中國北方巖溶水系統劃分與系統特征

梁永平, 王維泰

中國地質科學院巖溶地質研究所, 廣西桂林 541004

中國北方巖溶水系統劃分與系統特征

梁永平, 王維泰

中國地質科學院巖溶地質研究所, 廣西桂林 541004

中國北方巖溶水以相對獨立單元進行循環, 構成一系列規模不等的巖溶水系統。本文重點闡述兩方面的內容: 第一從基本概念出發, 劃分出 119個巖溶水系統, 這些系統以高度開放, 環境質量脆弱, 發育規模大, 資源要素構成多、各要素間轉化關系復雜, “水煤共存”為特點; 第二從巖溶水系統地質結構與巖溶水流場的疊置關系出發, 將119個系統歸結為5種系統模式, 各種模式在分布與發育規模, 巖溶地下水循環、富集, 巖溶地下水流場形態和主要巖溶水文地質環境問題等方面具有鮮明的特征。

中國北方; 巖溶水系統特征; 巖溶水系統模式

中國北方賀蘭山—六盤山以東, 陰山—沈陽以南, 淮河以北, 黃海-郯廬斷裂以西的華北地臺區內,分布有 68.5×104km2碳酸鹽巖面積(裸露區 7.78× 104km2, 覆蓋區8.74×104km2, 埋藏區51.95×104km2), 其中蘊藏有108.8×108m3/a的巖溶地下水資源(張宗祜等, 2004; 潘軍峰等, 2008; 侯光才等, 2008), 據不完全統計, 全區流量大于 0.1 m3/s的泉水有130余處。這些巖溶水以水量大, 動態穩定, 水質良好, 在北方城市供水、工農業生產, 特別在能源基地建設中發揮著支撐性作用。北方巖溶水主要以相對獨立、規模不等的巖溶水系統進行循環, 巖溶水系統控制著巖溶水地下水的循環、分布埋藏與富集規律, 控制著水化學分布特征, 控制著巖溶含水層脆弱性程度以及巖溶水文地質環境問題的類型、發展演化趨勢。因此, 多年來北方巖溶水的開發利用與管理多以系統進行, 在一些重要地區, 專門成立“泉域水資源管理處”等機構開展水資源管理。鑒于巖溶水系統在水資源開發利用與管理中的重要性, 以系統為對象開展的巖溶水系統劃分, 邊界位置及其水文地質性質, 系統結構類型、資源要素構成及其轉化關系, 巖溶水補、徑、蓄、排循環規律, 系統對人類開發利用活動響應等工作一直是北方巖溶水研究中的主要內容, 開展中國北方巖溶水資源系統劃分與特征規律總結具有重要意義。

1 北方巖溶水系統劃分

巖溶水系統早期也稱“巖溶水盆地”、“巖溶流域”, 很多地區因為以典型的巖溶大泉排泄, 也稱作“巖溶泉域”。其實質是對具有明確邊界、連續巖溶含水層、統一巖溶地下水流場、相對獨立循環的巖溶地下水匯集體的統稱。其匯集范圍不僅包括巖溶地下水資源補給范圍, 同時也包括與巖溶地下水具密切關系的其他類型地下水、地表水可控匯集區。中國北方巖溶水資源系統研究始于20世紀70年代末到 80年代初, 當時最具代表性的成果是 1982年由山西地礦局、水文地質工程地質研究所等單位完成的“山西娘子關泉域巖溶地下水資源評價及其開發利用研究科研報告”, 之后結合巖溶水源地勘探開發及水資源評價, 以系統思想在局部地區開展巖溶水系統研究的成果層出不窮(盧耀如等, 2006; 賀可強等, 2002)。再經過巖溶所韓行瑞等人的“山西巖溶大泉研究”(韓行瑞等, 1993), 地礦部、中國統配煤礦總公司、冶金部和有色金屬總公司聯合開展的“中國北方巖溶地下水資源及大水礦區預測、利用與管理研究”(劉啟仁等, 1989), 巖溶所及陜西第一水文隊的“陜西渭北西部黃土塬隱伏巖溶區地下水開發利用研究”(韓行瑞等, 2002)和地調局組織的“鄂爾多斯盆地地下水勘查”(侯光才等, 2008)等區域性項目成果的完成, 華北地臺區的巖溶水系統研究基本涵蓋了全部區域。通過對前人成果資料的全面分析總結并結合作者多年實踐工作積累, 將北方巖溶水初步劃分為119個系統, 具體如表1, 圖1。

