第1章緒論

1.1本書的目標

岩溶含水層研究不僅是科學的挑戰，對人類的生產、生活也同樣重要，岩溶地下水是世界上很多國家、地區和城市必不可少的淡水水源，據Ford和Williams（1989）估算，全世界25%的人口飲用水來自岩溶水；同時，岩溶含水層普遍受人類活動影響，對污染具有高度的脆弱性（Drew and Htzl，1999）。Bakalowicz（2005）指出：岩溶水的開發利用難度和脆弱性均較高，應盡量避免將岩溶水作為供水源。目前，在淡水資源極度匱乏的地中海周邊地區，岩溶水資源尚未開發，大量潛在的飲用水由海底泉排洩，當然，如果遵循岩溶的發育規律，這些岩溶水資源是可以開發利用的。

本書主要介紹岩溶水文地質研究的技術方法，包括利用現代技術對數據進行解譯和模擬。可廣泛用於確定岩溶泉域的範圍、鑽孔定位、水質監測、化學或微生物污染問題的評價和治理、岩溶含水層脆弱性制圖等。隧道、水庫等工程建設也會引發各種岩溶和地下水問題，本書不專門討論岩溶工程問題（另有專著，Milanovic＇，2000），但本書能幫助解決工程建設中的水文地質問題。

本書的方法為研究岩溶水文地質繫統水流和溶質運移特征提供方法支持，旨在為岩溶地下水資源保護、管理和開發實踐提供幫助。岩溶水文地質領域的碩士、博士和高級研究人員能從中獲取有用信息。技術改進和新技術開發還需開展大量工作，本書也能為從事技術研發的科學家和工程技術人員提供基礎指導。方法從基礎到深奧，讀者可根據目標、時間、技術和人力資源的可行性選擇合適的方法；同時，本書也可為擴展閱讀提供有益參考。

1.2岩溶含水層調查的特殊性

岩溶含水層特征與裂隙和孔隙含水層之間存在顯著差異，正如Ford和Williams（1989，2007）在專著《岩溶地貌和水文學》裡所說，岩溶含水層常存在某些特殊的現像與過程，因此，需要專門的調查方法。其他專著（Bonacci，1987；Dreybrodt，1988；White，1988；Klimchouk et al.，2000）對岩溶地貌、洞穴和地下水流繫統的演化也作了詳細介紹。

1.2.1含水層演化

碳酸鹽岩在含CO2水流的溶解作用下，部分初始裂隙擴大為岩溶管道和洞穴，因此，含水層總是在隨時間演化，水流繫統和管道網絡的分布、規模也在隨時間而改變：管道垮塌或被沉積物充填；飽水帶管道與包氣帶管道相互轉化等。這種演化過程在海岸帶表現尤為明顯，過去低海平面時期形成的岩溶水繫統遠低於現代海平面，多數已停止發育，但局部可能仍在發育。由於岩溶含水層隨時間發生演變，有些地下水流通道和排洩出口難以根據現代地形和水文調查確定，因此，岩溶水文地質調查中還應分析地貌史，預測可能存在的未知水流通道和排洩出口，並制定相應的觀測和采樣方案。

1.2.2空間非均質性

所有含水層都具有非均質特征，在砂岩或礫岩含水層中開展鑽探，基本都能鑽遇地下水，而在極度非均質的岩溶含水層中鑽孔很難獲得成功。岩溶管道和洞穴中存在大量的地下水流，而相隔僅數米可能就是完全不含水的塊狀岩層（圖1.1）。非均質性是岩溶水文地質調查需要考慮的主要問題，首先，現有的技術方法已能確定非均質性特征，如開展地球物理探測（下文簡稱“物探”）調查地下含水裂隙或岩溶管道；同時，非均質性也意味著所有的插值法和外推法都難以直接用於岩溶含水層研究，特別是根據鑽孔水位或測壓計水位觀測數據難以繪制等水位圖；即使能生成等水位圖，也難以預測地下水的流向和流速，除非還有大量的觀測井數據。通常采用示蹤試驗確定岩溶地下水的流向和流速。

