中国北方岩溶水系统划分与系统特征

中国北方岩溶水以相对独立单元进行循环, 构成一系列规模不等的岩溶水系统。本文重点阐述两方面的内容: 第一从基本概念出发, 划分出119个岩溶水系统, 这些系统以高度开放, 环境质量脆弱, 发育规模大, 资源要素构成多、各要素间转化关系复杂, “水煤共存”为特点; 第二从岩溶水系统地质结构与岩溶水流场的叠置关系出发, 将119个系统归结为5种系统模式, 各种模式在分布与发育规模, 岩溶地下水循环、富集, 岩溶地下水流场形态和主要岩溶水文地质环境问题等方面具有鲜明的特征。     

中国北方岩溶水变化特征及其环境问题

随着自然条件改变和人类活动强度的加大,我国北方岩溶水系统从输入、输出到结构、水资源要素转换关系均发生了巨大变化,在短短几十年内有近30%岩溶大泉断流,80%泉水流量大幅度衰减,区域岩溶地下水位每年以1~2m速度持续下降,同时,有20%以上的岩溶水系统主排泄带的水质在Ⅲ类以下且总体趋向恶化,此外,还存在着矿坑突水,岩溶塌陷、地裂,海水入侵,旅游功能降低,生态功能丧失等诸多的岩溶水环境问题,极大地加剧了水资源的紧张状况。本文根据前人成果和实地调查资料并采用一些典型事例归纳总结了岩溶水环境问题及其发展演化趋势,展示北方岩溶水面临的严峻形势,以引起社会各界对此问题的关注,加大岩溶水资源调查研究与保护力度,同时,也为广大学者开展相关立项与研究提供参考。      

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。     

中国北方岩溶含水介质研究

岩溶含水介质是决定岩溶水文地质系统功能的最基本要素,是水文地质工作者长期关注的问题之一。本文把碳酸盐岩岩石学的现代理论同岩溶学、洞穴学、构造地质学与水文地质学密切结合起来,对碳酸盐岩骨架、岩溶含水空间的微观和宏观介质特征进行了深入的研究,把中国北方岩溶含水介质概化为五种类型。     

中国北方岩溶地下水污染分析

近年来,受气候变化和强烈人类活动的影响,环境物质及能量多频次、大范围的输入,极大程度上改变着岩溶水系统的水环境质量,岩溶水生态环境遭受不同程度的威胁和破坏,岩溶水水质日趋恶化。本文归纳分析了我国北方岩溶水系统水质特征、污染现状、污染来源及污染途径。我国北方岩溶水水质类型中硫酸盐型水和氯化物型水的分布逐渐增加,主要污染组分为总硬度、SO42-、F-、NO3-和TDS等。其中硫酸盐和硝酸盐污染强度和范围最大,呈现出显著的人类活动影响特征。依据我国北方岩溶系统结构及水力学特征,将岩溶水污染途径概括为：①连续入渗型——主要包括岩溶区地表水（河流、水库等）渗漏污染,城镇污水渠或排污管道破损引起的污水渗漏污染;②越流型污染——污染孔/裂隙水（含矿坑水/老窑积水等）越流污染岩溶水;③间歇入渗型——固废淋溶入渗和污水灌溉渗漏污染等。据此提出了推进岩溶水水资源保护和污染防治的合理化建议。     

重庆岩溶区气候变化对水文水资源的影响

本文以重庆岩溶区为研究对象,从水文水资源方面分析了气候变化对岩溶生态系统的影响。结合水文数据与气象数据,运用数学分析的方法主要研究了气温和降水对水文水资源要素的影响。从研究中可知道,岩溶区降水变化对径流量影响显著,呈显著正相关,并且年均降水量与年均径流量存在指数增长关系。同时由于降水的变化,导致重庆岩溶区干旱、洪涝和正常年交替出现,且旱涝持续时间长。气温是影响蒸发的重要因子,可能蒸散量随着气温的变化呈现出明显的季节变化和年际变化,气温升高,则蒸发量增加,反之则减少。从空间上,可能蒸散量大体上西部大于东部,北部大于南部。     

