北方岩溶区降水入渗补给系数及补给机制:以羊庄岩溶水系统为例

为建立北方岩溶区水文地质参数系列,提高岩溶地下水可采资源计算精度,笔者团队于20世纪80年代开始,在山东羊庄封闭式泉排型岩溶水系统开展了岩溶水均衡试验研究,积累了40余年的监测试验数据。根据长期野外水均衡要素观测资料,推导出裸露型、半覆盖型和覆盖型岩溶区降水入渗补给系数计算公式,建立了岩溶区降水入渗补给系数α与降水量P和地下水位埋深D的相关方程,以及可调控的最大降水入渗补给系数系列,揭示了降水入渗补给过程与α变化机制。结果表明:α随水位埋深D的改变而改变,每个降水量P段分别对应一个最大降水入渗补给系数α_(max)和最大降水入渗补给量即补给极限G_(max),相应的水位埋深便是最佳水位埋深D_(critical)。D>D_(critical)时,包气带截留量随着水位埋深的增大而增大,α<α_(max);D<D_(critical)时,地表径流量随着地下水位埋深的减小而增大,α<α_(max)。不同的降水量段对应不同的D_(critical),降水量增大时,对应的α_(max)及D_(critical)也增大。在任意水位埋深时,G_(max)为蓄满产流临界降水量与包气带最大截流量之差。本研究解决了岩溶区降水入渗补给的关键科学问题,即揭示降水入渗补给机制、建立降水入渗补给系数与降水量和水位埋深的定量关系,提升了我国北方岩溶水资源基础性研究水平。

不同地质背景下北方岩溶作用强度研究

岩溶作用过程可形成碳汇是不争的事实,为进一步探索不同地质背景对岩溶作用的影响机制,选取典型北方岩溶泉域-济南趵突泉泉域补给区为研究区,采用标准溶蚀试片法进行野外现场试验。结果表明,下伏岩性为花岗岩、碳酸盐岩、黄土、页岩的各试点平均溶蚀速率分别为:3.49、0.26、0.11、0.09 mg·cm^(-2)·a^(-1);碳酸盐岩、黄土、页岩分布区溶蚀速率大气>地表>壤中,且壤中部分呈随深度增加而降低的趋势,而在花岗岩分布区则呈完全相反。分析发现,土壤水与溶蚀速率相关性远高于CO_(2),是北方岩溶区岩溶作用进行的限制因子。本研究结果有助于认识半湿润气候条件下岩溶碳汇机制,为北方其他岩溶区乃至整个同类型岩溶区相关研究的开展积累了经验。

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。

我国南北方岩溶差异

本文在论述岩溶发育因素的基础上,详细比较了我国南北方岩溶区埋藏类型、岩溶发育形态、含水介质、含水系统、水文地质结构、补径排和水化学特征的差异。

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、SO4^2-、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。

北方岩溶区地表水库—地下岩溶水库联合决策模型研究

建立了我国北方岩治区地表水库—地下岩溶水库联合决策模型。给出了一个实例，并采用有限单元法进行模拟、预报，对各种不同的建库方案进行了优选。结果表明，在我国北方岩治区，进行地表水库—地下岩溶水库联合决策，将可有效地截取地表洪水，增加地下水开采量，调节地表水与地下水资源，从而为解决我国北方岩治区水资源紧缺问题提供了一条有效途径。

中国北方岩溶地下水的研究进展

中国北方中上元古界和下古生界碳酸盐岩含水层连续沉积厚度大、分布面积广,其中储存着丰富的岩溶地下水资源,在国民经济建设中发挥着举足轻重的作用,是国家战略性水资源。结合对北方岩溶水的调查研究经历,就岩溶水系统及水文地质条件、环境问题发展演化趋势与成因、岩溶水开发利用与保护、生态修复以及调查研究的技术方法等方面的进展与不足,做初步的总结,致以中国地质大学建校70周年、《地质科技通报》创刊40周年的贺礼,并为广大北方岩溶水水文地质同行提供参考。

