水文地質學基礎GeneralHydrogeology--2020/12/271

第十一章巖溶水

概述巖溶發育的基本條件巖溶水系統的演變巖溶水特征我國南北方巖溶及巖溶水差異2020/12/272巖溶對大多數人來說都不陌生，巖溶現象對許多人來說是很神密的（含部分專業人員），巖溶現象的壯觀奇特，巖溶水的神出鬼末，有著積極的一面：濟南泉城—世界著名：蘊育滋養了該城文明與發展山西自北向南沿太行山脈的名泉：晉祠泉，娘子關泉，洪山泉，郭莊泉，廣勝寺勝泉，龍子祠泉，是山西盆地的工農業發展的主要支柱廣西桂林山水甲天下，奇特巖溶景觀云南的路南石林，壯觀與氣勢，讓游人流漣忘返第1節概述2020/12/273山水甲天下的桂林九馬山煙雨漓江塔山象鼻山2020/12/274巖溶水的奇特又使人無可耐何——消積不利華北的大多數煤層，下伏O2灰巖水承壓水頭之高，帶來開采風險巨大云南、廣西、貴州省巖溶山區，缺水嚴重，阻礙發展，生活赤貧現象巖溶區的庫水滲漏，處理困難在基本建設中，地下施工，燧道施工困難重重金沙江溪洛渡水電站庫區巖溶洞穴2020/12/275第1節概述巖溶水對可溶巖石進行化學溶解，并伴隨以沖蝕作用及重力崩坍，在地下形成大小不等的空洞，在地表造成各種獨特的地貌現象以及特殊的水文現象，上述作用及由此產生的各種現象稱為巖溶。

巖溶水賦存并運移于巖溶化巖層中的水。

巖溶水系統能夠通過水與介質相互作用不斷自我演化的動力系統。2020/12/276第2節巖溶發育的基本條件基本條件

巖石的可溶性巖石的透水性

水的溶蝕性水的流動性碳酸鹽巖：灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖、白云巖；結構：豹皮灰巖，生物碎屑灰巖，厚層狀，薄層狀——裂隙發育（初始裂隙）→巖溶系統斷層發育決定了→溶洞形成2020/12/277開放體系中的方解石溶解的基本物理化學模式水中碳酸平衡：H2CO3,HCO3-CO32-CO2CO2(eq)H2OH2CO3HCO3-H+CO32-Ca2+HCO3-大氣液相固相第一條途徑：

水與氣第二條途徑：

水與固2020/12/27812.1巖溶發育的基本條件在上述模式中：第一條途徑（水與氣）增加H+第二條途徑則產生CO32-結果：增加Ca2+HCO3-CO2的參與是巖溶發育的另一重要前提，也是影響因素之

[CO2來源：淺層大氣與土壤層，深部來源尚無定論]4.水的流動性→

地下水的循環交替是巖溶發育的充分必要條件其作用：不斷更替補充具侵蝕性的水；將溶解與侵蝕的物質帶走----留下空洞（巖溶）2020/12/279

影響因素

構造作用

控制構造裂隙的發育而影響可溶巖透水性控制水的匯集與主要通路而影響地下水流動

氣候

總體決定著一個區域的植被與土壤，而植被土壤又是地下水中CO2的主要來源。第2節巖溶發育的基本條件2020/12/2710第2節巖溶發育的基本條件2020/12/2711第2節巖溶發育的基本條件2020/12/2712第2節巖溶發育的基本條件2020/12/2713