表1 中國北方巖溶水系統匯總表Table 1 Generalized table of karst groundwater systems in northern China

續表1

續表1

巖溶水系統劃分所采用的方案大同小異, 但由于工作目的以及空間尺度不同有所差異。有些方案強調系統的級別, 從而出現了大系統、系統以及子系統的概念; 而另一些則注重于巖溶含水層系統,其邊界劃分主要關注巖溶含水層的分布埋藏而忽略與巖溶水密切相關的其他水資源類型的補排關系。本次劃分沒有考慮具有從屬關系的系統級別, 從巖溶水系統的概念出發進行劃分, 強調巖溶水邊界和補排關系的明確, 巖溶含水層的連續、巖溶地下水流場的統一、巖溶水系統水資源要素的有機關聯程度等要素。在巖溶水系統定名中,以巖溶泉水為主要排泄的系統按照代表性泉水名稱定名, 如: 某某泉域巖溶水系統; 而主要以非巖溶泉水(如側向潛流、垂向越流)排泄的系統則按照地名定名, 如: “某某地名巖溶水系統。系統劃分過程中除隔水邊界、地下分水嶺邊界外, 還采用了以下邊界:

● 地表分水嶺邊界。一些巖溶水系統內地表河流成為重要巖溶地下水補給源, 當這些地表流域范圍可控(不能比巖溶含水層系統大)且超出由巖溶含水層所確定的邊界范圍時, 將地表流域劃入巖溶水系統, 將流域分水嶺確定為地表分水嶺邊界。

● 巖溶含水層深埋滯流性邊界。本次劃分一般將碳酸鹽巖含水層埋藏深度達到1000 m、巖溶地下水循環緩慢的地帶, 確定為滯流性邊界。

● 潛流邊界。相對阻水但仍有一定量通過的邊界。

● 推測邊界。由于勘探、研究程度較低,一些不能確定具體位置或不能確定其水文地質性質的邊界。

2 北方巖溶水系統特征

從宏觀出發, 中國北方巖溶水系統最鮮明的特征表現在以下幾個方面:

2.1 系統規模大

全區119個系統(表1)平均為1452.46 km2, 最大的系統為跨越晉、陜、蒙三省區的天橋泉域巖溶水系統, 總面積13383 km2, 全區巖溶水系統面積大于10000 km2的有 2個、5000～10000 km2的 4個、1000～5000 km2的44個、100～1000 km2的64個、小于100 km2的5個。

2.2 系統水資源構成多, 轉化關系復雜

由于北方巖溶水系統發育規模大且具有高度開放性, 多數巖溶水系統內往往同時存在包括大氣降水、地表水、松散層孔隙地下水、碎屑巖裂隙地下水和巖溶地下水等多種水資源要素, 各水資源要素間存在直接或間接的復雜轉化關系。以娘子關泉域水資源系統為例, 系統總面積 7196 km2, 巖溶水不僅接收奧陶系碳酸鹽巖裸露區降水入滲補給, 同時桃河、溫河、南川河、松溪河、清漳河在系統上游碎屑巖區地表產流進入下游碳酸鹽巖區后對巖溶水形成滲漏補給, 各河上游碎屑巖區河谷沖洪積層孔隙含水層在進入碳酸鹽巖區后通過地下潛流形成對巖溶水的補給, 而西部晚古生代及中生代碎屑巖區裂隙地下水(包括采煤排出地表的礦坑水)排入河谷后, 到下游碳酸鹽巖段與地表水一道形成對巖溶地下水的間接滲漏補給(圖2)。