贵州省岩溶区管道流及其水动力特征

管道流是岩溶地区特有的地貌水文现象,它是岩溶双重含水介质和二元结构典型表现,具有相当的特殊性和复杂性。本文从岩溶地貌和管道流的补给特征入手,阐述管道流的水动力特征,认为管道流水文特性是受管道结构、补给方式和路径所控制的。文中着重介绍利用流域上游地下水库进行水脉冲试验分析地下河系结构、管道分水比例以及水动力参数的方法和分析结论,这对深入研究岩溶管道流具一定的理论意义和实用价值。      

中国北方岩溶区地下岩溶水库-地表水库联合调蓄

从中国北方岩溶水资源环境动力系统特征出发 ,论证北方岩溶区地下岩溶水库地表水库联合调蓄的意义。以济南泉域为例 ,探讨了封闭千佛山断裂 ,开发西郊地下岩溶水库和地表水库联合调蓄 ,以达到保泉供水目的的可行性。结果表明 ,在中国北方岩溶区进行地下岩溶水库地表水库联合调蓄 ,将可有效地截取地表洪水 ,增加地下水开采量 ,调节地下水与地表水资源环境。从而为解决我国北方岩溶水资源紧缺问题提供一条有效途径。     

全新世气候变化与中国北方沙漠化

气候变化是中国北方地区荒漠化形成发展的主要控制因素.新生代以来伴随着青藏高原的隆升和内陆盆地的下降逐渐形成的气候格局造就了北方地区荒漠化土地的分布.北方西部内陆盆地以干旱气候为主要特征,中部高原是受季风系统中夏季风和冬季风的消长变化影响最为显著的地区,东部地区则以暖湿气候为主,受夏季风控制.第四系以来气候的波动则控制着沙漠化的发展或逆转.末次间冰期以来一直持续的大约以1500a为周期的气候振荡对中国北方地区的沙漠化有重要的影响或控制作用.全新世以来,北方地区约在10000aBP、8000aBP、5500aBP、4000aBP、3000aBP、1500aBP的沙漠化过程分别与北大西洋第7、5、4、3、2和1次的浮冰事件相应,沙漠化扩大过程与全球气候变化的主要事件相一致.十年尺度上气候变化的周期性振荡对沙漠化有一定的影响,至少在生态环境脆弱的敏感地带对沙漠化可以起到控制作用.年际尺度上,6.7a和3.38a气候变化周期控制着我国北方地区沙尘暴的发生.此外,北方不同地区近150a以来的人类活动对沙漠化的扩大起到了重要作用.     

南方岩溶区地下水资源特征与水资源保障对策

【研究目的】中国南方岩溶地区干旱缺水等问题异常突出,岩溶地下水赋存和分布的复杂,开发利用率低,基于多年调查研究工作为基础,系统总结南方岩溶区地下水资源特征,研讨水资源保障对策。【研究方法】基于南方岩溶区地下水资源特点、地下水系统类型、地下水系统空间结构的叠置性和时空分布不均性分析,提出南方岩溶区水资源保障对策。【研究结果】南方岩溶区可从以下三方面充分发挥地下水资源安全保障作用,一是掌握地下水赋存分布规律,发挥分散供水和应急供水作用;二是加强调蓄工程建设,解决水资源时空分布不均问题;三是建立与生态重建和经济发展相结合的地下水资源可持续利用模式。【结论】南方岩溶区地下水赋存条件复杂,具有表层带岩溶水系统、岩溶地下河与管道流系统、岩溶大泉系统以及分散排泄地下水系统多种类型,规模大小不一,开发利用形式多样;在垂向上具有叠置性,水空分布严重不均;开发利用潜力较大。在地球科学系统论的指导下,查明岩溶水资源赋存分布规律,科学评价地下水资源量,因地制宜制定水资源开发利用和保护方案,为脱贫攻坚、生态文明建设和乡村振兴提供技术支撑。创新点：以系统水文地质环境地质综合调查和地下水开发利用示范工作为基础,系统总结南方岩溶区地下水资源特点;针对岩溶区水资源安全保障问题,分析其主要原因,提出了水资源保障对策。     