我国北方岩溶研究的形势和任务

随着国民经济的发展、全球气候变化的加速,我国北方岩溶区出现了许多重大的环境地质问题,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。

北方岩溶区水文地质环境地质调查进展——以北京西山岩溶区为例

该文是在地质调查项目"北方岩溶水文地质环境地质调查示范"成果基础上归纳编写的。工作区选择北京西山玉泉山泉域、黑龙关泉域和鱼谷洞泉域。调查中采用了地面调查、遥感解译、地球物理勘探、水文地质钻探、示踪试验、水均衡站观测、水化学以及δD、δ^(18)O、C、δ^(34)S、Sr同位素方法手段,获取了大量第一手资料,通过对包括前人资料的综合研究,取得以下主要进展:1查明了该区岩溶水文地质条件和环境问题,将工作区划分为2个含水岩组、3个岩溶水系统和5个子系统;2通过对黑龙关泉域均衡观测,获得了寒武—奥陶系和蓟县系碳酸盐岩裸露区降水入渗系数,并采用最新资料评价了天然资源量和可开采资源量;3针对突出的岩溶水环境问题(含潜在问题),从政策、技术和工程3方面提出了岩溶水保护和环境问题治理的建议。

我国北方岩溶泉域生态修复策略研究——以晋祠泉为例

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。

北方岩溶区景观变化—以济南为例

我国快速的经济发展带来了城市化的发展,尤其是在我国的岩溶山区。济南位于我国北部岩溶山区并且以断裂岩溶泉水而出名,其土地利用的空间形态已经被快速的城市化极大的改变了,并且城市的山体也面临变化。本文以济南岩溶山区为研究区域,利用RS和GIS技术,对济南岩溶山地土地利用变化状况进行了较深入的分析研究。济南岩溶山地土地利用类型分为6类,即:耕地,林地,草地,水域,城乡工矿居民用地和未利用地。研究结果表明,近20年来,济南岩溶山地土地利用景观格局发生了明显的变化,济南快速的城市化过程明显地改变了岩溶山地的空间格局。城市化始终对城市区域内的山地有着不利的影响。随着城市化的快速发展,济南岩溶山区诸如山体破坏、水土流失、土壤侵蚀、植被退化等环境问题,显得日益突出;这些环境问题将导致济南岩溶区发生滑坡、泥石流和山体崩塌等自然危害的潜在风险。

中国北方岩溶地下水补给研究进展

地下水补给研究是进行地下水资源评价、制定水资源可持续利用方案、开展水资源管理的基础,也是建立地下水模型、进行环评的关键。从地下水补给量的评价方法、地下水补给的时空分布规律以及地下水补给的过程和机理等方面入手,综述了国内外有关地下水补给研究方面进展及发展趋势。同时,针对中国北方岩溶地区的岩溶发育特征和岩溶地下水赋存规律,对岩溶地下水的补给研究现状及存在的问题进行了阐述,分析了当前研究不足,并提出了如下建议:开展北方典型岩溶区入渗补给过程和机理研究,揭示不同地质条件和气候条件下的入渗补给机制;研究降水入渗补给系数的时空变化规律,探讨降水入渗补给系数的变值问题;开展碳酸盐岩裸露区巨厚层包气带的水文功能研究,加强入渗补给滞后性和有效入渗补给量确定方面的研究;探讨岩溶地区植树造林的水文效应。为中国北方岩溶区地下水补给定量化研究提供新的思路,为揭示岩溶区地下水补给机制和岩溶地下水可持续利用提供科学依据。

北方岩溶山区地下水富集特点及开发对策——以枣庄市山亭区为例

北方岩溶山区地下水具有不同于南方岩溶的一般特点,枣庄市山亭区既具有北方岩溶的共性,同时又具有独特的地下水富集规律.重点分析了山亭区地下水富集的一般规律及其动态特征,并提出了持续开发利用地下水资源的对策.