歸納全區巖溶水系統中巖溶水與系統內其他主要水資源要素間的轉化關系簡述如下。

2.2.1 巖溶水與地表水間的關系

在119個系統中有53個系統存在大量地表水滲漏補給。在鄂爾多斯盆地周邊22個系統中, 河流滲漏段的總長度達到近400 km(梁永平等, 2006)。橫跨晉、陜、蒙 3省區的天橋泉域的巖溶水系統, 黃河自內蒙古喇嘛灣流入泉域后, 自北向南穿切過天橋巖溶地下水系統, 流長190 km, 徑流過程中與巖溶地下水形成了三種補排關系: 第一種關系從泉域北界入口至偏關歐犁嘴, 長 60 km, 黃河接受東岸巖溶地下水補給并向西岸滲漏; 第二種關系為歐犁嘴向南至河曲路鋪段, 碳酸鹽巖出露段長約15 km, 黃河水位均高出兩岸巖溶地下水位, 河水滲漏補給巖溶地下水; 第三段從河曲龍口到保德天橋水庫段, 巖溶地下水通過碳酸鹽巖露頭段向上頂托排泄, 補給黃河水。

圖2 娘子關泉域巖溶水系統各水資源要素轉化關系示意圖Fig. 2 Sketch map of component elements and transformation relations in Niangziguan karst groundwater system

2.2.2 巖溶水與松散層孔隙水間的關系

汾渭地塹兩側多數巖溶地下水系統多由于山前斷裂帶相對阻水出露, 這些系統巖溶水為非全排性系統,部分巖溶地下水要越過斷裂帶進入盆地形成對松散層含水層的潛流補給。例如渭北地區扶風-禮泉巖溶水系統和袁家坡泉-溫湯泉-瀵泉泉域巖溶水系統部分巖溶水越過南側禮泉-雙泉-臨猗斷裂邊界形成渭河谷地南部巖溶熱水的重要補給源; 禹門口泉域巖溶水系統在張吳一帶、龍子祠泉域巖溶水系統在土門一帶都有潛流進入盆地孔隙含水層的巖溶水; 霍泉泉域巖溶水系統在廣勝寺出露泉水后還有0.1 m3/s潛流量進入下游盆地; 北部神頭泉域巖溶水系統的神頭泉本身是從朔縣盆地松散層中出流; 太原蘭村泉域山區巖溶地下水是盆地松散層西張水源地、北固碾水源地的重要補給源。

燕山山前的一畝泉域巖溶水系統、玉泉山泉域巖溶水系統、甘池泉域巖溶水系統、天津公樂泉域巖溶水系統同樣存在巖溶水向山前平原松散層的潛流排泄。而唐山巖溶水系統, 天然條件下巖溶地下水向上越流補給上覆松散層孔隙地下水, 由于巖溶地下水開采和采煤疏干, 使巖溶地下水形成漏斗,兩類地下水補排關系發生逆轉, 孔隙地下水向下越流補給巖溶地下水。

魯中多數巖溶水系統以及徐淮地區巖溶水對上覆松散層含水層存在側向潛流與向上垂向越流補給;而在魯中東部的平陰巖溶水系統、舊縣巖溶水系統、郭里集巖溶水系統, 巖溶水則接收松散層孔隙水的向下越流補給。

2.2.3 巖溶水與煤系地層構造裂隙水間的關系

太行山東南側的巖溶水系統, 山前斷裂使中奧陶統與石炭—二疊系煤系地層直接對接, 巖溶水與煤系地層中碳酸鹽巖夾層含水層以及碎屑巖裂隙含水層形成補排關系。

系統內巖溶地下水與其它水資源類型間各種形式的補排關系所體現出的開放性決定了其環境質量比較脆弱的基本特征。

2.3 多數為“水煤共存”系統

在119個系統中, 有83個系統中含有煤系地層(表1)。區內最重要的巖溶含水層為寒武—奧陶系碳酸鹽巖, 華北地臺在中奧陶世后期, 整體抬升為陸地并經歷了 1億多年的風化剝蝕過程, 到中石炭世后, 進入了海陸交互的成煤期, 沉積了石炭—二疊紀煤系地層, 使得煤系地層與中奧陶統碳酸鹽巖呈不整合接觸, 一般下層煤與巖溶含水層的垂直距離為20～60 m, 構造裂隙、陷落柱、采煤過程中形成的裂隙等通道以及礦坑排水進入碳酸鹽巖區的滲漏使巖溶水與煤系地層地下水間產生直接或間接的聯系, 構成了“水煤共存”系統。這些系統內的煤礦開采對巖溶水在數量和質量方面均會產生不同程度的影響。例如礦坑污水排放進入碳酸鹽巖滲漏區造成巖溶水的污染問題, 由于采煤產生地表下墊面改變使得產流性質發生變化, 從而影響到下游對巖溶水滲漏補給量的大小; 特別值得指出的是采礦發生突水事故, 溝通了巖溶水與坑道的聯系, 使得坑道空間系統成為巖溶水的循環空間, 礦坑將成為巖溶水永久污染源。采礦對巖溶水的影響不僅發生在采礦期間, 而且會發生在閉坑以后。