Characteristics of karst groundwater system in the northern basin of Laiyuan Spring area

Guided by the theory of groundwater system, based on the groundwater level data from the northern basin of Laiyuan Spring area, the authors took into account factors such as the lithology, geological structure and topography to study the relationship between groundwater recharge, runoff and drainage in this area. It was concluded that the infiltration of atmospheric precipitation is the main source of groundwater supply in this area; the upper layer of the Spring area is distributed with the Cambrian-Lower Ordovician karst water, and the lower layer is filled with the Jixian system karst water. The upper layer of karst water supplies to the lower layer of karst water or the pore water in loose strata through the fault while the lower layer of karst water runs to the three strong runoff belts from the east and west sides of the watershed, southwards into the basin, partially replenishing the pore water in loose strata, or forming fault Springs (e.g. Nanguan Spring, Beihai Spring) when dolomite movement encounters faults. Replenished by atmospheric precipitation and the upper and lower layers of karst waters, the pore water in loose strata joins the groundwater in the southern basin and then flows eastwards, in the end it flows out of the system in Shangfanpu. Through the analyses of groundwater level data and hydrogeological drilling data, based on groundwater D and 18O isotope test results, the karst groundwater circulation system in the northern basin of Laiyuan Spring area is further verified, which provides hydrogeological basis for water resources development and utilization as well as protection in this area.     

岩溶区地下水数值模拟研究进展

岩溶含水介质的不均一性导致岩溶地下水流动、溶质运移和热量迁移的数学模拟研究成为地下水模拟的难点。本文综述了岩溶区地下水流模拟的几种方法,重点阐述了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法的定义、发展过程和适用范围,并回顾了这几种方法的研究成果。从等效多孔介质法到三重介质法,模拟精度不断提高,适用范围也逐渐由大区域实际问题向小区域理论研究过渡。介绍了溶质运移模拟和热迁移模拟的研究方法及实例。溶质运移模拟以对流弥散方程为基础,其中尺度效应是溶质运移模拟的重点研究问题;热量迁移模拟应考虑地下热水密度变化对地下热水运动的影响。溶质运移模拟和热量迁移模拟往往是将迁移模型和已经调试成功的地下水流动模型相耦合,从而达到模拟溶质及热量迁移的目的。由于溶质运移和热量迁移的复杂性,现阶段水流模型多数处于等效多孔介质模型阶段。综合理论及实际应用,指出精确刻画裂隙及管道和注重基础数学算法是岩溶水数值模拟进步的关键。      

岩溶地下水富集的地貌组合形态

岩溶地貌组合形态是地质背景条件、地壳隆升、断裂和褶皱等构造运动及溶蚀、侵蚀作用等内外动力地质作用的综合表象。特定的岩溶地貌组合形态,能够反映地下岩溶发育的过程和特征,表现地下水的运动及赋存状态,因而可作为寻找和圈定地下水富集区段的标志。文章通过总结区域水文地质调查实践的成果及经验,列出了8种能够有效反映地下水富集区段的岩溶地貌组合形态,分别是:岩溶山间平坝区、谷地及洼地古地表干流遗迹线、沟口洼地孤峰下、溶蚀沟谷交汇处、岩溶陡崖下、岩溶谷中湾对湾段、缓坡及浅洼地边缘、垄岗台地丘陵区。并逐一描述各个地貌形态特征,通过典型实例剖析,分析了它们的赋水机制。实践证明这些地貌组合形态可作为寻找地下水富集区段的标志。      

Mid-Holocene climate change and its effect on prehistoric cultural evolution in eastern Qinghai Province,China

We studied the mid-Holocene climate change in eastern Qinghai Province, China and its impact on the evolution of Majiayao (3980–2050 BC) and Qijia (2183–1635 BC) cultures, near the important Neolithic site of Changning. The investigation focused on analyses of grain size, magnetic susceptibility, ratios of elemental contents, and pollen assemblage from a loess–paleosol sequence. The results indicate that the climate was wet during 5830–4900 cal yr BP, which promoted the development of early-mid Majiayao culture in eastern Qinghai Province. However, 4900–4700 cal yr BP were drought years in the region, responsible for the decline and eastward movement of prehistoric culture during the period of transition from early-mid to late Majiayao culture. The climate turned wet again during 4700–3940 cal yr BP, which accelerated the spread of Qijia culture to the middle reaches of the Huangshui River, including the Changning site.     

