第五章

巖溶水

第一節

巖溶水的循環第二節

巖溶水的基本特征與分類

第三節

巖溶含水層的分類

第四節巖溶水資源的估算第一節

巖溶水的循環

一、巖溶水循環的基本模式

巖溶水的循環過程，主要由水的輸入、巖體內的蓄存、運移和水的輸出三大部分組成。

附屬系統指的是循環體內地下水與地表水相互轉化的水流。這是理想化的概化圖，實際上，每個地區的巖溶水循環系統都與其本身的邊界條件、巖溶地貌以及水動力條件等多種因素相關，各自的循環體結構是有所不同的。一般在厚層塊狀石灰巖、白云巖地區，補給、徑流、排泄條件有利時，可能存在完整的巖溶水循環系統。

滲入

排泄

二、巖溶水循環系統分析

在巖溶水循環系統分析中，把滲入、運移與蓄存、排泄，分別相應稱為輸入函數e(t)、傳遞函數z(t)（或叫系統特征函數）、輸出函數s(t)。三者之間的關系如下：

激勵

響應

e(t)

s(t)

動量反應

一次降水過程的有效滲入，對循環系統產生一次激勵過程，通過循環體的動量反應，輸出相應的流量過程，就顯示出一次響應過程。動量反應取決于降雨因素和循環體的系統特征，具體為：降雨強度、持續時間、分布；含水層的空間結構、構造、滲透性（巖溶發育強度）等。整個循環系統就是把雨量過程圖，通過含水層的動量反應，轉換為流量過程圖。

三、巖溶水循環的動力特征

1．循環系統的調蓄能力

當在一段時間內，無大氣降水有效滲入補給，但在輸出端仍有流量消耗時，表明以前的輸入量對流量起著滯緩調節釋放作用，這個時期水的動態就稱為消耗期水動態。如果這種狀況持續時間較長，說明系統的調蓄能力較強。當一段時間內，有大氣降水有效滲入補給時，流量、水位回升，這個時期水的動態就稱為補給期水動態。

2．水動力分帶

巖溶區存在著四個水動力帶：充氣帶、季節變動帶、完全飽水帶和深飽水帶。前二者水動態呈不穩定狀態，水流性質多呈重力梯度流；后兩者的動態較穩定，多呈壓力梯度流。在不同地區，這四個水動力帶的優勢和組合是有差異的，如在峰林、峰叢地區，充氣帶和季節變動帶比較深厚，在巖溶平原則很薄。3．水動力分帶的意義

在嚴重缺水的巖溶山區，建立地下水庫，其目的就是滯蓄洪水期季節變動帶中的水資源，增加飽水帶厚度，使更多的地下水得以改造、利用。

四、巖溶水循環中的水位

巖溶區地下水位的研究很重要，如找水、開發利用水資源深度和范圍、防滲工程等都要詳細查明地下水位高程。從理論上來說，對于地下水是可以確定流網和流場的。但是，由于巖溶發育的不均勻性，有的是無法勾畫等水位線圖的，如垂直循環帶巨厚、排水基準面很深、構造斷裂縱橫、巖相變化劇烈、多跌水，很難形成區域性的統一流場。然而，在臨近排水基準面附近的巖溶平原或開闊的大谷地，巖溶發育均勻，各向滲透性均等，水力聯系好，一般都存在統一流場，可勾畫出等水位線圖。

五、巖溶水的循環速度

巖溶水的循環速度(V)是指巖溶循環體內的水流速度。即由輸入端通過循環體至輸出端的流程(L)與循環系統反應時間(τ)的比值：

V=L/τ

這個概念里也包含了兩個效應：粘滯效應和加速度效應，主要是由于介質糙率和水力坡度不同引起的。循環速度可通過示蹤劑連通試驗測得，示蹤劑的類型很多，如螢光紅、食鹽和放射性元素。巖溶水的循環速度變化范圍較大，我國廣西、云南、貴州巖溶區，枯水期、平水期和洪水期的流速一般分別為每秒0.1~0.2、0.2~0.5和0.5~1.5米，有的洪水期可達到2米/秒。