3 巖溶水系統模式特征

巖溶水系統模式作為區域巖溶水文地質的內容,脫胎于早期的蓄水構造。基于基巖地下水勘探開發的需要, 早在20世紀70年代, 劉光亞先生對基巖地下水各種蓄水構造進行過系統研究(劉光亞等, 1979),后來廖資生教授從地質結構與巖溶泉水排泄條件方面對北方巖溶水蓄水構造基本類型進行過闡述(廖資生等, 1978)。1989年開展的“中國北方巖溶地下水資源及大水礦區預測、利用與管理研究” 項目中(于浩然等, 1989), 韓行瑞研究員在考慮環境因素(指氣候、降水、巖溶含水層分布埋藏、地表水、地形地貌等)和地質結構因素基礎上將北方巖溶水系統劃分出11個模式, 這種劃分方案雖然考慮因素比較全面, 但因考慮因素復雜, 分類結果多, 同時也使得特點不突出而難于推廣應用。因此在本世紀初開展的“鄂爾多斯盆地地下水勘查”項目中, 從巖溶水系統的地質結構與巖溶水流場的疊置關系兩大要素出發,作者將鄂爾多斯盆地周邊巖溶水系統歸結為“順置式”、“逆置式”、“平行置式”、“平行疊置式”和“碎塊式”5種巖溶水系統模式(梁永平等, 2005)。這一成果在2005年開展的“山西省巖溶泉域水資源保護”項目中進行了推廣應用。本次劃分是在此方案基礎上, 考慮整個北方巖溶水系統模式類型, 并進行了部分修改后確定的。其模式類型歸為: “單斜順置型”、“單斜逆置型”、“走向型”、“向斜-盆地型”和“斷塊及其他型”5種(本方案除掉“平行疊置式”,增加了“向斜-盆地型”)。在具體劃分過程中, 對同時具有兩種結構模式類型特征的系統, 以其最接近的類型進行歸類, 而對研究程度低或暫時還難于歸類的都劃入了“斷塊或其他型”。最終劃分結果見表1、圖 1。各種系統模式結構, 巖溶地下水循環、富集特點及巖溶水文地質環境問題簡述如下。

3.1 “單斜順置型”系統特征

● 系統巖溶含水層傾角較緩, 呈一單斜結構;

● 巖溶地下水總體流向與地層傾向相同, 地下水流場形態多呈向主排泄點匯流的扇形;

● 降水入滲補給是系統巖溶地下水最重要的補給來源;

● 典型“單斜順置型”系統由隔水頂板阻水形成的溢流泉, 巖溶水排泄較為集中;

● 巖溶地下水在奧陶與煤系地層接觸面一帶富集, 大型系統往往在這一帶形成巖溶地下水強徑流帶;

● 完整的“單斜順置型”系統下游分布大面積石炭-二疊煤系地層承壓區, 是煤礦突水風險最大的一種類型。

“單斜順置型”系統在北方分布最普遍, 總數量達到49個, 系統平均面積1565 km2。主要分布在呂梁山西側、太行山前、豫西及魯中南地區。

3.2 “單斜逆置型”系統特征

● 系統巖溶含水層傾角較緩, 呈一單斜結構;

● 巖溶地下水總體流向與地層傾向相反, 地下水流場形態多呈向主排泄點匯流的扇形;

● 降水入滲補給和河流入滲補給共同構成系統巖溶地下水的主要補給來源;

● 典型“單斜逆置型”系統由隔水底板(很多系統為相對隔水的下奧陶統)阻水形成的侵蝕下降泉,巖溶水排泄相對較為分散;

● 巖溶地下水在奧陶系與煤系地層接觸面一帶富集, 大型系統往往在這一帶形成巖溶地下水強徑流帶;