我国北方型裂隙岩溶水流及污染物运移数值模拟研究进展

简要回顾了近几十年来我国北方型裂隙岩溶水流及污染物运移数值模拟方面的研究成果,评述了裂隙岩溶水资源评价和污染物运移模拟的计算方法和模拟技术,其中对一些与数值模拟相关的重要问题、近年来研究的热点问题,如模型参数识别及其尺度效应问题、数值弥散和数值振荡问题、Non Darcy流和Non Fickian运移问题以及随机方法研究等进行了重点评述,对已有的解决办法进行了比较和对照,并探讨了今后的研究趋势。

北京西山岩溶洞系的形成及其与新构造运动的关系

形成中国北方岩溶的地层主要为奥陶系马家沟组石灰岩和中元古界蓟县系雾迷山组硅质条带白云岩。上新世石林与第四纪岩溶陡壁组合成的房山地貌主要形成于雾迷山组中,岩溶洞穴发育在马家沟组和雾迷山组中。大石河南岸从上游至下游依次分布鸡毛洞、银狐洞、石花洞、清风洞和孔水洞,由一条地下暗河连为一体,称为石花洞系。石花洞系发育在北岭向斜东北扬起端的马家沟组顶部,与南面的周口店猿人洞系隔着房山闪长岩体。石花洞系中8层不同海拔高度的溶洞可以和永定河的8级阶地进行对比,也可以和8个华北地文期对比,代表了与之相互对应的北京西山新构造隆升的期次。

不同前处理方法对北方红色风化壳粒度测试影响的初步探讨

选取中国北方岩溶区红色风化壳为研究对象,首先用浓度为30%的H_2O_2去除样品中的有机质,然后用4种不同的前处理方法分别进行处理,其中方法 A未用盐酸溶液处理,方法 B、C、D均用盐酸溶液分解可能存在的残余碳酸盐和次生游离氧化物,以消除其对机械颗粒可能存在的胶结作用,此外方法 C的HCl在煮沸的条件下反应,方法 B的HCl在常温条件下进行,方法D则更改了超声波振荡的时间。本文样品采用Beckman公司生产的LS13320型激光衍射粒度测试仪进行测量。结果表明,样品前处理方法对中国北方红色风化壳粒度分析结果有影响,不同的前处理方法使样品的粒度值最大产生5%左右的变化;从实验的稳定性上考虑,4种方法的平行试验标准偏差最大达到6.78%。在现有的认识条件下,粒度测量结果的可重复性是最基本的要求。本文认为方法 C的测量效果要好于其他方法。

皖北宿州地区岩溶地貌分类及其发育规律

宿州地区在地貌上为淮北平原的低山丘陵区,碳酸盐岩分布广泛,岩溶作用普遍发育,岩溶地貌景观构成了基岩出露区的主要地貌形态。通过野外地质调查,依据岩溶的组合形态和个体形态特征,将皖北宿州地区岩溶地貌类型划分为宏观地貌景观和微观溶蚀形态两大类。宏观地貌景观有常态山、干谷和干沟、岩溶泉、溶洞等,微观溶蚀形态有溶坑、溶孔、溶痕、溶隙、石芽和溶沟等。该区岩溶地貌的分布、发育程度和规模受气候、岩石类型、构造、地形等因素的控制,可以作为北方岩溶的典型代表。

北京西山圣莲山地质公园的岩溶地貌演化

圣莲山地质公园为房山北部大石河上游一个小型完整的岩溶盆地,地质构造属于百花山向斜的南翼。造景岩石从下至上依次为,寒武纪张夏组鲕粒灰岩、炒米店组条带状石灰岩和奥陶纪石灰岩。造貌构造为,印支运动、燕山运动和新构造运动。印支运动的南北向挤压形成响山背斜;燕山运动的北西-南东向挤压形成神牛岭和翠屏峰两个方向的岩溶墙;新构造运动的8次抬升,形成穿洞(通风洞),孤峰(莲子峰)、脚洞(圣米石塘),房山地貌(笔架山)、岩溶夷平面(晾马台)、北西向岩溶墙(翠屏峰)、北东向岩溶墙(神牛岭)、溶洞(隐仙洞)岩溶地貌景观。穿洞为北京西山最高的岩溶洞穴,孤峰为残存的新近纪峰林地貌,圣米石塘为孤峰脚洞,笔架山为上新世石林与第四纪岩溶陡壁组合成的房山地貌,晾马台为中更新世形成的岩溶夷平面,翠屏峰和神牛岭为晚更新世形成的岩溶墙,隐仙洞为全新世形成的岩溶洞穴。