第二節

巖溶水的基本特征與分類

一、巖溶水的基本特征1．空間分布的不均勻性

主要歸因于含水介質的結構、構造在三度空間上的非均質性和滲透性的各向異性，形成溶蝕優勢方向的巖溶發育強于其他方向。如洞穴或管道發育方向，就代表溶蝕優勢方向，這個方向的滲透性比原生孔隙大100萬倍，比溶蝕擴大的節理和層面大100倍。

以各向異性系數來表示空間的不均勻性，即：（公式）

Kx、Ky、Kz分別代表三個主軸軸向的滲透性。

或圖

含水層性質的均勻性和不均勻性

2．時間動態的不穩定性（1）流量隨時間動態的不穩定性a.降雨有效滲入量與巖溶含水層系統內的調蓄能力之間的不相容性，是時間動態不穩定性的根本原因。不相容性的程度決定了不穩定性的程度，循環系統反應時間越短，動態越不穩定。b.時間動態的不穩定性不僅表現在補給期動態上，而且還反應在消耗期動態上。c.用調節系數γ（或稱非穩定系數）表示時間動態的不穩定性：

Qmax表示t時間最大流量，Qmin表示t1時間最小流量。按時間區分，分為多年、年、季等調節系數，一般用年調節系數的較多。峰林、峰叢巖溶區的地下河出口流量年調節系數正常值為50~200，巖溶泉的年γ值較小，巖溶平原或開闊谷地的γ值為1.5~5。

表15巖溶水流量動態穩定性程度

（2）水位隨時間動態的不穩定性用水位變幅表示：Δh=hmax-hmin峰林、峰叢巖溶區的Δh正常值為20~30米，最大達80~100米，甚至超過100米。平原或開闊谷地的Δh值為1~5米，或5~10米。表16巖溶水水位動態穩定性程度

（3）水質時間動態的不穩定性水質動態變化，取決于巖溶水的化學元素遷移和交換的時空規律，主要取決于下列因素：a.流程邊界地層巖性；b.巖溶水流量、水溫、壓力的變化；c.地下水開采引起的水質動態變化。a和c屬于環境地質研究的范疇。在一定的水文地質邊界條件下，當流量增加的速度比溶解（即離子交換和遷移）速度快時，就會出現離子濃度隨流量增加而減小的規律。美國學者R.P.Betson提出了一個水質數學模式，即：

a、b為系數，Q表示排泄流量，DA表示補給面積。

濱海巖溶水水質動態變化，主要取決于淡水和咸水界面的波動，即接觸深度。因此，抽水應克制在水質標準范圍內，即允許開采降深范圍內。

3．流態多變性

判斷地下水流態的方法，一般都應用水力學中的雷諾數或臨界滲透速度。一般可分為層流、紊流、過渡流三種：紊流流量與管道直徑、水力坡度之間的關系式為：

式中，Q—流量；a—橫斷面面積；d—管道直徑；f—摩擦系數；d—重力加速度；—水力坡度。表明：紊流區，流量的平方與水力坡度成正比。

層流流量與管道直徑、水力坡度之間的關系式為：

ρ—水的密度，μ—動力粘滯系數。表明：流量與水力坡度成正比。

在巖溶水分布相對均勻，水力聯系比較好的巖溶平原或開闊谷地，可以用滲流定律直接判斷流態：層流：

紊流：

過渡流：

K—滲透系數；I—水力坡度；V—流速；W—過流斷面；m—流態指數，取值1.0~2.0。

4．地下水與地表水相互轉化的敏捷性

根據轉化的特點和邊界條件，可歸納為季節型、伏流型（或滲漏型）、阻隔型三種基本類型。（1）季節轉化型單向轉化：洪水期時，甲地下河溢流，以地表河形式排向鄰近地表河乙；枯水期時，甲地下河仍向乙地表河排泄。循環轉化：洪水期時，甲地下河溢流，以地表河形式排向鄰近地表河乙；枯水期時，乙地表河卻向甲地下河補償。（2）伏流轉化型（或滲漏型）地表水流進入巖溶化巖體內成暗流，在巖體另一端又重現為明流，簡稱伏流。在巖溶發育區，伏流轉化類型很常見。