1.2.3滲透繫數的尺度效應

滲透繫數的尺度效應是岩溶繫統非均質性的直接結果，基岩樣品的滲透性主要由孔隙和微裂隙決定，滲透繫數值一般較低；抽水試驗涉及更大的基岩體，測試結果主要受寬大裂隙控制，滲透繫數值更高；而整個岩溶含水層受岩溶管道網絡控制，滲透繫數值**（Kiraly，1975）。因此，實驗室測試和抽水試驗盡管能分別反映岩塊和抽水孔附近的水力特征，但滲透繫數值並不能代表整個岩溶水繫統。岩溶含水層的水力特征受大裂隙和管道控制，因此，岩溶含水層的數值模擬研究中，需同時考慮代表管道的超高滲和代表弱岩溶化岩體的低滲。

1.2.4補給和入滲的雙重性

岩溶含水層的補給來源包括岩溶區的內源補給和相鄰非岩溶區的外源補給，水流以點狀補給的方式集中潛入落水洞、漏鬥，或經由土壤分散入滲進入基岩裂隙（圖1.1）。內源補給通常更為分散，但表層岩溶帶彙聚分散水流後，也以集中的方式向豎井和管道補給。孔隙含水層主要接受內源和分散補給，本節所述補給入滲的雙重性主要針對岩溶含水層。在水均衡估算及解決地下水保護和含水層脆弱性等問題時，須考慮流域的外源補給的彙水範圍。經由落水洞的點狀補給也是污染物進入岩溶含水層的主要途徑。

圖1.1非均質岩溶含水層繫統示意圖

岩溶水繫統具有內源和外源雙重補給、點狀集中補給和分散入滲雙重入滲方式以及管道和基岩的

雙重孔隙和水流等特征1.2.5介質空隙、水流和儲存的雙重性

岩溶含水層空隙包括粒間孔隙、裂隙和管道。管道規模從寬數釐米的溶蝕裂隙到巨型洞穴通道不等，因此，可認為岩溶含水層是嵌入到弱岩溶化基岩中，並與之相互作用的管道網絡繫統（圖1.1）。管道中地下水流速較大，一般>100m/h，多為紊流狀態，基岩地下水流速則低得多；但管道僅占含水層體積的極小部分，儲水能力有限，大量地下水儲存於基岩和岩溶繫統的其他部分，如表層岩溶帶。岩溶管道是岩溶含水層區別於孔隙和裂隙含水層的重要特征，也是岩溶含水層研究的重點和難點，所有岩溶水文地質研究中均應考慮管道。洞穴調查可直接觀測洞穴水流，但並非所有洞穴都可進入，而且可進入的洞穴也僅僅代表管道網絡繫統不再發育的部分；岩溶管道網絡中仍在發育的但人類不可進入的部分，通常采用示蹤試驗方法對其開展岩溶水流和溶質運移研究。

1.2.6急劇的動態變化

岩溶含水層對降雨等水文過程的響應迅速而強烈，發生暴雨和降雪融水等較強補給時，岩溶水位在數小時內急劇上升，有時甚至超過100m；岩溶泉流量在較短時間內的變化可能超過幾個數量級；懸浮礦物顆粒、有機碳、細菌（包括病原體）含量等水質參數同樣會出現急劇變化。與其他基岩含水層相比，岩溶含水層的水流通道與流量隨時間的動態變化更為強烈，時間間隔較長的定期取樣難以評價岩溶地下水質，必須采用專門改進的采樣和監測方案；尤其應針對暴雨等大流量水文過程，縮短取樣或監測的時間間隔，研究中通常采用持續觀測設備對流量、溫度和電導率等參數開展監測，濁度、有機碳等參數也可作為細菌監測的代用指標（Pronk et al.，2006）。

1.3岩溶含水層研究方法綜述

通過岩溶洞穴可觀測含水層的內部水流（圖1.2），洞穴調查是僅適用於岩溶研究的方法。本書的其他方法*初應用於其他類型含水層的調查和研究，經改進後應用於岩溶含水層，例如，抽水試驗和等水位圖分析等方法在孔隙含水層中應用效果較好，但岩溶含水層的非均質性限制了這些方法的應用；但有些岩溶含水層僅能通過鑽孔和測壓計等開展調查時，對上述方法的操作和數據解譯進行調整，也可獲取岩溶含水層的信息。示蹤試驗是確定地下連通性的有力工具，*初用於岩溶水研究，後來也逐漸應用於非岩溶水研究，但孔隙含水層的地下水流速較低，長距離的示蹤試驗會受到限制。