沂蒙山区典型断陷盆地岩溶地下水系统特征:以莱芜盆地为例

2011年以来,中国地质调查局在沂蒙山区组织实施了1∶5万标准图幅水文地质调查4万余km^(2),并在严重缺水村镇开展了大量的找水打井示范工作,获得了较为丰富的地质数据,对断陷盆地地下水流系统取得了新认识。受中新生代构造影响,沂蒙山区发生断裂褶皱、伸展滑脱及岩浆侵入活动,形成一系列"南超覆北断陷"的地堑—半地堑盆地,并最终形成现今典型的"盆—山"岩溶水文地质结构,及以盆地为单元的相对独立的岩溶地下水流系统。为研究沂蒙山区地下水流系统发育特征,选择莱芜盆地为典型研究区,基于野外地质调查,通过综合分析盆地南北两侧地貌单元、含水岩组立体空间分布及地下水水位、水化学及同位素结果等,探讨了沂蒙山区典型"盆—山"结构塑造的多级岩溶地下水流系统特征。结果表明,莱芜盆地岩溶地下水由盆地外围向盆地中心呈"向心式"径流;受人类活动影响、地质构造控制和含水层分布制约,盆地南北两侧地下水流系统特征存在差异:盆地南部发育中间和局部两级地下水流系统;盆地北部则仅发育单一的局部地下水流系统,但占有已勘查论证的近1/2的地下水水源地。此外,研究发现在大汶河最低侵蚀基准面,区域滑脱构造及热液混合作用拆离的空隙,与岩层面、层间裂隙、顺层溶蚀空隙等共同构成立体的岩溶地下水网络,影响着岩溶水循环途径及深度。以此认识为指导,实施的探采结合井成井率达到86%,强化了地下水流系统理论在北方基岩山区水文地质工作中理论与实践的结合。

古堆泉域岩溶地下水水化学特征及成因

古堆泉为山西省著名岩溶大泉之一,是唯一的中低温温泉,具有悠久的开发观赏历史,凝聚着丰厚的人文积淀.以古堆泉域岩溶地下水为研究对象,通过系统地样品采集与同位素分析,综合运用水化学(Durov图、离子比例、 Gibbs图和氢氧同位素)同位素方法分析地下水水化学特征和地下水系统径流特征.古堆泉域岩溶地下水的^(87)Sr/^(86)Sr值在0.709~0.717之间,Mg/(Mg+Ca)值在0.27~0.74之间.通过分析Sr同位素组成和Mg/(Mg+Ca)、 1/Sr变化特征,得出古堆泉域岩溶地下水为深部热水与浅部冷水的混合水,中条山南梁泉岩溶水子系统呈现碳酸盐岩地层径流特征,佛岭山-高显海头泉岩溶水子系统和侯马盆地深循环子系统呈现碳酸盐岩地层与火成岩地层径流特征,塔儿山-九原山古堆泉岩溶水子系统呈现碳酸盐岩地层与古老硅铝质岩地层径流特征.通过2014年样品与2021年相同位置取样点的氢氧同位素比对分析,得出古堆泉口水样变化原因是其受三泉水库补给随时间的积累的结果,三泉水库的变化原因是受引黄水的影响.研究区岩溶地下水水化学类型可分为SO_(4)-Na、 SO_(4)-Ca、 HCO_(3)-Na、 HCO_(3)-Mg、 HCO_(3)-Ca和Cl-Na型.岩溶地下水水化学类型从HCO_(3)-Ca·Mg→HCO_(3)·SO_(4)-Ca·Mg→SO_(4)·HCO_(3)-Na·Ca→SO_(4)·Cl-Na·Ca呈现明显的水化学成分分带.