，各岩溶地下水系统以规模大、系统结构复杂为典型特征。在岩溶地下水开发利用过程中，如何兼顾各开采水源地的开采量、井采与泉水流量问等关系，以避免出现水文地质环境问题，是多年来水文地质界一直关注的问题。本文将水资源系统与供水系统相结合，采用优化技术建立了娘子关泉域岩溶地下水评价管理模型，以此为基础提出了多种开发方案，为类似地区的地下水评价与开发管理提供范例。     

基于数值模拟的汾河二库对晋祠泉岩溶水系统渗漏补给作用研究

汾河二库的下闸蓄水，改变了晋祠泉域汾河地表水对岩溶水的渗漏补给条件，对区域岩溶水流场变化有着长远的影响。本研究通过系统梳理库区水文地质条件，勾画地表水渗漏补给岩溶水范围，考虑地层岩性、蓄水高度等因素，确定二库不同蓄水水位下晋祠泉域获渗漏量占比；构建晋祠泉三维岩溶地下水流模型，研究二库渗漏对泉域岩溶地下水补给作用，并预测不同蓄水情景下晋祠泉口水位变化趋势。结果表明:晋祠泉域获渗漏量占比随二库蓄水位非线性变化，最低为92.8%，在二库蓄水位达902 m后稳定在93.7%，而渗漏量与二库蓄水高度呈正相关；泉域岩溶水径流区受渗漏补给作用最显著，其次为排泄区、北部补给区；渗漏补给作用下，地下水位回升值受二库水位和补水距离影响；维持设计水位（905.7 m）和2017年水位（895.9~902.4 m）时，预计晋祠泉口水位分别在2021年7月和2023年1月达到泉口高程。      

娘子关泉域岩溶地下水位变化特征及成因

利用多年观测资料,结合地下水补、径、排条件,分析娘子关岩溶地下水动态变化特征及成因。结果表明:（1）娘子关泉群流量在1980-2004年前总体表现为下降状态,2004年之后趋于稳定并略有回升;（2）岩溶地下水位动态空间上表现为地下水补给区比径流区变化大,时间上则分为两个不同时间段:1980-2004年表现为持续下降状态,2005-2014年表现为波动缓慢下降,部分地区水位小幅回升;龙庄岩溶地下水1998年1月到2004年1月水位下降22.9 m,平均年变幅3.82 m,2005年5月到2014年5月水位升高1.5 m,年均变化-0.17 m。      

北方断流岩溶大泉复流的生态修复模式与复流措施效果的定量评价——以山西太原晋祠泉为例

岩溶大泉是中国北方岩溶地下水的主要天然排泄形式,它们集供水、旅游、生态等功能于一体,是重要的自然资源。自20世纪后期,受自然、特别是人类大规模开发、采煤等活动的影响,有近30%的岩溶大泉断流,其中不乏中外闻名的大泉。十七大以来,各地政府积极响应党中央国务院加强生态文明建设的号召,启动了一些重要断流岩溶大泉复流的生态修复工程。本文根据北方断流岩溶大泉的结构模式与成因,提出了包括利用上游水库蓄水、调节渗漏段河水流量、在河流渗漏段实施人工增补工程、在岩溶地下水强径流带和排泄区采取关井压采、封堵泉口下游自流井、对煤矿带压区进行监控、补给区分区植树造林措施的复流模式;以山西太原晋祠泉为实例,在对各项复流措施效果进行定量优化评价的基础上,得出抬高汾河二库水位至设计标高、关闭岩溶地下水强径流带内白家庄煤矿降压排水井、封堵处置泉口下游自流井是近期经济可行的有效措施的结论;最后利用建立的泉域地下水渗流数值模型,预测实施三项近期措施后,晋祠泉水可望在2年左右的时间实现复流,该结论以期为晋祠泉及北方岩溶区其他同类型岩溶泉水生态复流工作提供示范与参考。     

Review: Characterization,evolution, and environmental issues of karst water systems in Northern China

In Northern China, karst systems in widely distributed carbonate rocks are one of the most important water supplies for local inhabitants. Constrained by the specific geological and geomorphological conditions, most karst water in this region is discharged as individual or groups of springs. This paper summarizes the characteristics, chemistry, and environmental quality of these karst systems in Northern China. Five structural models of karst water systems were identified based on the relationships between the karst geological strata and karst groundwater flow fields. These specific structural models may closely relate to the attendant environmental geological issues and consistent risks from pollution. Over the past 40 years, the karst water systems in Northern China have suffered from various environmental problems, including deteriorating water quality, the drying up of springs, a continuous decline in the level of karst water, and so on. Based on the field investigation and previous data, a preliminary summary is provided of the environmental problems related to the development and evolutionary trends of karst water in this region. The results highlight the significant challenges associated with karst water, and it is essential that all segments of society be made aware of the situation in order to demand change. In addition, the study provides a scientific basis for the management, protection, and sustainable utilization of karst water resources.     

基于文献计量学分析岩溶水文地质学研究热点

利用文献计量学方法分析2011-2018年国内外岩溶水文地质学领域研究的动态特征。通过Web of Science（WoS）核心合集数据库,以“Karst hydrogeology”、“Karst groundwater”、“Karst aquifer”、“Karst underground river”、“Karst subterranean stream”、“Karst underground stream”、“Karst spring”“Karst geothermal water”、“Karst thermal groundwater”或“Karst water landscape”为主题词,检索得到1 460篇论文,通过中国知网（CNKI）收录的EI、核心期刊和CSSCI数据库,以“岩溶水文地质”、“岩溶地下水”、“岩溶含水层”、“喀斯特水文地质”、“喀斯特地下水”、“喀斯特含水层”、“地下河”、“岩溶泉水”、“岩溶地热水”、“喀斯特泉水”、“喀斯特地热水”、“岩溶水景观”或“喀斯特水景观”为主题词,检索得到918篇论文。基于WoS和CNKI自带功能及CiteSpace软件分析国家、机构、发文量及期刊等情况,结果表明:中国地质科学院岩溶地质研究所充分发挥了其在国内的机构职能和专业优势,中国有待进一步加强其在国际上的地域优势及其活跃度;由基于CiteSpace平台的关键词共现图谱发现国际岩溶水文地质学领域研究的热点问题包括“岩溶水动力学”、“岩溶地下水数值模拟”、“岩溶水文地球化学”和“岩溶水污染”,而国内岩溶水文地质学领域研究的热点问题范围更广,包括“岩溶含水系统”、“岩溶水资源”、“岩溶水环境”和“岩溶水文工程”。