（3）阻隔轉化型在巖溶地下水流動過程中，遇到隔水巖組時，被頂托溢流成地表河，稱阻隔轉化型。在巖溶發育的不同部位，不同時間，經常出現上面三種轉化關系的組合。5．地表分水嶺與地下分水嶺的不一致

二、巖溶水的分類

巖溶水的分類方法，到目前都沒有一個統一的標準和原則。根據國內外的文獻資料，概括為以下幾種分類方法：（1）按循環系統特征分：擴散流和管道流。包括：隙流、脈流、網流、管道流；裂隙水、溶洞水、地下河；蓄存巖溶水、運移巖溶水；擴散補給水、離散補給水等。（2）按水的運動帶分：充氣帶水、季節變動帶水、飽水帶水。（3）按水流水力學性質分：自由流和限制流，包括承壓水、非承壓水（或上升泉、下降泉）。（4）按水文地質結構分：斷裂帶水、層間水、接觸帶水、裂隙水。（5）按水文地質勘察類型分：裸露型、覆蓋型、隱伏型。

1．巖溶水的水文學分類

第一水文顯示類型：流量、水位起漲猛、跌落快、峰值陡，雨量、流量峰值之間的滯后時間短，流量非穩定系數大。對應的是管道流巖溶水類型，代表的是地下河或洞流系統中迅速流動的巖溶水。

第二水文顯示類型：與第一類水文顯示相反。反映為擴散流巖溶水類型，代表裂隙—孔隙系統特征的遲緩滲流。

第三水文顯示類型：界于第一類與第二類水文顯示之間。反映為混合流類型，既有管道流，又有擴散流的特征，只是二者之間的比例程度有差異。水文過程線是兩種水流的疊加過程線。

巖溶水循環系統滲入、儲存、運移、排泄示意圖

滲流關系圖

水文圖

第一水文顯示類型第二水文顯示類型第三水文顯示類型

2．巖溶水的水力學性質分類

（1）有壓流（限制流）取決于兩個條件：水頭壓力差的存在、隔水頂板的存在。壓力流的狀態取決于流場的壓力梯度。當兩種巖層的透水性差別較大時，強透水層中的流線趨于與相對隔水層平行，等勢線與它接近正交。在弱透水層中，流線與巖層界面趨于垂直，等勢線趨向于同巖層界面平行。從巖溶水水動力角度看，飽水帶中的虹吸管流，就是沿通道的壓力梯度流；季節變動帶中的洪水期，多呈局部壓力流狀態；包氣帶中一般以垂向重力梯度流和無壓流居多。（2）無壓流無壓流具有自由水面，水流以重力流為主，如下降泉。3．巖溶水的水文地質和巖溶地貌分類

（1）按巖溶水蓄存、運移和巖體地質構造性質可分為：①層間巖溶水：發育于巖溶巖層與非巖溶巖層相間地區，水多為側向流動，具有壓力流的性質。②斷層帶巖溶水：發育于斷層破碎帶，水的流向受斷裂帶延伸方向控制，局部受地貌影響。③裂隙巖溶水：富集于裂隙密集帶中的地下水，流量小，但動態較穩定；④接觸帶巖溶水：一般在接觸帶上有利的匯水條件下巖溶較發育地段，富水條件好，多為大泉和地下河的出口。①、②、④部位往往是找水方向。

（2）按供水水文地質勘察類型可分為：裸露型、覆蓋型、隱伏型（3）按巖溶水出露地貌部位及其與侵蝕基面的空間關系可分為：

高層水：高于排水基面，形成高棲地下水，隨季節變化，時間動態不穩定。中層水：臨近基面，相當于水平循環帶部位，動態較穩定。低層水：基面以下，界于水平循環帶與深部循環帶之間，動態穩定。深層水：深飽水帶水，動態極穩定，具有一定壓力梯度流性質。