碳酸鹽巖溶解反應綜合模式圖第2節巖溶發育的基本條件2020/12/2714第3節巖溶水系統的演變

地下水對介質的改造巖溶演化的正反饋過程

不均勻介質→不均勻水流→差異性溶蝕→更不均勻的介質→更不均勻的水流→進一步的差異性溶蝕→…

上述過程的實質是介質的非均質化過程與水流的集中過程。

巖溶發展速度劃分為三個階段：

2020/12/2715第3節巖溶水系統的演變起動階段：

地下水對介質以化學溶蝕作用為主，水流通道比較狹小，地下水幾乎沒有機械搬運能力，巖溶發展比較緩慢。隨著水流越來越集中的正反饋機制的加強，巖溶演化加快。當主體通道的寬度達到5—50mm時，紊流開始出現，地下水開始具有一定機械搬運能力，巖溶演化便進入快速發展階段。2020/12/2716第3節巖溶水系統的演變2020/12/2717第3節巖溶水系統的演變快速發展階段：地下水流對介質的改造由化學溶蝕變為機械侵蝕與化學溶蝕共存，機械侵蝕變得愈益重要。地下出現各種規模的洞穴。地表形成溶斗及落水洞，并以它們為中心形成各種規模的洼地，差異集降水。隨著介質導水能力迅速提高，地下水位總體下降，新的地下水面以上洞穴干涸，失去進一步發展的動力。

2020/12/2718第3節巖溶水系統的演變通道爭奪水流的競爭變得更加劇烈。

不同地下河系發生襲奪，地下河系不斷歸并，流域不斷擴大。

停滯衰亡階段隨著地下水位的總體下降和水力坡度的逐漸降低，地下水的溶蝕能力逐漸降低甚至消失，巖溶發育呈停滯狀態。2020/12/2719第3節巖溶水系統的演變2020/12/2720結果1、介質改造愈強烈，機械破壞也愈強2、介質改造后，地下巖體中出現各種規模洞穴3、地表形成溶斗，落水洞以及各種規模的洼地，匯集降水4、介質導水能力增加，地下水位總體下降，水面以上巖體或洞穴失去進一步發展的水動力條件5、地下河系發生襲奪，河系歸并，地下河系的流域不斷擴大第3節巖溶水系統的演變2020/12/2721第3節巖溶水系統的演變地下水流動系統與巖溶發育的空間特征

處于同一氣候條件下構造開啟程度不同的巖溶含水系統可能由于種種原因地下水徑流交替條件不同而具有不同的巖溶發育程度。巖溶含水系統在可溶巖之上無隔水層覆蓋，有利于按受降水補給與徑流排泄，流線最為密集，巖溶最為發育。愈靠近排泄區流線愈密集，巖溶愈發育，排泄區斷層附近的流線最為密集，巖溶也最發育。巖溶含水系統上覆隔水層且斷層不導水，除了石灰巖裸露區淺部有短程地下水徑流，巖溶有一定發育外，深部地下水不發生徑流，無巖溶發育。

2020/12/2722巖溶水系統演變過程與介質改造同步——四個過程1、巖溶發育初期流動系統2、局部巖溶水系統形成3、巖溶水系統的襲奪4、統一的地下水河系的形成發育：垂直落水洞，溶斗，過水溶洞（無水）常年有水地下河道演變過程圖示2020/12/2723巖溶水系統演變過程甲河乙河甲河乙河A)巖溶發育初期B)局部巖溶水系統發育階段2020/12/2724CompanyLogo巖溶水系統演變過程乙河甲河乙河甲河乙河C)巖溶水系統的襲奪D)統一地下河系的形成2020/12/2725CompanyLogo第3節巖溶水系統的演變2020/12/2726第3節巖溶水系統的演變2020/12/2727第3節巖溶水系統的演變2020/12/2728

補給型河谷深巖溶分帶及水動力圖第3節巖溶水系統的演變2020/12/2729排泄型河谷深巖溶分帶及水動力圖第3節巖溶水系統的演變2020/12/2730

河谷地下水與巖溶發育第3節巖溶水系統的演變2020/12/2731

巖溶管道水流地質模型第3節巖溶水系統的演變2020/12/2732

庫區地下水連通試驗圖示第3節巖溶水系統的演變2020/12/2733第4節巖溶水特征

巖溶含水介質的特征

是尺寸不等的空隙構成的多級次空隙系統；

尺度不等的空隙彼此之間存在著不同程度的水力聯系，構成宏觀上具有統一水力聯系的巖溶含水介質。2020/12/2734第4節巖溶水特征2020/12/2735第4節巖溶水特征