圖1.2潛水探測佛羅裡達州的供水岩溶泉

攜帶洞穴無線電潛水（右圖），地表接收器追蹤（左圖）。洞穴探測者在垃圾充填的落水洞再次出現，該實例說明：①管道對岩溶含水層水流和污染物運移至關重要；②即使地表不存在岩溶形態，地下也可能發育大型管道；③岩溶含水層需要特殊的調查技術，洞穴也為地下水流研究提供了機會

（WesSkiles/Karst Production公司）

地質格局決定了含水層的外部邊界和內部結構，地形、地貌也能反映地下水流的信息，岩溶水文地質調查首先應開展地質和地形、地貌調查。

洞穴探測是研究管道網絡的重要手段，在洞穴內可開展滴水和地下水流的直接觀測和取樣（圖1.2），洞穴內也可開展示蹤試驗。但並非所有岩溶繫統都存在洞穴，有些即使存在也未被發現，而且洞穴並不代表整個岩溶繫統。

水均衡分析等水文學方法主要用於定量研究岩溶含水層的水流補給、徑流和排洩特征。岩溶水繫統的時間動態變化極大，應用該方法時應進行調整。

水力學方法包括繪制等水位圖和鑽孔水力學試驗，由於岩溶含水層具有前述的特殊性，該方法用於岩溶研究時，應特別謹慎並進行特殊調整；沒有可見泉口的承壓岩溶含水層或海岸帶岩溶含水層的研究，應將水力學方法作為優先選擇。

水質評價和污染研究通常需開展水化學和微生物調查，水化學參數也可作為天然的示蹤劑，用於研究地下水的來源、滯留時間、水-岩作用及水流混合過程，監測方法也應根據岩溶水的動態變化特征進行調整。

同位素參數作為天然示蹤劑，可確定補給水流的高程、水分來源、地下水年齡、滯留時間等，同位素方法通常與水化學方法、示蹤方法結合運用。

采用熒光染料等示蹤劑開展示蹤試驗，通常是確定岩溶地下水繫統連通性的**方法，也是確定岩溶水繫統範圍以及研究所有類型水流和溶質運移過程的重要方法。

物探是無須開挖和鑽探，即可透視地球內部的方法，當然該方法也可在鑽孔中應用，即物探測井。物探用於確定裂隙區、沉積蓋層下方的構造特征和抽水井位置；在地下水脆弱性評價中，物探也可確定覆蓋層厚度。多數物探方法也可用於其他含水層的研究，但是，微重力法和洞穴無線電技術確定岩溶管道的位置（圖1.2），則是專門應用於岩溶研究的方法。

數值模型是模擬孔隙含水層地下水流和污染物運移的有效工具，也可預測抽水或污染的影響範圍；但這種基於模擬的預測在用於岩溶含水層研究時通常存在疑問（見1.4節），原因不僅在於包氣帶和飽水帶管道的紊流難以模擬，還因為難以查明岩溶繫統的管道和裂隙網絡的分布。如果根據岩溶特征調整模型，並充分了解模型的局限性，數值模擬也能幫助解決岩溶水文地質的某些實際問題；此外，借助數值模型能更好地了解岩溶含水層的某些特殊水流現像以及洞穴成因。

1.4加拿大Walkerton地區的實例

Walkerton是位於加拿大安大略省的一個鄉間小鎮，人口約5000人。該地區碳酸鹽岩含水層由厚70m的古生界灰岩和白雲岩組成，產狀水平，上覆3～30m厚的冰磧岩，岩溶發育特征以及快速地下水流一直未被重視，該地區的水污染事件充分說明了謹慎選擇岩溶含水層調查方法的重要性。

2000年5月，由於細菌污染城市供水，大約2300人生病，7人死亡，污染發生時，該地區3口供水井正在運行。主要的致病菌為大腸杆菌O157:H7和空腸彎曲菌，隨後的流行病學調查顯示大部分污染發生在暴雨後的數小時至數天以內。

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