第三節

巖溶含水層的分類

基本概念：具有一定厚度、區域延伸范圍、蓄水能力和導水能力及供井出水量的可能性的蓄水層。如果含水層與巖層一致，該巖層即為含水層；如果不一致，跨層位，稱含水層系統。一、巖溶含水層的分類（1）高層、中層、淺層、深層含水層；（2）承壓含水層（壓力流）、自由流含水層（無壓流）；（3）強、中、弱富水含水層；（4）擴散流含水層、管道流含水層。一般來說，在含水層的前面要加上地層代號或巖性說明。二、巖溶含水層的主要參數1．厚度以基流為界面，上部稱調節含水層厚度，可通過季節變動帶水位變幅△h確定；下部稱穩定含水層厚度，可借助于勘探手段揭露。確定穩定含水層厚度，可利用下面兩個參數：

2．其他參數

（1）孔隙度（或巖溶率）

Vr——水位變動帶內的巖溶水儲量（升）；Vs——水位變動帶內的巖溶化巖體的體積（升）。（2）滲透系數（或滲透性K）：表示地下水運移的速度，可通過連通試驗或抽水試驗取得。

（3）貯水系數（S）：表示每單位水頭變化△h，含水層的每單位平面面積（F）的儲水量

（W）。

（4）傳導系數（T）：單位含水層厚度△h的滲透速度。

（5）給水度（μ）：表示單位補給面積（F）上，水位變化△h時，含水層排出（或通過）的儲量（W）。

在巖溶水中，孔隙度、貯水系數、給水度概念接近，數值相等，一般用巖溶率代替貯水系數與給水度。

第四節巖溶水資源的估算一、巖溶水資源的基本概念與分類二、巖溶水資源估算的基本方法1．水文分析法（1）消耗期動態法（2）有效滲入系數法（3）徑流模數法（4）基流分割法2．回歸分析法3．概率論法4．抽水實驗法第五節巖溶水特征5.1巖溶地下水賦存方式5.2巖溶地下水徑流特征5.3均勻狀純可溶巖的河谷巖溶地下水垂直分帶5.4均勻狀純可溶巖的河谷巖溶水動力類型5.5巖溶地下水位5.6巖溶地區河流分類5.7巖溶地下水動態

1巖溶地下水賦存形式地下水賦存條件：是指地下水埋藏深度、分布范圍、含水層的類型、含水構造特點等條件。查明地下水的賦存條件包括：含水層的層數、分布的位置和深度,地下水的類型(潛水、承壓水、孔隙水、裂隙水、巖溶水),以及含水層受何種構造控制等。（1）裂隙水（2）溶蝕裂隙水（3）巖溶管道水（4）溶洞水

巖溶地下水的賦存形式5.2巖溶地下水徑流特征1.系統性

5.2巖溶地下水徑流特征2.孤立性

5.2巖溶地下水徑流特征2.孤立性

5.2巖溶地下水徑流特征3.懸托性

懸托性（1）非可溶巖造成的懸托非可溶巖不僅可造成地表水懸托，形成河水補給地下水的懸托，還可以造成地下水懸托，形成高位巖溶泉。

懸托性（2）弱可溶巖形成的懸托

懸托性（3）巖溶發育不均勻性造成的懸托，即可巖溶不透水巖體造成的懸托

懸托性（4）可巖溶不透水巖體與弱透水覆蓋層共同形成的懸托5.2巖溶地下水徑流特征4.變遷性（1）非可溶巖隔水作用產生或失去引起的變遷（2）當地排泄基準面變化引起的變遷（3）異地排泄基準面引起的變遷

變遷性（1）非可溶巖隔水作用產生或失去引起的變遷

變遷性（1）非可溶巖隔水作用產生或失去引起的變遷

變遷性（2）當地排泄基準面變化引起的變遷排泄基準面下降引起的變遷

變遷性（2）當地排泄基準面變化引起的變遷物理地質作用引起的變遷

變遷性（2）當地排泄基準面變化引起的變遷

在特定的地質條件下，由于河流溯源侵蝕作用跟不上地殼上升速度形成裂點；支流入注干流，由于侵蝕作用的差異形成懸谷。