巖溶水運動特征

孤立水流與具有統一地下水面的巖溶含水系統并存層流與紊流并存溶洞、暗河中的巖溶水為紊流運動。有壓流與無壓流交替并存明流與伏流并存一般具有吸水（接受降水補給）能力、排水（泉和徑流）能力強，徑流速度大的特點。2020/12/2736第4節巖溶水特征

巖溶水的補給、排泄與動態補給來源大氣降水地表水鄰近含水層地下水洞穴凝結水補給方式直接補給間接補給2020/12/2737排泄

最大特點是集中排泄動態

裸露型巖溶潛水：水位變化強烈，且缺乏滯后。埋藏型巖溶承壓水：動態穩定，受降水影響較小，但有明顯的滯后效應。例如：云南四營煤礦噴水洞暗河，一般雨后12---24小時內流量顯著增大，為6214.9L/S，水位升高，水變混濁，延續2---3天。旱季最小流量為367.5L/S，二者相差16.9倍。第4節巖溶水特征2020/12/2738第4節巖溶水特征2020/12/2739第4節巖溶水特征分帶性特征水平分帶垂直分帶巖溶水的徑流具有明顯的分帶性：即Ⅰ帶（包氣帶）、Ⅱ帶（水位季節變化帶）Ⅲ帶（飽水帶）和Ⅳ帶（深部循環帶），如右圖示。

水質變化小，礦化度低，但容易受污染2020/12/2740巖溶水的富水特征：富水性空間分布極不均勻，具有明顯的方向性。水平方向：同一巖溶含水層，水平方向相距幾十米甚至幾米，富水性的差異為數倍甚至數十倍。例如：廣東凡口礦區0m標高中段的坑道中施工兩個水平放水孔，相距0.3m，平行鉆進壺天群石灰巖中，孔深47m，一個孔出水量50L/S，另一孔出水量0.5L/S。第4節巖溶水特征2020/12/2741垂直方向：同一巖溶含水層，垂直方向的富水性很不均一。例如：凡口礦區－20m標高以上，富水性強，單位涌水量1.55--5.10L/S.m；－20m標高以下，富水性弱，單位涌水量0.0076L/S.m；巖溶發育朝斷裂破碎帶的延伸方向時透水性好，垂直巖溶發育方向透水性差。第4節巖溶水特征2020/12/2742第5節我國南北方巖溶及巖溶水差異我國南北方巖溶及巖溶水的差異源于地域性因素的差異性。

巖溶介質差異

巖溶發育程度與形態差異

巖溶泉動態差異

影響南北方巖溶發育及巖溶水系統的因素2020/12/2743以秦嶺淮河為界，南、北方巖溶有明顯的差異。北方地區：氣候干旱少雨，巖溶區的碳酸巖鹽成層薄，常夾有泥質、硅質，在構造應力的作用下，形成密集、短小、均勻的溶隙。此地區以溶隙水為主，分布較均勻，水位埋深大，具有統一的地下水位，動態變化?。ㄈ鐖D示）。第5節我國南北方巖溶及巖溶水差異2020/12/2744太行山山區巖溶水剖面示意圖第5節我國南北方巖溶及巖溶水差異2020/12/2745山西洪洞廣勝寺泉流量動態圖第5節我國南北方巖溶及巖溶水差異2020/12/2746南方地區：氣候濕熱多雨，巖溶區發育有塊狀厚層純凈碳酸巖，水中CO2含量高，以溶洞水為主，水量豐富，多集中于溶洞之中，洞之間有溶隙相連，區域上具有統一的地下水位，水動態變幅大。

西南地區：第三紀末長期上升，補給區與排泄區的水頭差越來越大（水力坡度越來越大），沖蝕作用強烈，發育地下暗河（如下圖示），水量豐富，暗河之間連通性差，多不具統一地下水位，水動態受降水影響易產生暴漲暴落。第5節我國南北方巖溶及巖溶水差異2020/12/2747第5節我國南北方巖溶及巖溶水差異2020/12/2748第5節我國南北方巖溶及巖溶水差異2020/12/2749第5節我國南北方巖溶及巖溶水差異2020/12/2750第5節我國南北方巖溶及巖溶水差異20