贵州岩溶地区生态足迹的动态变化研究

为了定量地把握贵州岩溶地区人类社会经济活动对自然环境的动态影响,文章采用 生态足迹模型定量研究方法,利用1978-2008年的历史数据,分析了贵州岩溶地区生态足迹的动态变化与结构状况。结果显示：在研究时段,贵州省岩溶地区的人均生态足迹呈递增趋势;从1997年起,人均生态足迹超过了全国;多年平均生态消耗主要集中在化石燃料用地生态足迹、耕地生态足迹和草地类生态足迹;1978-2008年,贵州省岩溶地区万元GDP生态足迹逐年下降,但一直高于全国的值,并且多年平均值是全国的2.3倍。并在此基础上,提出了6条相关的调控对策：提高利用现有资源的效率,并建立完善的管理体系;积极采用先进技术,提高自然系统的生产率;加大岩溶地区的治理和生态恢复,保护农业生态系统;控制人口数量,提高人口质量;开发水能等能源,发展低碳经济,节约能源消费,调整能源结构;积极加大与外区域联系和合作,促进贸易发展。     

鬃岭高位滑坡带地下水补径排特征及致灾作用研究

本文以贵州省纳雍县鬃岭崩塌滑坡带两个滑坡区为例,通过水文地质调查、水动力场分析、水化学和流量动态对比分析,得出结论（1）天然条件下,崩塌滑坡带存在3个相对独立的地下水系统,采煤活动改变了局部地下水径流排泄方向,使上部基岩裂隙水、中部岩溶水补给到下部基岩裂隙水中,最后从坑道或泉排泄出地表。（2）流量动态和钙离子含量变化表明,雨季中部岩溶水灌入式补给到了采空区坑道中,同时也表明老鬃岭镇滑坡区山体浅部垂直裂缝发育,左家寨滑坡区山体浅部至深部垂直裂缝均有发育。（3）鬃岭崩塌滑坡体内部地下水以非饱和水下渗运动为主,不存在饱和地下水流场,故而不存在水动力驱动滑坡影响作用。（4）在鬃岭崩塌滑坡孕灾或灾害触发过程中,地下水对垂直裂缝、滑动结构面的发展和岩体破坏、失稳主要起到加速和促进作用。本文对岩溶石山地区类似滑坡机理研究有一定意义。     

Using environmental isotopes to evaluate the renewable capacity of a typical karst groundwater system in northern China

The karst groundwater in northern China is an important source of water supply. Its capacity for self-renewal is a key factor affecting its sustainable use. The Pingyi–Feixian karst aquifer in central and southern Shandong Province is a typical karst water source, contributing 54% to the total groundwater taken from the region. In this study, 25 groups of water samples were collected from the Pingyi–Feixian karst aquifer in November 2013. The compositions of isotopes of tritium (³H), carbon-13 (¹³C), and carbon-14 (¹⁴C) were measured. As indicated by the tritium values between 7.1 and 12.2 TU, the Pingyi–Feixian karst groundwater is primarily originated from both historical atmospheric precipitation and modern precipitation. The ¹⁴C ages corrected by δ¹³C were between 146 and 5403 years. Specifically, the shallow groundwater is younger than deep groundwater. Groundwater age tends to increase along the flow path. The ages of the groundwater in recharge area were between 146 and 1348 years, while the ages of deep groundwater in flowing area were generally between 2000 and 4000 years. The ages of the groundwater in discharge area with little anthropic exploitation were larger than 4500 years, whereas these with large amounts of exploitation were less than 1500 years. The shallower the groundwater, the stronger its capacity for renewal. The renewable capacity of karst groundwater in discharge area was significantly affected by anthropic exploitation. The karst groundwater in the areas with less exploitation showed the weakest capacity, whereas that in the area with intensive exploitation was much older and had a stronger renewable capacity.