导　　师： 袁道先;王增银

学科专业： G09

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 中国地质大学武汉

摘　　要： 西南岩溶山区广泛分布着古生代和中生代巨厚层灰岩，由于岩溶特别发育，构成了特殊的含水结构。大气降水后迅速转化为地下水，并主要赋存于深部地下河中，以致于地表严重干旱缺水，地表水极不发育，构成脆弱的生态环境系统，是我国又一片集中干旱缺水的贫困地区。但这里年降水量比较大，水资源总量较丰富，开发潜力较大，只是由于主要分布在地下河中，开发利用困难，造成“结构性”缺水。只要查明岩溶水循环过程及水量分布规律，因地制宜地合理利用岩溶水资源，就能促进该区生态环境良性发展，改变贫困落后的面貌。 　　本文通过对西南岩溶山区典型地下河系统的调查、取样分析，查明了地下河系统结构及水循环过程、地下河系统不同类型地下水的水化学特征，建立并利用水化学混合模型计算了地下河水的组成及地下河系统水循环规律，并对地下河系统水资源评价及其开发利用模式进行了初步探讨。 通过以上研究，得出下列主要结论： 1、地下河系统是碳酸盐地区的一种岩溶形态和岩溶水径流形式，其形成与发育是水作为地质营力对可溶岩层的改造过程。西南岩溶山区广泛分布着质纯坚硬且裂隙发育的碳酸盐岩为地下河系统的形成提供了物质基础，高温多雨、雨热同期的气候为地下河系统的发育提供了溶蚀动力。 2、地下河系统特有的结构，使得雨水降落地表后，在地下河系统内经历二次岩溶水循环：其一是表层岩溶带浅循环：降水——表层岩溶带——表层岩溶泉、表层岩溶水径流、蒸发、蒸腾排泄；其二是饱水带深循环：垂直裂隙渗流——落水洞、竖井汇水——地下河。两种途径的地下水循环尽管规模与级次不同，发育的空间层位也有较大的差别，但两者之间并不是相互隔绝的，而是存在着密切的水力联系。 3、地下河系统内各类地下水水化学特征的对比分析表明：①CACO<,3>或CAMG(CO<,3>)<,2>一H<,2>O一CO<,2>三相开放不衡反应体系是地下河系统内地下水中最主要的水化学过程。CO<,2>浓度是影响该反应体系进行方向和程度的最敏感的因素。②地下水PN值和电导率的动态变化反映了降雨对各类水的影响，而水温的动态变化则反映了含水层的埋藏条件③由于岩性和水循环条件的不同，不同类型的地下水，其CA<’2+>、MG<’2+>、HCO<,3><’->、SR<’2+>的含量不同。说明地下水中CA<’2+>、MG<’2+>、SR<’2+>的含量可以反映地下河系统的结构④地下水中CA<’2+>、MG<’2+>、SR<’2+>的动态还与土壤CO<,2>的含量、降雨有一定的关系。当土壤CO<,2>含量高时，溶解了土壤CO<,2>的水进入地下河系统时，就能溶蚀更多的碳酸盐岩，使得CA<'2+>、MG<'2+>、SR<'2+>的含量增加，而当雨季降雨量较大时，当降雨的稀释效应大于CO<,2>效应时，CA<'2+>、MG<'2+>、SR<'2+>’的含量反而减小。⑤地下水的方解石饱和指数SIC、白云石饱和指数SI<,D>、SRCO<,3>的饱和指数SIS不同，同样也反映了岩性和水循环条件的不同。因而可以用水化学指标来指示地下河系统的结构。 4、由于碳酸盐岩中SR主要是类质同象替代CA而进入的，使得岩溶水中SR与CA的水化学性质相近，因而可以选择RSR／RCA和RSR／RMG作为地下河系统水循环的示踪剂。而<'87>SE／<'86>SR由于不受相分离、化学状态、蒸发作用或生物同化作用的分馏，只反映其来源与混合，因而也可用作地下河系统水循环的示踪剂。地下河系统中不同类型地下水的RSR／RCA、RSR／RMG和<'87>SR／<'86>SR都比较稳定，且大小不同，反映了其岩性和径流条件的不同，能区分不同类型的地下水，因而可以作为地下河系统的化学示踪剂。 5、SR<'2+>、CA<'2+>、MG<'2+>及其比值形成的溶蚀试验表明：①溶蚀液中SR<'2+>随时间的增加，其含量也增加，不同溶蚀液中SR<'2+>的浓度大小主要由岩样中SR的含量决定。CA<'2+>、MG<'2+>的含量先增加，后达到平衡，其浓度大小也由岩性决定，同时还受其溶解度和酸不溶物的影响。②不同溶蚀液中RSR／RCA、RSR／RMG值不同，溶蚀液中RSR／RCA、RSR／RMG值先增后减，最后缓慢增加，说明RSR／RCA、RSR／RMG既受岩性的影响，还受水岩作用条件的影响。由于RSR／RCA、RSR／RMG既可以反映岩性的不同，又可以反映水岩作用的条件，因此可以用RSR／RCA、RSR／RMG值来对岩溶水进行示踪。 6、从地下河系统水循环的过程出发，以水箱模型的思路建立了地下河系统水循环的物理模型。在物理模型的基础上，根据水化学质量守恒定律建立了地下河系统水循环的水化学混合模型。