● 完整的“單斜逆置型”系統上游大面積分布石炭-二疊煤系地層, 采煤形成的礦坑排水將通過下游河流滲漏段形成對下游巖溶水的補給, 采煤活動對巖溶水質和量影響明顯。

“單斜逆置型”系統的特點在許多方面與“單斜順置型”系統是相反的。在北方分布系統總數量19個, 平均面積在各類型中最大, 為2595 km2。主要分布在太行山西側、汾渭地塹西北一側。

3.3 “走向型”系統特征

● 系統巖溶含水層傾角較陡, 呈一單斜結構;

● 巖溶地下水總體流向與地層走向平行, 地下水流場形態多呈矩形;

● 系統補給方式相對單一, 一般為降水入滲補給, 碳酸鹽巖出露面積小, 補給量有限;

● 典型“走向型”系統一般在沿巖溶含水層走向的傾伏端以泉水形式排泄, 排泄點比較集中;

● 石炭-二疊煤系地層分布在系統一側, 部分系統存在煤礦突水問題。

“走向型”系統主要分布在構造變形強烈的鄂爾多斯盆地西緣南北古脊梁帶地區、燕山地區、淮南地區和豫西地區。系統總數17個, 一般系統構成面積較小, 平均541 km2。

3.4 “向斜-盆地型”系統特征

●“向斜-盆地型”系統是由比較完整的小型斷陷盆地或向斜構造構成的系統;

● 地下水流與地表水流具有向盆地中心匯集的一致態勢, 地下水流場形態平面上呈同心圓狀;

表2 巖溶水系統模式特征匯總表Table 2 Characteristics of framework models

● 巖溶地下水一般沿盆地中部或向斜軸部的河流富集排泄, 排泄點分布比較分散;

● 巖溶地下水與松散層孔隙地下水及地表水間存在較為復雜的補排關系, 農業施肥容易對其造成污染。

全區劃出“向斜-盆地型”系統共20個, 平均面積1201 km2。主要分布在太行山與燕山山脈接壤區,燕山山前, 太子河流域, 在魯中山區也有少量分布。

3.5 “斷塊及其他型”系統特征

巖溶含水層多成數量不等的平緩的斷塊產出,系統補排關系多樣, 難于歸納出明顯特點的一些系統。這類系統全區共有14個, 平均面積1014 km2。

歸納以巖溶泉水為主要排泄形式的前4種巖溶水系統模式的主要特征, 如表2。

4 結論

1. 中國北方初步劃分出119個相對獨立循環的巖溶水系統。

2. 中國北方巖溶水系統以發育規模大, 資源要素構成多、轉化關系復雜, 水煤共存為特點。

3. 北方巖溶水系統可概括為“單斜順置型”、“單斜逆置型”、“走向型”、“向斜-盆地型”和“斷塊及其他型”5種系統結構模式。各種系統結構模式巖溶水在循環、富集, 巖溶水文地質環境問題等方面具有鮮明的特色。

系統結構模式與系統環境質量脆弱性、巖溶地質環境問題發展演化間存在著內在的聯系, 系統結構模式的分類將在系統巖溶水文環境問題的成因機制分析研究中發揮重要作用。

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The Division and Characteristics of Karst Water Systems in Northern China

LIANG Yong-ping, WANG Wei-tai
Institute of Karst Geology, CAGS, Guilin, Guangxi 541004

In northern China, karst groundwater cycles in relatively isolated units and has formed a series of water resource systems on different scales. This paper deals emphatically with problems of two aspects. First, starting with the basic concept, the authors divided the karst groundwater in northern China into 119 systems. These systems are characterized by high openness, vulnerable environmental quality, large dimensions, numerous water resource elements, complex conversion relations of the water resource elements and “water-coal coexistence”. Second, according to the superimposition relationship of geological structures and fluid fields, the authors grouped the 119 systems into 5 different framework models and described their respective distinct characteristics in distribution, development scale, cycling and enrichment regulations, fluid field patterns and main hydro-geological environments.

northern China; karst groundwater system characteristics; framework types of karst groundwater system

P641.133; P641.13

A

1006-3021(2010)06-860-09

本文由國土資源部公益性行業科研項目“中國北方巖溶區地下水環境問題成因機制與保護對策研究”(編號: 200811022)資助。

2010-05-07; 改回日期: 2010-08-27。責任編輯: 閆立娟。

梁永平, 男, 1962年生。研究員。長期從事中國北方巖溶地下水調查與研究工作。E-mail: lyp0261@sina.com。