论文以浪石和毛村地下河为例，利用RSR／RCA、RSR／RMG对各类水占地下河水的比例进行了计算，并用<'87>SR／<'86>SR对计算结果进行了检验，检验结果表明计算结果合理。 7、西南岩溶区地下河系统水循环的总体特征是：①枯水季节，降雨量较小，除蒸发、蒸腾外，降雨量全部补给表层岩溶带，经过表层岩溶带的调蓄，其中一部分经包气带裂隙渗流补给饱水裂隙含水层，最终以径流方式补给地下河水；另一部分水以表层岩溶泉或表层岩溶带径流的形式注入落水洞，补给地下河水。②雨季时，降雨量较大，超过了表层岩溶带的调蓄能力，降雨后形成地表坡流水，以地表坡流的形式直接注入落水洞，补给地下河水，使得地下河水中有较大部分流量是由地表坡流水补给的。③对于有外源水补给的地下河系统，非岩溶区的降雨量以外源水的形式径流入岩溶区，一部分通过落水洞直接补给地下河水，一部分补给到饱水层裂隙水，并最终补给地下河水。④地下河系统水循环的实质就是降雨在地下河系统里的水量分配与水量交换。其中三到四成的降雨量由于蒸发、蒸腾、开采利用等而散失，二成的降雨量形成了表层岩溶水，并补给到地下河水；还有二到三成的降雨量以饱水层裂隙水的形式补给地下河水。当降雨大于一定程度时，形成地表坡面流补给地下河。 8、地下河系统暴雨效应有如下特征：①水化学上，地下河水的水化学主要受两个作用的控制，一个是CO<,2>作用，一个是稀释作用。CO<,2>作用即：暴雨时，高浓度的土壤CO<,2>溶入水中，使水更具有侵蚀性，能溶解更多的碳酸盐岩，从而地下河水的PH值、电导率、HCO<,3>、CA<'2+>和方解石饱和指数SIC均呈上升趋势；随着溶蚀作用的不断进行，地下河水中CO<,2>分压逐渐减少，HCO<,3><'->和CA<'2+>达到平衡，并恢复正常值。稀释作用即：暴雨时，高PH值，低电导率的雨水在地表形成地表坡流水，并通过洼地中的落水洞很快由管道流出地下河系统，在此过程中，地下河水的PH值升高，电导率、HCO<,3><'->、CA<'2+>和方解石饱和指数SIC均降低。因而地下河系统水化学的暴雨效应，就是地下河水中CO<,2>作用与稀释作用构成的水化学动态系统。②水循环上，地下河水的组成与流量变化主要由地下河系统的结构与降雨量大小控制。暴雨前地下河水主要由饱水层裂隙水和表层岩溶水补给，地表坡流水和外源水所占比例较低。暴雨后地下河系统流量衰减至近正常水平时，地下河水也主要由饱水层裂隙水和表层岩溶水补给，但是饱水层裂隙水所占的比例下降，表层岩溶水所占比例上升，地表坡流水和外源水的比例也有所上升。暴雨初期，降雨首先补给表层岩溶带，部分表层岩溶水通过管道补给地下河，表层岩溶水所占比例上升，使得地下河系统水循环以表层岩溶水为主，另有部分表层岩溶水下渗补给饱水裂隙含水层，裂隙水量也逐渐增加。随着降雨量的增大，当降雨量超过了表层岩溶带的调蓄能力时，地下河系统水循环过程中地表坡流水的比例上升，在地下河流量达到峰值时，地下河系统水循环主要以地表坡流水为主。对有外源水补给的地下河系统，外源水所占比例也逐渐上升，并占有相当大的比例。暴雨效应后期，地下河流量衰减，地表坡流水、外源水、表层岩溶水快速消退，而溶隙、裂隙中水由于运移速度较慢，调蓄能力较强，使得地下河系统水循环过程中裂隙水的流量逐渐减小，而所占的比例逐渐上升。 　　 9、地下河系统水资源量评价表明：地下河系统中裂隙水资源量最大，但埋深大，且水体分布不均匀，较难以开发利用。地表坡流水和表层岩溶水资源量也占相当大的比例，由于表层岩溶水位表于地表浅层，且常年都有，对解决人畜用水以及维持生态环境具有重要的利用价值。进一步对表层岩溶带的富水性评价表明：灰岩地层表层岩溶带水资源量较大，但丰枯季节变化幅度大；白云岩地层表层岩溶带水资源较小，但丰枯季节变化幅度小。 10、根据地下河系统水资源的特点，西南岩溶山区地下水受地下河控制，岩溶水的开发利用应以地下河系统为单元进行规划。地下河系统内各类水资源量不同，一般裂隙水占较大的比例，但其分布不均、埋深大，难以开发利用；地表坡流水具有季节性，径流快，适宜采用“蓄、引”组合的开发利用模式，而对表层岩溶水适宜采用分散取水方法开发利用，对地下河出口处适宜采用“堵、蓄”的开发利用模式。 本论文的创新之处是：①查明了西南岩溶山区地下河系统不同类型岩溶水SR、CA、MG的分布特征及形成机制；②根据水箱模型、水化学混合模型建立了地下河系统水循环的水化学模型；③选择SR/CA、SR/MG、<'87>SR/<'86>SR作为示踪剂，利用水化学模型定量研究西南岩溶山区地下河系统水循环；④研究了地下河系统水循环的短时间尺度变化——暴雨效应；⑤利用水化学模型评价地下河系统的水资源，并对表层岩溶带的富水性进行评价。

关 键 词： 西南岩溶山区 地下河 岩溶水 岩溶水循环 岩溶水资源

分 类 号： [P641.134]

领　　域： [天文地球] [天文地球]